活斷層工程地質(zhì)及活斷層的基本特征

第一章活斷層工程地質(zhì)研究1910年，前南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇契意外地發(fā)現(xiàn)，地震波在傳到地下50公里處有折射現(xiàn)象發(fā)生。他認(rèn)為，這個(gè)發(fā)生折射的地帶，就是地殼和地殼下面不同物質(zhì)的分界面。1914年，德國(guó)地震學(xué)家古登堡發(fā)現(xiàn)，在地下2900公里深處，存在著另一個(gè)不同物質(zhì)的分界面。后來(lái)，人們?yōu)榱思o(jì)念他們，就將兩個(gè)面分別命名為“莫霍面”和“古登堡面”并根據(jù)這兩個(gè)面把地球分為地殼、地幔和地核三個(gè)圈層。一、概念及分布情況斷層是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要形跡。有的斷層形成于較晚時(shí)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(dòng)的特征，深大斷裂。

早在十八世紀(jì)，人們從地震活動(dòng)與斷層活動(dòng)的關(guān)系才漸漸意識(shí)到斷層的活動(dòng)性特征，經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的研究，對(duì)活斷層的特征有了比較深入的認(rèn)識(shí)。

1906年美國(guó)舊金山地震發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，1908年lawson.A.C正式提出“活斷層”術(shù)語(yǔ)，1916年wood提出定義”活斷層”，直到1965年才提出年齡概念。我國(guó)60年代才開始重視和研究。認(rèn)識(shí)：地殼現(xiàn)代活動(dòng)結(jié)果，構(gòu)造活動(dòng)的繼承延續(xù)，一定應(yīng)力場(chǎng)下構(gòu)造行跡再現(xiàn)，能量釋放過程。

第一節(jié)概述

關(guān)于活斷層的定義，目前為止沒有完全統(tǒng)一。主要關(guān)于過去活斷層歷史時(shí)間的上限界定問題看法不一，不同部門、不同國(guó)家都存在差別。按我國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況看，一般是用第四紀(jì)這一地質(zhì)時(shí)段即距今約240萬(wàn)年以來(lái)作為時(shí)限。第四紀(jì)以來(lái)有無(wú)活動(dòng)是評(píng)價(jià)斷層是否是活斷層的重點(diǎn)。但是這一時(shí)限過長(zhǎng)，在解決與重大工程有關(guān)的活斷層問題時(shí)，則是考慮第四紀(jì)的晚期—晚更新世或大合約10萬(wàn)年以來(lái)斷層有無(wú)活動(dòng)作為判定的時(shí)限。工程建筑部門傾向于考慮全新統(tǒng)或晚更新統(tǒng)(約10萬(wàn)年)，而地震地質(zhì)部門傾向于早更新統(tǒng)(約200萬(wàn)年）。

活斷層:指目前正在活動(dòng)或近期有過活動(dòng)、極有可能在不久的將來(lái)重新活動(dòng)的斷層。

我國(guó)活斷層分布新世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)地震局進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到活斷層調(diào)查在防震減災(zāi)事業(yè)中的重要意義，正逐步開展主要地震帶活斷層普查工作，試圖通過大比例尺活動(dòng)斷裂填圖技術(shù)和活動(dòng)斷裂危險(xiǎn)性定量鑒定技術(shù)，完成我國(guó)主要地震區(qū)帶1：25萬(wàn)活動(dòng)斷裂分布圖和1:5萬(wàn)重點(diǎn)活動(dòng)斷裂條帶狀填圖，并確定地震危險(xiǎn)地段。根據(jù)斷裂深度與侵位巖漿物質(zhì)來(lái)源和成分的關(guān)系，以及地球四類斷裂示意圖物理場(chǎng)特征和地震活動(dòng)等劃分的斷裂類型。1974年按切割地球各層圈的深度把斷裂由淺到深分為：巖石圈斷裂、地殼斷裂、基底斷裂和蓋層斷裂。水利部門規(guī)定：1、錯(cuò)動(dòng)晚更新世以來(lái)地層的斷層2、斷層構(gòu)造巖最后一次錯(cuò)動(dòng)絕對(duì)年齡小于6—10萬(wàn)年3、斷層有位移或地形變大于0.1mm/a4、沿?cái)鄬佑袣v史和現(xiàn)代中強(qiáng)地震震中分布，或晚更新世以來(lái)的古地震遺址，或密集的近期微震活動(dòng)5、與活斷層有共生聯(lián)系的斷層美國(guó)原子能委員會(huì)（USNRC）的定義是：（1）在3.5萬(wàn)年內(nèi)有過一次或多次活動(dòng)的斷層（2）與其他活動(dòng)斷層有聯(lián)系的斷層（3）沿該斷裂發(fā)生過蠕動(dòng)或微震活動(dòng)二、工程地質(zhì)研究意義

