礦山工程地質(zhì)

第四章區(qū)域穩(wěn)定性工程地質(zhì)研究

所謂區(qū)域穩(wěn)定性是指工程建設(shè)區(qū)在內(nèi)、外動(dòng)力(以內(nèi)動(dòng)力主)的綜合作用下，現(xiàn)今地殼及其表層的相對(duì)穩(wěn)定程度。工程地質(zhì)人員研究區(qū)域穩(wěn)定性的目的在于了解區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)．工程地基、場址或地下工程，盡量布置在相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)(或穩(wěn)定地塊)，避開現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造帶。區(qū)域穩(wěn)定性工程地質(zhì)研究的主要內(nèi)容包括：區(qū)域地應(yīng)力場、活斷層的分布和地震活動(dòng)情況。第一節(jié)區(qū)域地應(yīng)力場的工程地質(zhì)研究一、地應(yīng)力的概念地應(yīng)力是指地殼巖體中，在末受人為擾動(dòng)的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力，亦稱現(xiàn)代應(yīng)力或原始地皮力，巖石力學(xué)中稱原巖應(yīng)力。大量研究表明：地應(yīng)力為三向不答壓的空間應(yīng)力場，其三個(gè)主應(yīng)力的方向和大小是隨所在工程區(qū)的平面位置、深度、地層層位的不同而變化，甚至隨時(shí)間也有細(xì)微變化，嚴(yán)格地說它是一個(gè)非穩(wěn)定應(yīng)力場。由于地應(yīng)力受地形、構(gòu)造和巖石物理力學(xué)性質(zhì)諸方而因素的影響，這給地應(yīng)力的研究帶來巨大困難。從目前技術(shù)條件而言，歇查明一個(gè)礦區(qū)不同位置、不同深度、不同層位地應(yīng)力狀態(tài)的細(xì)微變化，耗資頗巨，卻并非必要。對(duì)于煤礦地下工程設(shè)計(jì)人員來說，最重要的還是了解礦區(qū)宏觀地應(yīng)力特征。為了研究一個(gè)地區(qū)的地應(yīng)力宏觀特征，人們不得不把在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期逐漸形成的地應(yīng)力簡化、概括為三個(gè)方向近乎互相垂直的主應(yīng)力。按其成圍，可劃分為自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力和側(cè)限應(yīng)力(圖4—1)。

1．自重應(yīng)力自重應(yīng)力是在重力場的作用下，由巖土體自重而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。例如，在地殼中,深度為H米處的垂直應(yīng)力可由下試計(jì)算:式中

——巖土體重度，kN／；

H——深度，m。如地層由土層和巖層組成，應(yīng)分別用土體和巖體重廢計(jì)算后再利用疊加的方法處理。

2．構(gòu)造應(yīng)力

在地應(yīng)力的組成中，水平或近水平方向又有最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之分。最大水乎主應(yīng)力往往能使地層產(chǎn)生榴皺、斷裂等各種構(gòu)造形抵所以人們通常稱巴為構(gòu)造應(yīng)力.構(gòu)造應(yīng)力大的地區(qū),水平方向最大主應(yīng)力大于自重應(yīng)力。

3．側(cè)限應(yīng)力在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下，由于泊松效應(yīng)，在水乎軸y方向?qū)a(chǎn)生變形。由于巖體小單元體的周圍均有物質(zhì)(巖體)充填，所以y軸方向的變形不會(huì)出現(xiàn)。在地應(yīng)力的組成中，水平方向最小主應(yīng)力就是限制y鈾方向變形的力，所以稱它為側(cè)限應(yīng)力。側(cè)限應(yīng)力的大小，在不同的條件下可通過計(jì)其獲得。

3．側(cè)限應(yīng)力

(1)在區(qū)域應(yīng)力處于拉張條件下，或構(gòu)造應(yīng)力很小的地區(qū)，其鉛宜應(yīng)力為最大主應(yīng)力,等于上覆巖體的自置。當(dāng)?shù)叵聨r體為各向同性的線彈性體時(shí)，可由廣義虎克定律導(dǎo)出式中——水平應(yīng)力系數(shù)或側(cè)壓力系數(shù)，;——泊松比。巖石的伯松比一般為＝0.15~0.35,=0.18~0.54。當(dāng)》時(shí)，在巖體內(nèi)部必然產(chǎn)生巨大的剪應(yīng)力，巖體內(nèi)的剪應(yīng)力將超過巖體的抗剪強(qiáng)度，巖體處于一種隱蔽破裂狀態(tài)(有人稱為“潛塑性狀態(tài)”、“潛塑狀態(tài)”等)，這時(shí)泊松比可達(dá)0.5，為1的極限狀態(tài)，即靜水壓力狀態(tài)。瑞士學(xué)者海姆(Haim)在1878年首先提出，在上覆巖體自重應(yīng)力作用下，地下巖體經(jīng)過漫長地質(zhì)時(shí)期的蠕變結(jié)果，可造成各向等壓(即靜水壓力)狀態(tài)，或稱海姆靜水壓力狀態(tài)。經(jīng)近期大量研究表明．地殼深部軟弱破碎巖體是處于靜水壓力狀態(tài)，而堅(jiān)硬巖體中處于各向不等壓狀態(tài)。海姆把靜水壓力狀態(tài)看成現(xiàn)代地應(yīng)力場的普遍規(guī)律是不全面的。

應(yīng)當(dāng)特別強(qiáng)調(diào)，在自然界的物質(zhì)中，泊松比的最大極限位為0.5。但在有些巖石力學(xué)制試報(bào)告中曾出現(xiàn)過伯松比大于0.5的情況，在計(jì)其機(jī)調(diào)參過程中也有把泊松比無限制加大，甚至超過0.5的做法，這都是錯(cuò)誤的。(2)構(gòu)造應(yīng)力大的地區(qū)，在地下巖體為各向同性的線彈性體條件下，側(cè)應(yīng)力值為:1980年陳宗基教授苗提出封閉應(yīng)力的概念。認(rèn)為，巖石是非均勻介風(fēng)其顆粒大小、力學(xué)性質(zhì)及熱傳導(dǎo)系數(shù)等均不相同。地殼中的巖石在壓力和溫度的影肉下，巖石中各種晶體將產(chǎn)生變形。由于晶體與晶體之間存在有一定的摩攝力，在變形過程中局部將受到阻礙，引起應(yīng)力積聚。在巖石中有部分應(yīng)力被藥存苔，并處于平衡狀態(tài)，這部分應(yīng)力稱為紀(jì)閉應(yīng)力。在煤系地層中泥巖、頁巖占有很大比重，巖性軟弱、強(qiáng)度很低，所以其封閉應(yīng)力居極次要地位，工程上可不考慮。二、區(qū)域應(yīng)力場的宏觀類型

1．大地應(yīng)力場型

大地靜力場型是指組成地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力中最大主匝力為自重應(yīng)力的地區(qū)。區(qū)域池應(yīng)力場與地殼運(yùn)動(dòng)有著密切關(guān)系。有些地區(qū)位于運(yùn)動(dòng)地塊的后方，處于拉張應(yīng)力場中，在拉張應(yīng)力作用下，全區(qū)不斷下沉，呈現(xiàn)大地靜力場型特點(diǎn)。全區(qū)下沉的重要地質(zhì)標(biāo)志，是沉積了比較厚的第四紀(jì)沉積物。馬爾柯夫在前蘇聯(lián)境內(nèi)進(jìn)行了20余年的地應(yīng)力制量工作，他最后得出一條重要結(jié)論：近期處于不斷下降的地區(qū)，最大主應(yīng)力為垂直方向，無一例外。我國安徽省潘集礦區(qū)沖積層厚為200一300m，1987年中國礦業(yè)大學(xué)工程地質(zhì)教研室應(yīng)用應(yīng)力解除法，在潘集二號(hào)井~530m水平進(jìn)行了地應(yīng)力制量工作，實(shí)制結(jié)果表明最大主應(yīng)力為垂直方向，完全符合上述規(guī)律。所以潘集礦區(qū)為典型的大地靜力場型，不存在高構(gòu)造應(yīng)力。

在許多大地靜力場型地區(qū)經(jīng)地應(yīng)力實(shí)例結(jié)果，其垂直方向的最大主應(yīng)力有時(shí)會(huì)略大干計(jì)算值()。這是因?yàn)榈貞?yīng)力制量必須選擇在石英砂巖或石灰?guī)r等堅(jiān)硬的巖層中進(jìn)行，在軟硬相問的巖體中硬巖層有應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以實(shí)制垂直應(yīng)力有時(shí)會(huì)賂大干計(jì)算值。

2．大地動(dòng)力場型

某些地區(qū)位于運(yùn)動(dòng)地塊的前方，處于構(gòu)造擠壓應(yīng)力場中，在區(qū)域播壓應(yīng)力場作用下，全區(qū)不斷上升。全區(qū)上升的重要標(biāo)志是河流下切、基巖裸露，形成高山深谷景觀，常有河流沖積物(加河卵石)高懸于山坡之上的現(xiàn)象。所謂大地動(dòng)力場型是指構(gòu)造應(yīng)力大的地區(qū)，組成地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力中最大主應(yīng)力在水平方向。我國典型的大地動(dòng)力場型礦區(qū)有遼寧省的北票礦區(qū)和湖南省的牛馬司礦區(qū)。經(jīng)地應(yīng)力實(shí)制，兩礦區(qū)最大主應(yīng)力均為水平方向。

3.等壓應(yīng)力場型(靜水壓力場型)

煤礦是開拓在含煤沉積建造中的大規(guī)模地下工程。含煤沉積建造的最大特點(diǎn)是含有許多煤層和大量的泥巖、頁巖、砂貝巖互層等軟弱巖體，這種巖體不僅宏觀結(jié)構(gòu)面發(fā)育，如把軟巖加工成巖石薄片在顯微留下觀察，且微觀結(jié)構(gòu)面也極發(fā)育；其抗剪強(qiáng)度極他加之漫長的地質(zhì)年代這一時(shí)間因素和大大小小的地震活動(dòng)，煤系軟弱破碎巖體的抗剪強(qiáng)度幾乎接近于零；通過多種方法均可證明，這種巖體中王個(gè)主應(yīng)力的大小近于相等。1) 理論計(jì)算證明據(jù)許多學(xué)者的研究，漳爾應(yīng)力圓能夠客觀地反映軟屆巖體和土體中的應(yīng)力變化。圖4—2表示兩個(gè)方向的主應(yīng)力分別為和巖體中的剪應(yīng)力:

所以一=,煤系地層中，軟弱破碎巖體的抗剪強(qiáng)度近于零(≈0)。由此可見，只有當(dāng)—=0時(shí)(即處于鐘水壓力狀態(tài))，才能滿足=0的條件.

