（地图学与地理信息系统专业论文）基于dem与知识的公路工程活断层识别研究.pdf

摘要 活断层灾害作为一种普遍存在的灾种，往往又是地震、火山、地裂缝、滑坡、和崩 塌等各种地质灾害的诱因，活断层灾害严重影响着人民生命财产和工程建设的安全。我 国西部地区现代地壳活动强烈，活断层十分发育，其强度和数量远远大于东部地区，作 为西部大开发最重要的基础设施公路工程的建设面临着严重的活断层灾害威胁。无论是 活断层粘滑带来的地震位错，还是活断层蠕滑带来的地表位移变形，都可能导致公路工 程设施的毁坏。除直接损失外，其间接损失及社会影响可能更无法估计。 查明和确定断层是研究断层的基础和前提，而要识别活断层就必须综合利用地形地 貌的分析和区域结构的分析等多种方法才能得到可靠的结果。目前活动断裂的整个判别 过程室外以实地探测为主，室内以手工操作为主，辅以个人经验。工作效率相对比较低 下，且判别精度与判别方法和个人经验有较大关系。 本文在研究国内外现状的基础上，提出利用g i s 的d e m 分析结合有关活断层的识 识别活断层的方法。论文首先研究了活断层的地质构造成因、地貌分布特征及其表现方 式；然后，研究不同d e m 的数据组织方式和特点，对规则格网d e m 数据的活断层地 貌特征进行分析，得到活断层在d e m 上的表现特点；并选定最能表现活断层特点的地 形因子，提出基于d e m 的活断层识别方法坡度变率法和粗糙度法；最后选定研究 区，分别应用这两种方法进行实验。为了消除识别误差，本文在知识判别的基础上应用 g i s 技术提取地质构造界线，并结合构造线上的地震数据，通过栅格运算得到活断层的 位置，从而取得了比较好的结果。在西部交通科技项目公路工程活断层与地裂缝灾 害的精细探测、危害评价及防治技术研究的资助下，本项研究在理论研究的基础上开发 了活断层识别系统，将活断层管理系统化，活断层识别方法具体化。 综上所述，本文主要提出了基于d e m 的活断层识别新方法，此方法简单可行，操 作性强，是g i s 技术应用于活断层识别的一次探索，为今后活断层研究提供了有益的指 导。 关键词：活断层识别，d e m ，知识，地形因子，坡度变率，粗糙度 a b s t r a c t a c t i v ef a u l ti sn o to n l yac o m m o ng e o l o g i ch a z a r d ，b u ta l s ot h ec a u s eo fs o m eg e o l o g i c h a z a r d ，s u c ha se a r t h q u a k e ，v o l c a n o ，g r o u n df i s s u r e ，l a n d s l i d ea n dc o l l a p s e ，e t c a c t i v ef a u l t h a z a r ds e v e r e l ya f f e c t st h es a f e t yo fp e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t i e sa n de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n r e c e n tc r u s t a lm o v e m e n t sa c t i v ei nw e s t e mr e g i o ns os t r o n ga n dd e v e l o pw e l l ，i t si n t e n s i t y a n dq u a n t i t ya r eg r e a t e rt h a nt h a ti ne a s t e r nr e g i o no fc h i n a a st h em o s ti m p o r t a n t i n f r a s t r u c t u r eo fw e s td e v e l o p m e n t ，t h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni st h r e a t e n e db ya c t i v ef a u l t h a z a r d t h es t i c ks l i pa n dc r e e po fa c t i v ef a u l tm a yc a u s ed i s l o c a t i o ne a r t h q u a k ea n d d i s p l a c e m e n t d e f o r m a t i o n n om a t t e rt h ed i s l o c a t i o ne a r t h q u a k eo rt h ed i s p l a c e m e n t d e f o r m a t i o n ，a l lo ft h e mc a nr e s u l to ft h ed e s t r u c t i o no ft h ef a c i l i t i e so ft h eh i g h w a