活斷層是成礦、地?zé)?、火山、現(xiàn)代地球活動(dòng)等研究對(duì)象。工程界視活斷層的活動(dòng)為一類地質(zhì)病害，可以對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞作用而致害。從這個(gè)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，評(píng)價(jià)其對(duì)建筑物的破壞作用?？紤]：活斷層錯(cuò)動(dòng)變形對(duì)建筑物的直接破壞;活斷層對(duì)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響。如蠕動(dòng)錯(cuò)裂、地面裂縫、地震、區(qū)域地殼穩(wěn)定、水庫(kù)地震等。

歷史上活斷層對(duì)建筑造成損壞或因斷層存在對(duì)建筑造成間接破壞的例子很多西安地裂縫

引起西安地裂縫近期強(qiáng)烈活動(dòng)因素除構(gòu)造活動(dòng)外，主與過量開采承壓水引發(fā)的地裂縫兩側(cè)地面不均勻沉降有關(guān)。西安斷陷一直處于下沉狀態(tài)，長(zhǎng)安-臨潼斷裂進(jìn)行著南升北降的活動(dòng)，使西安11條地裂縫帶均處于下降的北盤，其分布及活動(dòng)均受長(zhǎng)安-臨潼斷裂控制，多年跨斷層水準(zhǔn)測(cè)量資料表明，長(zhǎng)安-臨潼斷裂平均垂向活動(dòng)速率為3.98mm/a。

