西南科技大學(xué)本科工程地質(zhì)7活斷層和地震工程地質(zhì)研究1

1、工程地質(zhì)學(xué)ENGINEERING GEOLOGY主講人：劉歲海主講人：劉歲海lecturerlecturer：Liu SuihaiLiu Suihai 活斷層工程地質(zhì)研究活斷層工程地質(zhì)研究Engineering geology study of active fault 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 概述 活斷層基本特征 活斷層鑒別標(biāo)志 活斷層調(diào)查研究方法 活斷層區(qū)建筑原則第一節(jié)概述第一節(jié)概述 活斷層（活斷層（active faultactive fault）：一般是指現(xiàn)今現(xiàn)今正在活動的斷層，或近期近期曾活動過、不久將來不久將來可能重新活動的斷層。后者也稱為潛在活斷層潛在活斷層(potentially a

2、ctive fault)。 斷層斷層是地殼構(gòu)造運動的重要形跡。有的斷層形成于較晚時期，在形成以后受到晚期構(gòu)造背景條件控制，仍保持著活動的活動的特征。 早在十八世紀(jì)，人們從地震活地震活動與斷層活動的關(guān)系動與斷層活動的關(guān)系漸漸意識到斷斷層的活動性特征層的活動性特征，經(jīng)過幾個世紀(jì)的研究，對活斷層的特征有了比較深入的認(rèn)識。 活斷層受控于板塊構(gòu)造活斷層受控于板塊構(gòu)造 全球構(gòu)造（板塊構(gòu)造）理論的基本點是，全球劃分為六個剛性的巖石圈板塊在軟流層之上漂移，不斷地運動。 中國大陸新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形的主要動力源：板塊邊界的板塊邊界的作用力作用力 變形變形呈彌散型 (千公里以上)，集中在不同次級塊體的邊界上，具相

3、對低的運動速率(小于10mm/a)。 次級塊體內(nèi)部變形微弱或整體運動 邊界帶邊界帶常常是地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理的結(jié)構(gòu)面，絕大多數(shù)大陸地震發(fā)生在活動帶上。來自板塊邊界的作用力是中國大陸新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形的主要動力源來自板塊邊界的作用力是中國大陸新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形的主要動力源研究表明，印度板塊與歐亞板塊于始新世末，即大約3800萬年前相互碰撞，此后印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進(jìn)，強(qiáng)力地推擠著歐亞板塊, 板塊接觸帶的兩個端點位于察隅和伊斯蘭堡附近。在碰撞擠壓過程中歐亞板塊內(nèi)產(chǎn)生了塑性或粘性流動變形。印度洋板塊青藏高原 關(guān)于活斷層的定義，目前為止沒有完全統(tǒng)一。主要關(guān)于過去活斷層歷

4、史時間的上限界定問題看法不一，不同部門、不同國家都存在差別。巖土工程勘察規(guī)范巖土工程勘察規(guī)范 全新活動斷裂全新活動斷裂：全新世（10000）年內(nèi)有過活動或近期正在活動，在將來（100年）可能繼續(xù)活動的斷裂。 發(fā)震斷裂發(fā)震斷裂：近期（500年）發(fā)生過5級以上地震，或在未來100年內(nèi)預(yù)測可能發(fā)生5級以上地震的斷裂。水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 活斷層活斷層：最后一次錯動距今10-15萬年（晚更新世）的斷層。 美國原子能委員會美國原子能委員會（USNRC）的定義： （1）在3.5萬年內(nèi)有過一次或多次活動的斷層 （2）與其他活動斷層有聯(lián)系的斷層 （3）沿該斷裂發(fā)生過蠕動或微震活動活

5、斷層工程地質(zhì)研究意義活斷層工程地質(zhì)研究意義 活斷層的活動可視為一類地質(zhì)病害地質(zhì)病害，可以對建筑物產(chǎn)生破壞作用而致害破壞作用而致害。從這個意義上講，活斷層的工程地質(zhì)研究就是要研究活斷層與工程建筑的關(guān)系研究活斷層與工程建筑的關(guān)系，評價其對建評價其對建筑物的破壞作用筑物的破壞作用。 活斷層錯動變形對建筑物的直接破壞; 活斷層對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響，如地震、區(qū)域地殼穩(wěn)定、水庫地震等?；顢鄬庸こ痰刭|(zhì)研究意義活斷層工程地質(zhì)研究意義地震地震Cypress Freeway Structure, Oakland Loma Prieta Earthquake, 1989San Francisco City Hall

