第七章活斷層和地

第七章活斷層和地震工程地質(zhì)研究第一節(jié)

概述活斷層和地震是兩種密切相關(guān)的工程動(dòng)力地質(zhì)作用，在工程地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)將活斷層和地質(zhì)活動(dòng)所產(chǎn)生的工程地質(zhì)影響。稱為‘區(qū)域地殼穩(wěn)定性問(wèn)題’據(jù)活斷層的活動(dòng)方式和特點(diǎn)分為1）蠕滑斷層（2）粘滑斷層，產(chǎn)生地震（地震斷層）

地震帶與活斷層有關(guān)。1．絕大多數(shù)強(qiáng)震震中分布于活斷層帶內(nèi)。我們知道全球有兩個(gè)大的地震帶：環(huán)太平洋帶和地中海一喜馬拉雅帶。兩者釋放的能量占全球地震總能量的95%，而這兩個(gè)帶部是活動(dòng)的板塊邊界大斷層帶。2．世界上著名的破壞性地震所產(chǎn)生的地表新斷層與原來(lái)存在的斷層走向一致或完全重合。3．在許多活動(dòng)斷層上都發(fā)現(xiàn)了古地震（指有儀器記錄以前的地震）及其重復(fù)現(xiàn)象。每一發(fā)震斷層上的重復(fù)時(shí)間從幾百年至上萬(wàn)年。我國(guó)建國(guó)以來(lái)受災(zāi)損失最大的唐山地震，在斷層上也發(fā)現(xiàn)了古地震現(xiàn)象。這告訴我們：不僅是現(xiàn)在，而且過(guò)去的地震也是沿?cái)鄬臃植嫉摹?．大多數(shù)強(qiáng)震的極震區(qū)和等震線的延長(zhǎng)方向和當(dāng)?shù)財(cái)鄬幼呦蛞恢?。大地震的前震和余震也沿?cái)鄬泳€性分布。說(shuō)明：地震帶與活斷層有著成因上的密切聯(lián)系。因此可通過(guò)地震帶發(fā)現(xiàn)和研究活動(dòng)斷層帶，而活動(dòng)斷層帶的存在和斷層作用又是產(chǎn)生地震和地震常成帶分布的根本原因。第二節(jié)活斷層一、活斷層的概念及研究意義活斷層：是指現(xiàn)今在持續(xù)活動(dòng)的斷層，或近期曾經(jīng)活動(dòng)過(guò)，極有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)重新活動(dòng)的斷層。后一種也可稱為潛在活斷層確定活動(dòng)地層的時(shí)間上限問(wèn)題有的主張晚更新世以內(nèi)3.5百萬(wàn)年，有的主張全新新世以內(nèi)。我國(guó)規(guī)定潛在活斷層的時(shí)間上限，鐵路線為1萬(wàn)年．高壩和核電站為5萬(wàn)年。活斷層對(duì)工程建筑物的影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面：1．是活斷層的地面錯(cuò)斷直接損害跨越該斷層修建的建筑物；有些活斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)附近伴生的地面變形，也會(huì)影響到鄰近建筑物。2．是伴有地震發(fā)生的活斷層，強(qiáng)烈的地面振動(dòng)對(duì)較大范圍內(nèi)建筑物的損害。

總之，建設(shè)時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)活斷層?？拷f金山第六街的布魯克桑姆街路面出現(xiàn)了深深的地裂縫并有明顯的垂直位錯(cuò)海城縣析木公社近SN向和近EW向鋸齒狀地裂縫,具有左旋扭動(dòng)性質(zhì),位移36cm二、活斷層的基本特征基本特征主要包括：活斷層的類(lèi)型與活動(dòng)方式、活斷層的繼承性與反復(fù)性、活斷層的長(zhǎng)度與斷距、活斷層的錯(cuò)動(dòng)速率與錯(cuò)動(dòng)周期，分述如下：（一）活斷層的類(lèi)型與活動(dòng)方式1、活斷層的類(lèi)型及特征：

