活斷層與地震工程地質(zhì)研究講義PPT(80頁(yè))

1、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(dòng)力地質(zhì)作用,如地震、火山活動(dòng)、斷層錯(cuò)動(dòng)以及顯著的地殼升降運(yùn)動(dòng)等對(duì)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(dòng)所造成的具有區(qū)域性地殼表層位移和破壞的程度?；顢鄬拥卣鹌屏褞粕酱蟮卣鹛粕酱蟮卣鹩?樹(shù) 地 震汶 川 地 震印尼的活火山印尼的活火山印尼的活火山核 爆 試 驗(yàn)三峽水庫(kù)誘發(fā)地震第二節(jié) 活 斷 層概念及工程意義活斷層基本特征活斷層鑒別標(biāo)志活斷層調(diào)查研究方法活斷層區(qū)建筑原則斷裂與斷層的區(qū)別斷裂 ：fracture, rupture， 又稱破裂，物體

2、受力變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到破裂強(qiáng)度時(shí)，物體就會(huì) 發(fā)生斷開(kāi)，使物體的連續(xù)性和完整性遭到破壞，稱為斷裂或破裂。巖石中的斷裂包括裂隙、節(jié)理和斷層等。不論斷裂兩側(cè)巖層或巖體是否沿?cái)嗔衙姘l(fā)生過(guò)相對(duì)位移。斷層：fault，巖石在力的作用下發(fā)生破裂，并在被破裂的兩個(gè)巖體之間發(fā)生相對(duì)位移的不連續(xù)面，位移方向平行于不連續(xù)面。概念及工程意義活斷層一般是指現(xiàn)今正在活動(dòng)的斷層，或近期曾活動(dòng)過(guò)、不久將來(lái)可能重新活動(dòng)的斷層。后者也稱為潛在活斷層。巖土工程勘察規(guī)范 全新活動(dòng)斷裂：全新世（10000）年內(nèi)有過(guò)活動(dòng)或近期正在活動(dòng)，在將來(lái)（100年）可能繼續(xù)活動(dòng)的斷裂。 發(fā)震斷裂：近期（500年）發(fā)生過(guò)5級(jí)以上地震，或在未來(lái)100年內(nèi)

3、預(yù)測(cè)可能發(fā)生5級(jí)以上地震的斷裂。水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 活斷層：最后一次錯(cuò)動(dòng)距今10-15萬(wàn)年（晚更新世）的斷層。 美國(guó)原子能委員會(huì)（USNRC）的定義是： （1）在3.5萬(wàn)年內(nèi)有過(guò)一次或多次活動(dòng)的斷層 （2）與其他活動(dòng)斷層有聯(lián)系的斷層 （3）沿該斷裂發(fā)生過(guò)蠕動(dòng)或微震活動(dòng)活斷層的工程意義沿活動(dòng)斷裂帶分布的房屋被摧毀沿活動(dòng)斷裂帶道路出現(xiàn)波狀節(jié)律性破壞北川縣城Main shock fault12BEICHUAN COUNTYShale & sandstoneLimestoneHalf of old town was buried by landslideWest town Landslide16

4、00 fatalityTHE FIVE-FLOOR HOUSE WERE CRUSHED OVERLAYEDDamaged School building shows “typical axis pressure test”水平錯(cuò)動(dòng)0.5m2nd storey is gone away Horizontal Moving is 0.5m From sky從天而降拋擲振動(dòng)液化（ Liquefaction ）.El Centro, CA,1979Loma Prieta, CA,1989海嘯（ Tsunami）主要介紹活斷層的類型與活動(dòng)方式、繼承性與反復(fù)性、長(zhǎng)度與斷距、錯(cuò)動(dòng)速率與周期?；顢鄬拥幕咎?/p>

