第二章 活断层工程地质研究

1、第二章第二章 活断层工程地质研究活断层工程地质研究提提 要要 概述概述 活断层基本特征活断层基本特征 活断层鉴别标志活断层鉴别标志 活断层调查研究方法活断层调查研究方法 活断层区建筑原则活断层区建筑原则第一节第一节 概述概述 活断层一般是指现今正在活动的断层，或活断层一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久将来可能重新活动过近期曾活动过、不久将来可能重新活动过的断层。后者也称为潜在活断层。的断层。后者也称为潜在活断层。 断层是地壳构造运动的重要形断层是地壳构造运动的重要形迹。有的断层形成于较晚时期，迹。有的断层形成于较晚时期，在形成以后受到晚期构造背景在形成以后受到晚期构造背景条件控制

2、，仍保持着活动的特条件控制，仍保持着活动的特征。征。 早在十八世纪，人们从地早在十八世纪，人们从地震活动与断层活动的关系渐渐震活动与断层活动的关系渐渐意识到断层的活动性特征，经意识到断层的活动性特征，经过几个世纪的研究，对活断层过几个世纪的研究，对活断层的特征有了比较深入的认识。的特征有了比较深入的认识。 活断层受控于板块构造活断层受控于板块构造研究表明，印度板块与欧亚于始新世末，即大约研究表明，印度板块与欧亚于始新世末，即大约3800万年前相互碰撞，此后印度板块仍以万年前相互碰撞，此后印度板块仍以每年约每年约5cm的速度向北北东方向推进，强力地推挤着欧亚板块的速度向北北东方向推进，强力地推挤

3、着欧亚板块, 板块接触带的两个端点位于察隅和板块接触带的两个端点位于察隅和伊斯兰堡附近。在碰撞挤压过程中欧亚板块内产生了塑性或粘性流动变形。伊斯兰堡附近。在碰撞挤压过程中欧亚板块内产生了塑性或粘性流动变形。印度洋板块青藏高原 关于活断层的定义，目前为止没有完全统关于活断层的定义，目前为止没有完全统一。主要关于过去活断层历史时间的上限一。主要关于过去活断层历史时间的上限界定问题看法不一，不同部门、不同国家界定问题看法不一，不同部门、不同国家都存在差别。都存在差别。 岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范 全新活动断裂：全新世（全新活动断裂：全新世（1000010000）年内有过活动或近）年内有过活动或

4、近期正在活动，在将来（期正在活动，在将来（100100年）可能继续活动的断裂。年）可能继续活动的断裂。 发震断裂：近期（发震断裂：近期（500500年）发生过年）发生过5 5级以上地震，或在级以上地震，或在未来未来100100年内预测可能发生年内预测可能发生5 5级以上地震的断裂。级以上地震的断裂。 水利水电工程地质勘察规范水利水电工程地质勘察规范 活断层：最后一次错动距今活断层：最后一次错动距今10-1510-15万年（晚更新世）万年（晚更新世）的断层。的断层。 美国原子能委员会美国原子能委员会（USNRCUSNRC）的定义是：）的定义是： （1 1）在）在3.53.5万年内有万年内有过一次

5、或多次活动的过一次或多次活动的断层断层 （2 2）与其他活动断层）与其他活动断层有联系的断层有联系的断层 （3 3）沿该断裂发生过）沿该断裂发生过蠕动或微震活动蠕动或微震活动活断层工程地质研究意义活断层工程地质研究意义 活断层的活动可视为一类地质病害，可以活断层的活动可视为一类地质病害，可以对建筑物产生破坏作用而致害。从这个意对建筑物产生破坏作用而致害。从这个意义上讲，活断层的工程地质研究就是要研义上讲，活断层的工程地质研究就是要研究活断层与工程建筑的关系，评价其对建究活断层与工程建筑的关系，评价其对建筑物的破坏作用。筑物的破坏作用。 活断层错动变形对建筑物的直接破坏活断层错动变形对建筑物的直