對(duì)活斷層進(jìn)行研究，充分掌握其活動(dòng)特征，合理評(píng)價(jià)其對(duì)工程的影響，有時(shí)可以安全有效地降低工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省投資，如黃河小浪底工程（中美聯(lián)合設(shè)計(jì)，世界銀行貸款）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TQ1Q2斷層發(fā)生在Q1－Q2期間斷層泥熱釋光法測(cè)年齡：15.4-18.3萬(wàn)年，37.4-53.2萬(wàn)年Q2的中后期，Q3以來(lái)再未活動(dòng)過抗震設(shè)計(jì)：8級(jí)→9級(jí)水平加速度：0.3伽→0.215伽，節(jié)約至少2億元一、活斷層的類類型按照位移方方向與水平平面的關(guān)系系：（1）走滑型活斷斷層常分布于大大陸內(nèi)部的的地塊之間間的接觸部部位，水平平錯(cuò)動(dòng)量大大，斷層帶帶寬度不大大，很少分分支斷裂。。（2）逆斷型活斷斷層多分布于板板塊碰撞擠擠壓帶。上上盤變形帶帶大，出現(xiàn)現(xiàn)多分支斷斷層。（3）正斷型活斷斷層差異升降活活動(dòng)為它的的斷陷盆地地邊緣。下下降盤分支支斷層多見見，形成地地塹式的正正斷層組合合本節(jié)介紹活活斷層的類類型與活動(dòng)動(dòng)方式、繼繼承性與反反復(fù)性、長(zhǎng)長(zhǎng)度與斷距距、錯(cuò)動(dòng)速速率與周期期。第二節(jié)活活斷層的基基本特征（1）粘滑型活活斷層間歇性突然然滑動(dòng)，常常伴有地震震活動(dòng)，也也稱為地震震斷層。發(fā)生在強(qiáng)度度較高的巖巖石中，斷斷層帶鎖固固能力強(qiáng)，，危害大。。發(fā)震斷裂特特征：深斷斷裂，裂谷谷，板塊接接觸帶，（2）蠕滑型活活斷層沿?cái)鄬用鎯蓛蓚?cè)巖層連連續(xù)緩慢地地滑動(dòng)發(fā)生在強(qiáng)度度較低的軟軟巖中，斷斷層帶鎖固固能力弱一般無(wú)震發(fā)發(fā)生，有時(shí)時(shí)可伴有小小震二、活斷層層的活動(dòng)方方式活動(dòng)斷層的的產(chǎn)狀要素素、長(zhǎng)度等等均是重要要的幾何要要素，這些些可以通過過勘探等手手段得到確確定。而活活動(dòng)斷裂重重新活動(dòng)往往往并非全全斷裂都活活動(dòng)，而是是部分段的的活動(dòng)，這這里斷層長(zhǎng)長(zhǎng)度是指現(xiàn)現(xiàn)活動(dòng)段長(zhǎng)長(zhǎng)度及兩旁旁相應(yīng)的錯(cuò)錯(cuò)斷距離。。在關(guān)于活斷斷層的建筑筑設(shè)計(jì)及有有關(guān)穩(wěn)定性性的分析論論證時(shí)，需需要了解斷斷層活動(dòng)段段長(zhǎng)度L和斷距D。對(duì)于歷史活活斷層長(zhǎng)度度和斷距，，可以從被被錯(cuò)動(dòng)的形形跡得到，，而對(duì)于潛潛在活斷層層，要根據(jù)據(jù)有關(guān)方面面進(jìn)行預(yù)測(cè)測(cè)。一般認(rèn)為，，活斷層地地表產(chǎn)生的的斷裂長(zhǎng)度度與震源體體處斷裂長(zhǎng)長(zhǎng)度相一致致。通常是是根據(jù)活斷斷層可能產(chǎn)產(chǎn)生最大地地震震級(jí)M，利用統(tǒng)計(jì)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方式式及查表確確定L和D。這種關(guān)系式式很多，如如我國(guó)地震震工作者對(duì)對(duì)我國(guó)及鄰鄰近地區(qū)地地表地震斷斷裂資料得得到如下式式：三、斷層活活動(dòng)段的長(zhǎng)長(zhǎng)度和斷距距如下關(guān)系圖圖也可以作作為確定L、D時(shí)使用有的情況下下，可以采采用數(shù)字分分析（如有有限元）方方法確定斷斷層長(zhǎng)度及及斷距。