y e n g i n e e r i n g a c t i v ef a u l th a z a r dm a yb r i n gd i r e c tl o s s ，a sw e l la st h ei n d i r e c t l o s sa n d i n e s t i m a b l es o c i a li n f l u e n c e i n v e s t i g a t i n ga n da s c e r t a i n i n ga c t i v ef a u l ti st h eb a s i sa n dp r e m i s eo fs t u d y i n ga c t i v e f a u l t ，i no r d e rt og e ts a t i s f y i n gr e s u l t so fi d e n t i f y i n ga c t i v ef a u l t ，i tn e e d st oc o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no ft h ea n a l y s i so fl a n d f o r m ，g e o m o r p h o l o g ya n dd o m a i ns t r u c t u r e ，a n da l s oo t h e r m e t h o d s n o wt h ep r o c e s so fi d e n t i f y i n ga c t i v ef a u l tc h i e f l yu s es i t ei n v e s t i g a t i o no u t d o o r s ， a n dm a n u a lo p e r a t i o ni n d o o r sw i t hs u p p l e m e n t a r yp e r s o n a le x p e r i e n c e 。t h e s em e t h o d sa r e l o w e re f f i c i e n c y , a n dt h ea c c u r a c yh a st od ow i t ht h ei d e n t i f y i n gt e c h n i q u ea n dp e r s o n a l e x p e r i e n c e t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e ww a yo fi d e n t i f y i n ga c t i v ef a u l tb yd e mo fg i sa n d k n o w l e d g eo fa c t i v ef a u l tb a s e do nag r e a ta m o u n to fs t a t u sa th o m ea n da b r o a d a tf i r s t ，t h e p a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l eo fg e o l o g i cs t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i co fg e o m o r p h o l o g yd i s t r i b u t i o n a n dt h ew a yo fp r e s e n t a t i o no fa c t i v ef a u l t ；t h e nt h ep a p e rp r e s e n t st h eo r g a n i z a t i o nw a ya n d c h a r a c t e r i s t i co fd a t ao fd i f f e r e n td e m ，a n a l y z e st h eg e o m o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fa c t i v e f a u l to fg r i dd e m ，a n ds e e k i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o m et e r r a i n f a c t o r sc a ng r e a ts h o wt h e a c t i v ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c ，c h o o s et h e s ef a c t o r sa n dw i t ht h a tb r i n gf o r t ht h em e t h o d so f i d e n t i f y i n ga c t i v e f a u l tb a s e do nd e m c h a n g er a t eo fs l o p ea