活斷層與地震工程地質(zhì)講義

第三章活斷層與地震

工程地質(zhì)研究第一節(jié)概述區(qū)域地殼穩(wěn)定性：指地球內(nèi)動力地質(zhì)作用,如地震、火山活動、斷層錯(cuò)動以及顯著的地殼升降運(yùn)動等對工程建設(shè)安全穩(wěn)定的影響程度。

指工程建設(shè)區(qū)域的現(xiàn)今地殼，由于天然或工程因素引起的地應(yīng)力變化，主要產(chǎn)生構(gòu)造、火山、地震等活動所造成的具有區(qū)域性地殼表層位移和破壞的程度?；顢鄬拥?/p>

震

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帶唐山大地震唐山大地震玉樹地震汶川地震印尼的活火山印尼的活火山印尼的活火火山核爆試試驗(yàn)三峽水庫誘誘發(fā)地震第二節(jié)活活斷層層概念及工程程意義活斷層基本本特征活斷層鑒別別標(biāo)志活斷層調(diào)查查研究方法法活斷層區(qū)建建筑原則斷裂與斷層層的區(qū)別斷裂：fracture,rupture，又稱破裂，，物體受力力變形，當(dāng)當(dāng)應(yīng)力達(dá)到到破裂強(qiáng)度度時(shí)，物體體就會發(fā)發(fā)生斷開，，使物體的的連續(xù)性和和完整性遭遭到破壞，，稱為斷裂裂或破裂。。巖石中的的斷裂包括括裂隙、節(jié)節(jié)理和斷層層等。不論論斷裂兩側(cè)側(cè)巖層或巖巖體是否沿沿?cái)嗔衙姘l(fā)發(fā)生過相對對位移。斷層：fault，巖石在力力的作用下下發(fā)生破裂裂，并在被被破裂的兩兩個(gè)巖體之之間發(fā)生相相對位移的的不連續(xù)面面，位移方方向平行于于不連續(xù)面面。概念及工程程意義活斷層一般般是指現(xiàn)今今正在活動動的斷層，，或近期曾曾活動過、、不久將來來可能重新新活動的斷斷層。后者者也稱為潛潛在活斷層層?！稁r土工程勘勘察規(guī)范》全新活動斷斷裂：全新新世（10000）年內(nèi)有過過活動或近近期正在活活動，在將將來（100年）可能繼繼續(xù)活動的的斷裂。發(fā)震斷裂：：近期（500年）發(fā)生過過5級以上地震震，或在未未來100年內(nèi)預(yù)測可可能發(fā)生5級以上地震震的斷裂。?！端姽すこ痰刭|(zhì)勘勘察規(guī)范》活斷層：最最后一次錯(cuò)錯(cuò)動距今10-15萬年（晚更更新世）的的斷層。美國原子能能委員會（（USNRC）的定義是是：（1）在3.5萬年內(nèi)有過過一次或多多次活動的的斷層（2）與其他活活動斷層有有聯(lián)系的斷斷層（3）沿該斷裂裂發(fā)生過蠕蠕動或微震震活動活斷層的工工程意義沿活動斷裂裂帶分布的的房屋被摧摧毀沿活動斷裂裂帶道路出出現(xiàn)波狀節(jié)節(jié)律性破壞壞北川縣城Mainshockfault12BEICHUANCOUNTYShale&sandstoneLimestoneHalfofoldtownwasburiedbylandslideWesttownLandslide1600fatalityTHEFIVE-FLOORHOUSEWERECRUSHEDOVERLAYED①②④③⑤DamagedSchoolbuildingshows“typicalaxispressuretest”水平錯(cuò)動0.5m2ndstoreyisgoneawayHorizontalMovingis0.5mFromsky從天而降拋擲振動液化（（Liquefaction）.ElCentro,CA,1979LomaPrieta,CA,1989海嘯（Tsunami）主要介紹活活斷層的類類型與活動動方式、繼繼承性與反反復(fù)性、長長度與斷距距、錯(cuò)動速速率與周期期。