6、, 1906振動液化（振動液化（ Liquefaction Liquefaction ）.El Centro, CA,1979Loma Prieta, CA,1989海嘯（海嘯（ Tsunami）2004年12月27日，在海嘯襲擊了位于泰國南部的克拉比省知名的旅游勝地菲菲島之后滿目瘡夷的景象。中間凹陷部分為印度洋大地震給海床烙上的“傷疤” 據(jù)最新一期的自然雜志文章報道，英國專家利用高清晰度的多束激光聲吶對海底進(jìn)行了掃描，這些圖片顯示，受地震影響，印度洋海底中高達(dá)1500米的山脊已出現(xiàn)了巨大的倒塌，并形成數(shù)公里寬的山崩地段。科學(xué)家初步評估，地震發(fā)生時，印度和緬甸兩塊板塊構(gòu)造突然運動相碰時，印度板

7、塊構(gòu)造被向下擠壓，造成海床隆起一道山脊，海水因此向上涌出，結(jié)果引發(fā)了2004年12月26日發(fā)生的東南亞大海嘯。（垂直斷錯1.5米）蠕滑，左旋斷錯十二毫米（碑前） 對活斷層進(jìn)行研究，充分掌握其活動特征活動特征，合理評價其對工程的影響，有時可以安全有效地降低工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省投資。 如黃河小浪底工程壩址區(qū)半徑30公里內(nèi)有8條大斷裂，其中王良斷裂在壩下游6.5公里，斷層發(fā)生在Q1Q2期間，斷層泥熱釋光法測年齡：15.4-18.3萬年，37.4-53.2萬年，Q2的中后期，Q3以來再未活動過?？拐鹪O(shè)計：9級8級，水平加速度：0.3伽0.215伽，節(jié)約至少2億元。TQ1Q2圖2.1-2小浪底水庫及鄰區(qū)第

8、四紀(jì)活動斷層分布圖350034401113011200112303500113003440113001123011200111306.751815.10.235.51965.1.135.11965.1.1551820.10三門峽市三門峽石祁家河坡頭古城安窩澠池縣柳泉宜陽縣李村新安縣馬屯石井下冶濟(jì)源縣辛莊坡頭龍門顧縣偃師縣鞏義孟縣趙和沁陽縣洛陽市大壩131415712652319108圖例斷層隱伏或推測斷層逆斷層正斷層1815.10.236.75震級年月日13斷層編號說明:11023114125136147158石井河斷層小南莊斷層五指嶺斷層 盤古寺斷層連地斷層焦洛斷層王良斷層城崖地斷層坡頭斷層

9、宜陰斷層霍村斷層石家溝斷層塔底斷層駕桑斷層封門口斷層孟津縣11小浪底及鄰區(qū)第四紀(jì)活動斷層分布圖小浪底及鄰區(qū)第四紀(jì)活動斷層分布圖 本節(jié)主要介紹活斷層的類型與活動方式、繼承性與反復(fù)性、長度與斷距、錯動速率與周期。第二節(jié)活斷層的基本特征第二節(jié)活斷層的基本特征一、活斷層的類型一、活斷層的類型 1、按照位移方向與水平面位移方向與水平面的關(guān)系 （1）正斷型活斷層正斷型活斷層 差異升降活動為它的斷陷盆地邊緣。下降盤分支斷層多見，形成地塹式的正斷層組合。 （2）逆斷型活斷層逆斷型活斷層 多分布于板塊碰撞擠壓帶。上盤變形帶大，出現(xiàn)多分支斷層。 （3）走滑型活斷層走滑型活斷層 常分布于大陸內(nèi)部的地塊之間的接觸部位

