工程地质学课件：2 第二章 活断层工程地质研究.ppt

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 活断层参数活断层参数 活断层鉴别标志活断层鉴别标志 活断层工程地质研究活断层工程地质研究第一节第一节 概述概述 活断层活断层(active fault)一般是指现今正在活动一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久将来可能的断层，或近期曾活动过、不久将来可能会重新活动的断层。后者也称为潜在活断会重新活动的断层。后者也称为潜在活断层。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

2、构造背景条件控制，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太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块（包括澳洲）和南极洲板块。 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

3、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一。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。看法不一，不同部门、不同国家都存在差别。 是指目前正在活动着的断层，或是近期曾

4、有过是指目前正在活动着的断层，或是近期曾有过活动而不久的将来可能会重新活动的断层。活动而不久的将来可能会重新活动的断层。后后者称为潜在断层或能动断层。者称为潜在断层或能动断层。 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

5、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

6、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。 与工程的区域稳定性或地壳稳定性密与工程的区域稳定性或地壳稳定性密切相关。切相关。 地震地震Cypress Freeway Structure, Oakl

7、and 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（ Liquefaction Liquefaction ）.El Centro, CA,1979Loma Prieta, CA,1989洛马洛马普里埃塔普里埃塔 加州加州-埃尔森特罗埃尔森特罗 海啸（海啸（ Tsun

8、ami） 对活断层进行研究，充分掌握其对活断层进行研究，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影响，有时可以安全有效地降低工程设计标准，节省投资。工程设计标准，节省投资。 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Q1Q2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：9

9、9级级88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1815.10.236.7

10、5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、继承性与反复性式、继承性与反复性。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按照位移方向与水平面的关系：系： （1 1）正断型活断层）正断型活断层 差异升降活动为它的差异升降活动为它的断陷

11、盆地边缘。下降盘分断陷盆地边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式支断层多见，形成地堑式的正断层组合。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多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出压带。上盘变形带大，出现多分支断层。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常分布于大陆内部的地块之间的接触部位，水地块之间的接触部位，水平错动量大，断层带宽度平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。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

12、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、活断层的活动方式三、活断层的继承性和反复性三、活断层的继承性和反复性活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的，而活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的

13、，而且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过同样的断层运动。同样的断层运动。一些活动构造带的古地震震中，总是沿活动性断裂有规律一些活动构造带的古地震震中，总是沿活动性断裂有规律地分布的，岩性和地貌错位反复发生，累积叠加，其中尤地分布的，岩性和地貌错位反复发生，累积叠加，其中尤以走滑断层最为明显。以走滑断层最为明显。新疆喀依尔特新疆喀依尔特- -二台活断裂在地质时期内长期活动，其右旋走滑二台活断裂在地质时期内长期活动，其右旋走滑运动幅度的最大值运动幅度的最大值26km26km；上更新世早期形成的水系被错移的最；上更新世早期形成的水系被错

14、移的最大值大值2.5km2.5km。根据大量古地震现象，不同期次断层错动不同层序。根据大量古地震现象，不同期次断层错动不同层序沉积物的资料和沉积物的资料和C14C14年代测定等综合分析，初步可确定断裂带上年代测定等综合分析，初步可确定断裂带上有有3 35 5次次古地震事件，各次地震位移累积叠加。说明该断裂在古地震事件，各次地震位移累积叠加。说明该断裂在相当长的地质历史时期内，在差不多同一构造应力条件下以同相当长的地质历史时期内，在差不多同一构造应力条件下以同一机制沿着已经发生错动的断裂带继续活动，主要活动方式是一机制沿着已经发生错动的断裂带继续活动，主要活动方式是粘滑。现今的富蕴粘滑。现今的富

15、蕴(1931(1931年年8 8级级) )地震断裂带是它继承性活动和发地震断裂带是它继承性活动和发展的产物，它的展布范围与该活动断层完全一致。展的产物，它的展布范围与该活动断层完全一致。 四、活断层是深大断裂复活运动的产物四、活断层是深大断裂复活运动的产物 活断层往往是地质历史时期产生的深大断活断层往往是地质历史时期产生的深大断裂，在晚近期及现代地壳构造应力条件下裂，在晚近期及现代地壳构造应力条件下重新活动而产生的。重新活动而产生的。 切割深切割深 延展长延展长 地震带、地热异常带地震带、地热异常带郯庐断裂带是一条横穿我国郯庐断裂带是一条横穿我国东部湖北、安徽、江苏、山东部湖北、安徽、江苏、山