6、接破坏; ;活断活断层对区域地质环境的影响，如地震、区域层对区域地质环境的影响，如地震、区域地壳稳定、水库地震等。地壳稳定、水库地震等。 地震地震Cypress Freeway Structure, Oakland Loma Prieta Earthquake, 1989San Andreas Faultcrossing the Carrizo Plain,North of Santa BarbaraSan Andreas Fault offsetting streamsOn the Carrizo PlainSan Francisco City Hall, 1906振动液化（振动液化（ Li

7、quefaction Liquefaction ）.El Centro, CA,1979Loma Prieta, CA,1989海啸（海啸（ Tsunami）（垂直断错1.5米）蠕滑，左旋断错十二毫米（碑前） 对活断层进行研究，充分掌握对活断层进行研究，充分掌握其活动特征，合理评价其对工其活动特征，合理评价其对工程的影响，有时可以安全有效程的影响，有时可以安全有效地降低工程设计标准，节省投地降低工程设计标准，节省投资。资。 如黄河小浪底工程坝址区半径如黄河小浪底工程坝址区半径30公里内有公里内有8条大断裂条大断裂 其中王良断裂在坝下游其中王良断裂在坝下游6.5公里公里 断层发生在断层发生在Q1

8、Q2期间期间 断层泥热释光法测年龄：断层泥热释光法测年龄： 15.4-18.3万年，万年，37.4-53.2万年万年 Q2的中后期，的中后期，Q3以来再未活动以来再未活动过过 抗震设计：抗震设计：8 8级级99级级 水平加速度：水平加速度：0.30.3伽伽0.2150.215伽，伽，节约至少节约至少2 2亿元亿元TQ1Q2图2.1-2小浪底水库及邻区第四纪活动断层分布图350034401113011200112303500113003440113001123011200111306.751815.10.235.51965.1.135.11965.1.1551820.10三门峡市三门峡石祁家河坡

9、头古城安窝渑池县柳泉宜阳县李村新安县马屯石井下冶济源县辛庄坡头龙门顾县偃师县巩义孟县赵和沁阳县洛阳市大坝131415712652319108图例断层隐伏或推测断层逆断层正断层1815.10.236.75震级年月日13断层编号说明:11023114125136147158石井河断层小南庄断层五指岭断层 盘古寺断层连地断层焦洛断层王良断层城崖地断层坡头断层宜阴断层霍村断层石家沟断层塔底断层驾桑断层封门口断层孟津县11小浪底及邻区第四纪活动断层分布图小浪底及邻区第四纪活动断层分布图 本节主要介绍活断层的类型与活动方本节主要介绍活断层的类型与活动方式、继承性与反复性、长度与断距、错动式、继承性与反复性

10、、长度与断距、错动速率与周期速率与周期。第二节第二节 活断层的基本特征活断层的基本特征一、活断层的类型一、活断层的类型 按照位移方向与水平面的关系：按照位移方向与水平面的关系： （1 1）正断型活断层）正断型活断层 差异升降活动为它的断陷盆差异升降活动为它的断陷盆地边缘。下降盘分支断层多见，地边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合。形成地堑式的正断层组合。 （2 2）逆断型活断层）逆断型活断层 多分布于板块碰撞挤压带。多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出现多分支断层。上盘变形带大，出现多分支断层。 （3 3）走滑型活断层）走滑型活断层 常分布于大陆内部的地块之常分布于大陆内部的地

11、块之间的接触部位，水平错动量大，间的接触部位，水平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。断层带宽度不大，很少分支断裂。（1 1）粘滑型活断层）粘滑型活断层间歇性突然滑动，常伴有地震活动，也称为地震断层。间歇性突然滑动，常伴有地震活动，也称为地震断层。发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大。发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大。发震断裂特征：深断裂，裂谷，板块接触带。发震断裂特征：深断裂，裂谷，板块接触带。（2 2）蠕滑型活断层）蠕滑型活断层沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动发生在强度较低的软岩中，断层带锁固能力弱发生在强度较低的软岩中，断层带锁