活斷層類(lèi)型、特征一覽表

1）走向滑動(dòng)或平移斷層

最大、最小主應(yīng)力近于水平，所以兩者之間的最大剪應(yīng)力面—斷層面近于直立，其地表出露線平直，表現(xiàn)為極窄的直線形斷崖。主要是斷層面兩側(cè)相對(duì)的水平運(yùn)動(dòng)，相對(duì)的垂直升降很小。河流最易于沿這種斷層發(fā)育，水工建筑物也就最易于受到這種活斷層的威脅。如斷層與壩軸線小角度斜交，由于斷層錯(cuò)動(dòng)而造成的心墻拉開(kāi)寬度可以相當(dāng)大(圖4－4)。

世界上有名的走向滑動(dòng)型活斷層有：（1）美國(guó)加州的圣安德烈斯斷層系；（2）土耳其安納托利亞斷層系；（3）新西蘭的阿爾卑斯斷層系等。我國(guó)的活斷層也以走滑型最多，特別是西南和西北，有些規(guī)模非常巨大：例如阿爾金山斷裂，鮮水河斷裂，紅河斷裂都是我國(guó)西部長(zhǎng)達(dá)數(shù)百到數(shù)千公里的活動(dòng)著的走滑斷裂。這些斷層的水平錯(cuò)動(dòng)往往在地形上留下明顯跡象，尤以對(duì)水系的錯(cuò)動(dòng)改造最為明顯。2）逆斷層 最大主應(yīng)力近于水平，最小主應(yīng)力近于垂直，走向垂直于最大主應(yīng)力的斷層面與水平面夾角一般小于45o，往往為20－40o。斷層面兩側(cè)的點(diǎn)之間的距離總是由于位移而縮短。上盤(pán)除上升外還往往伴以多個(gè)分支或次級(jí)斷層的錯(cuò)動(dòng)(圖4－6)。例如1971年美國(guó)圣費(fèi)爾南多地震時(shí)使圣費(fèi)爾南多斷層(逆斷層)產(chǎn)生逆沖錯(cuò)動(dòng)。下降盤(pán)無(wú)地表變形及破裂，上升盤(pán)抬升近2m以上，并有強(qiáng)烈變形，許多小的次級(jí)斷層。圖b為探槽Tc10剖面素描圖。G5-G1表示晚更新世晚期暗灰色砂礫石層，S0-全新世暗棕色含礫砂土層，S1-暗棕色重力堆積含礫粉砂土；G7-為地震崩積楔。BDT1-1~BDT1-4為測(cè)年樣品編號(hào)，7.0ka與8.7ka表示光釋光年齡，揭示較早一期古地震發(fā)生時(shí)代為7.0ka。圖例說(shuō)明：1-土壤層；2-黃褐色粉砂質(zhì)粘土；3-細(xì)礫石層；4-粗礫石層；5-地震楔；6-地震斷層。3）正斷層

由于最大主應(yīng)力近于垂直最小主應(yīng)力近于水平，所以，走向垂直于最小主應(yīng)力且與最大主應(yīng)力呈銳角的斷層面與水平面夾角大于45o，一般為60－80o。在錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中，垂直斷面走向的水平方向有所伸長(zhǎng)。伴隨這類(lèi)斷層活動(dòng)的變形(下沉)和分支斷層錯(cuò)動(dòng)，主要集中于下降盤(pán)(圖4－7)。與河谷平行斷面傾斜的正斷層，可以使攔河壩產(chǎn)生比其它形式斷層運(yùn)動(dòng)更寬的初抬裂縫(圖4－8)。石崗大壩全長(zhǎng)700m,臺(tái)灣1999.9.21地震中被斷層切錯(cuò)2、活斷層的活動(dòng)方式：