10、，水平錯動量大，斷層帶寬度不大，很少分支斷裂。逆斷型活斷層逆斷型活斷層：世界上許多大的地震都是伴隨逆斷層錯動產(chǎn)生的，如日本島弧一系列大的地震即是由太平洋板塊向歐亞板塊俯沖而產(chǎn)生；我國西部地區(qū)的喜馬拉雅山、天山和祁連山等山前巨大的逆斷層，頻頻發(fā)生地震。 正斷型活斷層正斷型活斷層：太平洋、大西洋和印度洋的中脊即為世界上規(guī)模最大的活動正斷層。大陸上著名的活動正斷層有東非裂谷帶、美國西部大盆地省、歐洲萊菌地塹、蘇聯(lián)貝加爾裂谷帶等。我國的活動正斷層主要分布于東部地區(qū)，主要有汾渭地塹、銀川地塹、太行山東緣斷裂等。 走滑型活斷層走滑型活斷層：世界上最著名的活動平移斷層有美國加州的圣安德列斯斷層帶、土耳其安納

11、托利亞斷層帶、新西蘭阿爾卑斯斷層帶等。在我國，此類活斷層最多，它們主要分布于西南和西北地區(qū)，其規(guī)模巨大，如鮮水河斷裂、小江斷裂、紅河斷裂、阿爾金斷裂、阿尼瑪卿斷裂、喀依爾特-二臺斷裂、班公湖斷裂等。 2、按斷層的主次關(guān)系主次關(guān)系將活斷層分為主斷層主斷層(main fault)、分支斷層分支斷層(branch fault)和次級斷層次級斷層(secondary fault)。 次級斷層實際上仍屬主斷層的分支，對于逆斷層和正斷層來說它主要產(chǎn)生在上盤，而平移斷層是很少有次級斷層伴生的。（1）粘滑型活斷層粘滑型活斷層(stick-slip fault)間歇性突然滑動，常伴有地震活動，也稱為地震斷層(e

12、arthquake fault) 發(fā)生在強(qiáng)度較高的巖石中，斷層帶鎖固能力強(qiáng)，危害大發(fā)震斷裂特征：深斷裂，裂谷，板塊接觸帶（2）蠕滑型活斷層蠕滑型活斷層(creeping fault) 沿斷層面兩側(cè)巖層連續(xù)緩慢地滑動發(fā)生在強(qiáng)度較低的軟巖中，斷層帶鎖固能力弱一般無震發(fā)生，有時可伴有小震 二、活斷層的活動方式二、活斷層的活動方式 活動斷層的產(chǎn)狀要素、長度產(chǎn)狀要素、長度等均是重要的幾何要素幾何要素，可以通過勘探等手段得到確定。而活動斷裂重新活動重新活動往往并非全斷裂都活動，而是部分段部分段的活動，這里斷層長度斷層長度是指現(xiàn)活動段長度及兩旁相應(yīng)的錯斷距離。 在關(guān)于活斷層的建筑設(shè)計及有關(guān)穩(wěn)定性的分析論證時

13、，需要了解斷層活動段斷層活動段長度長度L L和斷距和斷距D D。 對于歷史活斷層長度和斷距，可以從被錯動的形跡得到，而對于潛在活斷層，要根據(jù)有關(guān)方面進(jìn)行預(yù)測。 一般認(rèn)為，活斷層地表產(chǎn)生的斷裂長度與震源體處斷裂長度相一致活斷層地表產(chǎn)生的斷裂長度與震源體處斷裂長度相一致。通常是根據(jù)活斷層可能產(chǎn)生最大地震震級M，利用統(tǒng)計經(jīng)驗方式及查表確定L和D。 三、斷層活動段的長度和斷距三、斷層活動段的長度和斷距如下關(guān)系圖也可以作為確定如下關(guān)系圖也可以作為確定L L、D D時使用時使用有的情況下，可以采用數(shù)字分析數(shù)字分析（如有限元）方法確定斷層長度及斷距。斷層長度1數(shù)百公里不等，一般小于5.5級地震很少產(chǎn)生地表錯

14、動?；顢鄬拥卣鸹顒邮欠裨诘乇盹@現(xiàn)形跡，與地表覆蓋層厚度、震源深度及震級有關(guān)。一般覆蓋層厚度大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震級小于6級條件下，很少出現(xiàn)地表斷裂現(xiàn)象。活斷層錯動速率及相應(yīng)周期錯動速率及相應(yīng)周期是表明活斷層的活動強(qiáng)度活動強(qiáng)度的指標(biāo)，是地震強(qiáng)度的重要資料。 1、錯動速率錯動速率錯動速率是指斷層年錯動位移量，一般是用若干年總的錯動量計算得到，因而也稱平均錯動速率。分為水平和垂直分量。斷層錯動速率從二個方面獲得：（1）、精密地形變測量是研究現(xiàn)今活動斷裂的有效方法。我國許多著名活斷層均設(shè)有精密水準(zhǔn)、三角測量、激光測距等量測工作。 有了量測數(shù)據(jù)，便可以計算錯動速率。 四、錯