12、固能力弱一般无震发生，有时可伴有小震一般无震发生，有时可伴有小震。 二、活断层的活动方式二、活断层的活动方式 活动断层的产状要素、长度等均是重要的几何要素，活动断层的产状要素、长度等均是重要的几何要素，这些可以通过勘探等手段得到确定。而活动断裂重新活动这些可以通过勘探等手段得到确定。而活动断裂重新活动往往并非全断裂都活动，而是部分段的活动，这里断层长往往并非全断裂都活动，而是部分段的活动，这里断层长度是指现活动段长度及两旁相应的错断距离。度是指现活动段长度及两旁相应的错断距离。 在关于活断层的建筑设计及有关稳定性的分析论证时，在关于活断层的建筑设计及有关稳定性的分析论证时，需要了解断层活动段长

13、度需要了解断层活动段长度L L和断距和断距D D。 对于历史活断层长度和断距，可以从被错动的形迹得对于历史活断层长度和断距，可以从被错动的形迹得到，而对于潜在活断层，要根据有关方面进行预测。到，而对于潜在活断层，要根据有关方面进行预测。 一般认为，活断层地表产生的断裂长度与震源体处断一般认为，活断层地表产生的断裂长度与震源体处断裂长度相一致。通常是根据活断层可能产生最大地震震级裂长度相一致。通常是根据活断层可能产生最大地震震级M M，利用统计经验方式及查表确定利用统计经验方式及查表确定L L和和D D。 三、断层活动段的长度和断距三、断层活动段的长度和断距如下关系图也可以作为如下关系图也可以作

14、为确定确定L L、D D时使用时使用 有的情况下，可以采用数字分析（如有限元）方有的情况下，可以采用数字分析（如有限元）方法确定断层长度及断距。法确定断层长度及断距。 断层断层长度长度1 数百公里不等，一般小于数百公里不等，一般小于5.5级地震级地震很少很少产生地表错动。产生地表错动。 活断层地震活动是否在地表显现形迹，与地表覆活断层地震活动是否在地表显现形迹，与地表覆盖层厚度、震源深度及震级有关，盖层厚度、震源深度及震级有关，一般覆盖层厚度大一般覆盖层厚度大于于30-50m、震源深度大于、震源深度大于10-30km、地震震级小于、地震震级小于6级条件下，很少出现地表断裂现象。级条件下，很少出

15、现地表断裂现象。 活断层活动速率及相应周期是表明活断层的活动强度的重要指活断层活动速率及相应周期是表明活断层的活动强度的重要指标，是地震强度的重要资料。标，是地震强度的重要资料。 1、错动速率、错动速率 错动速率是指断层年错动位移量，一般是用若干年总的错动错动速率是指断层年错动位移量，一般是用若干年总的错动量计算得到，因而也称平均错动速率。分为水平和垂直分量。断层量计算得到，因而也称平均错动速率。分为水平和垂直分量。断层错动速率从三个方面获得：错动速率从三个方面获得： （1）精密地形变测量）精密地形变测量 是研究现今活动断裂的有效方法。我国许多著名活断层均设是研究现今活动断裂的有效方法。我国许

16、多著名活断层均设有精密水准、三角测量、激光测距等量测工作。有精密水准、三角测量、激光测距等量测工作。 有了量测数据，便可以计算错动速率。有了量测数据，便可以计算错动速率。 四、错动速率和活动周期四、错动速率和活动周期 （2 2）根据第四纪地层、地质的年代及错动量来获得根据第四纪地层、地质的年代及错动量来获得 研究夷平面、阶地、水系、断崖、土层等，通过测研究夷平面、阶地、水系、断崖、土层等，通过测量错动量及相对年龄，可以计算出平均错动速率。量错动量及相对年龄，可以计算出平均错动速率。等级AAAAA AB BC CD D错动速率(/a)101100.110.010.10.01活动性极强强弱微非活动