2)地應(yīng)力實(shí)制結(jié)果證明

德國曹爾大學(xué)曹拇爾(Rummel)教授利用水壓致裂法在世界各地進(jìn)行了大量的地應(yīng)力制量工作，結(jié)果表明，即使是在構(gòu)造應(yīng)力很大的地區(qū)，軟弱碎巖體地段原巖應(yīng)力也表現(xiàn)為靜水壓力狀態(tài)。圖4—3中表明，在300一500m之間有構(gòu)造應(yīng)力大的特征，在深度為100m、200m、300m和500m四個(gè)點(diǎn)上，各方向地應(yīng)力大體一致。

3)礦壓實(shí)制結(jié)果證明1981年限南礦務(wù)局新莊孜煤礦，在四水平軟巖試驗(yàn)巷道4號(hào)制點(diǎn)，支護(hù)與圍巖之間安裝35塊ZY~20型壓力枕，實(shí)制結(jié)果表明(表4—1)，試驗(yàn)初期巷道頂部沒有壓力，而兩幫壓力大，從1982年2月13日至4月19日歷時(shí)65天，隨著時(shí)間的推移，、、、和各點(diǎn)壓力逐漸趨于均勻分布，說明軟弱破碎巖體具明顯的流變性。巖體流動(dòng)變形的結(jié)果，使巖體內(nèi)部的應(yīng)力不斷得到調(diào)整，總的趨勢是向靜水壓力狀態(tài)發(fā)展。

三、煤礦區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場的研究方法現(xiàn)代地應(yīng)力是影響地下工程圍巖變形、破壞的主要因素。因此在圍巖穩(wěn)定分析中，正確地認(rèn)識(shí)現(xiàn)代地應(yīng)力場的特征至關(guān)重要。在煤田和煤礦中，如何研究現(xiàn)代地應(yīng)力場，眾說紛蕓、分歧很大。有人重視研究構(gòu)造形跡中的壓性結(jié)構(gòu)面和x共朗剪節(jié)理，并以此推斷是否存在構(gòu)造應(yīng)力和現(xiàn)代地應(yīng)力場中最大水平主應(yīng)力方向，認(rèn)為最大水平主應(yīng)力方向垂直于背斜軸、向斜軸和逆斷層，或者把x共鈍剪節(jié)理銳角平分線作為現(xiàn)代最大主應(yīng)力方向，這是研究古構(gòu)造應(yīng)力場的方險(xiǎn)古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)代地應(yīng)力場一般并不一致，也有人在煤礦巷適中制員大量裂隙，并利用玫瑰花圖確定最大主應(yīng)力方向，這種做法不要，因?yàn)橄锏乐兴娏严队行┦窃?gòu)造裂隙．也有巷道開挖過程中因巖體破壞而出現(xiàn)大量的次生裂隙；還有人認(rèn)為斷層多的地方就是現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力集中的地方，巷道破壞嚴(yán)重時(shí)也一定是與構(gòu)造隨力相關(guān)等等。大量事實(shí)表明，把復(fù)雜的現(xiàn)代地亦力場的研究簡化為上述簡單模式，往往會(huì)得出不符合實(shí)際情況的錯(cuò)誤結(jié)論?，F(xiàn)代地應(yīng)力場的正確研究途徑應(yīng)是區(qū)域構(gòu)造演化研究與礦區(qū)構(gòu)造分折相結(jié)合、理論分析與定迢制且相結(jié)合、井下觀察與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，綜合運(yùn)用多種手段、多種方法，才能比較客觀地揭示—個(gè)礦區(qū)的現(xiàn)代地應(yīng)力場的特征。這些多種方法、多種手段歸納為：理論分析方法、地質(zhì)分析方法、井下觀察與試驗(yàn)方法，以及實(shí)驗(yàn)方法。

1．理論分析方法現(xiàn)代地應(yīng)力場與現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)有著密切關(guān)系。圖(4—4)表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)地塊與地應(yīng)力場的關(guān)系。當(dāng)?shù)V區(qū)位于運(yùn)動(dòng)地坎的前方時(shí)，將受到強(qiáng)大的擠壓力，表現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力大的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)V區(qū)位于運(yùn)動(dòng)地塊的后方時(shí)，處于拉張狀態(tài)，構(gòu)造應(yīng)力小，自重應(yīng)力為最大主應(yīng)力。由此可知，理論分析方法就是根據(jù)地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)的方法。地殼運(yùn)動(dòng)機(jī)理是地學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)基本理論問題。在工程地質(zhì)領(lǐng)域市，它是研究區(qū)域穩(wěn)定性、地皮力場的基礎(chǔ)。經(jīng)過十余年的時(shí)間，探討了陸殼運(yùn)動(dòng)機(jī)理、規(guī)律、陸殼運(yùn)動(dòng)趨勢等問題，取得了有價(jià)值的成果。

下面簡介如下:

我國是以大陸為主體的國家，地域?qū)拸V，地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象極為豐富，許多典型地塊的運(yùn)動(dòng)趨勢極為清楚。例如，在洛陽地塊、江西九嶺山地區(qū)、云南麗江創(chuàng)川地區(qū)等，先后搜集到大且的典型運(yùn)動(dòng)地塊的地質(zhì)、構(gòu)造和地理物理資料，經(jīng)過反復(fù)分折對(duì)比，得出規(guī)律：密度大的地塊有向極點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的趨勢，密度小的地塊有向赤道方向運(yùn)動(dòng)的趨勢；從布格重力異常圖中可以看出，茄格重力等值線正值越高，地塊的密度越大，布格重力值越低則地塊的密度越?。换?、超基性巖體大量出現(xiàn)，造成地塊的密度增大，大規(guī)模的酸性巖漿活動(dòng)的地區(qū)：足小密度地塊具有的特點(diǎn)。之后，又用理論分祈、數(shù)學(xué)力學(xué)方法均證明了地球表面密度增加的地塊向極力增大，密度減小的地塊離極力增加。由于在證明過程中利用了“等勢面”、“最小能量極值原理”、“密度平衡橢球體”等概念，所以這種新的觀點(diǎn)稱為“密度平衡橢球體”理論。

現(xiàn)以淮南礦務(wù)局路案礦區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場預(yù)制過程為例，說明理論分析確定地應(yīng)力狀態(tài)的方法。潘巢礦區(qū)。特別是潘集二號(hào)外，巷道仍然破壞極為嚴(yán)重，引起了全國煤礦工程界的關(guān)注，留召開多次現(xiàn)場會(huì)議討論研究，多次迎漢支護(hù)方式，巷道仍然失穩(wěn)嚴(yán)重。在這種情況下，利用理論分析的方法，對(duì)此區(qū)進(jìn)行了地應(yīng)力狀態(tài)的分析研究。

1)收集研究區(qū)布格重力異常因國家制繪總同1980年曾編結(jié)1:2500000全國布格重力異常圖，全國絕大部分地區(qū)在此圖上有反映(圖4—5)，各省地礦局物探隊(duì)也編有本省區(qū)的布格重力異常圖。此圖是研究現(xiàn)代地應(yīng)力場的重要依據(jù)。

2)確定遠(yuǎn)動(dòng)地塊的運(yùn)動(dòng)趨勢由圖(4—5)明顯看出，羅田岳西霍山一帶有一個(gè)明顯的負(fù)異常區(qū)，面積大、布格互力值低(達(dá)79.1mGaI)。大面積負(fù)異常區(qū)表明，該區(qū)與其周圍鄰區(qū)相比。具有大面積密度小的特點(diǎn)，從而有內(nèi)走道方向運(yùn)動(dòng)的趨勢。

3)確定研究區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)“密度平衡滿球體”理論，羅田羅西山一帶為一大面積負(fù)異常區(qū)，有向南(赤道)運(yùn)動(dòng)的趨勢，而潘集礦區(qū)位于運(yùn)動(dòng)地塊的后方，處于緩懼拉仲狀戳，由此可知潘集一霍山地區(qū)最大主應(yīng)力為垂直方向()，最小主應(yīng)力為南北向，中間主應(yīng)力為東西向。1986年8月公布了這一研究成果，1987年9月在潘集二號(hào)井—530m水平進(jìn)行地地應(yīng)力測量驗(yàn)證工作．實(shí)制結(jié)果為，最大主應(yīng)力近垂直方向，為16.4MPa朗中間主貝力近東西方向，為13.4MPa朗最小主應(yīng)力近南北方向，為7.21MPa。此結(jié)果與預(yù)制結(jié)果完全—致，說明該區(qū)屬于大地靜力場型、構(gòu)造應(yīng)力小的礦區(qū)，巷造田巖破壞嚴(yán)重的主要原岡是堵體軟渦所致。2．地質(zhì)分析方法在一定的地應(yīng)力條件下，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象?；蛘哒f，一定的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，它必然與確定的地應(yīng)力場相對(duì)應(yīng)。通常．地應(yīng)力場不能被人們用內(nèi)服觀察到，而地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象應(yīng)卻易于觀察和易于認(rèn)識(shí)。地質(zhì)分析方法就是分橋地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系，把無形的事物變?yōu)橛行蔚膶?duì)象去研究，再通過有形的事物獲取“無形”(地應(yīng)力揚(yáng))的資料。關(guān)于構(gòu)造現(xiàn)象與地應(yīng)力場的關(guān)系，某些規(guī)律早已被人們所認(rèn)識(shí)。例如，田曲構(gòu)造和逆斷層的形成，就是拓垂直榴皺軸方向擠壓應(yīng)力場作用的結(jié)果，而正斷層則是在拉張應(yīng)力條件下形成的。但在研究現(xiàn)代地應(yīng)力場的過程中，簡單套用上述原則還不夠。因此在研究地應(yīng)力場時(shí)，首先應(yīng)分清古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)代地應(yīng)力場。一般來說，利用老地層中的節(jié)理、榴皺軸、逆斷層等地質(zhì)現(xiàn)象，可以確定古構(gòu)造應(yīng)力場。方構(gòu)造應(yīng)力場與現(xiàn)代地應(yīng)力場有時(shí)一致、有時(shí)不一致，但不一致的情況較多。所以必須掌握一套正確的研究方法，現(xiàn)介紹如下；

1)研究區(qū)域構(gòu)造形態(tài)和構(gòu)造分期

這項(xiàng)工作主要的目的是搞活一個(gè)地區(qū)地應(yīng)力場的演變歷史，最后一期地皮力場的特點(diǎn)代表了現(xiàn)代地災(zāi)力場。其工作方法是：先收集一個(gè)地區(qū)或礦區(qū)的地質(zhì)圖(包括大、小比例尺圖)，構(gòu)造分期配套，明確幾期構(gòu)造，根據(jù)構(gòu)造相互切割關(guān)系，找出本區(qū)最后一期構(gòu)造特點(diǎn)和地應(yīng)力場構(gòu)造特征。需要指出，一個(gè)地區(qū)最后一期構(gòu)造，顯示了現(xiàn)代地應(yīng)力場的特征?，F(xiàn)以淮南潘集礦區(qū)為例，簡述構(gòu)造分期及確定現(xiàn)代地應(yīng)力場的過程。潘集礦區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造特征是：構(gòu)造線的展布大體上呈東西向延伸;大型格皺有謝橋古溝向斜、陳橋播集背斜、尚塘耿村集向斜、朱集唐集背剁，大型逆斷層有舜耕山斷層、阜風(fēng)斷層，正斷層有壽縣老人倉斷層、山王集斷層，以及許多小型近東西延伸的正斷層(圖4—6)。

根據(jù)構(gòu)造形成的力學(xué)機(jī)制，潘集礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)分屑兩種不同的應(yīng)力場：按壓應(yīng)力場形成一系列褶曲和逆斷層，拉張作用形成一系列正斷層。在潘集二號(hào)井-330m水乎構(gòu)造圖中，兩組構(gòu)造相互切割關(guān)系明顯，從圖4—7中明顯看出正斷層切割了背斜軸，可以確定背斜、其它裕曲和逆斷層形成在先，而正斷層形成在后。所以潘果地區(qū)宏觀地應(yīng)力場的演化過程是應(yīng)先有一個(gè)按壓應(yīng)力場，之后又出現(xiàn)拉張應(yīng)力場。本區(qū)發(fā)生核絞的最新地層為三疊系，缺失三疊系，因此技?jí)夯舶欁饔冒l(fā)生在三疊紀(jì)，即印文期。當(dāng)時(shí)，舜餅山以南的地塊緩慢向北運(yùn)動(dòng)，在強(qiáng)大的按壓應(yīng)力作用下形成了一系列向斜、背斜和逆斷層。在燕山期，商城、露山(參見圖4—5)以南的大別山區(qū)，發(fā)生了大面積酸性巖漿活動(dòng)，并有一個(gè)密度變小的過程，所以大別山地塊緩饅地向南運(yùn)動(dòng)，淮南涵集地區(qū)處于運(yùn)動(dòng)地塊的后方，在拉張應(yīng)力作用下形成一系列拉張正斷層，且這種應(yīng)力狀態(tài)一直延續(xù)至今。

