活断层工程地质研究及活断层的基本特征T

第一章活断层工程地质研究1910年，前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契意外地发现，地震波在传到地下50公里处有折射现象发生。他认为，这个发生折射的地带，就是地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年，德国地震学家古登堡发现，在地下2900公里深处，存在着另一个不同物质的分界面。后来，人们为了纪念他们，就将两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”并根据这两个面把地球分为地壳、地幔和地核三个圈层。一、概念及分布情况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，在形成以后受到晚期构造背景条件控制，仍保持着活动的特征，深大断裂。

早在十八世纪，人们从地震活动与断层活动的关系才渐渐意识到断层的活动性特征，经过几个世纪的研究，对活断层的特征有了比较深入的认识。

1906年美国旧金山地震发现断层错动现象，1908年lawson.A.C正式提出“活断层”术语，1916年wood提出定义”活断层”，直到1965年才提出年龄概念。我国60年代才开始重视和研究。认识：地壳现代活动结果，构造活动的继承延续，一定应力场下构造行迹再现，能量释放过程。

第一节概述

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界定问题看法不一，不同部门、不同国家都存在差别。按我国地壳运动的实际情况看，一般是用第四纪这一地质时段即距今约240万年以来作为时限。第四纪以来有无活动是评价断层是否是活断层的重点。但是这一时限过长，在解决与重大工程有关的活断层问题时，则是考虑第四纪的晚期—晚更新世或大合约10万年以来断层有无活动作为判定的时限。工程建筑部门倾向于考虑全新统或晚更新统(约10万年)，而地震地质部门倾向于早更新统(约200万年）。

活断层:指目前正在活动或近期有过活动、极有可能在不久的将来重新活动的断层。

我国活断层分布新世纪以来，中国地震局进一步认识到活断层调查在防震减灾事业中的重要意义，正逐步开展主要地震带活断层普查工作，试图通过大比例尺活动断裂填图技术和活动断裂危险性定量鉴定技术，完成我国主要地震区带1：25万活动断裂分布图和1:5万重点活动断裂条带状填图，并确定地震危险地段。根据断裂深度与侵位岩浆物质来源和成分的关系，以及地球四类断裂示意图物理场特征和地震活动等划分的断裂类型。1974年按切割地球各层圈的深度把断裂由浅到深分为：岩石圈断裂、地壳断裂、基底断裂和盖层断裂。水利部门规定：1、错动晚更新世以来地层的断层2、断层构造岩最后一次错动绝对年龄小于6—10万年3、断层有位移或地形变大于0.1mm/a4、沿断层有历史和现代中强地震震中分布，或晚更新世以来的古地震遗址，或密集的近期微震活动5、与活断层有共生联系的断层美国原子能委员会（USNRC）的定义是：（1）在3.5万年内有过一次或多次活动的断层（2）与其他活动断层有联系的断层（3）沿该断裂发生过蠕动或微震活动二、工程地质研究意义

活断层是成矿、地热、火山、现代地球活动等研究对象。工程界视活断层的活动为一类地质病害，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，评价其对建筑物的破坏作用。考虑：活断层错动变形对建筑物的直接破坏;活断层对区域地质环境的影响。如蠕动错裂、地面裂缝、地震、区域地壳稳定、水库地震等。

历史上活断层对建筑造成损坏或因断层存在对建筑造成间接破坏的例子很多西安地裂缝

引起西安地裂缝近期强烈活动因素除构造活动外，主与过量开采承压水引发的地裂缝两侧地面不均匀沉降有关。西安断陷一直处于下沉状态，长安-临潼断裂进行着南升北降的活动，使西安11条地裂缝带均处于下降的北盘，其分布及活动均受长安-临潼断裂控制，多年跨断层水准测量资料表明，长安-临潼断裂平均垂向活动速率为3.98mm/a。