活斷層的活動(dòng)方式基本有兩種：一種是以地震方式產(chǎn)生間歇性地突然滑動(dòng)，這種斷層稱地震斷層或粘滑型斷層;一種是沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)巖層連續(xù)緩慢滑動(dòng)，這種斷層稱蠕變斷層或蠕滑型斷層粘滑型活斷層的圍巖強(qiáng)度高，斷裂帶鎖固能力強(qiáng)，能不斷積累應(yīng)變能，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度極限后產(chǎn)生突然滑動(dòng)，迅速而強(qiáng)烈地釋放應(yīng)變能，造成地震。所以，沿這種斷層往往有周期性的地震活動(dòng)。蠕滑型活斷層主要發(fā)育在圍巖強(qiáng)度低，斷裂帶內(nèi)含有軟弱充填物，或孔隙水壓、地溫的高異常帶內(nèi)，斷裂帶鎖固能力弱，不能積累較大的應(yīng)變能，在受力過(guò)程中易于發(fā)生持續(xù)而緩慢地滑動(dòng)。斷層活動(dòng)一般無(wú)地震發(fā)生，有時(shí)可伴有小震。（二）活斷層的繼承性與反復(fù)性

活斷層往往是繼承老的斷裂活動(dòng)的歷史而繼續(xù)發(fā)展的，而且現(xiàn)今發(fā)生的地面斷裂破壞的地段過(guò)去曾多次反復(fù)地發(fā)生過(guò)同樣的斷層運(yùn)動(dòng)。我國(guó)活斷層的分布，主要繼承了中生代和第三紀(jì)以來(lái)斷裂構(gòu)造格架。在現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)的作用下，東部以正斷層和走滑正斷層為主，西部則以走滑和逆沖走滑斷層為主。（三）活斷層是深大斷裂的復(fù)活產(chǎn)物活斷層往往是地質(zhì)歷史時(shí)期產(chǎn)生的深大斷裂，在挽近期及現(xiàn)代地殼構(gòu)造應(yīng)力條件下重新活動(dòng)而產(chǎn)生的。深大斷裂指的是切穿巖石圈、地殼或基底的斷裂．其延伸長(zhǎng)度達(dá)數(shù)十、數(shù)百、甚至數(shù)千公里，切割深度數(shù)公里至百余公里。復(fù)活運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志是地震活動(dòng)和地?zé)崃鳟惓５龋绕涫悄切┳呋突顢鄬幼钜装樯鷱?qiáng)震．形成地震帶。例如，我國(guó)川西的安寧河地震帶和則木河地震帶。三、活斷層參數(shù)的定量研究活斷層在時(shí)空域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)有：活斷層的產(chǎn)狀、長(zhǎng)度、斷距、錯(cuò)動(dòng)速率、錯(cuò)動(dòng)周期和活動(dòng)年齡等,這些參數(shù)反映活斷層的活動(dòng)強(qiáng)度。是研究地震預(yù)報(bào)和設(shè)防的資料，區(qū)域地殼穩(wěn)定性的重要依據(jù)。1.產(chǎn)狀走向、傾向、傾角。遙感技術(shù)、宏觀地質(zhì)調(diào)查、等震線等分析判斷。2、活斷層的長(zhǎng)度與斷距活斷層的長(zhǎng)度和斷距，是表征活斷層規(guī)模、斷層區(qū)修建建筑物時(shí)地震預(yù)報(bào)和設(shè)防的重要數(shù)據(jù)，通常用強(qiáng)震導(dǎo)致的地面破裂（地震斷層或地表錯(cuò)斷）的長(zhǎng)度（L）和伴隨地震產(chǎn)生的一次突然錯(cuò)斷的最大位移值（D）表示。近年來(lái)，我國(guó)地震部門(mén)也對(duì)全國(guó)40余條地震地表錯(cuò)斷進(jìn)行了研究(如圖1-1)。圖1-1中國(guó)地震地表錯(cuò)斷類(lèi)型及分布示意圖（據(jù)丁國(guó)瑜，1985）1-正斷層;2-逆斷層;3-正走滑斷層;4-共軛斷層;5-逆走滑斷層;6-走滑斷層;7-張破裂;8-性質(zhì)不明斷層;3、活斷層的錯(cuò)動(dòng)速率與錯(cuò)動(dòng)周期活斷層的錯(cuò)動(dòng)速率是反映活斷層活動(dòng)強(qiáng)弱、斷層所在地區(qū)應(yīng)變速率大小的重要數(shù)據(jù)?；顢鄬拥幕顒?dòng)方式以粘滑為主，往往是間斷性產(chǎn)生、突然錯(cuò)斷，所以錯(cuò)動(dòng)速率以一定時(shí)間段內(nèi)的平均錯(cuò)動(dòng)速率表示。平均錯(cuò)動(dòng)速率：最新沉積物的錯(cuò)動(dòng)位移與沉積年代之比.斷層的錯(cuò)動(dòng)速率愈大，兩次突然錯(cuò)斷之間的時(shí)間間隔也就愈短。地震斷層兩次突然錯(cuò)斷之間的時(shí)間間隔，即活斷層的重復(fù)錯(cuò)動(dòng)周期。地震斷層的錯(cuò)動(dòng)周期主要取決于斷層周?chē)貧?yīng)變速率和鎖固斷斷層面的強(qiáng)度。錯(cuò)動(dòng)速率和地震重現(xiàn)周期是長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)的重要數(shù)據(jù)。4、活動(dòng)斷層的年齡判據(jù)間接法、直接法四、活動(dòng)斷層的鑒別地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)特征1.地質(zhì)標(biāo)志：