2)確定地塊區(qū)域性升降的宏觀特征在強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力作用下，地殼逐漸上升隆起。上升區(qū)近代沉積物完全被列蝕，并具有高山、峽谷的地貌景觀;而緩慢下降區(qū)是與披張應(yīng)力場相聯(lián)系，處于不斷下降的地區(qū)，往往接受巨厚的第四紀(jì)沉積物，地勢較乎埋。這一結(jié)論，已通過國內(nèi)外大量的地應(yīng)力制量資料得到證實(shí)。

3．井下觀察與試驗(yàn)方法礦井巷道圍巖的破壞和位移與巖體的強(qiáng)度和地應(yīng)力狀態(tài)有著密切關(guān)系。如果從理論上和試驗(yàn)上把兩者內(nèi)在規(guī)律摘清，便可通過對(duì)力：下巷道圍巖的破壞和位移規(guī)律的觀察，得到現(xiàn)代地應(yīng)力狀態(tài)的可靠信息。1)強(qiáng)度驗(yàn)算方法從理論上證明，大地靜力場型礦區(qū)中巷道開挖后最大圍巖應(yīng)力一般為2—3倍的。用3與巖石強(qiáng)度相比較，便可了解礦區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)。如前蘇聯(lián)培什培戈里斯科礦區(qū)，巷道理深僅100一200m，巷道圍巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)150一200MPa。在這種情況下，如果只有上貿(mào)巖體重力場的作用，就不會(huì)出現(xiàn)巖休破壞現(xiàn)象，然而該礦卻發(fā)生丁巖爆。前蘇聯(lián)學(xué)者多爾恰尼諾夫認(rèn)為：“可以肯定地殼中構(gòu)造應(yīng)力場的存在”。許多事實(shí)表明，構(gòu)造應(yīng)力大的礦區(qū)，有兩個(gè)突出特點(diǎn)；其一，巷道破壞發(fā)生在整體性好的巖體小，這是因?yàn)檎w性好的彈性體最容易集中較高的構(gòu)造成力，因而出現(xiàn)破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象；其二，淺部破壞嚴(yán)重，而往深部破壞程度有所減弱。這是因?yàn)闃?gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力比值是隨深度增加而減小，超到深處構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力越趨于接近，等壓狀態(tài)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性提供了有利條件。

2)巷道圍巖變形規(guī)律我國在巷道圍巖的研究中，實(shí)制丁大量的圍巖變形數(shù)據(jù)，有人利用這些數(shù)據(jù)，對(duì)礦區(qū)最大主應(yīng)力方向進(jìn)行丁推斷。例如，當(dāng)觀制的結(jié)果為水平方向的位移量當(dāng)觀制的結(jié)果為水平方向的位移量大于垂直方向的位移旦，便得出結(jié)論：“水平方向的地應(yīng)力大于垂直方向的地應(yīng)力，或稱構(gòu)造應(yīng)力大的礦區(qū)”。通過并下大量的觀察、室內(nèi)試驗(yàn)和理論上的研究發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形與最大主應(yīng)力之間存在著復(fù)雜的多種關(guān)系，人們必須深入細(xì)致地研究具體的〕：程地質(zhì)條件，才能正確地認(rèn)識(shí)巷道圍巖變形與最大主應(yīng)力的關(guān)系。在研究巷道圍巖變形與最大主應(yīng)力的矢系過程中，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：(1)巷道圍巖變形且最大的方向，不一定是最大主應(yīng)力的方向。這是因?yàn)榻?jīng)過泥巴加壓試驗(yàn)[利用一塊立方形泥巴，中間擱一圓洞模擬巷道，然后在水平方向加壓(圖4—8。)，方形泥巴在加壓方向縮短，垂直加壓方向伸長，圓洞櫻慢變成橢圓形(圖4~8)]后，可發(fā)現(xiàn)三個(gè)明顯特點(diǎn)：左右兩夾板的距離逐漸移近，垂直于加壓方向圓洞變長，大量物質(zhì)(泥巴)在垂直方向產(chǎn)生塑性流動(dòng)。如果煤礦巷道變形也是同樣的機(jī)理，必然出現(xiàn)地面隆起、巷道水平方向變小、垂直方向增大等現(xiàn)象，但實(shí)際情況并非如此。

(2)巷道圍巖大變形(＞5cm)的本質(zhì)為圍巖擴(kuò)容(碎脹)變形。在進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，軟巖和硬巖的體應(yīng)變曲線分屬兩種不同類型，如以正應(yīng)力。為縱坐標(biāo)，以體應(yīng)變()為攜坐標(biāo)繪制體應(yīng)變曲線時(shí)，則曲線表明，開始時(shí)隨著正應(yīng)力。的增加，軟巖、硬巖都表現(xiàn)為體積縮小(為負(fù)值)。當(dāng)縮小到一定程度時(shí)，硬巖發(fā)生突然破壞，但無明顯擴(kuò)陳而軟巖不同，當(dāng)體積縮小到一定程度后再加壓時(shí)，出現(xiàn)體積增大，這是因?yàn)閹r石內(nèi)部出現(xiàn)了大旦裂隙。這種變形過程稱為擴(kuò)容，或稱碎脹變形。巖石在三軸條件下，也會(huì)產(chǎn)生同樣結(jié)果(圖4—9)。通過試驗(yàn)可知，巖石體積擴(kuò)容的規(guī)律是擴(kuò)展方向垂宜于最大主應(yīng)力方向。認(rèn)識(shí)這一規(guī)律至關(guān)重要，可使人們正確的分析巷道圍巖變形與最大主應(yīng)力之間的關(guān)系。煤礦巷道開挖后，巷道圍巖隨即出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，圍巖表面切向應(yīng)力增加，可增大到原巖應(yīng)力的2—3倍，徑向應(yīng)力則減小為零。巷道巖壁受力情況，基本相當(dāng)于三軸試驗(yàn)情況，其中切向應(yīng)力為徑向應(yīng)力巷道水平延伸方向相當(dāng)于。當(dāng)~超過巖石的強(qiáng)度時(shí)，巖石出現(xiàn)腫脹變形。在巷道中出現(xiàn)明顯變形的地區(qū)，均屑此類機(jī)制。通過上述分析，可總結(jié)出如下規(guī)律：在近圓形巷道中，當(dāng)為均質(zhì)圍巖條件下，碎脹變形量最大的方向與最大主應(yīng)力方向相垂直，在大地豁力場型礦區(qū),水平方向腫脹位移量最大。

(3)在煤系地層中，石灰?guī)r和堅(jiān)硬的石英砂巖可按曾成彈性介質(zhì)。在彈性介質(zhì)中，利用彈性力學(xué)公式可計(jì)算出巷道周邊壓力分布情況(圖4—10)。彈性變形的變形量與正應(yīng)力成正比。當(dāng)＜1時(shí)，p＞p，在P方向上徑向位移量大，即彈性變形最大的方向與最大主應(yīng)力方向一致，這一規(guī)律與碎脹變形相反。這種彈性變形有兩個(gè)明顯特點(diǎn)：彈性交形量很小，一般不超過5cm，巷道一旦開挖成巷，彈性變形隨即完成。

(4)煤系地層沉積結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，它對(duì)巷道圍巖變形量有重要影響。在靜水壓力條件下，當(dāng)巖層產(chǎn)狀近水平時(shí)，其垂直方向變形量大(圖4—11a)，當(dāng)層理垂直時(shí)，其水平方向變形量大(圖4—11b)。(5)尖桃形破壞是田破巷道重要的破壞型式之一，它已引起許多研究者的重視。有人認(rèn)為，這種破壞是構(gòu)造區(qū)力作用所致。筆者曾在潘策二號(hào)井、榔河三號(hào)井進(jìn)行過大量的實(shí)際觀察，詳細(xì)地調(diào)查過巷道尖桃形破壞的原因，結(jié)果表明，在砌殖過程中，破體的底部、側(cè)墻與圍巖之間容易充填密實(shí)，但殖頂與其上部圍巖之間空隙很大，卻很難充填密實(shí)。老只用木棍、木棒文撐，或用松散碎石充填．實(shí)際上殖頂和圍巖并末接觸(圖4—12a)，形成整個(gè)殖體中員薄瑰的環(huán)節(jié)，一旦巷道圍巖產(chǎn)生位移變形和對(duì)殖體擠壓時(shí)，殖體很快向其最薄弱的部位沖擊，造成巷道尖跳形破壞（圖4—12b)。由此可知，引用這種現(xiàn)象推制現(xiàn)代地應(yīng)力場很不恰當(dāng)。(6)巷道破壞是否具有方向性，這是判斷構(gòu)造應(yīng)力是否存在的重要標(biāo)志。當(dāng)巷道延伸方向與構(gòu)造應(yīng)力方向垂直對(duì)，巷道破壞嚴(yán)重;當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力方向與巷道延伸方向一致時(shí)，其穩(wěn)定性較好。在應(yīng)用這一原則時(shí)，要注意一定選擇工程地質(zhì)條件相近的巷道進(jìn)行比較。即穿層巷道與穿層巷道相比較，或者不同方向的順層巷道之間進(jìn)行比較，而不能把穿層巷道(石門)與順層巷道進(jìn)行比較。所謂工程地質(zhì)條件相似，是指巷道的埋深、圍巖巖性、層理發(fā)育情況及產(chǎn)狀等相似。(7)對(duì)剪切破壞帶的觀察，是判斷最大主應(yīng)力方向的重要工作。在潘集二號(hào)并進(jìn)行巷道調(diào)查的過程中，發(fā)現(xiàn)西冀石門出現(xiàn)大型剪切破壞帶，功切裂縫出現(xiàn)在腰線以下，剪切面與水平而夾角約延伸距離達(dá)60余米。之后，在其它煤礦也發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象。為了探討這種剪切破壞產(chǎn)生的機(jī)理，在室內(nèi)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在剪切破壞帶中，剪切面與最大主應(yīng)力方向成銳角相交。根據(jù)實(shí)制潘集二號(hào)井剪切破壞面與水平面成左右，表明最大主應(yīng)力在垂直方向(屬大地靜力場型礦區(qū))。綜合上述分析，依據(jù)井下觀察到大旦的圍巖位移和破壞現(xiàn)象，可以得到現(xiàn)代地應(yīng)力場的可靠信息。但同時(shí)必須考慮巖體結(jié)構(gòu)面的彤響、人為因系的影響、巖體性質(zhì)的影響等，否則容易得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