对活断层进行研究，充分掌握其活动特征，合理评价其对工程的影响，有时可以安全有效地降低工程设计标准，节省投资，如黄河小浪底工程（中美联合设计，世界银行贷款）坝址区半径30公里内有8条大断裂其中王良断裂在坝下游6.5公里TQ1Q2断层发生在Q1－Q2期间断层泥热释光法测年龄：15.4-18.3万年，37.4-53.2万年Q2的中后期，Q3以来再未活动过抗震设计：8级→9级水平加速度：0.3伽→0.215伽，节约至少2亿元一、、活断断层层的的类类型型按照照位位移移方方向向与与水水平平面面的的关关系系：：（1）走滑滑型型活活断断层层常分分布布于于大大陆陆内内部部的的地地块块之之间间的的接接触触部部位位，，水水平平错错动动量量大大，，断断层层带带宽宽度度不不大大，，很很少少分分支支断断裂裂。。（2）逆断断型型活活断断层层多分布于于板块碰碰撞挤压压带。上上盘变形形带大，，出现多多分支断断层。（3）正断型活活断层差异升降降活动为为它的断断陷盆地地边缘。。下降盘盘分支断断层多见见，形成成地堑式式的正断断层组合合本节介绍绍活断层层的类型型与活动动方式、、继承性性与反复复性、长长度与断断距、错错动速率率与周期期。第二节活活断层层的基本本特征（1）粘滑型型活断层层间歇性突突然滑动动，常伴伴有地震震活动，，也称为为地震断断层。发生在强强度较高高的岩石石中，断断层带锁锁固能力力强，危危害大。。发震断裂裂特征：：深断裂裂，裂谷谷，板块块接触带带，（2）蠕滑型型活断层层沿断层面面两侧岩岩层连续续缓慢地地滑动发生在强强度较低低的软岩岩中，断断层带锁锁固能力力弱一般无震震发生，，有时可可伴有小小震二、活断断层的活活动方式式活动断层层的产状状要素、、长度等等均是重重要的几几何要素素，这些些可以通通过勘探探等手段段得到确确定。而而活动断断裂重新新活动往往往并非非全断裂裂都活动动，而是是部分段段的活动动，这里里断层长长度是指指现活动动段长度度及两旁旁相应的的错断距距离。在关于活活断层的的建筑设设计及有有关稳定定性的分分析论证证时，需需要了解解断层活活动段长长度L和断距D。对于历史史活断层层长度和和断距，，可以从从被错动动的形迹迹得到，，而对于于潜在活活断层，，要根据据有关方方面进行行预测。。一般认为为，活断断层地表表产生的的断裂长长度与震震源体处处断裂长长度相一一致。通通常是根根据活断断层可能能产生最最大地震震震级M，利用统统计经验验方式及及查表确确定L和D。这种关系系式很多多，如我我国地震震工作者者对我国国及邻近近地区地地表地震震断裂资资料得到到如下式式：三、断层层活动段段的长度度和断距距如下关系系图也可可以作为为确定L、D时使用有的情况况下，可可以采用用数字分分析（如如有限元元）方法法确定断断层长度度及断距距。断层长度1~数百公里里不等，，错距一一般几米米。一般般小于5.5级地震很很少产生地表表错动。。地表所所见断层长度度是地下的的1/2~1/5.活断层地地震活动动是否在在地表显显现形迹迹，与地地表覆盖盖层厚度度、震源源深度及及震级有有关，一般覆盖盖层厚度度大于30-50m、震源深深度大于于10-30km、地震震震级小于于6级条件下下，很少少出现地地表断裂裂现象。。断层锁固固力强的的部位往往往是活活动部位位。1、错动速速率错动速率率是指断断层年错错动位移移量，一一般是用用若干年年总的错错动量计计算得到到，因而而也称平平均错动动速率。。分为水水平和垂垂直分量量。