第二章---活斷層工程地質(zhì)研究

1、第二章 活斷層工程地質(zhì)研究,提 要,概述活斷層基本特征活斷層鑒別標志活斷層調(diào)查研究方法活斷層區(qū)建筑原則,第一節(jié) 概述,活斷層一般是指現(xiàn)今正在活動的斷層，或近期曾活動過、不久將來可能重新活動過的斷層。后者也稱為潛在活斷層。,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，仍保持著活動的特征。 早在十八世紀，人們從地震活動與斷層活動的關(guān)系漸漸意識到斷層的活動性特征，經(jīng)過

2、幾個世紀的研究，對活斷層的特征有了比較深入的認識。,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。,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。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常常是地質(zhì)、地球化學和地球物理的結(jié)構(gòu)面，絕大多數(shù)大陸地震發(fā)生在活動帶

3、上。,在研究某一個地域的大陸構(gòu)造變形時需要從活動論的觀點，從全球構(gòu)造框架或區(qū)域構(gòu)造框架出發(fā),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，強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

4、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》 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：近期（500年）發(fā)生過5級以上地震，或在未來100年內(nèi)預測可能發(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》 活斷層：最后一次錯動距今10-15萬年（晚更

5、新世）的斷層。,美國原子能委員會（USNRC）的定義是： （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，可以對建筑物產(chǎn)生破壞作用而致害。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，評價其對建筑物的破壞作用?；顢鄬渝e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

6、地殼穩(wěn)定、水庫地震等。,地震,,Cypress Freeway Structure, Oakland — Loma Prieta Earthquake, 1989,,,,,,,,,San Andreas Faultcrossing the Carrizo Plain,North of Santa Barbara,,,San Andreas Fault offsetting streamsOn the Carrizo Plain,

7、,,,San Francisco City Hall, 1906,振動液化（ Liquefaction ）,.,,El Centro, CA,1979,Loma Prieta, CA,1989,海嘯（ Tsunami）,,,,對活斷層進行研究，充分掌握其活動特征，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)計標準，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

8、層發(fā)生在Q1－Q2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 抗震設(shè)計：8級→9級 水平加速度：0.3伽→0.215伽，節(jié)約至少2億元,,小浪底及鄰區(qū)第四紀活動斷層分布圖,,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,一、活斷層的類型,按照位移方向與水平面的關(guān)系： （1）

9、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 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 常分布于大陸內(nèi)部的地塊之間的接觸部位，水平錯動量大，斷層帶寬度不大，很少分支斷裂。,（1）粘滑型活斷層間歇性突然滑動，常伴有地震活動，也稱為地震斷層。發(fā)生在強度較高的巖石中，斷層帶鎖固能力強，

10、危害大。發(fā)震斷裂特征：深斷裂，裂谷，板塊接觸帶。（2）蠕滑型活斷層沿斷層面兩側(cè)巖層連續(xù)緩慢地滑動發(fā)生在強度較低的軟巖中，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,活動斷層的產(chǎn)狀要素、長度等均是重要的幾何要素，這些可以通過勘探等手段得到確定。而活動斷裂重新活動往往并非全斷裂都活動，而是部分段的活動，這里斷層長度是指現(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

11、析論證時，需要了解斷層活動段長度L和斷距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)方面進行預測。 一般認為，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。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,如下關(guān)系圖也可以作為確定L、D時使用,有的情況下，可以采用數(shù)字分析（如有限元）方法確定斷層長度及斷距。

12、 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)生地表錯動。 活斷層地震活動是否在地表顯現(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。,,活斷層活動速率及相應(yīng)周期是表明活斷層的活動強度的重要指標，是地震強度的重要資料。 1、錯動速率 錯動速率是指斷層年

13、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。斷層錯動速率從三個方面獲得： （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、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、錯動速率和活動周期,（2）根據(jù)第四紀地層、地質(zhì)的年代及錯動量來獲得 研究夷平面

14、、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。,,,,2、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（休眠期），釋放的過程為活動期。斷層表現(xiàn)為活動——平衡——再活動的周期恢復。斷層應(yīng)變速率、鎖固段深度等不同，表現(xiàn)了不同的錯動周期。對于粘滑型斷層，一次錯動對應(yīng)的是一次地震活動。,,可

15、按以下方法確定錯動周期：① 按地殼應(yīng)變速率（這是近似當成斷層平均錯動速率）S及一次地震錯動量d計算R。② 根據(jù)2次地震條件、時間間隔確定③ 根據(jù)地震震級及錯動速率，由經(jīng)驗統(tǒng)計式計算,按上式計算，對于S＝1～10mm/a的A級活斷層，當發(fā)生M＝7～8的地震時，R≈1000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