4．地應(yīng)力實(shí)制方法在地應(yīng)力實(shí)制前，應(yīng)對(duì)全區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究，其中包括理論分析、地質(zhì)分析和井下觀察等。當(dāng)確定工程區(qū)域大地靜力場型時(shí)，一般不進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)到工作。這是因?yàn)閹r體中的地應(yīng)力狀態(tài)比較清楚：軟弱破碎巖體中為等壓狀態(tài)；硬巖中最大主應(yīng)力在垂直方向()，中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力較接近．可按側(cè)限應(yīng)力計(jì)算大小。在大地動(dòng)力場型礦區(qū)，由于硬巖往往集中較高的構(gòu)造應(yīng)力，所以應(yīng)在硬巖中進(jìn)行地應(yīng)力制量。我國的地應(yīng)力到員工作是在李四光教授的倡導(dǎo)下，于60年代初期開展起來，目前已在地震、地質(zhì)、冶金、煤炭、石油和水利部門得到廣泛應(yīng)用。地應(yīng)力到量方法很多。按到量原理，可分為直接制量和間接城量兩大類。直接制量是通過到量巖石的變形、破壞來直接確定地應(yīng)力;間接到量是通過制量巖石的物性變化來確定介質(zhì)的受力狀態(tài)。按制量內(nèi)容上，可分為絕對(duì)值制量與相對(duì)值制量兩種。相對(duì)值制量是指制量固定點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間變化情況，這對(duì)預(yù)報(bào)地震具有重要的監(jiān)酗作用，所以在地震部門經(jīng)常被采用，如自由孔式制量方法。自由孔式制量又可分為孔壁位移型(圖4—13a)、孔壁應(yīng)變型(圖4—13b)和孔底應(yīng)變型(圖4—13c)。制量所用傳感元件多為應(yīng)變片、應(yīng)變絲。地應(yīng)力絕對(duì)值制量是通過巖石變形與破壞的量制，直接獲得地應(yīng)力大小和方向資料，這對(duì)研究地下工程的穩(wěn)定性具有重要意義。下面重點(diǎn)介紹經(jīng)常采用的府力解除法相水壓致型法。1)應(yīng)力解除法又稱套芯法。它是將貼有應(yīng)變片的傳感器(空間三軸應(yīng)變計(jì)探頭)，通過鉆孔發(fā)入原巖應(yīng)力區(qū)，并使探頭與巖體貼結(jié)成為一個(gè)簽體，然后用大鉆頭套芯解除圍巖應(yīng)力，巖芯產(chǎn)生彈性恢復(fù)變形過程中帶動(dòng)探頭傳感器工作。巖體在地層中受到的壓力越大，其恢復(fù)變形越大，以此計(jì)算原巖應(yīng)力大小。由于這種方法在井下巷道中實(shí)到方便，所以在煤炭系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛。中國礦業(yè)大學(xué)工程地質(zhì)教研室等單位，多次運(yùn)用這種方法進(jìn)行實(shí)制工作。制量步驟如下：

(1)選擇合適的制量位置。制點(diǎn)注意選彈在堅(jiān)硬完整的巖體中，如塊狀石灰?guī)r、堅(jiān)硬的石英砂巖等。當(dāng)硬巖層的厚度較大時(shí)，則應(yīng)選彈在巖層的中間部位，其應(yīng)力狀態(tài)文具代表性。

(2)井下鉆孔深度要達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)。在巖體中，由于巷道的開挖，在巷道周圍巖體中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其影響范圍約為巷道斷面跨度的1.5—2.5倍(或半徑的3—5倍)，因此要求鉆頭埋設(shè)在應(yīng)力集中影響范圍以外(圖4—14)。應(yīng)力解除孔口徑，并采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)。為了保持孔內(nèi)清潔、無積水，鉆孔傾角上仰5。左右為宜。鉆至巷道影響圖時(shí)停鉆，井將孔底磨乎。繼續(xù)鉆一孔徑為36mm的小孔，孔深1m左右。然后，用清水沖孔和丙酮洗孔。(3)安裝探頭(應(yīng)變計(jì))。應(yīng)變計(jì)內(nèi)有三組應(yīng)變花，每組應(yīng)變花由4片應(yīng)變片組成(圖4—15)。安裝過程中，先把加熱的環(huán)氧樹脂注入探頭的空腔內(nèi)，用紉鉛絲固定，連接安裝扦、定向儀和探頭，并插入孔內(nèi)。到孔底后用力加壓、剪斷鉛絲，空腔內(nèi)的環(huán)氟樹脂被擠出，把探頭與巖體粘結(jié)在一起，48h后粘結(jié)牢固。(4)探頭粘牢后，進(jìn)行定向并卸下安裝扦、定向儀，將探頭的電線從鉆頭和鉆桿中間垃出．并接在應(yīng)變儀上。注水3—5min，待應(yīng)變儀讀數(shù)穆定后開始用大鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)行應(yīng)力解除，并記錄0cm、3cm、6cm、…、36cm時(shí)的應(yīng)變儀各擋讀數(shù)。鉆進(jìn)越過探頭位置效基米后，將簡狀巖芯自根部扭斷，連同巖芯內(nèi)的探頭一起從孔底提出孔外。上述過程稱為應(yīng)力解除。(5)圍壓串定。其目的是檢查各應(yīng)變片工作是否正常，并求得巖石的彈性模量和泊松比(亦可利用鉆孔中的巖芯加工成巖樣在壓力機(jī)上制定)。串定過程是將內(nèi)合應(yīng)變計(jì)的巖芯放入圍壓串定儀內(nèi)，在加壓和減壓過程中記錄應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)。

(6)繪制應(yīng)力解除曲線。根據(jù)應(yīng)力解除時(shí)記錄下的應(yīng)變值，以解除深度為福坐標(biāo)，應(yīng)變值為縱坐標(biāo)，繪成曲線(圖4—16)。從圖上可以看出，各應(yīng)變片的應(yīng)變值隨著應(yīng)力解除深度的變化，最后確定穩(wěn)定的應(yīng)變值。(7)根據(jù)所得的各個(gè)應(yīng)變值、彈性模量、拍松比、鉆孔方位角,以及A組應(yīng)變花的位置來計(jì)算主應(yīng)力大小和方向。由于計(jì)算公式比較復(fù)雜用計(jì)算機(jī)計(jì)算既迅速又簡便。2)水壓致裂法1947年，美國為了從舊油井中二次采油，采用高壓水將巖石壓裂的方法。60年代，開始利用這一方法進(jìn)行地應(yīng)力絕對(duì)值制量，并在理論上和室內(nèi)試驗(yàn)方面有了很大進(jìn)展。70年代以來，包括我國在內(nèi)的許多國家，廣泛開展了水壓致裂制量工作，獲得了許多重要資料。這種方法最大的特點(diǎn)是在鉆孔中進(jìn)行，可在任一深度實(shí)田。1977年，美國成斯康星大學(xué)的海姆森發(fā)表了他在北美洲5.lkm深的鉆孔中制得的地應(yīng)力資料。水壓致裂法就是通過鉆孔向地下某深度處壓液，用高壓將孔壁壓裂，然后根據(jù)破裂壓力、關(guān)閉壓力和破裂面的方位計(jì)算和確定巖體內(nèi)各主應(yīng)力的大小和方向。水壓致裂法的設(shè)備及工作原理見圖4—17。為了闡明水壓致裂法的原理，首先要了解水乎應(yīng)力場中孔壁切向應(yīng)力分布情況。假定巖體是均質(zhì)彈性體，表示區(qū)域最大主應(yīng)力表示區(qū)域量小主應(yīng)力（圖4—18a)，根據(jù)彈性理論可知，周邊上切向應(yīng)力最高的部位為B點(diǎn)，量低為A點(diǎn)。因此，壓液后必定從A點(diǎn)開始破裂，孔壁兩邊裂暖的水平連線就是量大主應(yīng)力方向。根據(jù)彈性力學(xué)理論，A點(diǎn)的切向應(yīng)力(圖4—18b)為式中一巖體內(nèi)原有的空田水壓力。壓液后孔壁達(dá)到破裂時(shí)的壓力，稱破壞壓力(圖4—l8c)?？妆趧倓傔_(dá)到破裂時(shí)周邊各點(diǎn)的切向應(yīng)力均為且如果孔壁巖石不透水，壓液過程中A點(diǎn)的破裂條件為:

所以式中一巖體的抗拉強(qiáng)度。孔壁被壓裂后，壓力急劇下降。如果繼續(xù)壓入液體，破裂固將向外擴(kuò)展，其發(fā)展趨勢田巖體內(nèi)最小主應(yīng)力的方位不同而有以下兩種情況：第一種情況，當(dāng)為水平時(shí)，垂直破裂固將沿其原來方向繼續(xù)發(fā)展。關(guān)掉壓力泵后，孔內(nèi)壓力隨之降低。如果圍巖不透水，壓力衰減速串發(fā)生變化的拐點(diǎn)(圖4—19中)就是與巖體內(nèi)垂直于破裂面的主應(yīng)力達(dá)到乎衡的水壓力。通常稱為關(guān)閉壓力，用表示。即式中——區(qū)域最小水平主應(yīng)力。第二種情況，當(dāng)為垂直自置應(yīng)力時(shí)，最初產(chǎn)生的垂直裂瞪將向水乎方向發(fā)展。如果圍巖不透水，關(guān)掉壓力泵后可出現(xiàn)兩次壓力衰減速串發(fā)生突變的扔點(diǎn)，即兩個(gè)關(guān)閉壓力。第一關(guān)閉壓力是與垂直最初破裂面上的最小水平主應(yīng)力達(dá)到乎衡時(shí)的水壓力；第二關(guān)閉壓力是與垂直水乎破裂面上的區(qū)域主應(yīng)力達(dá)到平衡時(shí)的水壓力。根據(jù)制得或值，利用式(4—3)和式(4~4)求出然后由式(4~2)可代入下式，求得區(qū)域最大水平主應(yīng)力即在計(jì)算時(shí)，需要有巖體抗拉強(qiáng)度值，考慮到由實(shí)驗(yàn)室制得的巖石抗拉強(qiáng)度值與實(shí)際差別較大，并具很大的分散性，影響計(jì)算精度，所以布雷德赫特(Bredehocft，1976)等人提出，制定裂縫再開口壓力Pr，即裂縫閉合后再重新加壓，使裂縫再度張開時(shí)的壓力(圖4—19)。在這種情況下，=0，然后按下式計(jì)算即故有下列關(guān)系式:(4--4)(4--5)

(4--6)(4--7)巖體中的孔隙水壓力一般等于鉆孔中水柱靜水壓力。當(dāng)圍巖透水時(shí)，應(yīng)考慮滲透作用的影響(計(jì)算方法從略)，在實(shí)際工作小，應(yīng)選擇無裂隙不透水完整的孔段進(jìn)行實(shí)制。水壓致裂法實(shí)制步驟如下：(1)水壓致裂法的鉆孔，在實(shí)制段要求采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，以保證孔壁光滑完整。鉆孔施工后，根據(jù)鉆孔巖芯、鉆孔電視選擇巖體完整的孔段實(shí)制。選好制量孔段后，用印痕封閑器(壓印掐克)放置于待制孔段，并施加幾兆賴壓力，用以了解孔壁是否存在舊有裂隙。

(2)在現(xiàn)場對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行密封性能檢查。(3)用鉆桿(或用繩索與高壓膠管聯(lián)合使用)將封隔器置于待制孔段(4)壓裂液可用水或其它液體，如采用粘度為Pa.s噸的壓裂液，其滲透性可以忽略。加壓過程中，安綏徑而均勻，壓力突然下降時(shí)，記錄破裂壓力Pc(圖4—19)。(5)短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)加壓，然后關(guān)閉壓力泵，注意觀制和記錄關(guān)閉壓力。(6)關(guān)閉壓力泵打開通氣閥，消除孔中壓力，伎裂縫雹新閉合，然后關(guān)閉通氣閥，厘新加壓，使裂縫再開口，并記錄再開口壓力Pr。為了準(zhǔn)確制得Pr值，上述過程可重復(fù)幾次。