断层层错动速速率从三三个方面面获得：：活断层活活动速率率及相应应周期是是表明活活断层的的活动强强度的重重要指标标，是地地震强度度的重要要资料。。（1）精密地地形变测测量是研究现现今活动动断裂的的有效方方法。我我国许多多著名活活断层均均设有精精密水准准、三角角测量、、激光测测距等量量测工作作。有了量测测数据，，便可以以计算错错动速率率。如贺贺兰山东东麓活断断裂红果果子沟处处，84年~86年测得断断层右旋旋错动，，水平8.48mm、垂直0.75mm。故错动动速率：：四、错动动速率和和活动周周期（2）根据第四四纪地层层、地质质的年代代及错动动量来获获得研究夷平平面、阶阶地、水水系、断断崖、土土层等，，通过测测量错动动量及相相对年龄龄，可以以计算出出平均错错动速率率。等级AAABCD错动速率(㎜/a)>101－100.1－10.01－0.1<0.01活动性极强强弱微非活动2、动周错期期断层两次次错动之之间的时时间间隔隔定义为为活断层层错动周周期R。断层运动动是地质质体能量量积累释释放的结结果，显显然能量量积累要要经历一一个时期期，积累累的过程程断层处处于平静静期（休休眠期）），释放放的过程程为活动动期。断断层表现现为活动动——平衡——再活动的的周期恢恢复。断断层应变变速率、、锁固段段深度等等不同，，表现了了不同的的错动周周期。对对于粘滑滑型断层层，一次次错动对对应的是是一次地地震活动动。可按以下下方法确确定错动动周期：：①按地壳应应变速率率（这是是近似当当成断层层平均错错动速率率）S及一次地地震错动动量d计算R。按上式计计算，对对于S＝1～10mm/a的A级活断层层，当发发生M＝7～8的地震时时，R≈1000年。②根据2次地震条条件、时时间间隔隔确定③根据地震震震级及及错动速速率，由由经验统统计式计计算许多人研研究了震震级M、错动速速率S与错动周周期的关关系；建建立了许许多统计计关系。。如日本本的松田田时彦对对日本断断层错动动与地震震震级关关系时，，得到lgd=0.6M-4.0,错动周期期是R=d(错移量)/s(错动速率)，即有“④根据第四四纪地层层、地质质错动证证据，结结合年龄龄测定确确定周期期。据研究，，活断层层活动周周期一般般在1—2千年左右右，少数数上万年年或几百百年。三次运动动：①第一次次（4200a）上盘块块体下滑滑，产生张裂裂缝，堆堆积W1②第二次（（2700a）上盘继继续下滑滑，产生拉张张裂缝，，将W1拉开，途途中堆积W2②第三次（（820a）继续下下滑，出出现F1断裂，将将W2错断（垂垂直距离离0.6m）周期：一次→二二次4200-2700=1500年二次→三三次2700-820=1880年速度：二次→三三次0.6÷÷1880≈0.75mm/a北天山西西部喀什什河断裂裂一、地质质、地貌貌、水文文地质标标志二、历史史地震及及历史期期地震错错段标志志三、微地地震测量量及地形形变检测测标志四、地球球物理标标志断层的活活动性与与否要通通过一些些标志加加以鉴别别。鉴别别有直接接测定活活动物质质年龄的的方法，，也可以以从有关关的地质质、地球球物理等等现象间间接判断断。间接鉴别别标志有有如下几几个方面面：第三节活活断层层的鉴别别标志地质方面面最新沉积积物被错错断，断断层破碎碎带，砂砂土液化化，地面面破裂等等最新沉积积物被错错断只要是见见到第四四系中、、晚期的的沉积物物被错断断，均视视断层为为活断层层。如位位于汾渭渭地堑中中段的平平遥活断断层，错错断晚更更新世中中晚期的的黄土，，以及早早中期更新世地层，断断距40—50m。