n dr o u g h n e s s ；t a k e e x p e r i m e n t so nt h es t u d ya r e aw i t ht h i st w om e t h o d s ，e x t r a c tt h ee d g eo fg e o l o g i cs t r u c t u r es o a st oe l i m i n a t e de r r o r s t h er e s u l tc o m e so u ta f t e rd e t e r m i n i n gt h ea c t i v ef a u l t sp o s i t i o nb y r a s t e rc a l c u l a t i o n i no r d e rt os u p p o r tt h ep r o j e c to fg r e a td e t e c t i o nt h eh i g h w a ya c t i v ef a u l t a n dg r o u n df i s s u r e ，h a z a r da s s e s s m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra l s od e v e l o p sa s y s t e mo fi d e n t i f y i n ga c t i v ef a u l t t h i ss y s t e mc a nm a n a g et h ei n f o r m a t i o no f a c t i v ef a u l ta n d r e a l i z et h ei d e n t i f i c a t i o no fa c t i v ef a u l tb yc o m p u t e r a b o v ea l l ，t h i sp a p e rm a i n l yp u t sf o r w a r dan e ww a yo fi d e n t i f y i n ga c t i v ef a u l tb yd e m t h i sw a yi ss i m p l e ，f e a s i b l ea n de a s yt oo p e r a t et h a ti saq u e s to fi d e n t i f y i n ga c t i v ef a u l tb y g i sa n dah e l p f u lg u i d a n c ef o ra c t i v ef a u l tr e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i d e n t i f ya c t i v ef a u l t s ，d e m ，k n o w l e d g e ，t o p o g r a p h i cf a c t o r , c h a n g er a t eo f s l o p e ，r o u g h n e s s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢侈i 稽翱 彬年6 月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：移。巧动沙馋厂月上日 导师签名：加弘气劢僻石月2 日 长安人学硕l 学位论文 第一章绪论弟一早z 百y 匕 1 1 研究背景和意义 我国西部生态脆弱，滑坡、地震、崩塌、泥石流等地质灾害频发，严重威胁人民生 命财产安全，严重束缚着当地的工程建设和经济发展，其中活断层的活动往往是各种地 质灾害的诱因，因此探明和研究活断层的地理位置和地质构造对地质灾害的预防和工程 建设有着决定性意义。 随着二十一世纪我国西部大开发战略的实施，高速公路在西部广漠的大地上快速延 伸，规模之大，前所未有。西部地区公路交通的发展目标为，用2 0 年时间，使西部地 区公路交通基本建成布局合理、功能完善的公路运输服务网，总体上满足社会经济发展 的需求。然而，由于西部地区现代地壳活动强烈，活断层十分发育，其强度和数量远远 大于东部地区，公路工程的建设将面临着严重的活断层灾害威胁。无论是活断层粘滑带 来的地震位错，还是活断层蠕滑带来的地表位移变形，都可能导致公路工程设施，如路 基路面、桥基桥涵、隧洞等的毁坏。由于公路工程属于生命线工程，为交通运输的大动 脉，除直接损失外，其间接损失及社会影响可能更无法估计。 2 0 0 1 年1 月，江泽民主席指出：“西部大开发建设地区要注意避开活断层。 4 9 1 这 是一个高屋建瓴的英明指示，应该落实到所有西部大开发建设中去。然而，西部地区的 公路工程建设常常要跨越广大的地域和诸多不同的地质地貌单元，遇到十分复杂的地质 构造，不可避免地要穿越许多强烈活动断裂带和地裂缝带，同时它们又往往与地震活动 紧密联系在一起，网络状的活断层带、地震带及地裂缝带与网络状公路工程交织在一起 形成了西部地区公路工程活断层与地裂缝灾害十分严重的局面，出现一系列的公路工程 活断层灾害问题。