(7)制完上述特征壓力值后，提出封聞器，將帶有羅盤的壓印拍克放入壓裂段。向壓印拍克加壓約1h，孔壁裂續(xù)的痕跡就刻印在膠膜上。由于使用羅盤定向，所以裂續(xù)的方向(即最大水平主應(yīng)力方向)便可推確制得。水壓致裂法適于鉆孔中進(jìn)行，所以在煤田勘探階段研究礦區(qū)地應(yīng)力場時(shí)是一種較好的方法。它是直接制量方法，無需了解和制定巖石的彈性模量，甚至連巖石的抗拉強(qiáng)度也可用水壓曲線分析求得。但該方法有一定的缺點(diǎn)，在理論上和技術(shù)上還不夠完善(如孔歐水壓力怎樣確定、如何用于各向異性的巖體等)，酗量結(jié)果的招度還不很高(值誤會(huì)估計(jì)約為25％，的誤差約在10％以內(nèi))，水力壓裂車等野外試驗(yàn)裝奮笨重、成本高，這些問題有待解決。四、影響地應(yīng)力的因素及主要規(guī)律地殼淺部巖體中地應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜起良左安有以下幾個(gè)方面：1．巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)地應(yīng)力的影響巖體中的地應(yīng)力是在漫長的地質(zhì)歷史中由于能量的積累與釋放而產(chǎn)生。從能量的積累觀點(diǎn)來說，巖體中應(yīng)力的上限必然受巖體強(qiáng)度的限制。如果巖體強(qiáng)度很低，在高地應(yīng)力作用F就會(huì)產(chǎn)生破裂，并出現(xiàn)應(yīng)力釋放和應(yīng)力重新調(diào)整的現(xiàn)氛在高強(qiáng)度的巖體中，可以聚集很高的應(yīng)力而不破裂。杰格爾(J.c.Jaeger)曾提出地應(yīng)力與巖石抗壓強(qiáng)度成正比的概念；于學(xué)菌等人則認(rèn)為，如果以彈性模量E為主要因素來探索二者的關(guān)系，則更具有重要意義，根據(jù)李光姻、白世偉的統(tǒng)計(jì)資料認(rèn)為，當(dāng)Z分別為2xMPa和100xMPa時(shí)，地應(yīng)力分別為3MPa及30MPa，即窟相差50倍，應(yīng)力相差10倍。所以，在相同的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，彈性模量較大的巖體有利于地應(yīng)力的積累，且地震和巖爆容易發(fā)生在這些部位。塑性巖體容易產(chǎn)生變形和破壞，不利于應(yīng)力的積累。

2．?dāng)鄬訉?duì)地應(yīng)力的影響斷層對(duì)地應(yīng)力場的影響存在兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，斷層帶是構(gòu)造應(yīng)力集中的地段，因?yàn)槲挥跀鄬訋У南锏朗Х€(wěn)嚴(yán)重、煤和瓦斯經(jīng)常發(fā)生突出；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，斷層帶是低水平應(yīng)力區(qū)，因?yàn)榫奂瘶?gòu)造應(yīng)力必須有堅(jiān)硬、完整的巖體，而斷層帶為巖體破碎帶，是釋放地應(yīng)力的地段。兩種觀點(diǎn)經(jīng)過長時(shí)間的爭論，隨著地應(yīng)力制量成果大量發(fā)表，己得出結(jié)論。加高莉青等人根據(jù)許多制量成果認(rèn)為：地完隆起帶是高水平應(yīng)力區(qū)，沉降帶是低水平應(yīng)力區(qū)，斷層帶附近水平應(yīng)力最低(圖4—20)。由此可知，在煤礦斷層帶附近所出現(xiàn)的巷道嚴(yán)重失穩(wěn)、煤和瓦斯突出等現(xiàn)象，是由于斷層破壞了巖體和媒體的完簽性，致使其力學(xué)性質(zhì)大大降低，在自重應(yīng)力作用下而造成的結(jié)果.3．地形對(duì)地應(yīng)力的影響地形對(duì)地應(yīng)力狀態(tài)的影響較大，因此應(yīng)充分考慮這一因素。如在深切的狹并中進(jìn)行地應(yīng)力制量時(shí)，往往得出很高的水平應(yīng)力，在這種情況下，必須考慮高大的山體對(duì)狹谷中的泊松效應(yīng)的影響，決不能把實(shí)制到的水平應(yīng)力一律認(rèn)為是構(gòu)造應(yīng)力。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者采用有限單元法和實(shí)制方法，獲得了許多重要研究成果。例如，于學(xué)蹈等人利用有限無法計(jì)算，發(fā)現(xiàn)某一水平面上的地應(yīng)力分布狀態(tài)與地表形狀不相符合，出現(xiàn)較陡的山體中部垂直應(yīng)力小于兩側(cè)的現(xiàn)象(圖4—21a)；不同水平面上水平應(yīng)力則出現(xiàn)如圖4—21b所示的規(guī)律。1977年，臺(tái)镕格在臭地利弗爾博山谷和米爾巴益河床下實(shí)地制定了地應(yīng)力，結(jié)果表明，由于受到高大山體的影響，最大主應(yīng)力偏向山體一方，并與山坡接近平行(圖4—22)。E．弗克等人，在印度尼西亞克拉塔發(fā)電站地下雨室中系統(tǒng)地研究了地形對(duì)地應(yīng)力的影肉。他在同一個(gè)地點(diǎn)，不僅進(jìn)行了實(shí)酗，面且采用不同泊松比進(jìn)行了有限元計(jì)算。研究結(jié)果表明，當(dāng)泊松比＝0.45時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)制極相近，實(shí)酗最大主應(yīng)力方向與地表斜坡近于平行（圖4—23)；同時(shí)還表明，自然界巖體的泊松比要比巖石明顯大，巖石的泊松比多數(shù)為0.2一0.3，面巖體為0.45才接近實(shí)際情況。

4．現(xiàn)代地充運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的影響一個(gè)運(yùn)動(dòng)的地塊在向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然推動(dòng)擠壓前方的地殼，被推擠的地殼除產(chǎn)生根高的水平構(gòu)造應(yīng)力外，還伴有地殼緩促上升隆起現(xiàn)象。如，我國的甘肅龍首山隆起帶的金川礦區(qū)、四川二灘地區(qū)、湖北黃陵背斜區(qū)、歐洲的阿爾卑斯中部隆起區(qū)、前蘇聯(lián)的科技半島隆起區(qū)，均酗得很高的水平構(gòu)造應(yīng)力。運(yùn)動(dòng)地塊的后方，必然處于拉伸狀態(tài)，具有較低的水平應(yīng)力和地殼緩促下沉并接受現(xiàn)代沉積的特征。如我國的滇西水平、山西地塹系、河北唐山、彼目的萊酋地塹等下降區(qū)，均酗得較低的水平應(yīng)力，最大主應(yīng)力為自重應(yīng)力。因此在判段現(xiàn)代地塊運(yùn)動(dòng)的趨勢時(shí)，應(yīng)采用密度平衡橢球體理論，它是一種有效的方法。此外，影響地應(yīng)力的還有溫度、時(shí)間、風(fēng)化剝蝕作用等因素。由于它們對(duì)地下工程影肉較小，這里不再討論。需要強(qiáng)調(diào)指出，在研究地應(yīng)力場的過程中，必須綜合考慮各種主要因素，才能得出一個(gè)地區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場的正確概念。隨著世界各國地應(yīng)力酗量工作的開展和研究成果不段發(fā)表，還會(huì)使人們的認(rèn)識(shí)不段深化、更新，甚至新的結(jié)論與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)可能完全不同。例如，地震活動(dòng)與地應(yīng)力場的關(guān)系問題，經(jīng)過對(duì)地震活動(dòng)比較強(qiáng)烈的招目萊苗地塹、我目的海城(7.3級(jí))、龍陵(7.4級(jí))和唐山(7.8級(jí))等地震區(qū)的地應(yīng)力制量表明，在強(qiáng)震區(qū)的震中附近地殼線部存在低水平應(yīng)力特征(2—5MPa)，而歐洲的阿爾卑斯山脈普遍存在高的水平應(yīng)力，有些地區(qū)甚至高于35MPa，但未發(fā)生地震。五、地應(yīng)力研究的工程意義