活斷層的基基本特征一、活斷層層的類型按照位移方方向與水平平面的關(guān)系系：（1）正斷型活活斷層差異升降活活動為它的的斷陷盆地地邊緣。下下降盤分支支斷層多見見，形成地地塹式的正正斷層組合合。（2）逆斷型活活斷層多分布于板板塊碰撞擠擠壓帶。上上盤變形帶帶大，出現(xiàn)現(xiàn)多分支斷斷層。（3）走滑型活活斷層常分布于大大陸內(nèi)部的的地塊之間間的接觸部部位，水平平錯(cuò)動量大大，斷層帶帶寬度不大大，很少分分支斷裂。。二、活斷層層的基本特特征繼承性與反反復(fù)性1、繼承了老老的斷裂構(gòu)構(gòu)造尤其是是中生代和和第三紀(jì)以以來的斷裂裂構(gòu)造格架架2、西部地區(qū)區(qū)以走滑和和逆沖－走走滑斷層為為主，且強(qiáng)強(qiáng)度明顯大大于東部3、東部以正正斷層和走走滑－正斷斷層為主。。是深大斷裂裂復(fù)活運(yùn)動動的產(chǎn)物1、深大斷裂裂在挽近期期及現(xiàn)代地地殼構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力條件下下重新活動動而產(chǎn)生2、深大斷裂裂：切穿巖巖石圈、地地殼或基底底的斷裂，，延伸數(shù)十十～數(shù)千km，切割深度度數(shù)公里～～百余公里里.活斷層受控控于板塊構(gòu)構(gòu)造全球構(gòu)造（（板塊構(gòu)造造platetectonicstheory）理論的基基本點(diǎn)是，，全球劃分分為六個(gè)剛剛性的巖石石圈板塊在在軟流層之之上漂移，，不斷地運(yùn)運(yùn)動。研究表明，，印度板塊塊與歐亞于于始新世末末，即大約約3800萬年前相互互碰撞，此此后印度板板塊仍以每每年約5cm的速度向NNE方向推進(jìn)，，強(qiáng)力地推推擠著歐亞亞板塊,板塊接觸帶帶的兩個(gè)端端點(diǎn)位于察察隅和伊斯斯蘭堡附近近。在碰撞撞擠壓過程程中歐亞板板塊內(nèi)產(chǎn)生生了塑性或或粘性流動動變形。印度洋板塊塊青藏高原（1）粘滑型活活斷層間歇性突然然滑動，常常伴有地震震活動，也也稱為地震震斷層。發(fā)生在強(qiáng)度度較高的巖巖石中，斷斷層帶鎖固固能力強(qiáng)，，危害大。。發(fā)震斷裂特特征：深斷斷裂，裂谷谷，板塊接接觸帶。（2）蠕滑型活活斷層沿?cái)鄬用鎯蓛蓚?cè)巖層連連續(xù)緩慢地地滑動發(fā)生在強(qiáng)度度較低的軟軟巖中，斷斷層帶鎖固固能力弱一般無震發(fā)發(fā)生，有時(shí)時(shí)可伴有小小震?；顒臃绞娇煽煞譃檎郴秃腿浠徒陙?，一一些研究者者注意到了了粘滑型斷斷層在大震震前后一段段時(shí)間內(nèi)在在震源區(qū)及及其外圍的的蠕滑現(xiàn)象象。1976年唐山地震震前后的一一些宏觀現(xiàn)現(xiàn)象，如井井壁坍塌變變形、沿八八寶山斷層層地下水位位的變化、、河北省中中部的井噴噴現(xiàn)象等，，都可能與與深部斷層層的蠕動有有關(guān)。據(jù)唐山地震震區(qū)地形變變資料反演演求得的震震中區(qū)8km×6km的地帶內(nèi)，，于1969——1975年發(fā)生了走走滑錯(cuò)距為為104cm的無震蠕滑滑，走向和和傾向滑動動的平均速速率分別達(dá)達(dá)18.6cm/a和1.4cm／a。