这些灾害问题已成为严重困扰公路交通基础设施建设、影响工程投资 和运营安全的重大问题。因此，在公路规划、设计、施工及运营过程中如何合理避开、 预防以及经济、安全可靠地治理活断层灾害问题是专家、学者们十分关心的问题，亦是 当前急待解决的重大技术难题。 查明和确定断层是研究断层的基础和前提，活断层位置的确定对公路建设和安全 运营具有非常重大的现实意义。而要识别活断层就必须综合利用地形地貌的分析和区域 结构的分析等多种方法才能得到令人满意的结果。目前活动断裂的判别大致分为野外判 别如地形地貌调查法、地表地质调查法、探槽法、电磁法等和室内判别如文献调查、航 卫片判读等。野外判别费时费力，调查周期长，工作量大，工作效率相对低下；室内判 第一章绪论 别的整个过程都以手工操作为主，辅以个人经验，判别精度和个人经验有较大关系，缺 乏系统的技术方法。通过实际应用发现，目前公路工程活断层识别方法有很大的局限性， 对公路工程建设造成了一定的影响，探索一种新的实用的方法成为公路工程活断层识别 研究的必然趋势。 数字高程模型( d e m ) 是以数字的形式按一定结构组织在一起。表示实际地形特征 空间分布的模型，也是地形形状大小起伏的数字描述。活断层有着特殊的地貌表现形式， 在d e m 上也就有着不同于其它地物的特点。利用g i s 强大的分析功能对d e m 进行分 析从而识别活断层的位置及空间分布特征，大大缩短了工作时间，降低成本，相对于传 统判别方法有更高的可靠性。基于d e m 的活断层识别方法将是野外地质探测向室内识 别分析发展的一个重要方向，也是室内主观判别转向客观分析的一种趋势，对公路工程 活断层的快速、准确识别，具有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 活断层的概念是美国加利福尼亚大学的劳森( l a w s o n ) 教授于1 9 0 8 年提出【i 】。一个世 纪以来，世界很多国家对活断层展开了广泛的调查研究，早期的工作在于识别活断层， 确认其存在和分布。随着新技术的发展和应用，自上世纪七十年代开始，活断层研究获 得了飞跃的发展，从先前的描述性和定性研究阶段逐渐进入定量化研究阶段，世界许多 国家如美国、日本等在该领域做了大量研究，我国起步较晚，但近2 0 年也取得了相当 大的成就，成为世界上研究活断层的主要国家之一。无论国内还是国外，通过大量的实 践，探索出很多活断层的调查方法，主要有： ( 1 ) 文献调查法：活断层的调查首先从文献查阅开始，我国活断层研究起步晚，但 与活断层有关的地质调查已有近百年的历史，现已积累大量的地质文献资料，国外一些 发达国家如美国、日本、前苏联等在研究活断层方面都有大量的地质文献资料，为活断 层研究奠定了坚实的基础。 ( 2 ) 航卫片判读法：航片判读方法在日本应用相当普遍，松田时彦等人对北伊 豆地区的丹那断层进行了航片判读，对断层进行了比较准确的解译；用遥感方法对卫 片进行解译也是一种重要的方法，特别是在人迹罕至的边远地区，更能显示其优越性。 p 塔庞尼尔和p 莫尔纳对中国特别是中国西部活断层所做的研究就是卫片的解译【l 】。 ( 3 ) 地形地貌调查法：活断层作用是一种最新的构造活动，它对现代地形地貌的 形成和发展有重要的影响，活断层本身在地形地貌上也留下了自己的痕迹和反映，因此 细致地研究现代地形地貌特征，对辨认活断层的存在和位置，活断层的时代和性质都很 2 长安人学硕：学位论文 有用，有地形调查和地貌调查两种。在地形调查方面同本学者久野久( 1 9 3 6 ) 研究了丹 那断层附近的地形变位，对活断层研究做了很大贡献。在地貌调查方面d b 斯利蒙斯、 张裕明等做了很多研究。 由于地震是活断层活动最直接的地质灾害表现方式，地震与活断层关系研究是活断 层研究的一个重要方面，也是确定活断层位置的重要方法。 首先，在隐伏断层的精确探测方面，从上世纪8 0 年代中期就开始。近些年，钱淮 云( 2 0 0 1 ) 采用断层气方法研究江淮地区活断层的分布情况，官致君等( 2 0 0 1 ) 也通过 测定断层带c 0 2 来研究地震与活断层的关系，即通过活断层地震灾害来确定活断层的 分布及活动特征。姜卫方( 2 0 0 0 ) 运用地质雷达方法对断层进行了精细的探测。此外浅 层地震勘探对隐伏断层进行精确定位，探测其产状、性质、断距和最新活动时期以及覆 盖层厚度等等。这方面的工作一直在开展，但有效而且精细的方法还在研究中。 其次，活断层的分段性研究方面。由于地质结构、应力状态及环境条件的不同，断 层的活动往往呈现明显的分段现象，不同段落的活动特征各异。一次突发错动或大地震 过程中的破裂只沿该断层的某一段落发生，并被一些障碍点所终止。活断层根据其所在 的地质构造特征有着比较特殊的位置和规模，活断层的分段研究是活断层位置、规模比 较精确的研究。国内不少学者进行了这方面的研究( 丁国瑜，1 9 9 3 、1 9 9 5 ；彭建兵，1 9 9 2 、 2 0 0 1 ；闻学泽，1 9 8 9 ；1 9 8 9 ；邓起东，1 9 9 4 ) ，在确定活断层位置的同时也揭示了活断 层形成机理与各种特性。 另外，目前活断层灾害评价研究的特点是走向定量化，对沿活断层不同方向和不同 性质的位移量、变形和滑动速率的研究使我们有可能定量地评估活断层的地震和地质灾 害的危险性及对工程的危害程度。