1．地應(yīng)力對(duì)地下工程斷面形狀的影響地下工程的斷面形狀是設(shè)計(jì)工作考慮的重要問題之一。設(shè)計(jì)工程斷面形狀時(shí)，要考慮實(shí)用和圍巖穩(wěn)定性等兩個(gè)因素。如果巖體強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，主要考慮閑空實(shí)用問題，斷面采用直田半圓拱、三心拱或馬蹄形拱均璣在巖體強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性較差的條件下，陸面形狀必須與地應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng)(指地下聞室圍巖應(yīng)力接近均勻分布)。為了達(dá)到這一目的，對(duì)不同的池應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)設(shè)計(jì)不同的斷面形狀。例如，巖體軟弱破碎、地應(yīng)力處十靜水壓力狀態(tài)時(shí)，工程最佳斷面為圓油最大主應(yīng)力為自重應(yīng)力時(shí)，工程最佳斷面為長軸垂直的橢圓腸構(gòu)造應(yīng)力大的礦區(qū)，最佳斷面形狀為長抽水平延伸的橢圓形。橢圓的長袖方向應(yīng)與最大主應(yīng)力方向相一致。有時(shí)為了改善地下雨室圍巖的穩(wěn)定性，甚至要設(shè)計(jì)許多遼東而不對(duì)稱的斷面形狀。最典型的實(shí)例是1959年紹勒提供的弗爾伯陶埃公路隧洞的斷面。他為了適應(yīng)最大主皮力方向，招隧洞的斷面設(shè)計(jì)成帶尖的橢圓形(圖4~24)。我國許多煤礦地下工程，也應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)最佳斷而形狀，避免造成人力、財(cái)力的巨大浪費(fèi)。2．地應(yīng)力對(duì)巷道延伸萬間的影明根據(jù)理論計(jì)算、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際觀察，已得出一致的結(jié)論：巷道水平延伸方向平行于最大主應(yīng)力方向時(shí)，要比垂直時(shí)穩(wěn)定得多。典型的實(shí)例是我國甘肅金川礦，該礦巷道圍巖為超基性巖和大理巖。最初開挖的巷道高程為+1300m和+1250m，埋深分別為400m和450m，巷道的方向?yàn)镹W，馬蹄形斷面，混凝土預(yù)制塊襯砌。巷道開挖后不久，就發(fā)生了嚴(yán)重的變形破壞，拱頂塌藩、仍墻開裂、底扳隆起。經(jīng)多次修復(fù)，變形破壞仍不停止，致使不能使用。后來進(jìn)行了地應(yīng)力的研究和實(shí)制，發(fā)現(xiàn)巖體中最大水平主應(yīng)力高達(dá)18—19.5MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E，與巷道方向垂宜，從而找到巷道破壞的主要原因。據(jù)此，修改了設(shè)計(jì)方案，把埋深加大為500m的巷道方向改為NE，使巷道方向與最大主應(yīng)力方向基本一致，從而減輕了地應(yīng)力的影響。開挖后巷道田巖穩(wěn)定性大為改薯，在穿過斷層的地段，巷道基本穩(wěn)定，沒有明顯的變形和破環(huán)。3．地應(yīng)力對(duì)工程施工的影響在巷道頹進(jìn)過程中，有些煤礦曾發(fā)生巖爆現(xiàn)象，如江西萍鄉(xiāng)煤礦、四川南構(gòu)煤礦等。巖爆的發(fā)生是由于彈性巖體內(nèi)積聚了很高的應(yīng)力，巷道開挖時(shí)圍巖應(yīng)力進(jìn)一步集中，當(dāng)集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí)，彈性巖體能量突然釋放，并伴有聲響和震動(dòng)。這種現(xiàn)象，輕者影響生產(chǎn)效率，重者可致礦工傷亡，應(yīng)當(dāng)引起重視。巖爆是脆性巖體中高地應(yīng)力的典型特征，防止巖爆必須從研究地應(yīng)力場入手。一般是通過查明地應(yīng)力場特征和調(diào)整巷道斷面形狀或方向，來預(yù)防巖爆。在沒有條件進(jìn)行地應(yīng)力制員和其它方法研究的情況下，可采取應(yīng)急措施；當(dāng)巖爆發(fā)生在巷道頂板，說明水平方向應(yīng)力大，此時(shí)可將巷道的跨度適當(dāng)加大，斷面應(yīng)改為橢圓形。當(dāng)巖爆發(fā)生在兩幫，說明最大主應(yīng)力為垂直方向，巷道斷面應(yīng)改為直立的橢圓形。美國大古力混凝土壩，壩高168m，壩基為花崗巖體。在1933—1942年建壩開挖基坑過程中，發(fā)現(xiàn)花崗巖呈水平層狀裂開，在深部仍有這種水平裂開現(xiàn)象。經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)，這是高水平應(yīng)力的作用和挖基卸荷所致，決定停止開挖壩基，迅速演筑壩體，恢復(fù)壩基的荷載，并用簡壓翹漿固結(jié)裂綴，顛利完成建壩任務(wù)。此外，一些大型工程，基坑出現(xiàn)底鼓，有的還發(fā)生巖爆，均表明處于高水平應(yīng)力場中。如果對(duì)工程區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)有了詳盡研究，對(duì)建筑過程中出現(xiàn)的問題有充分估計(jì)，提前采取必要措施，可為國家節(jié)約巨額資金。第二節(jié)活斷層的工程地質(zhì)研究此外，活斷層與地震、滑坡、泥石流和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)，又是現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)的重要標(biāo)志和佐證。因此，研究活斷層不僅有工程意義，而且對(duì)預(yù)報(bào)、減輕地質(zhì)災(zāi)害，研究陸殼運(yùn)動(dòng)機(jī)理和發(fā)展地球科學(xué)理論均具重要意義。一、活斷層的定義活斷層又稱活動(dòng)斷裂。它是招現(xiàn)今仍在活動(dòng)的斷層，或者近期曾有過活動(dòng)而不久將來還可能活動(dòng)的斷層。由于活斷層重復(fù)活動(dòng)的周期較長(幾百年、幾千年或更長)，并準(zhǔn)予難確確定活動(dòng)時(shí)間，致使許多學(xué)者對(duì)話斷層的認(rèn)識(shí)有很大分歧。李坪等人認(rèn)為，白中更新世(距今約80一90萬年)以來的一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引起的斷裂活動(dòng)，基本上一直延續(xù)至現(xiàn)今，在一定程度上真正反映了斷層的近期活動(dòng)，把活斷層的時(shí)間界限定為中更新世為宣，另有人則主張把時(shí)間界限定到第四紀(jì)開始(距今約180萬年)，也有入主張定為全新世開始(距今約1.1萬年)等等。美國核管理委員會(huì)用“能動(dòng)斷層”術(shù)語代替了活斷層一詞。能動(dòng)斷層是指顯示下列一個(gè)或多個(gè)特征的斷層，即：在過去3.5萬年內(nèi)在地宏或地表附近至少發(fā)生過一次運(yùn)動(dòng)，成者在過去50萬年內(nèi)在地表或地表附近發(fā)生過重復(fù)性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有足夠精確的儀器記錄證明大地震活動(dòng)與該斷層有直接聯(lián)系，與一個(gè)具有上述特征的能動(dòng)斷層有構(gòu)造聯(lián)系，因而能夠合理地推斷在能動(dòng)斷層活動(dòng)過程中它會(huì)伴隨運(yùn)動(dòng)(MerlynJ.Adair，1979)。需要指出，在確定活斷層時(shí)，防止時(shí)間界限定得太早，否則會(huì)將巳經(jīng)停止活動(dòng)的斷層亦為活動(dòng)斷層，勢必增加不必要的工程處理措?yún)f(xié)定得太晚，又過于冒險(xiǎn)(特別指大型工程)。經(jīng)過近幾年的討論，意見逐漸趨于統(tǒng)一。多數(shù)人認(rèn)為，在勘察設(shè)計(jì)規(guī)范中需技工程等級(jí)規(guī)模大小來規(guī)定不同的要求。巖土工程勘家規(guī)范中規(guī)定，將全新世期間(1萬年)有過舌動(dòng)的斷層定為活斷層。有人建議：中小型水利水電工程可對(duì)比工業(yè)民用建筑要求，將時(shí)間界限定為全新世(1一1.1萬年)，一般大型水利水電工程是以晚更新世晚期(距今5萬年)作為活斷層下閑大江大河的大型工程是以晚更新世早期(距今約10一13萬年)作為下限；特大型和特別重要的工程則應(yīng)參照核電站要求，將距今50萬年以來多次活動(dòng)的斷層定為現(xiàn)代活動(dòng)斷層，以中更新世中期作為最新活動(dòng)時(shí)期的下限。二、活斷爆分類

1．按力學(xué)性質(zhì)分類地殼中任何一個(gè)小單元體均受到三個(gè)主應(yīng)力的作用(即最大主應(yīng)力中間主應(yīng)力最小主應(yīng)力)，一切構(gòu)造現(xiàn)象都受這三個(gè)主應(yīng)力的控制。根據(jù)E．M．安德森和茂木情夫的研究認(rèn)為，當(dāng)中間主應(yīng)力垂直最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力為水平時(shí)，可形成走滑斷層(圖4—25a)，當(dāng)最小主應(yīng)力垂直時(shí)，可形成逆斷層(圖4—25b)，當(dāng)最大主應(yīng)力垂直時(shí)，可形成正斷層(圖4—25c)。通常，斷層面平行于中間主應(yīng)力活斷層和一般斷層一樣，可分為傾滑活斷層和走滑活斷層(或平移活層)。其中，前者又可分為正活斷層、逆活斷層；后者又分為左旅走滑活斷層，右旅走滑活斷層。2.按滑移速率分類

1975年松田時(shí)彥根據(jù)現(xiàn)代活動(dòng)斷層第四紀(jì)晚期活動(dòng)的平均滑移速率，劃分出A、B、C三級(jí)活斷層。之后。日本活動(dòng)斷層研究會(huì)(1980)根據(jù)話斷層長期平均滑動(dòng)速率，將活斷層分為AA、A、B、C四級(jí)(表4—2)。劉光勛等根據(jù)我國東部及西部部分地區(qū)活斷層的活動(dòng)速率，提出分類意見(表4—3)。他們劃分的第吁類，其速率根小，已接近或在制量誤差范圍內(nèi)，屑現(xiàn)代基本不活動(dòng)助乳I類為強(qiáng)活動(dòng)蜘II類為中強(qiáng)活動(dòng)的;III類為弱活動(dòng)的。3．按活動(dòng)時(shí)代分類多數(shù)人認(rèn)為，活斷層最新活動(dòng)的地質(zhì)年齡愈新，將來活動(dòng)的可能性愈大。所以斷層活動(dòng)的年齡對(duì)判斷未來活動(dòng)特性，以及對(duì)工程穩(wěn)定性的影響都具重要意義。D．B斯利盟斯和R．麥基尼籌把活斷層分為三類；第四紀(jì)以來(約200萬年)活動(dòng)過的斷層；全新世以來(約1.1萬年)活動(dòng)過的斷層，歷史上(100一200年)活動(dòng)過的斷層。美國加利福尼亞州地質(zhì)礦產(chǎn)部根據(jù)斷層的活動(dòng)性進(jìn)行分類，分為活動(dòng)的斷層(全新世1.1萬年以來活動(dòng)過的)、浴在活動(dòng)的斷層(更新世300萬年以來活動(dòng)過的)，其它為不活動(dòng)的斷層。李興唐結(jié)合我國現(xiàn)今第四紀(jì)劃分方案、斷層的工程意義，對(duì)活斷層年齡段作了較詳細(xì)的劃分(表4—4)。表中，全新世中期()的、中晚期的和全新世晚期()的相當(dāng)于歷史時(shí)期活斷層。4．其它分類方法話斷層按切穿深度，分為巖石困活斷層(切穿巖石困達(dá)到軟流層)、地殼話斷層(切穿地殼達(dá)到莫霍界面)、基底活斷層(切穿上地殼花崗巖質(zhì)層達(dá)到康拉德界面)、蓋層活斷層(切穿沉積蓋層達(dá)到基底)。按活斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，可分為蝸猾運(yùn)動(dòng)和粘滑運(yùn)動(dòng)。其中，前者以運(yùn)動(dòng)緩慢、不發(fā)生地震或少數(shù)微展為特征，有人亦稱蝸動(dòng)運(yùn)動(dòng)或穩(wěn)滑運(yùn)動(dòng)，后者則表現(xiàn)為錯(cuò)動(dòng)迅速面突然，并產(chǎn)生地震，有人稱地震運(yùn)動(dòng)。三、活斷層的鑒定標(biāo)志活斷層除具備一跋斷層的特點(diǎn)外，因?yàn)樗顒?dòng)的時(shí)間新，所以又有許多特殊的標(biāo)志。1．地貌標(biāo)志活斷層在他貌上的表現(xiàn)，大體可分為兩類；一類是宏觀地貌，它是活斷層長期作用的結(jié)果；另一類是微地貌，它是少數(shù)突發(fā)事件(如地震)所造成。如青藏高原的隆升始于上新世末，在更新世以來發(fā)生大規(guī)模的猛烈拾升，在近200萬年里約上升4000m，這次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)我國乃至東亞地區(qū)的地貌產(chǎn)生巨大影響，其中包括各種活斷層的作用。確定活斷層有以下地貌標(biāo)志：

(1)山地的斷層層、三角面呈線性分布(圖4—26)，(2)河流、水泵、沖溝或山脊有規(guī)律的水平錯(cuò)位。如我國云南紅河活田裂，僅第四紀(jì)晚期以來河流被餡斷4—5km以上，明顯的顯示右旅性質(zhì)。(3)河流縱剖面上出現(xiàn)基巖型跌水或瀑布，或階地高程突然變化，大多由活斷層引起。(4)一次大地震可造成兒米至十幾米的餡動(dòng)，從面出現(xiàn)一系列地面變形，如眉脊(圖4—27)、斷層陡坎(圖4—28)、斷層層(圖4—29)等。此外，洪積扇疊置、賽平面解體、串殊狀沼澤、洼地等，也與活斷層有關(guān)。2．地震標(biāo)志地震是通過斷裂活動(dòng)釋放儲(chǔ)存的應(yīng)變能，它是現(xiàn)代活動(dòng)斷層最直接的表現(xiàn)，因此可利用歷史地震震中分布和活動(dòng)情況來簽別活斷層。歷史地震是人類有歷史以來發(fā)生并有記載的地震。我國的歷史地震(M)記載，從公元前1177年迄今已有3170年的歷史，它們是鑒定近代活斷層最可拓的證據(jù)。這些地震標(biāo)志有下述特征：(1)儀器觀制到的1<M<3地震，沿?cái)鄬泳€在一段時(shí)間內(nèi)藏繁發(fā)生，線性良好。(2)歷史記載或儀器記錄的沿?cái)嗔旬a(chǎn)生兩個(gè)或更多的中強(qiáng)以上地震(M)。3．地層錯(cuò)斷標(biāo)志地層錯(cuò)斷主要是指第四紀(jì)地層或近代地層產(chǎn)生的斷裂錯(cuò)動(dòng)。在調(diào)查過程中，不僅應(yīng)注意新地層錯(cuò)斷現(xiàn)象，還應(yīng)注意對(duì)斷裂面、斷層破碎帶的觀察。如礫石層中礫石校剪斷、壓碎的現(xiàn)象，以及松散、未膠結(jié)的斷層破沖帶中構(gòu)造巖、壓碎巖、斷層泥的觀察與取樣等。新地層的錯(cuò)斷是鑒定活斷層雹要標(biāo)志，但應(yīng)注意與滑坡、土層不均勻沉陷、巖箔塌陷等引起的局部地層錯(cuò)動(dòng)區(qū)別開來，還應(yīng)注意第四紀(jì)以前形成的老斷裂在第四紀(jì)更新復(fù)活的斷裂。