17、 丽江断裂缺失的沉积物多次运动老沉积物C14=2.51万年47m2 2、错动周期错动周期 断层两次错动之间的时间间隔定义为活断层错动周期断层两次错动之间的时间间隔定义为活断层错动周期R。 断层运动是地质体能量积累释放的结果，显然能量积累断层运动是地质体能量积累释放的结果，显然能量积累要经历一个时期，积累的过程断层处于平静期（休眠期），要经历一个时期，积累的过程断层处于平静期（休眠期），释放的过程为活动期。断层表现为活动释放的过程为活动期。断层表现为活动平衡平衡再活动再活动的周期恢复。断层应变速率、锁固段深度等不同，表现了不的周期恢复。断层应变速率、锁固段深度等不同，表现了不同的错动周期。对于粘

18、滑型断层，一次错动对应的是一次地同的错动周期。对于粘滑型断层，一次错动对应的是一次地震活动。震活动。 可按以下方法确定错动周期：可按以下方法确定错动周期： 按地壳应变速率（这是近似当成断层平均按地壳应变速率（这是近似当成断层平均错动速率）错动速率）S及一次地震错动量及一次地震错动量d计算计算R。 根据根据2次地震条件、时间间隔确定次地震条件、时间间隔确定 根据地震震级及错动速率，由经验统计式根据地震震级及错动速率，由经验统计式计算计算)0 . 4(6 . 0LOGSMLOGR 按上式计算，对于按上式计算，对于S110mm/a的的A级活断层，当发生级活断层，当发生M78的地震时，的地震时，R10

19、00年。年。 许多人研究了震级许多人研究了震级M M、错动速率、错动速率S S与错动周期的关系；与错动周期的关系；建立了许多统计关系。如日本的松田时彦对日本断层错动建立了许多统计关系。如日本的松田时彦对日本断层错动与地震震级关系时，得到与地震震级关系时，得到lgdlgd=0.6M-4.0,=0.6M-4.0,错动周期是错动周期是R=d(R=d(错错移量移量)/s()/s(错动速错动速率率)，即有，即有例如：某断层一次地表错动水平距离4.56.2m，而 相应的形变速率为3cm/a，那么，S=150200a锁固段段一次粘滑错动长期变形缓慢错动精密地形变测量 根据第四纪地层、地质错动证据，结合年龄测

20、定确定周期。根据第四纪地层、地质错动证据，结合年龄测定确定周期。据研究，活断层活动周期一般在据研究，活断层活动周期一般在12千年左右，少数上万年或几百年。千年左右，少数上万年或几百年。地 堑黄 土4200aW1W2C142700a820a北 天 山 西 部 喀 什 河 断 裂F1F2三次运动：三次运动： 第一次（第一次（4200a）上盘块体下滑，）上盘块体下滑， 产生张裂缝，堆积产生张裂缝，堆积W1 第二次（第二次（2700a）上盘继续下滑，）上盘继续下滑， 产生拉张裂缝，将产生拉张裂缝，将W1拉开，途中拉开，途中 堆积堆积W2 第三次（第三次（820a）继续下滑，出现）继续下滑，出现F1 断

21、裂，将断裂，将W2错断（垂直距离错断（垂直距离0.6m）周期：一次周期：一次二次二次 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北天山西部喀什河断裂 断层的活动性与否要通过一些标志加以鉴别。鉴别有断层的活动性与否要通过一些标志加以鉴别。鉴别有直接测定活动物质年龄的方法，也可以从有关的地质、地直接测定活动物质年龄的方法，也可以从有关的地质、地球物理等现象间接判断。球物理等现象间接判断。 间接鉴别标志间接鉴别标志有如下几个方面：有如下几个方面： 一、地质、地貌、水文地质标志一、地质、地貌、水文地质