斷層長(zhǎng)度1~數(shù)百公里不不等，錯(cuò)距距一般幾米米。一般小小于5.5級(jí)地震很少少產(chǎn)生地表錯(cuò)錯(cuò)動(dòng)。地表表所見斷層長(zhǎng)度是地下的1/2~1/5.活斷層地震震活動(dòng)是否否在地表顯顯現(xiàn)形跡，，與地表覆覆蓋層厚度度、震源深深度及震級(jí)級(jí)有關(guān)，一般覆蓋層層厚度大于于30-50m、震源深度度大于10-30km、地震震級(jí)級(jí)小于6級(jí)條件下，，很少出現(xiàn)現(xiàn)地表斷裂裂現(xiàn)象。斷層鎖固力力強(qiáng)的部位位往往是活活動(dòng)部位。。1、錯(cuò)動(dòng)速率率錯(cuò)動(dòng)速率是是指斷層年年錯(cuò)動(dòng)位移移量，一般般是用若干干年總的錯(cuò)錯(cuò)動(dòng)量計(jì)算算得到，因因而也稱平平均錯(cuò)動(dòng)速速率。分為為水平和垂垂直分量。。斷層錯(cuò)動(dòng)動(dòng)速率從三三個(gè)方面獲獲得：活斷層活動(dòng)動(dòng)速率及相相應(yīng)周期是是表明活斷斷層的活動(dòng)動(dòng)強(qiáng)度的重重要指標(biāo)，，是地震強(qiáng)強(qiáng)度的重要要資料。（1）精密地形形變測(cè)量是研究現(xiàn)今今活動(dòng)斷裂裂的有效方方法。我國(guó)國(guó)許多著名名活斷層均均設(shè)有精密密水準(zhǔn)、三三角測(cè)量、、激光測(cè)距距等量測(cè)工工作。有了量測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)，便可可以計(jì)算錯(cuò)錯(cuò)動(dòng)速率。。如賀蘭山山東麓活斷斷裂紅果子子溝處，84年~86年測(cè)得斷層層右旋錯(cuò)動(dòng)動(dòng)，水平8.48mm、垂直0.75mm。故錯(cuò)動(dòng)速速率：四、錯(cuò)動(dòng)速速率和活動(dòng)動(dòng)周期（2）根據(jù)第四紀(jì)紀(jì)地層、地地質(zhì)的年代代及錯(cuò)動(dòng)量量來(lái)獲得研究夷平面面、階地、、水系、斷斷崖、土層層等，通過過測(cè)量錯(cuò)動(dòng)動(dòng)量及相對(duì)對(duì)年齡，可可以計(jì)算出出平均錯(cuò)動(dòng)動(dòng)速率。等級(jí)AAABCD錯(cuò)動(dòng)速率(㎜/a)>101－100.1－10.01－0.1<0.01活動(dòng)性極強(qiáng)強(qiáng)弱微非活動(dòng)2、動(dòng)周錯(cuò)期斷層兩次錯(cuò)錯(cuò)動(dòng)之間的的時(shí)間間隔隔定義為活活斷層錯(cuò)動(dòng)動(dòng)周期R。斷層運(yùn)動(dòng)是是地質(zhì)體能能量積累釋釋放的結(jié)果果，顯然能能量積累要要經(jīng)歷一個(gè)個(gè)時(shí)期，積積累的過程程斷層處于于平靜期（（休眠期）），釋放的的過程為活活動(dòng)期。斷斷層表現(xiàn)為為活動(dòng)——平衡——再活動(dòng)的周周期恢復(fù)。。斷層應(yīng)變變速率、鎖鎖固段深度度等不同，，表現(xiàn)了不不同的錯(cuò)動(dòng)動(dòng)周期。對(duì)對(duì)于粘滑型型斷層，一一次錯(cuò)動(dòng)對(duì)對(duì)應(yīng)的是一一次地震活活動(dòng)?？