5、征一、活斷層的類型 按照位移方向與水平面的關(guān)系： （1）正斷型活斷層 差異升降活動(dòng)為它的斷陷盆地邊緣。下降盤(pán)分支斷層多見(jiàn)，形成地塹式的正斷層組合。 （2）逆斷型活斷層 多分布于板塊碰撞擠壓帶。上盤(pán)變形帶大，出現(xiàn)多分支斷層。 （3）走滑型活斷層 常分布于大陸內(nèi)部的地塊之間的接觸部位，水平錯(cuò)動(dòng)量大，斷層帶寬度不大，很少分支斷裂。二、活斷層的基本特征繼承性與反復(fù)性 1、繼承了老的斷裂構(gòu)造尤其是中生代和第三紀(jì)以來(lái)的斷裂構(gòu)造格架 2、西部地區(qū)以走滑和逆沖走滑斷層為主，且強(qiáng)度明顯大于東部 3、東部以正斷層和走滑正斷層為主。是深大斷裂復(fù)活運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物 1、深大斷裂在挽近期及現(xiàn)代地殼構(gòu)造應(yīng)力條件下重新活動(dòng)而產(chǎn)生

6、 2、深大斷裂：切穿巖石圈、地殼或基底的斷裂，延伸數(shù)十?dāng)?shù)千km，切割深度數(shù)公里百余公里.活斷層受控于板塊構(gòu)造全球構(gòu)造（板塊構(gòu)造plate tectonics theory）理論的基本點(diǎn)是，全球劃分為六個(gè)剛性的巖石圈板塊在軟流層之上漂移，不斷地運(yùn)動(dòng)。研究表明，印度板塊與歐亞于始新世末，即大約3800萬(wàn)年前相互碰撞，此后印度板塊仍以每年約5cm的速度向NNE方向推進(jìn)，強(qiáng)力地推擠著歐亞板塊, 板塊接觸帶的兩個(gè)端點(diǎn)位于察隅和伊斯蘭堡附近。在碰撞擠壓過(guò)程中歐亞板塊內(nèi)產(chǎn)生了塑性或粘性流動(dòng)變形。印度洋板塊青藏高原（1）粘滑型活斷層間歇性突然滑動(dòng)，常伴有地震活動(dòng)，也稱為地震斷層。發(fā)生在強(qiáng)度較高的巖石中，斷層帶

7、鎖固能力強(qiáng)，危害大。發(fā)震斷裂特征：深斷裂，裂谷，板塊接觸帶。（2）蠕滑型活斷層沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)巖層連續(xù)緩慢地滑動(dòng)發(fā)生在強(qiáng)度較低的軟巖中，斷層帶鎖固能力弱一般無(wú)震發(fā)生，有時(shí)可伴有小震?；顒?dòng)方式可分為粘滑型和蠕滑型近年來(lái)，一些研究者注意到了粘滑型斷層在大震前后一段時(shí)間內(nèi)在震源區(qū)及其外圍的蠕滑現(xiàn)象。1976年唐山地震前后的一些宏觀現(xiàn)象，如井壁坍塌變形、沿八寶山斷層地下水位的變化、河北省中部的井噴現(xiàn)象等，都可能與深部斷層的蠕動(dòng)有關(guān)。據(jù)唐山地震區(qū)地形變資料反演求得的震中區(qū)8km6km的地帶內(nèi)，于19691975年發(fā)生了走滑錯(cuò)距為104cm的無(wú)震蠕滑，走向和傾向滑動(dòng)的平均速率分別達(dá)18.6cm/a 和1.4c

8、ma。 我國(guó)大陸內(nèi)部還有一種特殊的反映斷裂蠕動(dòng)的構(gòu)造形式，就是由于地殼塊體或斷裂帶蠕動(dòng)，導(dǎo)致在地面產(chǎn)生一系列微型破裂構(gòu)造，一般稱為地裂縫(ground fissure)或“地裂”現(xiàn)象。典型代表有西安地裂縫和19741976年在冀、魯、豫、皖等省先后出現(xiàn)的大面積地裂現(xiàn)象。上述的地裂現(xiàn)象不受地貌、土質(zhì)和水文條件影響而廣泛分布在大范圍內(nèi)，與區(qū)域構(gòu)造方向和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向協(xié)調(diào)，表現(xiàn)出有統(tǒng)一的受力方向，反映出它們可能是一種大范圍構(gòu)造活動(dòng)或深部斷裂的蠕動(dòng)而引起的地表蠕裂現(xiàn)象。西安地裂縫就被認(rèn)為是由于渭河斷陷南側(cè)的長(zhǎng)安臨潼斷裂的張性蠕動(dòng)，為厚達(dá)一千余米的第四紀(jì)土層提供了潛在臨空面，在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生了側(cè)向