22、标志 二、历史地震及历史期地震错段标志二、历史地震及历史期地震错段标志 三、微地震测量及地形变检测标志三、微地震测量及地形变检测标志 四、地球物理标志四、地球物理标志第三节第三节 活断层的鉴别标志活断层的鉴别标志地质方面地质方面 只要是见到第四系中、晚期的沉积物被错断，均视断层为活断层。只要是见到第四系中、晚期的沉积物被错断，均视断层为活断层。如位于汾渭地堑中段的平遥活断层，错断晚更新世中晚期的黄土，以如位于汾渭地堑中段的平遥活断层，错断晚更新世中晚期的黄土，以及早中期及早中期更新世更新世地层，断距地层，断距4050m。最新沉积物被错断最新沉积物被错断FEDCBEDCB如 上 图 ， 可 看

23、出 几 期 运 动 ： 堆 积 以 前 ， 断 层 已 活 动 ， 位 移 量 大 ； 堆 积 以 后 ，堆 积 以 前 ， 断 层 至 少 一 次 运动 （的 错 距 不 同 ） ； 堆 积 后 ， 至 少 一 次 活 动 ，错 距 不 同 ； 堆 积 以 后 ， 断 层 再 次 活 动 。如上图，可看出几期运动：如上图，可看出几期运动： C C堆积以前，断层已活动，位移量大；堆积以前，断层已活动，位移量大； C C堆积以后，堆积以后，D D堆积以前，断层至少一次运动堆积以前，断层至少一次运动 （CDCD的错距不同）；的错距不同）； D D堆积后，至少一次活动，堆积后，至少一次活动，CDCD

24、错距不同；错距不同； F F堆积以后，断层再次活动。堆积以后，断层再次活动。断层破碎带构造形迹断层破碎带构造形迹 活动断层因其形成时间较晚，一般表现为构造带物质欠固结欠胶结活动断层因其形成时间较晚，一般表现为构造带物质欠固结欠胶结状态，较为松散。另外，表现出脉体变形被切断，构造岩片理化，透镜状态，较为松散。另外，表现出脉体变形被切断，构造岩片理化，透镜化，断面新鲜无风化，第四系物质牵引弯折等。断层矿物的显微变形出化，断面新鲜无风化，第四系物质牵引弯折等。断层矿物的显微变形出现显微组构（如不等颗粒拉长，光轴微定向等）现显微组构（如不等颗粒拉长，光轴微定向等）伴有地震现象的活断层，地表出现伴有地震

25、现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝断层陡坎和地裂缝 如，日本丹那断层带，地震如，日本丹那断层带，地震产生很多地裂缝，呈雁形排列产生很多地裂缝，呈雁形排列 不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别 例如，隆起山区与断陷盆地突然相接。一次错动量大例如，隆起山区与断陷盆地突然相接。一次错动量大的活断层，沿线分布断层三角面、断层崖、陡坎、垭口、的活断层，沿线分布断层三角面、断层崖、陡坎、垭口、“V型谷型谷”等等 地貌单元的分解和异常地貌单元的分解和异常 例如，河流阶地、山脊、水系、娄平面、坡洪积扇等例如，河流阶地、山脊、水系、娄平面、坡洪积扇等地

26、貌单元由于活断层作用，使其产生错断、分解地貌单元由于活断层作用，使其产生错断、分解 活断层作用使正常发育的地貌系统出现异常形态或特活断层作用使正常发育的地貌系统出现异常形态或特殊地貌景观。如断层带一侧，河流的同步肘状拐弯、宽窄殊地貌景观。如断层带一侧，河流的同步肘状拐弯、宽窄变异，断层下降盘一侧线状排列的洪积群、泥石流、滑坡、变异，断层下降盘一侧线状排列的洪积群、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。串珠状洼地等。地貌方面地貌方面 湖沼下降盘冲沟冲沟冲沟山脊右旋位错水文地质方面水文地质方面 由于断层带构造物质松散，容易形成强导水带，因由于断层带构造物质松散，容易形成强导水带，因而活断层带一线分布泉水、温

