环境地质学第三章活断层与地震工程地质研究课件.ppt

1、第三章 活断层与地震工程地质研究第一节 概述 区域地壳稳定性：指地球内动力地质作用,如地震、火山活动、断层错动以及显著的地壳升降运动等对工程建设安全稳定的影响程度。指工程建设区域的现今地壳，由于天然或工程因素引起的地应力变化，主要产生构造、火山、地震等活动所造成的具有区域性地壳表层位移和破坏的程度。活断层地震破裂带唐唐山山大大地地震震唐山大地震唐山大地震玉玉 树树 地地 震震汶汶 川川 地地 震震印尼的活火山印尼的活火山印尼的活火山印尼的活火山印尼的活火山印尼的活火山核 爆 试 验三峡水库诱发地震三峡水库诱发地震第二节 活 断 层 概念及工程意义 活断层基本特征 活断层鉴别标志 活断层调查研究

2、方法 活断层区建筑原则断裂与断层的区别 断裂：fracture,rupture，又称破裂，物体受力变形，当应力达到破裂强度时，物体就会 发生断开，使物体的连续性和完整性遭到破坏，称为断裂或破裂。岩石中的断裂包括裂隙、节理和断层等。不论断裂两侧岩层或岩体是否沿断裂面发生过相对位移。断层：fault，岩石在力的作用下发生破裂，并在被破裂的两个岩体之间发生相对位移的不连续面，位移方向平行于不连续面。概念及工程意义概念及工程意义 活断层一般是指现今正在活动的断层，活断层一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久将来可能重新或近期曾活动过、不久将来可能重新活动的断层。后者也称为潜在活断层。活动的断

3、层。后者也称为潜在活断层。岩土工程勘察规范 全新活动断裂：全新世（10000）年内有过活动或近期正在活动，在将来（100年）可能继续活动的断裂。发震断裂：近期（500年）发生过5级以上地震，或在未来100年内预测可能发生5级以上地震的断裂。水利水电工程地质勘察规范 活断层：最后一次错动距今10-15万年（晚更新世）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活断层的工程意义沿活动断裂带分布的房屋被摧毁沿活动断裂带分布的房屋被摧毁沿活动断裂带道路出现波状节律性破坏沿活动断裂带道路出现

4、波状节律性破坏北川县城Main shock fault12BEICHUAN COUNTYShale&sandstoneLimestoneHalf of old town was buried by landslideWest town Landslide1600 fatalityTHE FIVE-FLOOR HOUSE WERE CRUSHED OVERLAYEDDamaged School building shows“typical axis pressure test”水平错动水平错动0.5m2nd storey is gone away Horizontal Moving is 0.5

5、m From sky从天而降从天而降抛掷抛掷振动液化（振动液化（Liquefaction Liquefaction）.El Centro,CA,1979Loma Prieta,CA,1989海啸（海啸（Tsunami）主要介绍活断层的类型与活动方式、继承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、错动速率与周性与反复性、长度与断距、错动速率与周期期。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地差异升降活动为它的断陷盆地边缘。下降盘分支断层

6、多见，形边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合。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。上多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出现多分支断层。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间常分布于大陆内部的地块之间的接触部位，水平错动量大，断的接触部位，水平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。层带宽度不大，很少分支断裂。二、活断层的基本特征二、活断层的基本特征 继承性与反复性 1、继承了老的断裂构造尤其是中生代和第三纪以来的断裂构造格架 2、西部地区以走滑和逆冲走滑断层为主，且强度明显大于

7、东部 3、东部以正断层和走滑正断层为主。是深大断裂复活运动的产物 1、深大断裂在挽近期及现代地壳构造应力条件下重新活动而产生 2、深大断裂：切穿岩石圈、地壳或基底的断裂，延伸数十数千km，切割深度数公里百余公里.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38003800万年前相互碰撞，此后印度板块仍以每年约万年前相互碰撞，此后印度板块仍以每年约5cm5cm的速度向的速度向NNENNE方向推进，强力地推挤着欧亚板块方向推进，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伊斯兰堡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