根据地层和水系、冲沟位错研究活断层的水平位移， 根据探槽揭露的断层剖面和断错地貌陡坎的坡折变化，求取活断层的垂直位移，并计算 其水平与垂直变化速度( 邓起东，1 9 9 2 、1 9 9 4 ；徐锡伟，1 9 9 0 、1 9 9 6 、1 9 9 8 ；张培震， 1 9 9 6 ) 。 新技术新方法在活断层灾害定量评价研究中的应用越来越广泛和越来越深入，其中 “3 s ”技术应用最为广泛，r s ( 遥感) 用于活断层及其灾害的调查和定位，是通过活断 层的遥感影像特征来识别断层位置，这方面的应用最近比较广泛。齐跃明等( 2 0 0 3 ) 在 系统的总结t m 图像上反映断裂构造“个性”的几何、运动、动力和性质特征的遥感解 译方法的基础上，运用合适的遥感图像处理方法，对遥感图像构造线性体的信息进行了 增强处理和提取。通过安徽南部东西向断裂构造的解译实例，发现这里的东西向断裂具 第一章绪论 有分布广和对地震、第四纪沉积及新生代盆地有重要控制作用的特点，认为它们是影响 长江断裂带发育及长江形成鹅头型河流的重要原因。这里所说的个性包括这个物体所显 示的特性和所占据的位置，断裂构造除确切地存在于某个确定地点外，本身也具有与其 他人为线性现象如铁路、公路及自然地质现象如山脊线、山谷线、河流等不同的特征。 由于受构造断裂活动的影响，断裂带本身及其旁侧在含水性、岩石成分以及结构特征方 面与其外围均存在较明显的差异( 有时甚至影响到植被的发育) ，这些差异通过地物波谱 的异常反映出来，并在图像上显示出不同的色调、纹理结构和水系格局。这些个性特征 便成为解译断裂构造的标志【1 7 】。隋志龙等( 2 0 0 2 ) 对断裂构造的遥感研究方法进行了研 究综述，其中包括断裂构造信息的增强与提取方法和断裂构造的影像光谱特征分析，并 详细讲述了基于数理统计方法的断裂构造影像空间特征分析【1 8 】。张志等( 2 0 0 4 ) 以地球 空间信息科学为指导，以图像信息增强提取为技术支撑，建立了河南信阳地区地表水系结 构异常、景观生态异常和浅层地下水富集带异常的图像空间信息识别模式，揭示了该区 区域线性构造场的空间分布规律及活动断裂带的图像特征。郑文俊等( 2 0 0 2 ) 对遥感影 像信息在活动断裂研究应用中的一些影像标志以及处理识别手段和方法进行了描述【2 0 】。 仇巍巍，孔金玲( 2 0 0 7 ) 用决策树方法对遥感图进行分析研究了活断层的遥感特征。 g p s 用于监测现今地壳应变与运动状态，可精密测定现代岩石圈百年累计( 1 - 2 ) c m 级的水平或垂直运动；g i s 用于地震区划、地质灾害模拟区划与预测预报、活断层 的信息系统建立等( 姜振泉等，1 9 9 9 ；武强等，2 0 0 0 、2 0 0 1 ；韩竹君等，1 9 9 5 ；张永波 等，2 0 0 1 ) 。 此外还有q 径迹和y 射线测量法、精密重磁测量法、形变测量法、微震观测法、水 声探测法、断层物质研究法等，分别从物探和化探等手段提供了研究，在活断层位置探 测方面都取得了不少的成果。 以上方法是目前国内外活断层研究的主要方法，当然，随着科学技术的不断发展 还会有一些新的技术出现。总结以上各种方法可以发现，目前活断层研究大部分以实际 探测结合室内航卫片判读的方法为主，与研究者经验有很大关系，要求研究者有很强的 专业知识，不具有普遍性，且自动化程度不高。 1 3 研究内容 通过对传统活断层识别方法的研究发现现有方法均有费时或操作难度较大等的不 足和局限性，而日益发展的g i s 技术可以很好地应用在地貌特征形态的分析上，本文试 图通过研究活断层的地貌特点而寻求一个基于d e m 识别活断层的方法，从而节省大量 4 长安人学硕t ：学位论义 时间弥补现有方法的不足，增强活断层识别的自动化，并对西部公路工程建设提供决策 依据。此外，通过活断层识别系统的开发进而对西部公路工程活断层进行有效科学的管 理，准确、快速的识别、定位。 本论文的研究内容从总体上来讲，包含以下几个方面的内容： ( 1 ) 研究区域活断层在数字高程模型( d e m ) 上的表征分析； ( 2 ) 利用d e m 结合g i s 技术进行活动断裂识别方法的探索； ( 3 ) 识别结果和传统方法的对比； ( 4 ) 西部公路工程活断层识别系统的开发。 1 4 技术路线 本文研究内容的核心是基于d e m 的活断层识别，即通过对d e m 数据的处理研究 来确定活动断层的位置，具体方法如下： 图1 1 技术流程图 第二章活断层的分类弓识别方法 第二章活断层的分类与识别方法 2 1 活断层的定义 简单地说，活断层是一种迄今为止仍在活动的断层，但是活动年代至今尚不一致。 r e 华莱士认为过去i 万年或第四纪发生过位移的断层可称为活断层：c r 艾伦认 为活断层是最近1 0 万年或1 万年有过活动的断层；松田时彦提出活断层一般指第四纪 或晚第四纪还活动的断层，它们今后仍有可能再活动；日本活断层研究会把活断层定义 为在近代地质时期有过反复活动的，和将来有可能活动的断层：藤田和夫也给活断层下 了类似的定义：新地质年代反复活动过、将来也有可能活动的断层。