我國大陸內(nèi)內(nèi)部還有一一種特殊的的反映斷裂裂蠕動的構(gòu)構(gòu)造形式，，就是由于于地殼塊體體或斷裂帶帶蠕動，導(dǎo)導(dǎo)致在地面面產(chǎn)生一系系列微型破破裂構(gòu)造，，一般稱為為地裂縫(groundfissure)或“地裂””現(xiàn)象。典型代表有有西安地裂裂縫和1974——1976年在冀、魯魯、豫、皖皖等省先后后出現(xiàn)的大大面積地裂裂現(xiàn)象。上述的地裂裂現(xiàn)象不受受地貌、土土質(zhì)和水文文條件影響響而廣泛分分布在大范范圍內(nèi)，與與區(qū)域構(gòu)造造方向和區(qū)區(qū)域應(yīng)力場場方向協(xié)調(diào)調(diào)，表現(xiàn)出出有統(tǒng)一的的受力方向向，反映出出它們可能能是一種大大范圍構(gòu)造造活動或深深部斷裂的的蠕動而引引起的地表表蠕裂現(xiàn)象象。西安地裂縫縫就被認(rèn)為為是由于渭渭河斷陷南南側(cè)的長安安臨潼斷裂裂的張性蠕蠕動，為厚厚達(dá)一千余余米的第四四紀(jì)土層提提供了潛在在臨空面，，在自重應(yīng)應(yīng)力場作用用下產(chǎn)生了了側(cè)向擴(kuò)展展(gravitationallateralspreading)而形成的。?；顒訑鄬拥牡漠a(chǎn)狀要素素、長度等等均是重要要的幾何要要素，這些些可以通過過勘探等手手段得到確確定。而活活動斷裂重重新活動往往往并非全全斷裂都活活動，而是是部分段的的活動，指指現(xiàn)活動段段長度及兩兩旁相應(yīng)的的錯(cuò)斷距離離。通常用強(qiáng)震震導(dǎo)致的地地面破裂(地震斷層或或地表錯(cuò)斷斷)的長度(L)和伴隨地震震產(chǎn)生的一一次突然錯(cuò)錯(cuò)斷的最大大位移值(D)表示。通過對地表表錯(cuò)斷的研研究，可以以了解地震震破裂的方方式和過程程，判定地地震斷層動動力學(xué)特征征，又可了了解地震時(shí)時(shí)的地面效效應(yīng)，判定定地震危險(xiǎn)險(xiǎn)性和震害害程度，為為在活斷層層區(qū)修建建建筑物的抗抗震設(shè)計(jì)提提供參數(shù)。。對于歷史活活斷層長度度和斷距，，可以從被被錯(cuò)動的形形跡得到，，而對于潛潛在活斷層層，要根據(jù)據(jù)有關(guān)方面面進(jìn)行預(yù)測測。通常是根據(jù)活斷斷層可能產(chǎn)生最最大地震震級M，利用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)方式及查表確確定L和D。活斷層參數(shù)的定定量研究如下關(guān)系圖也可可以作為確定L、D時(shí)使用（1）我國關(guān)系式（（四川省地震局局1986）：M=1.19lgL+5.25L=0.56M-2.25（2）日本松田時(shí)彥彥得出的關(guān)系式式為：M=（1/0.6）lgL+4.85lgD=0.55M-3.71（3）博泥拉得出的的關(guān)系式：Ms(L)=6.04+0.708lgL斷層長度1~數(shù)百公里不等，，一般小于5.5級地震很少產(chǎn)生生地表錯(cuò)動。地表所見斷層長長度是地下的1/2~1/5.活斷層地震活動動是否在地表顯顯現(xiàn)形跡，與地地表覆蓋層厚度度、震源深度及及震級有關(guān)，一一般覆蓋層厚度度大于30-50m、震源深度大于于10-30km、地震震級小于于6級條件下，很少少出現(xiàn)地表斷裂裂現(xiàn)象。