砂匆韵路椒椒ù_定錯(cuò)錯(cuò)動(dòng)周期：：①按地殼應(yīng)變變速率（這這是近似當(dāng)當(dāng)成斷層平平均錯(cuò)動(dòng)速速率）S及一次地震震錯(cuò)動(dòng)量d計(jì)算R。按上式計(jì)算算，對(duì)于S＝1～10mm/a的A級(jí)活斷層，，當(dāng)發(fā)生M＝7～8的地震時(shí)，，R≈1000年。②根據(jù)2次地震條件件、時(shí)間間間隔確定③根據(jù)地震震震級(jí)及錯(cuò)動(dòng)動(dòng)速率，由由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)式計(jì)算許多人研究究了震級(jí)M、錯(cuò)動(dòng)速率率S與錯(cuò)動(dòng)周期期的關(guān)系；；建立了許許多統(tǒng)計(jì)關(guān)關(guān)系。如日日本的松田田時(shí)彥對(duì)日日本斷層錯(cuò)錯(cuò)動(dòng)與地震震震級(jí)關(guān)系系時(shí)，得到到lgd=0.6M-4.0,錯(cuò)動(dòng)周期是是R=d(錯(cuò)移量)/s(錯(cuò)動(dòng)速率)，即有“④根據(jù)第四紀(jì)紀(jì)地層、地地質(zhì)錯(cuò)動(dòng)證證據(jù)，結(jié)合合年齡測(cè)定定確定周期期。據(jù)研究，活活斷層活動(dòng)動(dòng)周期一般般在1—2千年左右，，少數(shù)上萬(wàn)萬(wàn)年或幾百百年。三次運(yùn)動(dòng)：：①第一次（（4200a）上盤塊體體下滑，產(chǎn)生張裂縫縫，堆積W1②第二次（2700a）上盤繼續(xù)續(xù)下滑，產(chǎn)生拉張裂裂縫，將W1拉開，途中中堆積W2②第三次（820a）繼續(xù)下滑滑，出現(xiàn)F1斷裂，將W2錯(cuò)斷（垂直直距離0.6m）周期：一次→二次次4200-2700=1500年二次→三次次2700-820=1880年速度：二次→三次次0.6÷1880≈≈0.75mm/a北天山西部部喀什河斷斷裂一、地質(zhì)、、地貌、水水文地質(zhì)標(biāo)標(biāo)志二、歷史地地震及歷史史期地震錯(cuò)錯(cuò)段標(biāo)志三、微地震震測(cè)量及地地形變檢測(cè)測(cè)標(biāo)志四、地球物物理標(biāo)志斷層的活動(dòng)動(dòng)性與否要要通過一些些標(biāo)志加以以鑒別。鑒鑒別有直接接測(cè)定活動(dòng)動(dòng)物質(zhì)年齡齡的方法，，也可以從從有關(guān)的地地質(zhì)、地球球物理等現(xiàn)現(xiàn)象間接判判斷。間接鑒別標(biāo)標(biāo)志有如下下幾個(gè)方面面：第三節(jié)活活斷層的鑒鑒別標(biāo)志地質(zhì)方面最新沉積物物被錯(cuò)斷，，斷層破碎碎帶，砂土土液化，地地面破裂等等最新沉積物物被錯(cuò)斷只要是見到到第四系中中、晚期的的沉積物被被錯(cuò)斷，均均視斷層為為活斷層。。如位于汾汾渭地塹中中段的平遙遙活斷層，，錯(cuò)斷晚更更新世中晚晚期的黃土土，以及早早中期更新世地層，斷距距40—50m。如圖：如上圖，可可看出幾期期運(yùn)動(dòng)：①C堆積以前，，斷層已活活動(dòng)，位移移量大；②C堆積以后，，D堆積以前，，斷層至少少一次運(yùn)動(dòng)動(dòng)（CD的錯(cuò)距不同同）；③D堆積后，至至少一次活活動(dòng)，CD錯(cuò)距不同；；④E堆積以后，，F(xiàn)堆積前斷層層再次活動(dòng)動(dòng)。斷層破碎帶帶構(gòu)造形跡跡活動(dòng)斷層因因其形成時(shí)時(shí)間較晚，，一般表現(xiàn)現(xiàn)為構(gòu)造帶帶物質(zhì)欠固固結(jié)欠膠結(jié)結(jié)狀態(tài)，較較為松散。。另外，表表現(xiàn)出脈體體變形被切切斷，構(gòu)造造巖片理化化，透鏡化化，斷面新新鮮無(wú)風(fēng)化化，第四系系物質(zhì)牽引引彎折等。。