8、压过程中欧亚板块内产生了塑性或粘性流动变形。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（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。活动方式可分为粘滑型和蠕滑型 近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在大震前后近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在大震前后一段时间内在震源区及其外围的蠕滑现象。一段时间内在震源区及其外围的蠕滑现象。1976

9、年唐山地震前后的一些宏观现象，如井壁坍塌变年唐山地震前后的一些宏观现象，如井壁坍塌变形、沿八宝山断层地下水位的变化、河北省中部的井形、沿八宝山断层地下水位的变化、河北省中部的井喷现象等，都可能与深部断层的蠕动有关。喷现象等，都可能与深部断层的蠕动有关。据唐山地震区地形变资料反演求得的震中区据唐山地震区地形变资料反演求得的震中区8km6km的地带内，于的地带内，于19691975年发生了走滑错距为年发生了走滑错距为104cm的的无震蠕滑，走向和倾向滑动的平均速率分别达无震蠕滑，走向和倾向滑动的平均速率分别达18.6cm/a 和和1.4cma。我国大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动的构造形式，我国

10、大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动的构造形式，就是由于地壳块体或断裂带蠕动，导致在地面产生一系就是由于地壳块体或断裂带蠕动，导致在地面产生一系列微型破裂构造，一般称为地裂缝列微型破裂构造，一般称为地裂缝(ground fissure)或或“地地裂裂”现象。现象。典型代表有西安地裂缝和典型代表有西安地裂缝和19741976年在冀、鲁、豫、年在冀、鲁、豫、皖等省先后出现的大面积地裂现象。皖等省先后出现的大面积地裂现象。上述的地裂现象不受地貌、土质和水文条件影响而广泛上述的地裂现象不受地貌、土质和水文条件影响而广泛分布在大范围内，与区域构造方向和区域应力场方向协分布在大范围内，与区域构造方向和区域应

11、力场方向协调，表现出有统一的受力方向，反映出它们可能是一种调，表现出有统一的受力方向，反映出它们可能是一种大范围构造活动或深部断裂的蠕动而引起的地表蠕裂现大范围构造活动或深部断裂的蠕动而引起的地表蠕裂现象。象。西安地裂缝就被认为是由于渭河断陷南侧的长安临潼断裂的张性蠕动，为厚达一千余米的第四纪土西安地裂缝就被认为是由于渭河断陷南侧的长安临潼断裂的张性蠕动，为厚达一千余米的第四纪土层提供了潜在临空面，在自重应力场作用下产生了侧向扩展层提供了潜在临空面，在自重应力场作用下产生了侧向扩展(gravitational lateral spreading)而形成的。而形成的。活动断层的产状要素、长度等均

12、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，指现活动段长度及两旁相应的错断距离。通常用强震导致的地面破裂(地震断层或地表错断)的长度(L)和伴随地震产生的一次突然错断的最大位移值(D)表示。通过对地表错断的研究，可以了解地震破裂的方式和过程，判定地震断层动力学特征，又可了解地震时的地面效应，判定地震危险性和震害程度，为在活断层区修建建筑物的抗震设计提供参数。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。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。活断层参数

13、的定量研究如下关系图也可以作为确定如下关系图也可以作为确定L L、D D时使用时使用（1）我国关系式（四川省地震局）我国关系式（四川省地震局1986）：）：M=1.19lgL+5.25 L=0.56M-2.25（2）日本松田时彦得出的关系式为：）日本松田时彦得出的关系式为：M=（1/0.6）lgL+4.85 lgD=0.55M-3.71（3）博泥拉得出的关系式：）博泥拉得出的关系式：Ms(L)=6.04+0.708lgL 断层长度1 数百公里不等，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，

14、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。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。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。断层错动速率从两个方面获得：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

15、旋错动，水平8.48mm、垂直0.75mm。故错动速率：ammS/8.2348.8水平ammS/25.0375.0垂直四、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丽江断裂缺失的沉积物多次运动老沉积物C14=2.51万年47m2、错动周期 地震断层两次突然错动之间的时间间隔为活断层错动周期。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

16、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。锁 固 段 段 一 次 粘 滑 错 动长 期 变 形 缓 慢 错 动精 密 地 形 变 测 量例 如：某 断 层 一 次 地 表 错 动 水 平 距 离 4.5 6.2m，而 相 应 的 形 变 速 率 为 3cm/a，那 么，S=150 200a)0.4(6.0LOGSMLOGR 按上式计算，对于S110mm/a的A级活断层，当发生M78的地