有的情況下，可可以采用數(shù)字分分析（如有限元元）方法確定斷斷層長度及斷距距。1、錯(cuò)動速率錯(cuò)動速率是指斷層年錯(cuò)動動位移量，一般般是用若干年總總的錯(cuò)動量計(jì)算算得到，因而也也稱平均錯(cuò)動速速率。分為水平平和垂直分量。。斷層錯(cuò)動速率率從兩個(gè)方面獲獲得：活斷層活動速率率及相應(yīng)周期是是表明活斷層的的活動強(qiáng)度的重重要指標(biāo)，是地地震強(qiáng)度的重要要資料。（1）精密地形變測測量是研究現(xiàn)今活動動斷裂的有效方方法。我國許多多著名活斷層均均設(shè)有精密水準(zhǔn)準(zhǔn)、三角測量、、激光測距等量量測工作。有了量測數(shù)據(jù)，，便可以計(jì)算錯(cuò)錯(cuò)動速率。如賀賀蘭山東麓活斷斷裂紅果子溝處處，84年~86年測得斷層右旋旋錯(cuò)動，水平8.48mm、垂直0.75mm。故錯(cuò)動速率：：四、錯(cuò)動速率和和活動周期（2）根據(jù)第四紀(jì)地地層、地質(zhì)的年年代及錯(cuò)動量來來獲得研究夷平面、階階地、水系、斷斷崖、土層等，，通過測量錯(cuò)動動量及相對年齡齡，可以計(jì)算出出平均錯(cuò)動速率率。等級AAABCD錯(cuò)動速率(㎜/a)>101－100.1－10.01－0.1<0.01活動性極強(qiáng)強(qiáng)弱微非活動2、錯(cuò)動周期地震斷層兩次突突然錯(cuò)動之間的的時(shí)間間隔為活活斷層錯(cuò)動周期期。斷層運(yùn)動是地質(zhì)質(zhì)體能量積累釋釋放的結(jié)果，顯顯然能量積累要要經(jīng)歷一個(gè)時(shí)期期，積累的過程程斷層處于平靜靜期（休眠期）），釋放的過程程為活動期。斷斷層表現(xiàn)為活動動——平衡——再活動的周期恢恢復(fù)。斷層應(yīng)變變速率、鎖固段段深度等不同，，表現(xiàn)了不同的的錯(cuò)動周期。對對于粘滑型斷層層，一次錯(cuò)動對對應(yīng)的是一次地地震活動?？砂匆砸韵路椒椒ù_確定錯(cuò)錯(cuò)動周周期：：①按地殼殼應(yīng)變變速率率（這這是近近似當(dāng)當(dāng)成斷斷層平平均錯(cuò)錯(cuò)動速速率））S及一次次地震震錯(cuò)動動量d計(jì)算R。按上式式計(jì)算算，對對于S＝1～10mm/a的A級活斷斷層，，當(dāng)發(fā)發(fā)生M＝7～8的地震震時(shí)，，R≈1000年。②根據(jù)2次地震震條件件、時(shí)時(shí)間間間隔確確定③根據(jù)地地震震震級及及錯(cuò)動動速率率，由由經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)式計(jì)計(jì)算許多人人研究究了震震級M、錯(cuò)動動速率率S與錯(cuò)動動周期期的關(guān)關(guān)系；；建立立了許許多統(tǒng)統(tǒng)計(jì)關(guān)關(guān)系。。如日日本的的松田田時(shí)彥彥對日日本斷斷層錯(cuò)錯(cuò)動與與地震震震級級關(guān)系系時(shí)，，得到到lgd=0.6M-4.0,錯(cuò)動周周期是是R=d(錯(cuò)移量量)/s(錯(cuò)動速速率)，即有有④根據(jù)第第四紀(jì)紀(jì)地層層、地地質(zhì)錯(cuò)錯(cuò)動證證據(jù)，，結(jié)合合年齡齡測定定確定定周期期。