16、东、渤海以及辽宁等地区向东、渤海以及辽宁等地区向北北东向延伸、由一系列北北北东向延伸、由一系列北北东向断裂带组成的平面呈北东向断裂带组成的平面呈缓缓S形的深大走滑断裂系形的深大走滑断裂系 有学者通过研究认为，印支有学者通过研究认为，印支运动之后，郯庐断裂带主要运动之后，郯庐断裂带主要受西太平洋板块运动所产生受西太平洋板块运动所产生的区域地质动力所控制，经的区域地质动力所控制，经历了晚侏罗世历了晚侏罗世早白垩世时早白垩世时期的左行平移走滑运动期的左行平移走滑运动晚白至世晚白至世古近纪时期的伸古近纪时期的伸展断裂断陷展断裂断陷新近纪以来新近纪以来的受压逆冲运动的构造演化的受压逆冲运动的构造演化历程

17、历程 造山期郯庐断裂带两侧变形构造图造山期郯庐断裂带两侧变形构造图 第三节第三节 活断层的参数活断层的参数 一、活断层的产状一、活断层的产状 断层面的走向、倾向和倾角断层面的走向、倾向和倾角 通过遥感、地质调查、震源机制、等通过遥感、地质调查、震源机制、等震线、裂缝带、大地测量等震线、裂缝带、大地测量等 活动断层的产状要素、长度等均是重要的几何要素，这些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，这里全断裂都活动，而是部分段的活动，这里断层长度断层长

18、度是指现今活是指现今活动段长度及两旁相应的错断距离。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，需要了解断层要了解断层活动段长度活动段长度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到，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。而对于潜在活断层，要根据有关方面进行预测。 一般认为，活断层在地表产生的断裂长度与震源体处断裂一般认为，活断层在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长度相一致。通

19、常是根据活断层可能产生最大地震震级M M，利，利用统计经验方式及查表确定用统计经验方式及查表确定L L和和D D。 二、断层活动段的长度和断距二、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为确定确定L L、D D时使用时使用地震震级与地表错断长度的关系 地震震级与地表最大位移的关系 有的情况下，可以采用数值分析（如有限元）方法确有的情况下，可以采用数值分析（如有限元）方法确定断层长度及断距。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级地震很少级地震很少产生地表错动。产生地表错动。 活断层地震活动是否在地表显现形迹，与地表覆盖层活

20、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，厚度、震源深度及震级有关，一般覆盖层厚度大于一般覆盖层厚度大于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，很少出级条件下，很少出现地表断裂现象。现地表断裂现象。 M=3.3+2.1lgLM-地震震级；L-最长地面断裂长度 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。指标，是地震强度的重要资料。 1、错动速率、错动速率 错动速率是指错动速率是指断层年错动位移量断层年错动位移量，一般是用若干年总

21、的错动，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。断层错动速率从二个方面获得：层错动速率从二个方面获得： （1）精密地形测量）精密地形测量 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。三、错动速率和活动周期三、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、

22、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)101100.110.010.1500mXI区区Wangjiayan landslideNew beichuan middle school AvalanchesOld town New town700 deaths1600 deaths Investigation of house damage 统计表明，对于统计表明，对于烈度区的烈度区的类

23、房屋，建议断层上盘避让距离类房屋，建议断层上盘避让距离100m,100m,是能够满足抗震要求的，即房屋修复可用。是能够满足抗震要求的，即房屋修复可用。 同时，从表中也可以看出房屋受损的断层上、下盘效应，上盘、下同时，从表中也可以看出房屋受损的断层上、下盘效应，上盘、下盘房屋受损比为盘房屋受损比为4:14:1，其中完全倒塌比率为，其中完全倒塌比率为4:04:0。House damage位置位置距断层距离距断层距离(m) 上盘上盘 下盘下盘 最小最小 最大最大 平均平均完全倒塌完全倒塌 4 0 8 18 9 损坏，但未倒塌损坏，但未倒塌 10 2 4 116 46 部分损坏部分损坏 6 3108