地層錯(cuò)斷主要是指第四紀(jì)地層或近代地層產(chǎn)生的斷裂錯(cuò)動(dòng)。在調(diào)查過程中，不僅應(yīng)注意新地層錯(cuò)斷現(xiàn)象，還應(yīng)注意對(duì)斷裂面、斷層破碎帶的觀察。如礫石層中礫石校剪斷、壓碎的現(xiàn)象，以及松散、未膠結(jié)的斷層破沖帶中構(gòu)造巖、壓碎巖、斷層泥的觀察與取樣等。新地層的錯(cuò)斷是鑒定活斷層雹要標(biāo)志，但應(yīng)注意與滑坡、土層不均勻沉陷、巖箔塌陷等引起的局部地層錯(cuò)動(dòng)區(qū)別開來，還應(yīng)注意第四紀(jì)以前形成的老斷裂在第四紀(jì)更新復(fù)活的斷裂。4．地球化學(xué)和地緣物理標(biāo)志活斷層在活動(dòng)過程中，可釋放出各種氣體稱斷層氣，如、H、He、Ne、Ar、Rn、Hg、As、Sb、Bi、B等。通過斷層氣的酗量，可確定活斷層的存在。例如，通過制定膠片上單波面的徑跡，來確定上目中氯氣相對(duì)濃度分布，這沖方法稱徑跡法。在活斷層附近，氮?dú)獬１憩F(xiàn)出高濃度異常。此外，活動(dòng)斷裂帶具有較高的地溫和地?zé)峒伲猿Ｓ袔罘植嫉臏厝?。利用重力、磁力和射線強(qiáng)度等研究活斷層，也是行之有效的方法。四、活斷層研究方法1．研究方法綜述自1908年A.C.勞森提出活斷層這一術(shù)語以來，許多國家廣泛開展了活斷層的調(diào)查研究，特別是美國、日本、前蘇聯(lián)和我國已取得較大成就，探康出許多活斷裂的研究方法，如文獻(xiàn)詞查、遙感影像解析、地形地貌貌調(diào)查、地表地質(zhì)調(diào)查、淺層地震勘探、精密重磁制量、開挖和鉆探、年代制定、斷層氣制量、斷層物質(zhì)研究、形變制量、微震觀制等。文獻(xiàn)調(diào)查是所有的科學(xué)研究中先行而重要的工作，做好此項(xiàng)工作可以起到事半勸倍的效果。在文獻(xiàn)調(diào)查中，除了收集公開發(fā)表的論文著作外，還耍注意利用科技信報(bào)部門的文獻(xiàn)撿免以及收集內(nèi)部使用的卷宗檔案資料等。遙感技術(shù)是指利用飛機(jī)、火衙、衛(wèi)星、宇宙飛船等運(yùn)載工具，在高空中，根據(jù)各種地物發(fā)射和反射電磁波的性能不同，用各種傳感器進(jìn)行制量的技術(shù)。一般飛行高度小于80km，以飛機(jī)和氣球?yàn)檫\(yùn)載工具進(jìn)行遙感制量的叫航空遙感，主要成果是航空照計(jì)。飛行高度大于80km，用衛(wèi)星和火箭作為運(yùn)載工具進(jìn)行遙感制量的叫航天遇感，其主要成果是衛(wèi)星圖像(衛(wèi)片)?；顢鄬釉诤狡托l(wèi)片上突出的特點(diǎn)是線性構(gòu)造，特別是經(jīng)過計(jì)算機(jī)信息增強(qiáng)處理后，很多內(nèi)服難以直接察覺到的構(gòu)造變的清晰可辨；巖層和植被色調(diào)的差異，以及人工渠道、公路等在航片或衛(wèi)片上也能反映成線狀構(gòu)造。但話斷層有突出的特點(diǎn)，即：沖溝、山脊為水平方向錯(cuò)動(dòng)，河流一例交流作同步彎曲，出現(xiàn)斷層搓壁、陡坎裂腸洪積扇疊置等。在航片或衛(wèi)片上被判讀出來的活斷層，均需到野外實(shí)地考察驗(yàn)證。

2．測年技術(shù)的應(yīng)用在自然界中，碳的同位親有三種，即：，，。其中，是一種放射性同位素，它能放射粒子(電子)。的豐度為1.2，半衰期為5730±40年，平均壽命為8266年。當(dāng)在高空形成后迅速與氧化合成隨大氣的對(duì)流擴(kuò)散作用與混，位大氣中具有放射性。植物通過光合作用吸收大氣中，以組成自身各種組織，動(dòng)物吃丁植物，天然又進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)。所以整個(gè)生物界都臺(tái)有天然碳磅鹽等含碳物質(zhì)被埋藏在沉積物里后，就停止了與外界的交換，也就不能獲得的新補(bǔ)充，而原來的仍按衰變規(guī)律減少。若停止交換的年代越久，放射性比度越小，每隔5730年就要減少至原有的一半。此制定樣品中減少的程度，便可計(jì)算出它與大氣停止交換的年代，也就是沉積物堆積的年代。斷層新活動(dòng)年代分拆方法召兩種，即：問接法(或稱錯(cuò)斷地層年齡法)、直接法(又稱斷層物質(zhì)年齡制定法)。其中，間接法主要依據(jù)測年技術(shù)來確定斷層活動(dòng)年代。如斷層存在于早期第四系B、C層內(nèi)，其沉積年齡分別為和。(圖4—30)；其上覆晚第四系A(chǔ)層，沉積年齡為，則斷層活動(dòng)于與之間，年齡以后未活動(dòng)過此外，根據(jù)錯(cuò)斷地層C、沉積年齡t。、上覆地層A、沉積年齡，斷距H，可計(jì)算斷層平均活動(dòng)速率S：由于斷層是瞻間或很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，所以。僅僅是宏觀平均活動(dòng)速率，它不反映斷裂實(shí)際活動(dòng)情況。3．熱釋(發(fā))光測年技術(shù)的應(yīng)用(TL法)

任何天然礦物加熱到足夠高的溫度時(shí)，都會(huì)因灼熱而發(fā)光，這稱紅熱發(fā)光，這種光不是熱釋光。天然礦物還有另外一種性質(zhì)，即礦物結(jié)晶在其形成和在自然界存在過程中，接受了來自周圍環(huán)境和宇宙中的放射性核輥執(zhí)固體品格受到輻射影響后，以內(nèi)部電子的轉(zhuǎn)移來儲(chǔ)存核輻射帶結(jié)晶體的能量，這種能量遇到外來熱刺激后，又能通過儲(chǔ)能電子的復(fù)原運(yùn)動(dòng)而以光于發(fā)射的方式再度把能量釋放出來，這就是熱釋光或稱熱發(fā)光。熱釋光是結(jié)晶固體特有的一種發(fā)光現(xiàn)象，并具有一次性發(fā)光的特點(diǎn)。所謂一次性發(fā)光，就是對(duì)某結(jié)晶固體，加熱到一定溫度時(shí)，能使光子發(fā)別產(chǎn)生熱釋光，而且群放撣原始的全部發(fā)光量。所以晶體冷卻后重新加熱到該溫度時(shí)，不再有光子發(fā)射，除非再給該晶體以一定劑量的核輛射后，再度加熱才會(huì)重新產(chǎn)生熱釋光。而紅熱發(fā)光只要把物體加熱到紅熱溫度即可發(fā)光。熱釋光的另一特點(diǎn)就是儲(chǔ)能電子數(shù)與晶體接受的核輻射劑量成萬比，即晶體的熱際光強(qiáng)度與接受的核輻射總劑量成正比。自然界的沉積物中，均含有微量的長壽命放射性元素鈾、鉆和鉀，它們?cè)谒プ冞^程中所群放的射線，可使晶體發(fā)生電商，產(chǎn)生儲(chǔ)能電子。在一定的時(shí)間內(nèi)，就半定期很長的鈾、釷和鉀而言：其放射性強(qiáng)度幾乎為恒量，每年提供給結(jié)晶圖體的輻射劑量也應(yīng)為恒定值。利用熱釋光法可以制定活斷層活動(dòng)的年齡，制定樣品為斷層帶的物質(zhì)(如石英、方解石等)。斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，巖石破碎，產(chǎn)生摩擯力和摩擦熱。這種熱作用即一次熱事件。晶體受到熱刺激后，產(chǎn)生熱釋光，釋放掉原有的全部發(fā)光量，相當(dāng)于一次退火作用，使斷層物質(zhì)熱釋光點(diǎn)為零。熱事件發(fā)生后，斷層帶的晶體物質(zhì)又在平溶的地質(zhì)環(huán)境下，接受圍巖中微量的放射性物質(zhì)的輻射，又重新從零開始逐漸累積熱群光雖，其累積與接受輻射的時(shí)間及輻射強(qiáng)度成正比。試驗(yàn)中，可得到熱釋光強(qiáng)度曲線，曲線的總面積即全部的光能。根據(jù)它的大小，可以制得斷層活動(dòng)的年齡。此法制定年齡的范圍是500一200萬年以內(nèi)，也可用于考古、火山活動(dòng)、地層對(duì)比和古氣候方面的研究。以制定地層年齡為目的者可從地層中采取制定礦物，制定斷層活動(dòng)年齡時(shí)從斷層泥或斷層帶小采取礦物?？芍茦悠酚?jì)有石英、方解石、鐘乳石、鈣華等。若樣品中含泥質(zhì)較少、成分較純，采取500—1000g可滿試驗(yàn)要求；很純的方解石、鐘乳石約100g即夠分析。為了鑒定樣品是否受構(gòu)造變動(dòng)，還需切制偏光顯微鏡鑒定用的涪片，為了制定局圍環(huán)境的放射性元索含量(的含量)，需采集圍巖，即斷層兩側(cè)巖石共重約500g。4．電子自旋共振(ESR)測年技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)把順磁物質(zhì)置于恒定磁場中，在高頻電磁波的作用下，把磁場強(qiáng)度和高額微波的頻率調(diào)件到某一特定的數(shù)值時(shí)，微波能量會(huì)被順磁物質(zhì)強(qiáng)烈吸收，這一現(xiàn)象的本質(zhì)與順磁物質(zhì)中自旋電子個(gè)數(shù)有關(guān)，被稱電子白旋共振。這一現(xiàn)象于1945年首先由扎沃斯基(Zavoysky)發(fā)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，1976年德國科學(xué)家禁勒(Zeller)提出根據(jù)樣品所吸收的自然輻射劑量來推算樣品形成年代，這就是自旋共振(ElectronSpinResonance)法，簡稱ESR法。目前研究發(fā)現(xiàn)，在組成物質(zhì)的原于或分子基圖中，電子除了圖繞原子旋轉(zhuǎn)外，本身也按一定的方向繞軸自族，并產(chǎn)生一定的磁矩。每一個(gè)電子軌道廣只能容納兩個(gè)電子，而且它們之間的白族方向相反，磁矩互相抵消。只有當(dāng)電子軌道上只有一個(gè)電子(不成對(duì)電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部才食有一些由電子白旋磁矩形成的孤：江的小磁體。一般情況下這些小磁體混亂排列，故物質(zhì)在整體上不顯磁性，只有在外部磁場的作用下，小磁體才順磁場方向有規(guī)律的排列。這些含有由不成對(duì)電子產(chǎn)生的小磁體的物質(zhì)，稱順磁性物質(zhì)。物質(zhì)中不成對(duì)電子有一突出特性，不成對(duì)電子的累積是隨著放射性元素衰變釋放的射線箔照劑量的增加而增長。如果樣品形成時(shí)含有不成對(duì)電子數(shù)目為零，而且采集樣品地點(diǎn)的自然輻射劑量串相對(duì)不變，那么樣品小的不成對(duì)電子的數(shù)目將正比于樣品的年齡。活斷層在錯(cuò)動(dòng)時(shí)，斷層而周圍產(chǎn)生的商剪切府力或高溫，使不成對(duì)電子全部消除?；蛘哒f斷層發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)時(shí)器處于零點(diǎn)。其原理類似于熱釋光法測年技術(shù)。探制物質(zhì)中不成對(duì)電子濃度的直接工具是電子自旅共振波譜儀。采樣時(shí)，樣品需取自斷層最強(qiáng)烈破碎部位，為避免風(fēng)化因素影響，取樣需距裸露面至少20cm，樣品重量不少于2kg，所選出的石英、長石職粒供測年用。ESR法所測年齡代表斷層最強(qiáng)烈或最新一次活動(dòng)的時(shí)間。目前多數(shù)人認(rèn)為，熱釋光法和電子白族共振法是研究活斷層具有良好應(yīng)用前景的瀝方法，但也有人提出許多問題。例如．T0m00Ariyama