斷層礦物物的顯微變變形出現(xiàn)顯顯微組構(gòu)（（如不等顆顆粒拉長(zhǎng)，，光軸微定定向等），，如圖伴有地震現(xiàn)現(xiàn)象的活斷斷層，地表表出現(xiàn)斷層層陡坎和地地裂縫如，日本丹丹那斷層帶帶，地震產(chǎn)產(chǎn)生很多地地裂縫，呈呈雁形排列列1、不同地貌貌單元突然然相接，或或兩邊沉積積物厚度顯顯著差別地貌方面例如，隆起起山區(qū)與斷斷陷盆地突突然相接。。一次錯(cuò)動(dòng)動(dòng)量大的活活斷層，沿沿線分布斷斷層三角面面、斷層崖崖、陡坎、、埡口、““V型谷”等2、地貌單元元的分解和和異常例如，河流流階地、山山脊、水系系、夷平面面、坡洪積積扇等地貌貌單元，由由于活斷層層作用，使使其產(chǎn)生錯(cuò)錯(cuò)斷、分解解。例如，活斷斷層作用使使正常發(fā)育育的地貌系系統(tǒng)出現(xiàn)異異常形態(tài)或或特殊地貌貌景觀。如如斷層帶一一側(cè)，河流流的同步肘肘狀拐彎、、寬窄變異異，斷層下下降盤一側(cè)側(cè)線狀排列列的洪積群群、泥石流流、滑坡、、串珠狀洼洼地等。水文地質(zhì)方方面由于斷層帶帶構(gòu)造物質(zhì)質(zhì)松散，容容易形成強(qiáng)強(qiáng)導(dǎo)水帶，，因而活斷斷層帶一線線分布泉水水、溫泉，，出現(xiàn)植被被發(fā)育現(xiàn)象象。也由于于活斷層為為深大斷裂裂，深循環(huán)環(huán)水將導(dǎo)致致水的化學(xué)學(xué)異常。地物錯(cuò)斷我國(guó)有長(zhǎng)達(dá)達(dá)3000多年的歷史史地震記載載資料，尤尤其是較近近的歷史記記載，可以以幫助判別別活斷層的的存在，可可能時(shí)據(jù)以以判斷活斷斷層的錯(cuò)距距，斷裂長(zhǎng)長(zhǎng)度等。對(duì)古代建筑筑物破壞、、錯(cuò)斷、掩掩埋等情況況調(diào)查，可可以幫助判判斷活斷層層當(dāng)時(shí)的錯(cuò)錯(cuò)距等情況況。微震及地形形變測(cè)量采用精密水水準(zhǔn)測(cè)量和和三角測(cè)量量在可能活活動(dòng)斷層兩兩側(cè)進(jìn)行地地形變測(cè)量量，可以有有效地獲得得斷層活動(dòng)動(dòng)性的有關(guān)關(guān)證據(jù)。斷層的現(xiàn)代代活動(dòng)，必必然導(dǎo)致斷斷層帶內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生物理、、化學(xué)變化化，其中如如斷層氣、、放射性異異常；重力力、磁力、、地溫等物物理異常。。通過測(cè)量量分析，可可以間接作作為活斷層層的佐證。。自70年代以來(lái)，，我國(guó)地震震部門在一一些重要地地區(qū)設(shè)置了了密集的地地震臺(tái)網(wǎng)，，監(jiān)測(cè)微震震震中位置置用以判別別活斷層，，尤其在一一些大型水水、著名的的活斷層地地區(qū)布置監(jiān)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，，取得了一一系列監(jiān)測(cè)測(cè)資料。它它是研究現(xiàn)現(xiàn)代地震活活斷層的最最直接有效效的方法，，但其費(fèi)時(shí)時(shí)、代價(jià)高高，不能作作為研究活活斷層的主主要工具。。地球化學(xué)及及地球物理理標(biāo)志第四節(jié)活活斷層的調(diào)調(diào)查研究方方法通過有效的的調(diào)查、分分析手段，，才能確定定斷層的活活動(dòng)性證據(jù)據(jù)，進(jìn)而確確定活斷層層的位置、、展布方向向、活動(dòng)特特征等通常采用的的方法包括括：現(xiàn)有資資料查閱；；航衛(wèi)片解解