a．?dāng)鄬觾蓚?cè)地層巖性和產(chǎn)狀截然不同，被錯(cuò)斷，是最本質(zhì)最重要最可靠的標(biāo)志。注意與滑坡面區(qū)別；b．在強(qiáng)震過(guò)程中沿活動(dòng)性斷裂帶常常出現(xiàn)地裂縫。2.地貌標(biāo)志：A、兩種截然不同的地貌單元直線相接的部位，其一側(cè)為斷陷區(qū)。而另一側(cè)為隆起區(qū)。（高聳的山地、斷層崖和三角面等）

B、走滑型的活斷層，常使通過(guò)它的河流、溝谷方向發(fā)生明顯的變化；山脊、山谷、階地和洪積扇等的錯(cuò)開(kāi)

3．水文地質(zhì)特征活動(dòng)斷裂帶的透水性和導(dǎo)水性較強(qiáng)，因此當(dāng)?shù)匦?、地貌條件合適時(shí)，沿?cái)嗔褞３示€狀分布，且植被發(fā)育。此外．許多活斷層沿線常有溫泉出露。它們均可作為活斷層的判別標(biāo)志。五、活斷層區(qū)的建筑原則在活斷層區(qū)進(jìn)行建筑時(shí)，必須在場(chǎng)址選擇與建筑物型式和結(jié)構(gòu)等方面慎重地加以研究，以保障建筑物的安全可靠

1、規(guī)劃選場(chǎng)盡可能避開(kāi)主斷層帶。尤其是高壩和核電站這類(lèi)重要的永久性建筑物，失事的后果極為嚴(yán)重，更不能在活斷層附近選擇場(chǎng)地。鐵路、橋梁、運(yùn)河等線性工程必須跨越活斷層時(shí)，也應(yīng)盡量使其大角度相交并避開(kāi)主斷層。2、建筑物類(lèi)型選擇

證明場(chǎng)地中有活斷層穿過(guò)，則應(yīng)選擇在錯(cuò)動(dòng)下不致破壞的建筑物型式。在活斷層區(qū)的建筑物應(yīng)采取與之相適宜的建筑型式和結(jié)構(gòu)措施。活斷層上修建水壩時(shí)，不宜采用混凝土重力壩和拱壩，而應(yīng)采用土石壩這類(lèi)散體堆填壩，而且壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)是一種有相當(dāng)厚無(wú)粘性土過(guò)渡帶的多種土質(zhì)壩。建于活斷層上的橋梁，也應(yīng)采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施