15、動速率和活動周期四、錯動速率和活動周期（2）、根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)年代及錯動量來獲得 研究夷平面、階地、水系、斷崖、土層等，通過測量錯動量及相對年齡，可以計算出平均錯動速率。等級AAAAA AB BC CD D錯動速率(/a)101100.110.010.10.01活動性極強(qiáng)強(qiáng)弱微非活動麗江斷裂缺失的沉積物多次運動老沉積物C14=2.51萬年47m2 2、錯動周期、錯動周期 斷層兩次錯動之間的時間間隔定義為活斷層錯動周期R。 斷層運動是地質(zhì)體能量積累釋放的結(jié)果，顯然能量積累要經(jīng)歷一個時期，積累的過程斷層處于平靜期積累的過程斷層處于平靜期（休眠期），釋放的過程為活動期釋放的過程為活動期。斷層表現(xiàn)

16、為活動平衡再活動的周期恢復(fù)。 對于粘滑型斷層，一次錯動對應(yīng)的是一次地震活動。 錯動周期確定： 按地殼應(yīng)變速率（這是近似當(dāng)成斷層平均錯動速率）S及一次地震錯動量d計算R。 根據(jù)2次地震條件、時間間隔確定 根據(jù)地震震級及錯動速率，由經(jīng)驗統(tǒng)計式計算)0 . 4(6 . 0LOGSMLOGR 按上式計算，對于S110mm/a的A級活斷層，當(dāng)發(fā)生M78的地震時，R1000年。 許多人研究了震級M、錯動速率S與錯動周期的關(guān)系；建立了許多統(tǒng)計關(guān)系。如日本的松田時彥對日本斷層錯動與地震震級關(guān)系時，得到lgd=0.6M-4.0,錯動周期是R=d(錯移量)/s(錯動速率)，即有 根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)錯動證據(jù)，結(jié)合

17、年齡測定確定周期。活斷層活動周期一般在活斷層活動周期一般在12千年左右，少數(shù)上萬年或千年左右，少數(shù)上萬年或幾百年。幾百年。地塹黃土4200aW1W2C142700a820a北天山西部喀什河斷裂F1F2三次運動：三次運動： 第一次（第一次（4200a）上盤塊體下滑，）上盤塊體下滑， 產(chǎn)生張裂縫，堆積產(chǎn)生張裂縫，堆積W1 第二次（第二次（2700a）上盤繼續(xù)下滑，）上盤繼續(xù)下滑， 產(chǎn)生拉張裂縫，將產(chǎn)生拉張裂縫，將W1拉開，途中拉開，途中 堆積堆積W2 第三次（第三次（820a）繼續(xù)下滑，出現(xiàn)）繼續(xù)下滑，出現(xiàn)F2 斷裂，將斷裂，將W2錯斷（垂直距離錯斷（垂直距離0.6m）周期：一次周期：一次二次二次

18、 4200-2700=1500年年 二次二次三次三次 2700-820=1880年年速度：速度： 二次二次三次三次 0.618800.75mm/a北天山西部喀什河斷裂 斷層活動與否要通過一些標(biāo)志加以鑒別。鑒別有直接測定活動物質(zhì)年齡的方法，也可以從有關(guān)的地質(zhì)、地球物理等現(xiàn)象間接判斷。 間接鑒別標(biāo)志有如下幾個方面： 一、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)標(biāo)志 二、歷史地震及歷史期地震錯動標(biāo)志 三、微地震測量及地形變檢測標(biāo)志 四、地球物理標(biāo)志第三節(jié)活斷層的鑒別標(biāo)志第三節(jié)活斷層的鑒別標(biāo)志地質(zhì)方面地質(zhì)方面只要是見到第四系中、晚期第四系中、晚期的沉積物被錯斷，均視斷層為活斷層。如寧夏賀蘭山東麓的活斷層，在賀蘭口村一帶錯