所谓的新地质年代， 现阶段普遍认为是第四纪( 最近2 0 0 万年) ，因为第四纪时形成了现代地形，它是判断 活断层的重要标志。国际原子能机构( i a e a ) 1 9 7 5 年对能动断层的定义为：在过去 5 0 万年内，在地表或近地表有重复活动的证据，就可推断有进一步活动的可能性；与 已知能动断层有构造联系的断层，在地表或近地表能动断层的活动，可以引起该断层的 活动【1 1 。 丁国瑜在中国活动断裂一书前言中指出：严格说来，活断层一词的含义还有许 多不明确和有争议的地方。但一般说来，把活断层限定为第四纪至今还活动的断层，即 指那些正在活动和断续活动着的断层。丁国瑜给活断层下的定义，强调断层至今仍在活 动。其表现有的正在活动；有的断续活动，即现在虽然不活动，但经过一段时间，将来 还有可能再活动。 2 2 活断层的划分原理 2 2 1 按力学性质分类 根据e m 安德森和茂木清夫研究，断层是一种剪切破裂，断层方向由三个主压力的 大小决定( 图1 1 ) 。根据三个压力大小的不同可分为正断层、逆断层、和走滑断层三种 ( 图1 2 ) 。 6 长安大学硕上学位论文 最小主压力 63 层 间主压力62 图1 1由三轴主压力6 1 ，6 2 ，6 3 产生的断层面方向 6l 6 发j 瓷走滑断层 右旋建潦断层 逆断层 3 6l 正断层 图1 2 断层的类型和主压力的关系 3 2 2 2 按活动时代分类 c 、矿詹宁斯将活断层分为3 类：历史时期( 约2 0 0 年以来) 的断层；第四纪的 断层；第四纪以前的断层。 美国地质调查局把活断层分为6 类：历史时期活断层；全新世活断层；第四 纪后期活断层；第四纪活断层；新生代后期活断层；新生代活断层。 d b 斯利蒙斯和r 麦肯尼等把活断层分为3 类：第四纪以来活动的断层；全新 世以来活动过的断层；历史上活动过的断层 第二章活断层的分类与识别方法 日本把活断层分为两类：即第四纪活断层和第四纪后期活断层。 我国把活断层分为3 类：即第四纪、晚第三纪和新生代以来的活断层。 2 2 3 按滑动速率分类 松田时彦根据活断层第四纪后期运动的平均速率，把活断层分成a 、b 、c 三级： a 级活断层：1 0 0 0 年中位移大于l 米，或者1 0 0 0 年至少发生一次产生1 米以上位 移的地震。 b 级活断层：1 0 0 0 年中位移1 米以下，1 0 厘米以上，或者1 0 0 0 年至1 0 0 0 0 年中发 生一次产生1 米以上位移的地震。 c 级活断层：1 0 0 0 年中位移小于1 0 厘米，或者1 0 0 0 0 年中发生一次产生1 米以下 的地震。 2 2 4 按切穿深度分类 张文佑等按切割穿深度把断层划分为4 类：岩石圈断裂：地壳断裂；基底 断裂；盖层断裂。 2 3 活断层的几何特征 活断层的几何特征跟它的活动方式有关系，断层的活动方式一般可分为剪切、挤压、 拉张、剪切挤压和剪切拉张五种。根据断层的产状和形态变化，下面介绍几种主要断 层的几何特征： ( 1 ) 走滑断层据邓起东等研究，羽列和雁列是走滑断层带内的次级破裂或断层的两 种最基本的排列形式，两者的主要区别在于次级破裂面的性质及其走向与剪切带总体走 向的夹角不同。 羽列是指剪切破裂带内的次级破裂面与剪切带总体走向以交小的交角相互错列。 这个交角称为羽列角，一般小于2 5 。相邻的次级破裂的首尾端相互有所重叠。次级列 面一般较平整，在细粒致密岩石中，破裂面上常有“羽扇构造”。次级裂面或次级断层 两侧岩石中的先有标志线常被水平错移，这说明裂面属于剪切破裂性质。 雁列是指剪切破裂带内的次级破裂面与剪切带总体走向以较大的交角，彼此做雁 列式排列。这个交角称为雁列叫，一般为4 卜5 0 。次级破裂面表现为张性破裂面，可 以为宽大的透镜体或发生弯曲。次级破裂面弯曲程度可以作为剪切破裂变形程度的划分 依据。 ( 2 ) 正断层正断层( n o r m a lf a u l t ) 是指上盘下降，下盘相对上升。断层面倾角一般 长安人学硕士学位论文 在4 5 。以上。这种断层多为张力或重力作用形成。随着人工地震勘探技术的进步，发现 很多正断层不总是具有较大的倾角，而是随着深度的增加倾角逐渐变小，甚至变平。我 们把这种断层弯曲上凹、深处逐渐变平的断层叫做犁形正断层。其他的滑脱断层，断层 倾角更小，只有几度至十几度，两盘的地层大幅度滑移和缺失。 ( 3 ) 逆断层逆断层( r e v e r sf a u l t ) 指上盘上升，下盘相对下降的断层。这类断层主 要由水平挤压而形成。在现代挤压区，逆断层是控制现代构造活动和地震活动的重要构 造。随着近年的研究发现了很多阶梯状逆断层、铲形逆断层、甚至巨型推复构造。 2 4 活断层的识别方法 目前在室内对活断层识别常用也比较成熟的方法有三种：绘图法、趋势面法和遥感 图象分析法。这三种方法分别根据活断层在地图、地形和遥感影像上的特点来分析、识 别活断层的。它们各自的特点、适用范围和使用方法也是本文研究的主要参考，以下详 细介绍这三种方法。 2 4 1 绘图法 用绘图法进行断块划分主要是基于活动断裂的地貌特征进行的，根据地形地貌的基 本形态和主要特征决定于区域新构造形式的原理，通过对地形地貌的分析，查明区域活 动断裂的形成与发展。