9、擴(kuò)展(gravitational lateral spreading)而形成的?；顒?dòng)斷層的產(chǎn)狀要素、長(zhǎng)度等均是重要的幾何要素，這些可以通過(guò)勘探等手段得到確定。而活動(dòng)斷裂重新活動(dòng)往往并非全斷裂都活動(dòng)，而是部分段的活動(dòng)，指現(xiàn)活動(dòng)段長(zhǎng)度及兩旁相應(yīng)的錯(cuò)斷距離。通常用強(qiáng)震導(dǎo)致的地面破裂(地震斷層或地表錯(cuò)斷)的長(zhǎng)度(L)和伴隨地震產(chǎn)生的一次突然錯(cuò)斷的最大位移值(D)表示。通過(guò)對(duì)地表錯(cuò)斷的研究，可以了解地震破裂的方式和過(guò)程，判定地震斷層動(dòng)力學(xué)特征，又可了解地震時(shí)的地面效應(yīng)，判定地震危險(xiǎn)性和震害程度，為在活斷層區(qū)修建建筑物的抗震設(shè)計(jì)提供參數(shù)。對(duì)于歷史活斷層長(zhǎng)度和斷距，可以從被錯(cuò)動(dòng)的形跡得到，而對(duì)于潛在活斷層，

10、要根據(jù)有關(guān)方面進(jìn)行預(yù)測(cè)。通常是根據(jù)活斷層可能產(chǎn)生最大地震震級(jí)M，利用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方式及查表確定L和D。 活斷層參數(shù)的定量研究如下關(guān)系圖也可以作為確定L、D時(shí)使用（1）我國(guó)關(guān)系式（四川省地震局1986）： M=1.19lgL+5.25 L=0.56M-2.25（2）日本松田時(shí)彥得出的關(guān)系式為： M=（1/0.6）lgL+4.85 lgD=0.55M-3.71（3）博泥拉得出的關(guān)系式： Ms(L)=6.04+0.708lgL 斷層長(zhǎng)度1 數(shù)百公里不等，一般小于5.5級(jí)地震很少產(chǎn)生地表錯(cuò)動(dòng)。地表所見(jiàn)斷層長(zhǎng)度是地下的1/21/5. 活斷層地震活動(dòng)是否在地表顯現(xiàn)形跡，與地表覆蓋層厚度、震源深度及震級(jí)有關(guān)，一

11、般覆蓋層厚度大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震級(jí)小于6級(jí)條件下，很少出現(xiàn)地表斷裂現(xiàn)象。 有的情況下，可以采用數(shù)字分析（如有限元）方法確定斷層長(zhǎng)度及斷距。 1、錯(cuò)動(dòng)速率 錯(cuò)動(dòng)速率是指斷層年錯(cuò)動(dòng)位移量，一般是用若干年總的錯(cuò)動(dòng)量計(jì)算得到，因而也稱平均錯(cuò)動(dòng)速率。分為水平和垂直分量。斷層錯(cuò)動(dòng)速率從兩個(gè)方面獲得： 活斷層活動(dòng)速率及相應(yīng)周期是表明活斷層的活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是地震強(qiáng)度的重要資料。（1）精密地形變測(cè)量 是研究現(xiàn)今活動(dòng)斷裂的有效方法。我國(guó)許多著名活斷層均設(shè)有精密水準(zhǔn)、三角測(cè)量、激光測(cè)距等量測(cè)工作。 有了量測(cè)數(shù)據(jù)，便可以計(jì)算錯(cuò)動(dòng)速率。如賀蘭山東麓活斷裂紅果子溝處，84年86年測(cè)得