19、開了第四紀(jì)中更新世至全新堆積的所有洪積物，落差大于50m，還形成了刀切似的直線形斷崖。 最新沉積物被錯斷最新沉積物被錯斷地質(zhì)方面地質(zhì)方面 只要是見到第四系中、晚期第四系中、晚期的沉積物被錯斷，均視斷層為活斷層。如位于汾渭地塹中段的平遙活斷層，錯斷晚更新世中晚期的黃土，以及早中期更新世地層，斷距4050m。 最新沉積物被錯斷最新沉積物被錯斷 斷層破碎帶構(gòu)造形跡斷層破碎帶構(gòu)造形跡 活動斷層因其形成時間較晚，一般表現(xiàn)為構(gòu)造帶物質(zhì)欠固結(jié)、欠膠結(jié)狀構(gòu)造帶物質(zhì)欠固結(jié)、欠膠結(jié)狀態(tài)，較為松散態(tài)，較為松散。另外，表現(xiàn)出脈體變形被切斷，構(gòu)造巖片理化，透鏡化，斷面新鮮無風(fēng)化，第四系物質(zhì)牽引彎折等。斷層礦物的顯微變形

20、出現(xiàn)顯微組構(gòu)（如不等顆粒拉長等） 伴有地震現(xiàn)象地震現(xiàn)象的活斷層，地表出現(xiàn)斷層陡坎和地裂縫 如，日本丹那斷層帶，地震產(chǎn)生很多地裂縫，呈雁形排列 不同地貌單元突然相接，或兩邊沉積物厚度顯著差別不同地貌單元突然相接，或兩邊沉積物厚度顯著差別 例如，隆起山區(qū)與斷陷盆地突然相接。一次錯動量大的活斷層，沿線分布斷層三角面、斷層崖、陡坎、埡口、“V型谷”等 地貌單元的分解和異常地貌單元的分解和異常 例如，河流階地、山脊、水系、夷平面、坡洪積扇等地貌單元由于活斷層作用，使其產(chǎn)生錯斷、分解 活斷層作用使正常發(fā)育的地貌系統(tǒng)出現(xiàn)異常形態(tài)或特殊地貌景觀。如斷層帶一側(cè)，河流的同步肘狀拐彎、寬窄變異，斷層下降盤一側(cè)線狀排

21、列的洪積群、泥石流、滑坡、串珠狀洼地等。地貌方面地貌方面湖沼下降盤沖溝沖溝沖溝山脊右旋位錯水文地質(zhì)方面水文地質(zhì)方面 由于斷層帶構(gòu)造物質(zhì)松散，容易形成強(qiáng)導(dǎo)水帶強(qiáng)導(dǎo)水帶，因而活斷層帶一線分布泉水、溫泉，出現(xiàn)植被發(fā)育現(xiàn)象。也由于活斷層為深大斷裂，深循環(huán)水將導(dǎo)致水的化學(xué)異常。 地物錯斷地物錯斷對古代建筑物破壞、錯斷、掩埋等情況調(diào)查，可以幫助判斷活斷層當(dāng)時的錯距等情況。 微震及地形變測量微震及地形變測量 自70年代以來，我國地震部門在一些重要地區(qū)設(shè)置了密集的地震臺網(wǎng)，監(jiān)測微震震中位置用以判別活斷層，尤其在一些大型的、著名的活斷層地區(qū)布置監(jiān)測臺站，取得了一系列監(jiān)測資料。它是研究現(xiàn)代地震活斷層的最直接有效的方法，但其費時、代價高，不能作為研究活斷層的主要工具。采用精密水準(zhǔn)測量和三角測量在可能活動斷層兩側(cè)進(jìn)行地形變測量，可以有效地獲得斷層活動性的有關(guān)證據(jù)。 斷層的現(xiàn)代活動，必然導(dǎo)致斷層帶內(nèi)產(chǎn)生物理、化學(xué)變化，其中如斷層氣、放射性異常；重力、磁力、地溫等物理異常。通過測量分析，可以間接作為活斷層的佐證。地球化學(xué)及地球物理標(biāo)志地球化學(xué)及地球物理標(biāo)志第四節(jié)活斷層的調(diào)查研究方法第四節(jié)活斷層的調(diào)查研究方法通過有效的調(diào)查、分析，才能確定斷層的活動性證據(jù)，進(jìn)而確定活斷層的位置、展布方向、活動特征等。通常采用的