绘图法是研究工作中最基本和最常用的方法；它是在各种图件上 进行的，其中最重要的是地形图；它具有定量地反映地貌形态三维空间的特点，在许多 情况下能够为地貌成因分析提供重要依据。 ( 1 ) 地形图的地貌分析 通过地质图和地形图对活动断裂进行分析可用来说明地貌的成因，特别是可用来分 析构造地貌现象。不同走向或产状的两组( 或两组以上) 断裂，会形成具有一定规模的正 地形或负地形。在陆地上，断裂构造所建造的正地形，常见的有断块山地、褶皱断块山 地和被埋藏的古断块山地( 或古断块褶皱山地) ；负地形包括断陷盆地、埋藏古断陷盆地， 以及裂谷型构造盆地等等。在对比地质图与地形图时，倘若山地两侧山麓同时存在一组 或两组断层，且山麓线与断层线平行或重合，山麓线顺直段与某组断层线一致，山麓线 的转折点均发生在两组产状各异的断层线交点附近，于是可以断定这样的山地属于断块 山地或褶皱断块山地。断块山地、山麓线附近的断层或断层组，就是断块山地的边界断 层或边界断层组。 断陷盆地的底部平原，在地形图上都有较规则的平面几何形状，它的周边常常是由 9 第二章活断层的分类j 识别方法 两组不同走向的断层构成的，把盆地底部平原地形与周围高地分开。这种断陷盆地与侵 蚀成因的河谷盆地很容易在地形图与地质图的对比中被区分开来。 应当说明的是，断层线或断层在地质图上并不能全部被填绘出来，小规模的断层受 地质图比例尺限制，不可能填绘在地质图上；有些规模较大的“隐断层也常常被漏掉， 另外在野外也很难找到“隐断层”存在的地层方面的直接证据。受过错断性动力作用的 断层带，与未受过错断性动力作用的岩层相比，在相同外力作用下断层带容易受破坏或 改造，所以各种断层在地貌上的表现往往十分清楚。正因为这样，地貌分析出来的断层 比地质图上填绘出的断层数量多。地壳的现代运动是沿着活动断裂发生的，这样就可以 把活动断裂作为断块的边界，由于受侵蚀的影响，其边界会变得模糊，但因为各种构造 运动的结果都会反映到地表的地貌上，所以仍可挑选出能够划分断块及其边界的标志。 划分地壳的断块应遵循两个原则：第一，断块的最高部分显然是被侵蚀作用触动得 最少的部分，常常是某个时期的准平面的残余山；第二，断块的边界可根据许多的地形 标志来追踪，使用活动断裂的构造差异地貌来标志。由于断块运动，古夷平表面的残丘， 现在处于不同的等高线水平，这可以作为断块相互移动的特征。 为了将两个不同相邻地段划到不同的块段，这时必须考虑下列高程差：对于年轻的 山系，高度差平均为2 0 0 m ；对于被侵蚀的山系和中等高度的山，为1 0 0 m ；对于被侵蚀 的中等高度的山、背斜的隆起区域或者年轻的凹陷区段，为5 0 m ；对于被侵蚀过程覆盖 的构造形式的凹陷区段，高度差平均为2 0 2 5 m 。对于每个具体区域，最小高度差可采 用下列公式计算： a hm i n = 0 i ( hm 瓠一hm i n ) 式中：胃一研究区表面的最大绝对高度( m ) ： h 而。研究区表面的最小绝对高度( m ) 。 在地形图上用约定的符号标出构造阶地、分水岭和小台地以及平原的控制高度，山 坡和河谷侵蚀沟的标高不计在内。这些符号可以指出该地段属于哪一个水平。 断裂构造地貌在地形上表现为断层崖和断层三角面，它们都有沿断层走向分稚的显 著方向性。此外，沿断裂走向分布的还有断层山鞍、断层谷等。断裂通常是断块的边界， 相邻断块产生差异运动，使两断块地区有迥然不同的形态组合。正是借助这一点，在地 形图上便可判读出断裂是在继续活动，还是已经稳定。 把断块所有表面暂时以其范围的最高区段的标高标出，这样，似乎恢复了地形初始 的构造形式，而不考虑其被切割的程度。结果将所研究的区域，划分为许多断块。这些 l o 长安人学硕十学位论文 断块在形状、尺寸和绝对高度上均有不同，它们重新构成地形的断裂线，是评估其活动 性以及断裂相互作用及其应力状态的基础。 作为划分地壳中不同比例的断块方法的基础，就是不同生成时代、不同赋存深度的 断裂系统的断块的垂直运动的强度不同。划分各级断块要选择不同比例的地形图： i 级断块用比例为1 ：2 5 0 万或1 ：2 0 0 万的地形图： i i 级断块用l ：1 0 0 万或l ：5 0 万的地形图： i i i 级断块用1 ：2 0 万或1 ：1 0 万的地形图； 级断块用1 ：5 万的地形图； 级断块用l ：1 万的地形图。 ( 2 ) 其他地理图件的地貌分析 这里所指的其他地理图件包括：水文图、土壤图子气候图、植被图、生物地理图等 等。在地貌分析时，从以上各种图件中提取那些与地貌分析有关的内容。活动断裂研究 时所用的主要是地质图、水文图和土壤图，这些图件在高程差较小的地区分析地形地貌 时是非常重要的。 地质图可表现第四纪地质的内容，于是，很自然地能够理解到，第四纪沉积层的形 成时代能够代表相应地貌的形成时代，而且根据堆积地貌与构成堆积地貌的第四纪沉积 层在成因上有一致性的原则，就可以根据地质图上的第四纪沉积层的成因类型，确定与 之相应的堆积地貌的成因类型及其分布范围。在确定了堆积地貌分布范围的基础上，就 可以分析侵蚀区侵蚀地貌和堆积区堆积地貌，侵蚀堆积类型地貌三者各自的特征，以及 三者相互之间的关系。 水文图除了表示水系之外，还能表示径流模数、流量、含沙量、输沙量等内容。水 系形式与新构造活动有密切关系( 在平原区域最为明显，山区的部分地区也十分明显) ， 可以通过水系形式分析，推断内力作用的趋势和强度。