12、斷層右旋錯(cuò)動(dòng)，水平8.48mm、垂直0.75mm。故錯(cuò)動(dòng)速率：四、錯(cuò)動(dòng)速率和活動(dòng)周期（2）根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)的年代及錯(cuò)動(dòng)量來(lái)獲得 研究夷平面、階地、水系、斷崖、土層等，通過(guò)測(cè)量錯(cuò)動(dòng)量及相對(duì)年齡，可以計(jì)算出平均錯(cuò)動(dòng)速率。等級(jí)AAABCD錯(cuò)動(dòng)速率(/a)101100.110.010.10.01活動(dòng)性極強(qiáng)強(qiáng)弱微非活動(dòng)2、錯(cuò)動(dòng)周期 地震斷層兩次突然錯(cuò)動(dòng)之間的時(shí)間間隔為活斷層錯(cuò)動(dòng)周期。 斷層運(yùn)動(dòng)是地質(zhì)體能量積累釋放的結(jié)果，顯然能量積累要經(jīng)歷一個(gè)時(shí)期，積累的過(guò)程斷層處于平靜期（休眠期），釋放的過(guò)程為活動(dòng)期。斷層表現(xiàn)為活動(dòng)平衡再活動(dòng)的周期恢復(fù)。斷層應(yīng)變速率、鎖固段深度等不同，表現(xiàn)了不同的錯(cuò)動(dòng)周期。對(duì)于粘滑

13、型斷層，一次錯(cuò)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是一次地震活動(dòng)?？砂匆韵路椒ù_定錯(cuò)動(dòng)周期： 按地殼應(yīng)變速率（這是近似當(dāng)成斷層平均錯(cuò)動(dòng)速率）S及一次地震錯(cuò)動(dòng)量d計(jì)算R。 按上式計(jì)算，對(duì)于S110mm/a的A級(jí)活斷層，當(dāng)發(fā)生M78的地震時(shí)，R1000年。 根據(jù)2次地震條件、時(shí)間間隔確定 根據(jù)地震震級(jí)及錯(cuò)動(dòng)速率，由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)式計(jì)算 許多人研究了震級(jí)M、錯(cuò)動(dòng)速率S與錯(cuò)動(dòng)周期的關(guān)系；建立了許多統(tǒng)計(jì)關(guān)系。如日本的松田時(shí)彥對(duì)日本斷層錯(cuò)動(dòng)與地震震級(jí)關(guān)系時(shí)，得到lgd=0.6M-4.0,錯(cuò)動(dòng)周期是R=d(錯(cuò)移量)/s(錯(cuò)動(dòng)速率)，即有 根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)錯(cuò)動(dòng)證據(jù)，結(jié)合年齡測(cè)定確定周期。據(jù)研究，活斷層活動(dòng)周期一般在12千年左右，少數(shù)上萬(wàn)年

14、或幾百年。三次運(yùn)動(dòng)： 第一次（4200a）上盤(pán)塊體下滑， 產(chǎn)生張裂縫，堆積W1. 第二次（2700a）上盤(pán)繼續(xù)下滑， 產(chǎn)生拉張裂縫，將W1拉開(kāi)，途中 堆積W2. 第三次（820a）繼續(xù)下滑，出現(xiàn)F2 斷裂，將W2錯(cuò)斷（垂直距離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北天山西部喀什河斷裂活斷層的年齡判據(jù)活斷層的年齡判據(jù)方法有間接法（錯(cuò)斷地層年齡法）和直接法（斷層物質(zhì)絕對(duì)年齡法）兩種：間接法：適用于錯(cuò)斷斷層帶及其所在地質(zhì)體上覆蓋有第四紀(jì)沉積物的條件。直接法：從斷層帶內(nèi)采取樣品，并用專門(mén)一起測(cè)定

15、樣品中某些礦物、巖石、化石的物理、化學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)的變化等，用以確定絕對(duì)年齡。14C法：宇宙射線中子沖擊高空氮生成14C,新生的14C被氧化成為CO2,參加自然界碳循環(huán)，擴(kuò)散到整個(gè)生物界以及大氣發(fā)生交換的一切含碳物質(zhì)中。這些14C含量一方面衰減，一方面從大氣中得到補(bǔ)償，保持平衡，但是一旦動(dòng)植物死亡掩埋，則只會(huì)衰減而不得到補(bǔ)償。即可通過(guò)半衰期測(cè)年。適用范圍是距今300年-50000年。熱釋光法：某些固體物質(zhì)因長(zhǎng)時(shí)間受到射線的輻射，在輻射電離作用下，固體物質(zhì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，一些電子被晶體的缺陷所俘獲。如果將晶體加熱，被俘獲的電子則從陷阱中逃逸出來(lái)與空穴復(fù)合，同時(shí)以光子的形式釋放出他們所儲(chǔ)存的能量，

