第四章第四章 活断层的工程地质研究活断层的工程地质研究工程地质分析原理工程地质分析原理4.1 4.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义n n活断层活断层(active fault)(active fault)一般理解为目前还在持续活一般理解为目前还在持续活 动的断层，或在历史时期或近期地质时期活动过、极动的断层，或在历史时期或近期地质时期活动过、极 可能在不远的将来重新活动的断层。后一种情况也可可能在不远的将来重新活动的断层。后一种情况也可 称为潜在活断层称为潜在活断层(potentially active fault)(potentially active fault)。n n断层在目前持续活动的标志，当然是判定活断层在目前持续活动的标志，当然是判定活 断层的无可争议的证据。如何判定潜在活断层则有断层的无可争议的证据。如何判定潜在活断层则有 各种不同的标准。人类历史时期有过活动记录的当各种不同的标准。人类历史时期有过活动记录的当 然是潜在活断层。对近期地质历史时期却有不同的然是潜在活断层。对近期地质历史时期却有不同的 理解与限定。理解与限定。n n有人将之限于全新世有人将之限于全新世( (即最近即最近11000a11000a以内以内) )，有人，有人 则限于最近则限于最近35000a (35000a (以以1414C C确定绝对年龄的可靠上限确定绝对年龄的可靠上限) ) 之内，更有人限于晚更新世之内，更有人限于晚更新世( (最近最近100,000 a 100,000 a 或或 500,000a)500,000a)之内，或者根据近期地质历史时期之内，或者根据近期地质历史时期( (例如第例如第 四纪期间四纪期间) )有重复活动来判定。有重复活动来判定。n n从工程使用时间尺度和断层活动时间测年的准从工程使用时间尺度和断层活动时间测年的准 确性来考虑，活动时间上限不宜太长，应以前两者确性来考虑，活动时间上限不宜太长，应以前两者 为适当。可能有重新活动的不远的将来，一般理解为适当。可能有重新活动的不远的将来，一般理解 为重要建筑物如大坝、原子能电站等的使用年限之为重要建筑物如大坝、原子能电站等的使用年限之 内，约为内，约为100a-200a100a-200a。n n活动断层有不同的活动特性活动断层有不同的活动特性: :n n持续不断缓慢蠕动的称为持续不断缓慢蠕动的称为蠕滑蠕滑(creep slip)(creep slip)或稳滑或稳滑 (stable slip);(stable slip);间断地、周期性突然错断的为间断地、周期性突然错断的为粘滑粘滑(stick (stick slip)slip)，粘滑常伴有地震，是活断层的主要活动方式。，粘滑常伴有地震，是活断层的主要活动方式。 一条长大活断层的不同区段可以有不同的活动方式一条长大活断层的不同区段可以有不同的活动方式 。活断层的活动强度主要以其。活断层的活动强度主要以其错动速率错动速率来判定。来判定。n n但活断层错动速率是相当缓慢的，两盘相对位但活断层错动速率是相当缓慢的，两盘相对位 移平均达到移平均达到lmmlmma a，已属相当强的活断层。世界上，已属相当强的活断层。世界上 最著名的活断层，为美国的最著名的活断层，为美国的圣安德烈斯断层圣安德烈斯断层，两盘，两盘 间年平均最大相对位移也只有间年平均最大相对位移也只有5cm5cm。所以，即使是现。所以，即使是现 今还在蠕动的断层，也不能用一般的观测方法取得今还在蠕动的断层，也不能用一般的观测方法取得 它活动的标志，而需采用它活动的标志，而需采用重复精密水准测量重复精密水准测量( (水准环水准环 测或三角、三边测量测或三角、三边测量) )。近年还采用全球定位系统。近年还采用全球定位系统 ( (GPSGPS，Global Positioning System)Global Positioning System)或或超长基线超长基线 (VIBI)(VIBI)测量测量法测得两盘相对位移。法测得两盘相对位移。