径流模数等一些水文量、可以为 分析地貌的外作用强度提供量值概念。 土壤图除了表示土壤类型，还可表示母岩。土壤类型与地貌有关，母岩成分又弥补 了地质图上岩性不一定表示出来的缺失。如果图上表示有风化壳存在，将有助于恢复古 地形。对于河谷谷底地貌来讲，土壤图比地质图反映得更准确，且更清楚。对于平原地 貌、阶地和河漫滩来说也是同样地准确清楚。 2 4 2 趋势面法 在各种数学地质方法中，趋势面分析是应用最早、最广泛、成效最突出的分析方法。 第二章活断层的分类与识别方法 趋势面分析的基本功能是把空间分布的一个具体的或抽象的曲面分解成硬部分：一部分 主要是变化比较缓慢、影响遍及整个研究区域的有规律的区域分量，称为趋势分量；另 一部分是变化比较快，其影响在区内并非处处可见的随机分量，称剩余分量。 在数学处理上，可用一定的函数所代表的曲面来拟合地质特征在空间上的趋势变 化。以二维趋势面分析为例，z o = 1 ，2 ，3 ，z ) 表示地质特征( 即地面高程的观测值) ，日是 平面点坐标( x ，y ) 的函数z = f ( x ，y ) 。在趋势分析中可将日分成两部分： a z = z + r = f ( x ，y ) + r z = z i + r i = f ( x i y i ) + r i 其中，z = 厂( x ，y ) 描述的是大范围、规模较大的地质作用在高程上的反映，它受区 域地质因素的控制，称为趋势值：r = z z = z - f ( x ，y ) ，称为剩余值，它表示了小范 围的局部变化，其中还包括了随机干扰( 测量误差) ，从而将大范围的趋势变化和局部异 常区分开来，以进行断裂的划分及一些地质问题的解决。这个拟合曲面称为该地质特征 的趋势面，这种分析方法称为趋势面分析法。 一般趋势面分析要做两种图，一种是用趋势值做的趋势图；一种是用剩余值做的剩 余图。通过分析这两种图件可确定活动断裂。前者反映区域地形的总体变化趋势，适用 于查明区域的趋势，后者反映的是与大趋势对应的局部变化，适用于查明局部异常( 如 活断层) 。 在趋势面分析过程中，古侵蚀面上平坦地段高程将作为地貌的数字特征。这个地表 面在某个时候曾是水平或稍倾斜位置，由于构造运动，变形成为不同的断块，这些断块 又在运动的影响下形成隆起或凹陷，形成地表的不同高度。地形标高是趋势面研究中最 重要的数据。根据趋势图和剩余图的变化规律，即可查明对现今有影响的构遣。 由于把趋势面看成连续曲面，在高程数据中含有的不连续成分就构成一种对连续面 的偏离，从而成为剩余分量的一个组成部分。活动断裂在剩余图上往往表现为细长的带 状异常。当然，这种断裂识别方法是一种粗略的方法，它只能大概地确定断裂的位置和 走向，至于断裂的落差、平移量等参数则难以用趋势面方法确定。但此结果对于活动断 裂划分工作来说已完全满足要求。 2 4 3 遥感图像分析法 航空与航天遥感技术的发展，为地貌分析提供了新技术、新手段遥感图象分析 1 2 长安人学硕l 学位论文 法。 活动断裂可通过应用航卫片及遥感图像来解译，在有活动断裂地区应用时，速度快， 准确性好。但要注意的是对所有判译出的活动断裂，必须经现场核实。遥感图像解译对 典型的、规模大、地貌显示明显的活动断裂，精度较高；对于隐伏性的活动断裂判译的 准确度低，必须辅以其它手段。 此时可用航卫片来确定区域内的裂隙诸参数：裂隙的面积频率、裂隙的面积密度、 裂隙的线性间隔、裂隙的平均长度、裂隙系的数量和它们的走向方位。 ( 1 ) 遥感图像地貌分析的优缺点 与地形图相比，图像特别是影像图像直观、立体感强、易读；与同比例地形图比较， 影像记录了更详细的微地貌形态和地质构造许多方面的细节；遥感图像更新快、成图快、 成本低，不受地面交通或地形条件的限制。 遥感图像地貌分析也有其缺点。遥感图像上没有直接的海拔高度注记；不同地貌有 时有相似的影像调或灰阶；某些内容需借助间接标志才能解译出来，解译质量常受解译 者主观因素和经验限制。因此它很难代替野外观察、试样采集等工作。 ( 2 ) 遥感图像地貌分析方法 遥感图像地貌分析，贯彻于地貌研究的各个阶段( 室内准备、野外考察、室内总结) ， 所使用的方法有两种：目视解译与图象处理。目视解译程序是： a 粗读像片； b 建立直接与间接解译标志； c 编制图例，边详细解译边绘解译草图； d 野外校核、修正详细解译草图； e 综合分析解译结果。 在解译前应针对区域构造研究目的并结合文献资料所提供的区域地貌概况，选择影 像片，再依据图形、色调、阴影、灰阶建立解译标志，进行解译。 在活动断裂研究工作中，选取的影像波段范围0 6 0 7 “( m s s s ) ，这一波段影像的最 佳地貌解译内容是：地层、岩性；湖泊、水库与浅海海底地貌；冰川、海岸、河流、风 沙地貌；三角洲、冲积扇；河口与海岸带泥沙运动。 以上介绍了目前主要的室内活断层的识别方式，各自有其特点和优势，但是也存在 不足。绘图法的主观性太强，对研究人员有着很高的技术要求；趋势面法比较成熟，张 长星在2 0 0 0 年就应用了趋势面发对矿区进行了活断层的识别，得到很好的效果，但是 第一二章活断层的分类与识别方法 实验的区域较小，在大区域范围中趋势面法的误差还是很大的；遥感图象分析法既适合 主观判