第一章 活断层工程地质研究1910年，年，前南斯拉夫前南斯拉夫地震学家地震学家莫霍洛维奇莫霍洛维奇契意外地发现，地震波在传到契意外地发现，地震波在传到地下地下50公里处有公里处有折射现象折射现象发生。他认为，这个发生折射的地带，就是地发生。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。壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年，年，德国德国地震学家古登堡发现，地震学家古登堡发现，在地下在地下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了纪念他们，就将两个面分别命名为“莫霍面莫霍面”和和“古登堡面古登堡面”并根据并根据这两个面把地球分为地壳、地幔和地核三个圈层。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610万年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3.98 mm/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Q1Q2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、活断层的类型按照位移方向与水平面的关系：（1）走滑型活断层 常分布于大陆内部的地块之间的接触部位，水平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。（2）逆断型活断层 多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出现多分支断层。（3）正断型活断层 差异升降活动为它的断陷盆地边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合本节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、错动速率与周期。第二节 活断层的基本特征（1）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。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， （2）蠕滑型活断层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，断层带锁固能力弱一般无震发生，有时可伴有小震二、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，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，需要了解断层活动段长度L和断距D。 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。 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M，利用统计经验方式及查表确定L和D。这种关系式很多，如我国地震工作者对我国及邻近地区地表地震断裂资料得到如下式：三、断层活动段的长度和断距如下关系图也可以作为确定L、D时使用有的情况下，可以采用数字分析（如有限元）方法确定断层长度及断距。断层长度1 数百公里不等，错距一般几米。一般小于5.5级地震很少产生地表错动。地表所见断层长度是地下的1/21/5. 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，一般覆盖层厚度大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震级小于6级条件下，很少出现地表断裂现象。 断层锁固力强的部位往往是活动部位。1、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： 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。（1）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。如贺兰山东麓活断裂红果子沟处，84年86年测得断层右旋错动，水平8.48mm、垂直0.75mm。故错动速率：四、错动速率和活动周期（2）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，通过测量错动量及相对年龄，可以计算出平均错动速率。等级AAABCD错动速率(/a)101100.110.010.10.01活动性极强强弱微非活动 2、动周错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。断层表现为活动平衡再活动的周期恢复。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。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错动速率）S及一次地震错动量d计算R。 按上式计算，对于S110mm/a的A级活断层，当发生M78的地震时，R1000年。 根据2次地震条件、时间间隔确定 根据地震震级及错动速率，由经验统计式计算 许多人研究了震级M、错动速率S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与地震震级关系时，得到lgd=0.6M-4.0,错动周期是R=d(错移量)/s(错动速率)，即有“ 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12千年左右，少数上万年或几百年。三次运动：三次运动： 第一次（4200a）上盘块体下滑， 产生张裂缝，堆积W1 第二次（2700a）上盘继续下滑， 产生拉张裂缝，将W1拉开，途中 堆积W2 第三次（820a）继续下滑，出现F1 断裂，将W2错断（垂直距离0.6m）周期：周期：一次二次 4200-2700=1500年 二次三次 2700-820=1880年速度：速度： 二次三次 0.618800.75mm/a北天山西部喀什河断裂一、地质、地貌、水文地质标志二、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四、地球物理标志 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、地球物理等现象间接判断。 间接鉴别标志有如下几个方面：第三节 活断层的鉴别标志地质方面地质方面最新沉积物被错断，断层破碎带，砂土液化，地面破裂等最新沉积物被错断 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，以及早中期更新世地层，断距4050m。如图：如上图，可看出几期运动： C堆积以前，断层已活动，位移量大； C堆积以后，D堆积以前，断层至少一次运动 （CD的错距不同）； D堆积后，至少一次活动，CD错距不同； E堆积以后，F堆积前断层再次活动。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现显微组构（如不等颗粒拉长，光轴微定向等），如图伴有地震现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝 如，日本丹那断层带，地震产生很多地裂缝，呈雁形排列1、不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别地貌方面地貌方面 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、“V型谷”等2、地貌单元的分解和异常 例如，河流阶地、山脊、水系、夷平面、坡洪积扇等地貌单元，由于活断层作用，使其产生错断、分解。 例如，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。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常。地物错断地物错断 我国有长达3000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，可以帮助判断活断层当时的错距等情况。微震及地形变测量微震及地形变测量 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。 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、地温等物理异常。通过测量分析，可以间接作为活断层的佐证。 自70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，尤其在一些大型水、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，但其费时、代价高，不能作为研究活断层的主要工具。地球化学及地球物理标志第四节 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；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。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。 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，得到断层错动次数、错动量、错动周期等有用参数 年龄测定可以根据情况分别采取断层构造岩、断层带充填物、断层两侧不同时代的地层物质的样品，采用C14、热释光、电子自旋共振等方法进行年龄测定。必须在活断层地区兴建的建筑物，应尽可能地选择相对稳定地块即“安全岛”，尽量将重大建筑物布置在断层的下盘。建筑物场址一般应避开活动断裂带在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式第五节 活断层区的建筑原则线路工程必须跨越活断层时，尽量使其大角度相交，并尽量避开主断层