16、期是R=d(錯移量)/s(錯動速率)，即有,,,,,,,,,④ 根據(jù)第四紀地層、地質(zhì)錯動證據(jù)，結(jié)合年齡測定確定周期。,據(jù)研究，活斷層活動周期一般在1—2千年左右，少數(shù)上萬年或幾百年。,,,三次運動： ①第一次（4200a）上盤塊體下滑， 產(chǎn)生張裂縫，堆積W1 ②第二次（2700a）上盤繼續(xù)下滑， 產(chǎn)生拉張裂縫，將W1拉開，途中 堆積W2 ②第三次（820a）繼續(xù)

17、下滑，出現(xiàn)F1 斷裂，將W2錯斷（垂直距離0.6m）周期：一次→二次 4200-2700=1500年 二次→三次 2700-820=1880年速度： 二次→三次 0.6÷1880≈0.75mm/a,北天山西部喀什河斷裂,,,,斷層的活動性與否要通過一些標志加以鑒別。鑒別有直接測定活動物質(zhì)年齡的方法，也可以從有關(guān)

18、的地質(zhì)、地球物理等現(xiàn)象間接判斷。 間接鑒別標志有如下幾個方面： 一、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)標志 二、歷史地震及歷史期地震錯段標志 三、微地震測量及地形變檢測標志 四、地球物理標志,第三節(jié) 活斷層的鑒別標志,,地質(zhì)方面,只要是見到第四系中、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

19、地層，斷距40—50m。,最新沉積物被錯斷,如上圖，可看出幾期運動：① C堆積以前，斷層已活動，位移量大；② C堆積以后，D堆積以前，斷層至少一次運動 （CD的錯距不同）；③ D堆積后，至少一次活動，CD錯距不同；④ F堆積以后，斷層再次活動。,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，斷面新鮮無風化，第四系物質(zhì)牽引彎折等。

20、斷層礦物的顯微變形出現(xiàn)顯微組構(gòu)（如不等顆粒拉長，光軸微定向等）,,伴有地震現(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 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 例如，河流階地、山脊、水系、婁平面、坡洪積扇等地貌單元由

21、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)線狀排列的洪積群、泥石流、滑坡、串珠狀洼地等。,地貌方面,,,,,,,,,水文地質(zhì)方面,由于斷層帶構(gòu)造物質(zhì)松散，容易形成強導水帶，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)水將導致水的化學異常。,地物錯斷,我國有長達3000多年的歷史地

22、震記載資料，尤其是較近的歷史記載，可以幫助判別活斷層的存在，可能時據(jù)以判斷活斷層的錯距，斷裂長度等。 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時的錯距等情況。,,微震及地形變測量,,斷層的現(xiàn)代活動，必然導致斷層帶內(nèi)產(chǎn)生物理、化學變化，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。,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)

23、測微震震中位置用以判別活斷層，尤其在一些大型水、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。 采用精密水準測量和三角測量在可能活動斷層兩側(cè)進行地形變測量，可以有效地獲得斷層活動性的有關(guān)證據(jù)。,地球化學及地球物理標志,第四節(jié) 活斷層的調(diào)查研究方法,通過有效的調(diào)查、分析手段，才能確定斷層的活動性證據(jù)，進而確定活斷層的位置、

24、展布方向、活動特征等. 通常采用的方法包括：現(xiàn)有資料查閱；航衛(wèi)片解讀；區(qū)域地質(zhì)調(diào)查；現(xiàn)場勘探；年齡測量；監(jiān)測等。 活斷層研究首先應(yīng)從較大的地域范圍內(nèi)進行研究，初步確定活斷層展布，和位置、長度等，這些可以采用區(qū)域地質(zhì)資料，大范圍地質(zhì)調(diào)查，以及航衛(wèi)片解譯的方法進行。調(diào)查分析中，要注重區(qū)域大的地質(zhì)構(gòu)造背景，水系，地形地貌，第四紀沉積物等研究.,,,對建筑場地內(nèi)或附近的活斷層，要進行更加深入的研究

25、，開展必要的鉆探、坑探、物探工作。采用探槽方式揭露斷層帶，對揭露斷層的地層及活動構(gòu)造變形形跡進行細致考查研究，通常應(yīng)配合巖土取樣進行構(gòu)造分析及有關(guān)地層的年齡測定。良好的露頭，可以顯示大量有用的信息，得到斷層錯動次數(shù)、錯動量、錯動周期等有用參數(shù)。 年齡測定可以根據(jù)情況分別采取斷層構(gòu)造巖、斷層帶充填物、斷層兩側(cè)不同時代的地層物質(zhì)的樣品，采用C14、熱釋光、電子自旋共振等方法進行年齡測定。,載波相位差分技術(shù)(Real Time K

26、inematic）RTK技術(shù)是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的。載波相位差分原理為，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈,實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時提供觀測點的三維坐標(毫米級)。,,,建筑物場址一般應(yīng)避開活動斷裂帶線路工程必須跨越活斷層時，盡量使其大角度相交，并盡量避開主斷層必須在活斷層地區(qū)興建的建筑物，應(yīng)盡可能地選擇相對穩(wěn)定