17、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：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F2 断裂，将W2错断

18、（垂直距离0.6m）.周期：一次二次 4200-2700=1500年 二次三次 2700-820=1880年速度：二次三次 0.618800.75mm/a北天山西部喀什河断裂活断层的年龄判据 活断层的年龄判据方法有间接法（错断地层年龄法）和直接法（断层物质绝对年龄法）两种：间接法：适用于错断断层带及其所在地质体上覆盖有第四纪沉积物的条件。直接法：从断层带内采取样品，并用专门一起测定样品中某些矿物、岩石、化石的物理、化学和显微结构的变化等，用以确定绝对年龄。14C法：宇宙射线中子冲击高空氮生成14C,新生的14C被氧化成为CO2,参加自然界碳循环，扩散到整个生物界以及大气发生交换的一切含碳物质中

19、。这些14C含量一方面衰减，一方面从大气中得到补偿，保持平衡，但是一旦动植物死亡掩埋，则只会衰减而不得到补偿。即可通过半衰期测年。适用范围是距今300年-50000年。热释光法：某些固体物质因长时间受到射线的辐射，在辐射电离作用下，固体物质产生电子-空穴对，一些电子被晶体的缺陷所俘获。如果将晶体加热，被俘获的电子则从陷阱中逃逸出来与空穴复合，同时以光子的形式释放出他们所储存的能量，这就是热释光。当积累热释光以后，遇到光-热事件，就会使积存的热释放，然后重新积累热释光。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

20、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：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：FEDCBEDCB如 上 图，可 看 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

21、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：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，E堆积以前至少一次活动。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，长轴微定向等），如图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，

22、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，活断裂带上线状排列的洪积群、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。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。历史地震记载资料历史地震记载资料 我国有长达3000多年的历

23、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，

24、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 活断层的工程地质调查目的在于准确确定建筑区附近活断层带位置，确定建筑区内有无活断层，活断层带的宽度，错动最大幅值及变形带宽度，以及间断活动的时间间隔，如果伴有地震，则应进行地震研究。活断层的调查研究方法活断层的调查研究方法航测照片 可以看到地表研究所不能看到的迹象，近年来快鸟(QUICK BIRD)卫片精度达0.68m,在研究属于线性构造的断层中是很有用的。有些主干走向错动活断层在图上极易看出 另一些极端情况，例如逆断层，既使是有丰富经验的解译者也只能定为可疑

25、断层，所以一定要两个有经验的人分别解译，以排除不可靠的主观判断。西大滩遥感影像图西大滩遥感影像图开挖探槽 是研究活断层活动特性、确定其间断活动时间间隔的必不可少的手段。主要研究跨断层的最新沉积是否被断层错断及其错动幅度；提供含碳物质的样品以定绝对年龄，以便判定活动的时代；揭露重复错动证据，如较老地层比新地层错距大、多次的地层砂土液化造成的多次喷砂的地层记录等等，以判定间歇错动的时间间隔。所需探槽深度一般不大，约为2-4m。活断层调查-开挖探槽活断层的监测 对工程或对发生较强地震有重要意义的活断层应监测其活动动态。监测有位移监测和微震监测两方面，两者应配合进行。位移监测的方法是多种的，从不同时期

26、的卫星影象的比较研究、基线重复测量到埋置仪器检测。在坑道中跨过断层埋置伸长计可以连续地监测断层活动动态。活断层活动年代的测定 在地震地质、现代构造运动和大型工程设施区域稳定性研究中，确定断层最后一次活动至关重要。目前有两类确定方法：其一为确定断层活动时代区间，即活动年代的上限和下限，多以被断层错断或未错断的地质体或地貌的年代来表示；其二为直接测定断层活动过程中产生的物质的年代，即提取断层活动生成的地质时期的计时信息。最大主应力最大主应力最小主应力最小主应力 数 值 模 拟 建筑物场址一般应避开活动断裂带。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。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。在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式。第五节第五节 活断层区的建筑原则活断层区的建筑原则第三节 地 震