27、泉，出现植被发育现象。而活断层带一线分布泉水、温泉，出现植被发育现象。也由于活断层为深大断裂，深循环水将导致水的化学异也由于活断层为深大断裂，深循环水将导致水的化学异常。常。地物错断地物错断 我国有长达我国有长达30003000多年的历史地震记载资料，尤其是多年的历史地震记载资料，尤其是较近的历史记载，可以帮助判别活断层的存在，可能时较近的历史记载，可以帮助判别活断层的存在，可能时据以判断活断层的错距，断裂长度等。据以判断活断层的错距，断裂长度等。 对古代建筑物破坏、错断、掩埋等情况调查，可以对古代建筑物破坏、错断、掩埋等情况调查，可以帮助判断活断层当时的错距等情况。帮助判断活断层当时的错距等

28、情况。 微震及地形变测量微震及地形变测量 断层的现代活动，必然导致断层带内产生物理、化学变断层的现代活动，必然导致断层带内产生物理、化学变化，其中如断层气、放射性异常；重力、磁力、地温等物化，其中如断层气、放射性异常；重力、磁力、地温等物理异常。通过测量分析，可以间接作为活断层的佐证。理异常。通过测量分析，可以间接作为活断层的佐证。 自自7070年代以来，我国地震部门在一些重要地区设置了密年代以来，我国地震部门在一些重要地区设置了密集的地震台网，监测微震震中位置用以判别活断层，尤其在集的地震台网，监测微震震中位置用以判别活断层，尤其在一些大型水、著名的活断层地区布置监测台站，取得了一系一些大型

29、水、著名的活断层地区布置监测台站，取得了一系列监测资料。它是研究现代地震活断层的最直接有效的方法，列监测资料。它是研究现代地震活断层的最直接有效的方法，但其费时、代价高，不能作为研究活断层的主要工具。但其费时、代价高，不能作为研究活断层的主要工具。 采用精密水准测量和三角测量在可能活动断层两侧进采用精密水准测量和三角测量在可能活动断层两侧进行地形变测量，可以有效地获得断层活动性的有关证据。行地形变测量，可以有效地获得断层活动性的有关证据。地球化学及地球物理标志地球化学及地球物理标志第四节第四节 活断层的调查研究方法活断层的调查研究方法 通过有效的调查、分析手段，才能确定断层的活动性通过有效的调

30、查、分析手段，才能确定断层的活动性证据，进而确定活断层的位置、展布方向、活动特征等证据，进而确定活断层的位置、展布方向、活动特征等. 通常采用的方法包括：现有资料查阅；航卫片解读；通常采用的方法包括：现有资料查阅；航卫片解读；区域地质调查；现场勘探；年龄测量；监测等。区域地质调查；现场勘探；年龄测量；监测等。 活断层研究首先应从较大的地域范围内进行研究，初活断层研究首先应从较大的地域范围内进行研究，初步确定活断层展布，和位置、长度等，这些可以采用区域步确定活断层展布，和位置、长度等，这些可以采用区域地质资料，大范围地质调查，以及航卫片解译的方法进行。地质资料，大范围地质调查，以及航卫片解译的方

31、法进行。调查分析中，要注重区域大的地质构造背景，水系，地形调查分析中，要注重区域大的地质构造背景，水系，地形地貌，第四纪沉积物等研究地貌，第四纪沉积物等研究. 对建筑场地内或附近的活断层，要进行更加深对建筑场地内或附近的活断层，要进行更加深入的研究，开展必要的钻探、坑探、物探工作。采入的研究，开展必要的钻探、坑探、物探工作。采用探槽方式揭露断层带，对揭露断层的地层及活动用探槽方式揭露断层带，对揭露断层的地层及活动构造变形形迹进行细致考查研究，通常应配合岩土构造变形形迹进行细致考查研究，通常应配合岩土取样进行构造分析及有关地层的年龄测定。良好的取样进行构造分析及有关地层的年龄测定。良好的露头，可以显示大量有用的信息，得到断层错动次露头，可以显示大