n n近年研究证明，断层位移往往伴有小地震，所以近年研究证明，断层位移往往伴有小地震，所以 用用密集地震台网密集地震台网精确测定小震震中沿断层线分布精确测定小震震中沿断层线分布( (参见参见 图图6-23)6-23)，也是判定断层活动的可靠标志。有些间断活，也是判定断层活动的可靠标志。有些间断活 动的断层，在其非活动期，断层线两侧既无相对位移动的断层，在其非活动期，断层线两侧既无相对位移 ，沿断层也无小地震产生。但经过一定时期之后，在，沿断层也无小地震产生。但经过一定时期之后，在 断层线上的某一点会发生较强地震，有时还伴以位移断层线上的某一点会发生较强地震，有时还伴以位移 达几米的地表错断。这类断层可从历史上地震和断层达几米的地表错断。这类断层可从历史上地震和断层 错动错动记录记录或从过去的强震震中沿断层分布取得其活动或从过去的强震震中沿断层分布取得其活动 标志。标志。 n n但即使在我国这样但即使在我国这样个历史悠久的国家，地个历史悠久的国家，地 震历史记录也不过只有震历史记录也不过只有3000a3000a左右，仪器确切测定左右，仪器确切测定 震中更是最近几十年来才实现的。所以判定断层震中更是最近几十年来才实现的。所以判定断层 活动性主要还是要依靠活动性主要还是要依靠地质标志地质标志，即断层近期活，即断层近期活 动在最新沉积层中、在断层物质中或在地形地貌动在最新沉积层中、在断层物质中或在地形地貌 上留下来的证据。通过这些证据的详细研究，可上留下来的证据。通过这些证据的详细研究，可 以判定断层是否活动，以判定断层是否活动，其活动方式和规模及是否其活动方式和规模及是否 伴有地震。通过多种伴有地震。通过多种绝对年龄测定绝对年龄测定，还可判定断，还可判定断 层的活动时间、速率及重复活动的时间间隔或重层的活动时间、速率及重复活动的时间间隔或重 复活动周期。复活动周期。n n对活断层进行工程地质研究的重要意义有以下对活断层进行工程地质研究的重要意义有以下 两个方面。两个方面。n n其一是断层的地面错动及其附近的伴生的地其一是断层的地面错动及其附近的伴生的地 面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近 的建筑物。的建筑物。n n其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会 使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害 。n n活断层错动直接损害建筑物的例子迄今为活断层错动直接损害建筑物的例子迄今为 止为数不多。在我国则有止为数不多。在我国则有19761976年唐山地震时的长年唐山地震时的长 达达8km8km的地表错断。它呈北的地表错断。它呈北3030东方向由市区通过东方向由市区通过 ，最大水平错距，最大水平错距3m3m，垂直断距，垂直断距0.7-lm0.7-lm，错开了，错开了 道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物 。n n19991999年台湾汲汲地震、年台湾汲汲地震、20012001年昆仑山地震、年昆仑山地震、 20082008年年5.125.12汶川汶川8.08.0级地震、级地震、20102010年海地年海地7.37.3级地震级地震 、20102010年智利年智利8.88.8级地震。级地震。20112011年日本年日本9.09.0级地震。级地震。n n宁夏石咀山红果子沟一带的活断层，也将明宁夏石咀山红果子沟一带的活断层，也将明 代代( (约约400a400a前前) )长城边墙水平错开长城边墙水平错开1.45m(1.45m(右旋右旋) )，且，且 西升东降垂直断距约西升东降垂直断距约0.9m0.9m。日本神户附近的六甲。日本神户附近的六甲 地区活断层对建筑物的影响也是一个较好例子。地区活断层对建筑物的影响也是一个较好例子。n n津田调查了六甲山南侧平原和阶地上建筑津田调查了六甲山南侧平原和阶地上建筑 物出现裂缝的情况，并以统计法编制了受损害建物出现裂缝的情况，并以统计法编制了受损害建 筑物等密线图。