據(jù)研究究，活活斷層層活動動周期期一般般在1—2千年左左右，，少數(shù)數(shù)上萬萬年或或幾百百年。。三次運(yùn)運(yùn)動：：①第一一次（（4200a）上盤盤塊體體下滑滑，產(chǎn)生張張裂縫縫，堆堆積W1.②第二次次（2700a）上盤盤繼續(xù)續(xù)下滑滑，產(chǎn)生拉拉張裂裂縫，，將W1拉開，，途中中堆積W2.②第三次次（820a）繼續(xù)續(xù)下滑滑，出出現(xiàn)F2斷裂，，將W2錯(cuò)斷（（垂直直距離離0.6m）.周期：：一次次→二二次4200-2700=1500年二次→→三次次2700-820=1880年速度：：二次→→三次次0.6÷1880≈≈0.75mm/a北天山山西部部喀什什河斷斷裂活斷層層的年年齡判判據(jù)活斷層層的年年齡判判據(jù)方方法有有間接接法（（錯(cuò)斷斷地層層年齡齡法））和直直接法法（斷斷層物物質(zhì)絕絕對年年齡法法）兩兩種：：間接法法：適適用于于錯(cuò)斷斷斷層層帶及及其所所在地地質(zhì)體體上覆覆蓋有有第四四紀(jì)沉沉積物物的條條件。。直接法：從斷層帶帶內(nèi)采取樣品，并并用專門一起測定定樣品中某些礦物物、巖石、化石的的物理、化學(xué)和顯顯微結(jié)構(gòu)的變化等等，用以確定絕對對年齡。14C法：宇宙射線中子子沖擊高空氮生成成14C,新生的14C被氧化成為CO2,參加自然界碳循環(huán)環(huán)，擴(kuò)散到整個(gè)生生物界以及大氣發(fā)發(fā)生交換的一切含含碳物質(zhì)中。這些些14C含量一方面衰減，，一方面從大氣中中得到補(bǔ)償，保持持平衡，但是一旦旦動植物死亡掩埋埋，則只會衰減而而不得到補(bǔ)償。即即可通過半衰期測測年。適用范圍是是距今300年-50000年。熱釋光法：某些固固體物質(zhì)因長時(shí)間間受到射線的輻射射，在輻射電離作作用下，固體物質(zhì)質(zhì)產(chǎn)生電子-空穴對，一些電子子被晶體的缺陷所所俘獲。如果將晶晶體加熱，被俘獲獲的電子則從陷阱阱中逃逸出來與空空穴復(fù)合，同時(shí)以以光子的形式釋放放出他們所儲存的的能量，這就是熱熱釋光。當(dāng)積累熱熱釋光以后，遇到到光-熱事件，就會使積積存的熱釋放，然然后重新積累熱釋釋光。一、地質(zhì)、地貌、、水文地質(zhì)標(biāo)志二、歷史地震及歷歷史期地震錯(cuò)段標(biāo)標(biāo)志三、微地震測量及及地形變檢測標(biāo)志志四、地球物理標(biāo)志志斷層的活動性與否否要通過一些標(biāo)志志加以鑒別。鑒別別有直接測定活動動物質(zhì)年齡的方法法，也可以從有關(guān)關(guān)的地質(zhì)、地球物物理等現(xiàn)象間接判判斷。間接鑒別標(biāo)志有如如下幾個(gè)方面：活斷層的鑒別標(biāo)志志地質(zhì)方面最新沉積物被錯(cuò)斷斷，斷層破碎帶，，砂土液化，地面面破裂等最新沉積物被錯(cuò)斷斷只要是見到第四系系中、晚期的沉積積物被錯(cuò)斷，均視視斷層為活斷層。。如位于汾渭地塹塹中段的平遙活斷斷層，錯(cuò)斷晚更新新世中晚期的黃土土，以及早中期更更新世地層，斷距距40—50m。如圖：如上圖，可看出幾幾期運(yùn)動：①C堆積以前，斷層已已活動，位移量大大；②C堆積以后，D堆積以前，斷層至至少一次運(yùn)動（（CD的錯(cuò)距不同）；③D堆積后，E堆積以前至少一次次活動。