第三節(jié)地震工程地質(zhì)對(duì)地震的研究，著重地震波對(duì)建筑物的破壞作用，即地震效應(yīng)、地震小區(qū)劃分、地震區(qū)建筑物選址及抗震措施的論證一、地震地質(zhì)及地震波基礎(chǔ)1、地震發(fā)生的地質(zhì)條件介質(zhì)條件（堅(jiān)硬脆性巖石）、構(gòu)造（深大斷裂帶）2、地震波：體波（縱波P、橫波S）、面波。橫波、面波振幅大，對(duì)建筑物造成破壞。3震源機(jī)制和震源參數(shù)（1）震源機(jī)制（發(fā)生地震的物理過(guò)程）可以確定地震斷層的類(lèi)型、產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)等研究區(qū)域地殼穩(wěn)定分析需要的資料。（2）震源參數(shù)（發(fā)生地震的物理過(guò)程的物理量）包括震源斷層的走向、傾向、傾角，斷層兩盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)方位及幅度、斷層長(zhǎng)度、應(yīng)力狀態(tài)等確定震源參數(shù)的方法：地震波研究、地質(zhì)調(diào)查（等震線特征）、大地測(cè)量等二、地震的震級(jí)和烈度一次地震只有一個(gè)震級(jí)，不同地點(diǎn)烈度不同1、烈度與震源深度及震中距離有關(guān)。2、堅(jiān)硬基巖場(chǎng)地較松軟土場(chǎng)烈度要小。按防震抗震標(biāo)準(zhǔn)，地震烈度分為基本烈度和設(shè)防烈度兩種我國(guó)基本烈度Ⅵ度（包括Ⅵ度）以下地區(qū)，建筑物可以不設(shè)防。三、我國(guó)地震帶的分布及地震地質(zhì)的基本特征1.中國(guó)地震的活動(dòng)特點(diǎn)①地震活動(dòng)分布廣②地震活動(dòng)頻度高③地震震源深度淺2.地震的空間分布中科院地球物理所劃分為23個(gè)地震帶，其中最主要的地震帶有：南北向地震帶、臺(tái)灣及中南沿海地震帶、華北地震帶、西藏—滇南地震帶、天山南北地震帶、郯城——廬江地震帶。地震地質(zhì)特點(diǎn)：1、地震活動(dòng)分布在區(qū)域性深大斷裂帶。頻度高、強(qiáng)度大。2、西部活動(dòng)強(qiáng)度大于東部（板塊構(gòu)造環(huán)境）。3、斷裂帶的轉(zhuǎn)折部位、端點(diǎn)部位、分支部位（應(yīng)力集中）。4、穩(wěn)定斷塊邊緣深大斷裂帶。5、裂谷型盆地（地塹盆地，盆地內(nèi)部、斷裂盆地，盆地邊緣斷裂帶一側(cè)）。四、地震效應(yīng)地震對(duì)地面及地面建筑物的各種破壞稱為地震效應(yīng)。與場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、震級(jí)大小、震源深度和震中距離、建筑物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有關(guān)。振動(dòng)破壞效應(yīng)（靜力法、動(dòng)力法）參數(shù)：特征周期Tg、影響系數(shù)а見(jiàn)P107表7-4、7-5地面破壞效應(yīng)

振動(dòng)破壞效應(yīng)

地震力：結(jié)構(gòu)物由于地震而受到的慣性力。①一般來(lái)講，建筑物愈高，自振動(dòng)周期愈長(zhǎng)；所以，長(zhǎng)周期的地基振動(dòng)使較高的多層建筑物破壞，而低層建筑物卻無(wú)損壞。②距震中愈遠(yuǎn)，地面振動(dòng)的周期愈長(zhǎng)，因而常見(jiàn)到距震中較遠(yuǎn)處的高層建筑物遭受破壞的現(xiàn)象。③在厚層松散堆積物地區(qū)，由于堆積物對(duì)深部基巖傳來(lái)的地震起選擇放大作用，使地面振動(dòng)周期變長(zhǎng)，自振動(dòng)周期較長(zhǎng)的高層建筑常因共振而破壞，而自振動(dòng)周期較短的低層建筑的破壞反而輕微

地面破壞效應(yīng)1.地面破裂效應(yīng)2.斜坡破壞效應(yīng)3.地基變形破壞效應(yīng)（砂土液化）五、場(chǎng)地工程地質(zhì)條件對(duì)震害的影響主要表現(xiàn)為巖土類(lèi)型及性質(zhì)、斷裂、地形地貌及地下水等。1、巖土類(lèi)型及性質(zhì)：堅(jiān)硬較松