图上的高密度延伸线恰好与六甲筑物等密线图。图上的高密度延伸线恰好与六甲 山麓发育的几条活断层的延长线一致，表明建筑山麓发育的几条活断层的延长线一致，表明建筑 物的损坏与断层活动有关。物的损坏与断层活动有关。n n美国被活断层错开的建筑物有美国被活断层错开的建筑物有19061906年旧金山大年旧金山大 地震时分别被错开地震时分别被错开2.5m2.5m和和2m2m的上晶泉坝和老圣安的上晶泉坝和老圣安 德烈斯坝。（德烈斯坝。（1906.04.181906.04.18，M7.8/7.9M7.8/7.9）n n沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂 而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造成而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造成 地震。地震。所以预测地震危险性或水库诱发地震的可所以预测地震危险性或水库诱发地震的可 能性都需要首先研究活断层，判定其能性都需要首先研究活断层，判定其活动时代，活动时代， 错动速率、重复活动的证据和重现周期错动速率、重复活动的证据和重现周期。正是由正是由 于地震预报的广泛研究，促使地震地质迅速发展于地震预报的广泛研究，促使地震地质迅速发展 ，而地震地质工作的首要任务是鉴别是否存在能，而地震地质工作的首要任务是鉴别是否存在能“ “ 发震发震” ”的活断层。近的活断层。近30a30a内对活断层的研究取得较内对活断层的研究取得较 大进展。世界各地都鉴别出了一些活断层，并逐大进展。世界各地都鉴别出了一些活断层，并逐 步积累了其活动特性和错动规模的大量实际资料步积累了其活动特性和错动规模的大量实际资料 。有些国家还编制和出版了近期活动断层图，对。有些国家还编制和出版了近期活动断层图，对 活断层的调查、判定、监测方法也取得了不少经活断层的调查、判定、监测方法也取得了不少经 验。验。风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公 路的裂缝延伸特征（镜向西）路的裂缝延伸特征（镜向西）风火山隧道北部断裂切割表层第四系风火山隧道北部断裂切割表层第四系 和公路的裂缝延伸特征（镜向西）和公路的裂缝延伸特征（镜向西）风火山隧道北部断裂切割表层第四系的裂 缝延伸特征（镜向西） 裂缝最大宽度510mm，延伸长度200m昆仑山口断裂带 断层的 现今活动在地表的显示F2-2F2-2镜向NW4.2 4.2 活断层的特性活断层的特性 活断层的特性包括活断层的活断层的特性包括活断层的类型和活动方式类型和活动方式，活，活 断层的断层的规模规模，活断层的，活断层的错动速率及其分级错动速率及其分级，活断层的，活断层的 重复活动周期重复活动周期，以及作为活断层活动记录的，以及作为活断层活动记录的古地震事古地震事 件件等。等。4.2.1 4.2.1 活断层的类型和活动方式活断层的类型和活动方式 按构造应力状态及两盘相对位移的性质，可将活按构造应力状态及两盘相对位移的性质，可将活 断层划分为地质上熟悉的三种类型，即：断层划分为地质上熟悉的三种类型，即：走向滑动或走向滑动或 平移断层平移断层，逆断层和正断层逆断层和正断层。其中以走向滑动型最为其中以走向滑动型最为 常见。三类活断层由于几何特征和运动特性不同，所常见。三类活断层由于几何特征和运动特性不同，所 以它们对工程场地的影响也各异。以它们对工程场地的影响也各异。 4.2.1.14.2.1.1 走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层 最大最小主应力近于水平，所以两者之间的最大最小主应力近于水平，所以两者之间的 最大剪应力面，亦即此类断层的断层面，近于直立最大剪应力面，亦即此类断层的断层面，近于直立 ，因之其地表出露线也就最为平直；，因之其地表出