斷層破碎帶構(gòu)造形形跡活動斷層因其形成成時(shí)間較晚，一般般表現(xiàn)為構(gòu)造帶物物質(zhì)欠固結(jié)欠膠結(jié)結(jié)狀態(tài)，較為松散散。另外，表現(xiàn)出出脈體變形被切斷斷，構(gòu)造巖片理化化，透鏡化，斷面面新鮮無風(fēng)化，第第四系物質(zhì)牽引彎彎折等。斷層礦物物的顯微變形出現(xiàn)現(xiàn)顯微組構(gòu)（如不不等顆粒拉長，長長軸微定向等），，如圖1、不同地貌單元突突然相接，或兩邊邊沉積物厚度顯著著差別地貌方面例如，隆起山區(qū)與與斷陷盆地突然相相接。一次錯(cuò)動量量大的活斷層，沿沿線分布斷層三角角面、斷層崖、陡陡坎、埡口、“V型谷”等。2、地貌單元的分解解和異常例如，河流階地、、山脊、水系、夷夷平面、坡洪積扇扇等地貌單元，由由于活斷層作用，，使其產(chǎn)生錯(cuò)斷、、分解。例如，活斷層作用用使正常發(fā)育的地地貌系統(tǒng)出現(xiàn)異常常形態(tài)或特殊地貌貌景觀。如斷層帶帶一側(cè)，河流的同同步肘狀拐彎、寬寬窄變異，活斷裂裂帶上線狀排列的的洪積群、泥石流流、滑坡、串珠狀狀洼地等。水文地質(zhì)方面由于斷層帶構(gòu)造物物質(zhì)松散，容易形形成強(qiáng)導(dǎo)水帶，因因而活斷層帶一線線分布泉水、溫泉泉，出現(xiàn)植被發(fā)育育現(xiàn)象。也由于活活斷層為深大斷裂裂，深循環(huán)水將導(dǎo)導(dǎo)致水的化學(xué)異常常。歷史地震記載資料料我國有長達(dá)3000多年的歷史地震記記載資料，尤其是是較近的歷史記載載，可以幫助判別別活斷層的存在，，可能時(shí)據(jù)以判斷斷活斷層的錯(cuò)距，，斷裂長度等。對古代建筑物破壞壞、錯(cuò)斷、掩埋等等情況調(diào)查，可以以幫助判斷活斷層層當(dāng)時(shí)的錯(cuò)距等情情況。微震及地形變測量量采用精密水準(zhǔn)測量量和三角測量在可可能活動斷層兩側(cè)側(cè)進(jìn)行地形變測量量，可以有效地獲獲得斷層活動性的的有關(guān)證據(jù)。斷層的現(xiàn)代活動，，必然導(dǎo)致斷層帶帶內(nèi)產(chǎn)生物理、化化學(xué)變化，其中如如斷層氣、放射性性異常；重力、磁磁力、地溫等物理理異常。通過測量量分析，可以間接接作為活斷層的佐佐證。自70年代以來，我國地地震部門在一些重重要地區(qū)設(shè)置了密密集的地震臺網(wǎng)，，監(jiān)測微震震中位位置用以判別活斷斷層，尤其在一些些大型水、著名的的活斷層地區(qū)布置置監(jiān)測臺站，取得得了一系列監(jiān)測資資料。它是研究現(xiàn)現(xiàn)代地震活斷層的的最直接有效的方方法，但其費(fèi)時(shí)、、代價(jià)高，不能作作為研究活斷層的的主要工具。地球化學(xué)及地球物物理標(biāo)志活斷層的工程地質(zhì)質(zhì)調(diào)查目的在于準(zhǔn)準(zhǔn)確確定建筑區(qū)附附近活斷層帶位置置，確定建筑區(qū)內(nèi)內(nèi)有無活斷層，活活斷層帶的寬度，，錯(cuò)動最大幅值及及變形帶寬度，以以及間斷活動的時(shí)時(shí)間間隔，如果伴伴有地震，則應(yīng)進(jìn)進(jìn)行地震研究?；顢鄬拥恼{(diào)查研究究方法航測照片可可以看到地表表研究所不能看到到的跡象，近年來來快鳥(QUICKBIRD)衛(wèi)片精度達(dá)0.68m,在研究屬于線性構(gòu)構(gòu)造的斷層中是很很有用的。有些主主干走向