于1985年實(shí)驗(yàn)證明，只有當(dāng)正應(yīng)力大于2MPa作用下發(fā)生過大于50cm剪切鈴動(dòng)時(shí)，才能使斷層物質(zhì)達(dá)到“退火”或“零化”；古迅提出“如何證明所取的斷層樣品確實(shí)在大丁2MPa正應(yīng)力作用下發(fā)生過大于50cm的剪切錯(cuò)動(dòng)呢?如何證明所制得的斷層帶物質(zhì)的年齡確實(shí)是斷層發(fā)生了那么大的運(yùn)動(dòng)年齡呢?”。五、活斷層形成的動(dòng)力機(jī)制及分布規(guī)律活斷層是現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)的反映，討論活斷層形成的動(dòng)力機(jī)制，其本質(zhì)就是探討地殼運(yùn)動(dòng)動(dòng)力機(jī)制。關(guān)于地殼運(yùn)動(dòng)的原因，口前還處十爭論階段。近幾午，通過對(duì)我國大陸和歐洲地區(qū)活斷層統(tǒng)計(jì)和形成條件對(duì)比后發(fā)現(xiàn)重要規(guī)律，即：地殼運(yùn)動(dòng)與地塊的密度有著密切關(guān)系，密度變大的地塊緩慢的向極點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，密度變小的地塊緩慢的向赤道運(yùn)辦巖紫活動(dòng)是造成地塊密度變化的重要因素，地球深部的基件、超基性巖漿上升到近地表處，可使地塊的密度增大，政性巖漿活動(dòng)可使地塊的密度變小。由此可知，凡是近代有過火山活動(dòng)的地區(qū)，地完運(yùn)動(dòng)和地震活動(dòng)頻繁而強(qiáng)烈，如山西大同、海南島北部、吉林敦化、臺(tái)灣東部等。根據(jù)布格重力異常圖，可以大致反映地塊的密度情況。布格重力值越低，地塊的密度越?。环粗?，則地塊的密度大。為了把上述規(guī)律建立在牢固的理論基礎(chǔ)上，規(guī)律建立在牢固的理論基礎(chǔ)上，又用理論分析方法和數(shù)學(xué)、力學(xué)推導(dǎo)，都證明了密度變化可導(dǎo)致地殼作水乎運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。我國地質(zhì)學(xué)家對(duì)活斷層的研究起步較晚，僅近20年來，發(fā)展迅速，已基本上趕上國外研究水平，對(duì)我國境內(nèi)地震活動(dòng)的基本規(guī)律及活動(dòng)斷裂帶的分布己基本清楚(表4—5、圖4—31)。我國境內(nèi)存在大密度地塊緩慢向北運(yùn)動(dòng)，小密度地塊緩慢的向南運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，由于相鄰大、小密度的地塊相對(duì)位置的不同，從而形成各種不同類型的話斷層。這些活斷層有以F八種典型模式：1．?dāng)D壓型當(dāng)兩地塊密度差別很大，而大密度地塊(布格重力異常值相對(duì)高)位于南而，小密度地塊(布格重力異?？鄬?duì)低)在北面，這樣便形成丁南面地塊向北運(yùn)動(dòng)、北面地塊向南運(yùn)動(dòng)的擠壓動(dòng)力狀態(tài)，地塊擠壓邊界便形成傾滑逆斷層。由于布格重力但是近期閱量成果，它反映丁現(xiàn)代的地塊密度情況和現(xiàn)代的地塊運(yùn)動(dòng)趨勢，所以這種佃滑逆斷層是擠壓型活斷層，并具有近東西向延伸的特點(diǎn)。雖典型代表為我國天山南蘑斷裂帶，活斷層以北為小密度地塊，斷層以南為大密度地塊(圖4—33)。2．拉張型拉張型與擠壓型相反，即大密度地塊位于北面，小密度地塊位于南面，兩地塊相背運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)拉張動(dòng)力狀態(tài)，形成大規(guī)模拉張正斷層，并具有近東西向延伸的特點(diǎn)。典型代表為我國安徽霍山(參見圖4—5)附近幾條近東西分布的拉張斷裂，它們控制了大別山北坡的階梯狀斷盼此外，還有東西向延伸的秦嶺北拉張斷裂帶，以及海南島北部東西向分布的五五一定安拉張斷裂帶等。3．其它型當(dāng)東、西兩地塊存在較大密度差異時(shí)，可產(chǎn)生剪切型活斷層，它們有近南北向延伸的特點(diǎn)(參見圖4—32c、d)。如果西盤密度小，便出現(xiàn)左旋剪切型斷層。典型代表為我國四川、云南境內(nèi)的安寧河斷裂(圖4—34)，圖中面目的近西盤布格異常值為—335.2mGaI，東盤為—202.9mGal，在短距離內(nèi)布格異常值相差達(dá)112.3mGal，這反映丁東西兩盤密度差異很大，因而出現(xiàn)左旅剪切活斷恩此外，還有拐廬斷裂帶中段、小江斷裂帶等。如果東盤密度小，西盤密度大，便產(chǎn)生右旋剪切型斷層，典型代表為我國云南紅河斷裂帶北段、湖北杯城附近斷裂構(gòu)造等。當(dāng)兩地塊接觸界線既不是東西向，亦非近南北向，而是北東或北西向時(shí)，可形成混合型斷層（壓扭、張扭型)。瀾于友旋壓扭型的有長樂一南澳斷裂帶、邵武一河源斷裂帶、龍門山斷裂帶、損廬斷裂帶南段等；屆于右旋壓扭型的有可可托海一二臺(tái)斷裂帶南段、紅河斷裂帶南段勒屑左旋張扭型的有鮮水河斷弛屈右旋張扭型的有舒蘭一伊通斷裂。在我國境內(nèi)分布著許多典型的運(yùn)動(dòng)地塊它們的周圍被不同類型的話斷層所包圍。運(yùn)動(dòng)地塊的前方為擠壓型，后方為拉張型，側(cè)方為剪切型。如我國西南地區(qū)的小舊英形地塊”，它的周圍就為鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂、紅河斷裂所包圍(圖4~35)，具有明顯向南移動(dòng)的特點(diǎn)。屈這種運(yùn)動(dòng)類型的地塊還有湖北安徽境內(nèi)的大別山地塊、湖北江西交界的幕阜山一九嶺地塊。這些緩慢向南運(yùn)動(dòng)的地塊均有大面積布格重力異常值很低、密度小的特點(diǎn)(參見圖4—5、圖4—32)。六、工程對(duì)策活斷層對(duì)工程的危害主要表現(xiàn)在三個(gè)方面；活斷層蠕動(dòng)位錯(cuò)破壞建筑物和地勤話斷層產(chǎn)生地展，地震波破壞建筑物；地震次生災(zāi)害，如滑坡、山崩、泥石流、砂土液化引起地基失效等破壞建筑物。關(guān)于話斷層的工程對(duì)策，應(yīng)拿捏以下基本原則：1．工程對(duì)策應(yīng)考慮建筑物重要性活斷層對(duì)工程建筑有很大的破壞作用，但由于工程建筑重要性不同，因此對(duì)活斷層的研究程度也不相同。根據(jù)建筑物破壞后危及人的生命安全、造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響等儲(chǔ)況，“工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)觀范”(TJ11一78)將建筑物分為甲、乙、丙、丁四類。甲類為地震破壞會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的特別重要建筑，如高水壩、核電站及核設(shè)施、劇毒設(shè)施及工廠獸，要保證遠(yuǎn)離發(fā)震活斷層；乙類是城市高層建筑等重要工程建筑，包括中小型水壩、軍事設(shè)施、重要化工廠，20層以上高層建筑等，要求避開活斷層一定距臥丙類是一般工業(yè)民用建筑、礦山、橋梁等，要避開活斷層一定距砌丁類包括公路、鐵路、次要建筑，可建在活斷層附近或其上。2．工程對(duì)策應(yīng)考慮活斷層的危險(xiǎn)度不向的話斷層雹新活動(dòng)的周期不同。斷層活動(dòng)是有一個(gè)長時(shí)間能量聚集過程，短的僅幾十年、幾百年，長的達(dá)千年或近萬年。一般通過對(duì)斷層面的開挖取樣316年，可以基本攀控一個(gè)活斷層的活動(dòng)周期。李起彤等人提出用遏近時(shí)間劃分活斷層的危險(xiǎn)度，即距上次大策(活動(dòng))時(shí)間越長，則離下次活動(dòng)(大震)就越近。逼近時(shí)間嚴(yán)的計(jì)算公式為式中R——活斷層的周期，aG——消逝時(shí)間，a，

T2——進(jìn)行評(píng)價(jià)的年份，如1994年，

T1——活斷層最后一次活動(dòng)的時(shí)間，a。根據(jù)上式計(jì)算逼近時(shí)間，然后查表4~6，再確定活斷層的危險(xiǎn)度。例如，評(píng)價(jià)1994年郵廬斷層沂沫段的危險(xiǎn)度，是根據(jù)1668年曾發(fā)生M，8.5級(jí)地層，活動(dòng)周期及為3000a，按公式可計(jì)算出消逝時(shí)間T=1994-1668＝326a(年)，逼近時(shí)間T＝3000-326=2674a(年)，然后查表4—6，得知用明危險(xiǎn)度。由此可知，對(duì)于服務(wù)年限為100年的建筑物來說，幾乎可以不考慮活斷層的影響。3．工程對(duì)策應(yīng)考慮活斷層的活動(dòng)度日本學(xué)者根據(jù)活斷層平均滑動(dòng)速率大小，招話斷層分AA、A、B、C四級(jí)。攝李起彤等人研丸我國境內(nèi)許多話斷層滑動(dòng)速率很小，卻發(fā)生過特大地震。因此，僅考慮一個(gè)指標(biāo)還不