24、260 130Case study: Muyu town (青川木鱼镇调查青川木鱼镇调查) Site geological map of old Beichuan county town(老北川地形地质图老北川地形地质图) Site geological map of New Beichuan county town ( Yongan Town and Anchang Town（新北川县城地形地质图）（新北川县城地形地质图） 5-6 kmEarthquake fault（2）线状工程建设避开活动断裂）线状工程建设避开活动断裂图1 成兰铁路地理位置图 拟建铁路成都至兰州线位拟建铁路成都至兰州线位

25、于四川省和甘肃省境内，起于于四川省和甘肃省境内，起于成都，向北延伸连接在建兰渝成都，向北延伸连接在建兰渝铁路的哈达铺站，正线长度铁路的哈达铺站，正线长度457.592km。与既有宝成铁路、。与既有宝成铁路、在建兰渝线及规划的川青线、在建兰渝线及规划的川青线、川藏线共同构建沟通西北与西川藏线共同构建沟通西北与西南及华南沿海的区际干线铁路南及华南沿海的区际干线铁路通道。全线正线按电气化双线通道。全线正线按电气化双线设计，旅客列车速度目标值为设计，旅客列车速度目标值为200公里公里/小时。小时。SE汶川汶川北川北川-映秀断裂映秀断裂茂汶断裂茂汶断裂龙龙 门门 山山青青 藏藏 高高 原原龙门山镇龙门山

26、镇白鹿乡白鹿乡彭灌断裂彭灌断裂暖湿气流暖湿气流干旱少雨干旱少雨湿润多雨湿润多雨成都成都 线路限制坡度线路限制坡度1818，全线桥隧比为，全线桥隧比为86.05%86.05%。若扣除平原区。若扣除平原区73km73km，则隧道占，则隧道占86.5%86.5%，桥梁占，桥梁占8.5%8.5%，桥隧比重达，桥隧比重达95%95%。尽量远离断层：伴行尽量远离断层：伴行距离小于距离小于200m200m约约756m756m，大于大于200m200m约约170.4km170.4km。 大角度大角度相交通过相交通过原则。原则。淮北构造图淮北构造图 区域地形差异区域地形差异 左行平移现象左行平移现象 宿北断裂宿

27、北断裂 宿北断裂三维地震 宿北断裂错断第四系底界两盘落差最大为110m（图5-27a），最小为10m 铁佛寺井田铁佛寺井田 陈桥井田陈桥井田 宿北断裂现场调查宿北断裂现场调查 魏庙断层魏庙断层祁东井田南部的魏庙断层，走向近东西，二维地震资料显示错断第四祁东井田南部的魏庙断层，走向近东西，二维地震资料显示错断第四系底界系底界20m50m，控制长度约，控制长度约8km，时间剖面显示煤系地层煤层反射，时间剖面显示煤系地层煤层反射波中断，断至第四系内部，第四系底界与下伏地层角度不整合接触明波中断，断至第四系内部，第四系底界与下伏地层角度不整合接触明显，活断层两盘新地层内部有明显扭曲和错断，活断层控制程

28、度为较显，活断层两盘新地层内部有明显扭曲和错断，活断层控制程度为较可靠控制可靠控制 热释光（热释光（Thermoluminescence） 测试结果表明，魏庙断层最后一次活动时间应该在测试结果表明，魏庙断层最后一次活动时间应该在3万万9千多年左右的千多年左右的全新世，属于新构造期的产物（全新世，属于新构造期的产物（Q4） 淮北煤田活断层分布示意图淮北煤田活断层分布示意图 喜山期以喜山期以后的新构后的新构造期，华造期，华北板块主北板块主要所受应要所受应力方向为力方向为近东西向近东西向EW走向的走向的正断层大正断层大量发生走量发生走滑和扭转滑和扭转 复习思考题复习思考题1 1、活断层的定义、活断层的定义2 2、活断层的特征及分类、活断层的特征及分类3 3、活断层的识别标志有哪些？、活断层的识别标志有哪些？4 4、活断层区的建筑原则有哪些？、活断层区的建筑原则有哪些？