如图：如上图，，可看出出几期运运动：①C堆积以前前，断层层已活动动，位移移量大；；②C堆积以后后，D堆积以前前，断层层至少一一次运动动（CD的错距不不同）；；③D堆积后，，至少一一次活动动，CD错距不同同；④E堆积以后后，F堆积前断断层再次次活动。。断层破碎碎带构造造形迹活动断层层因其形形成时间间较晚，，一般表表现为构构造带物物质欠固固结欠胶胶结状态态，较为为松散。。另外，，表现出出脉体变变形被切切断，构构造岩片片理化，，透镜化化，断面面新鲜无无风化，，第四系系物质牵牵引弯折折等。断断层矿物物的显微微变形出出现显微微组构（（如不等等颗粒拉拉长，光光轴微定定向等）），如图图伴有地震震现象的的活断层层，地表表出现断断层陡坎坎和地裂裂缝如，日本本丹那断断层带，，地震产产生很多多地裂缝缝，呈雁雁形排列列1、不同地地貌单元元突然相相接，或或两边沉沉积物厚厚度显著著差别地貌方面面例如，隆隆起山区区与断陷陷盆地突突然相接接。一次次错动量量大的活活断层，，沿线分分布断层层三角面面、断层层崖、陡陡坎、垭垭口、““V型谷”等等2、地貌单单元的分分解和异异常例如，河河流阶地地、山脊脊、水系系、夷平平面、坡坡洪积扇扇等地貌貌单元，，由于活活断层作作用，使使其产生生错断、、分解。。例如，活活断层作作用使正正常发育育的地貌貌系统出出现异常常形态或或特殊地地貌景观观。如断断层带一一侧，河河流的同同步肘状状拐弯、、宽窄变变异，断断层下降降盘一侧侧线状排排列的洪洪积群、、泥石流流、滑坡坡、串珠珠状洼地地等。水文地质质方面由于断层层带构造造物质松松散，容容易形成成强导水水带，因因而活断断层带一一线分布布泉水、、温泉，，出现植植被发育育现象。。也由于于活断层层为深大大断裂，，深循环环水将导导致水的的化学异异常。地物错断断我国有长长达3000多年的历历史地震震记载资资料，尤尤其是较较近的历历史记载载，可以以帮助判判别活断断层的存存在，可可能时据据以判断断活断层层的错距距，断裂裂长度等等。对古代建建筑物破破坏、错错断、掩掩埋等情情况调查查，可以以帮助判判断活断断层当时时的错距距等情况况。微震及地地形变测测量采用精密密水准测测量和三三角测量量在可能能活动断断层两侧侧进行地地形变测测量，可可以有效效地获得得断层活活动性的的有关证证据。断层的现现代活动动，必然然导致断断层带内内产生物物理、化化学变化化，其中中如断层层气、放放射性异异常；重重力、磁磁力、地地温等物物理异常常。通过过测量分分析，可可以间接接作为活活断层的的佐证。。自70年代以来来，我国国地震部部门在一一些重要要地区设设置了密密集的地地震台网网，监测测微震震震中位置置用以判判别活断断层，尤尤其在一一些大型型水、著著名的活活断层地地区布置置监测台台站，取取得了一一系列监监测资料料。它是是研究现现代地震震活断层层的最直直接有效效的方法法，但其其费时、、代价高高，不能能作为研研究活断断层的主主要工具具。地球化学学及地球球物理标标志第四节节活活断层层的调调查研研究方方法通过有有效的的调查查、分分析手手段，，才能能确定定断层层的活活动性性证据据，进进而确确定活活断层层的位位置、、展布布方向向、活活动特特征等等通常采采用的的方法法包括括：现现有资资料查查阅；；航卫卫片解解读；；区域域地质质调查查；现现场勘勘探；；年龄龄测量量；监监测等等。活断层层研究究首先先应从从较大大的地地域范范围内内进行行研究究，初初步确确定活活断层层展布布，和和位置置、长长度等等，这这些可可以采采用区区域地地质资资料，，大范范围地地质调调查，，以及及航卫卫片解解译