16、這就是熱釋光。當(dāng)積累熱釋光以后，遇到光-熱事件，就會(huì)使積存的熱釋放，然后重新積累熱釋光。一、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)標(biāo)志二、歷史地震及歷史期地震錯(cuò)段標(biāo)志三、微地震測(cè)量及地形變檢測(cè)標(biāo)志四、地球物理標(biāo)志 斷層的活動(dòng)性與否要通過(guò)一些標(biāo)志加以鑒別。鑒別有直接測(cè)定活動(dòng)物質(zhì)年齡的方法，也可以從有關(guān)的地質(zhì)、地球物理等現(xiàn)象間接判斷。 間接鑒別標(biāo)志有如下幾個(gè)方面：活斷層的鑒別標(biāo)志地質(zhì)方面最新沉積物被錯(cuò)斷，斷層破碎帶，砂土液化，地面破裂等最新沉積物被錯(cuò)斷 只要是見(jiàn)到第四系中、晚期的沉積物被錯(cuò)斷，均視斷層為活斷層。如位于汾渭地塹中段的平遙活斷層，錯(cuò)斷晚更新世中晚期的黃土，以及早中期更新世地層，斷距4050m。如圖：如上

17、圖，可看出幾期運(yùn)動(dòng)： C堆積以前，斷層已活動(dòng)，位移量大； C堆積以后，D堆積以前，斷層至少一次運(yùn)動(dòng) （CD的錯(cuò)距不同）； D堆積后，E堆積以前至少一次活動(dòng)。斷層破碎帶構(gòu)造形跡 活動(dòng)斷層因其形成時(shí)間較晚，一般表現(xiàn)為構(gòu)造帶物質(zhì)欠固結(jié)欠膠結(jié)狀態(tài)，較為松散。另外，表現(xiàn)出脈體變形被切斷，構(gòu)造巖片理化，透鏡化，斷面新鮮無(wú)風(fēng)化，第四系物質(zhì)牽引彎折等。斷層礦物的顯微變形出現(xiàn)顯微組構(gòu)（如不等顆粒拉長(zhǎng)，長(zhǎng)軸微定向等），如圖1、不同地貌單元突然相接，或兩邊沉積物厚度顯著差別地貌方面 例如，隆起山區(qū)與斷陷盆地突然相接。一次錯(cuò)動(dòng)量大的活斷層，沿線分布斷層三角面、斷層崖、陡坎、埡口、“V型谷”等。2、地貌單元的分解和異常

18、 例如，河流階地、山脊、水系、夷平面、坡洪積扇等地貌單元，由于活斷層作用，使其產(chǎn)生錯(cuò)斷、分解。 例如，活斷層作用使正常發(fā)育的地貌系統(tǒng)出現(xiàn)異常形態(tài)或特殊地貌景觀。如斷層帶一側(cè)，河流的同步肘狀拐彎、寬窄變異，活斷裂帶上線狀排列的洪積群、泥石流、滑坡、串珠狀洼地等。水文地質(zhì)方面 由于斷層帶構(gòu)造物質(zhì)松散，容易形成強(qiáng)導(dǎo)水帶，因而活斷層帶一線分布泉水、溫泉，出現(xiàn)植被發(fā)育現(xiàn)象。也由于活斷層為深大斷裂，深循環(huán)水將導(dǎo)致水的化學(xué)異常。歷史地震記載資料 我國(guó)有長(zhǎng)達(dá)3000多年的歷史地震記載資料，尤其是較近的歷史記載，可以幫助判別活斷層的存在，可能時(shí)據(jù)以判斷活斷層的錯(cuò)距，斷裂長(zhǎng)度等。 對(duì)古代建筑物破壞、錯(cuò)斷、掩埋等情

19、況調(diào)查，可以幫助判斷活斷層當(dāng)時(shí)的錯(cuò)距等情況。微震及地形變測(cè)量 采用精密水準(zhǔn)測(cè)量和三角測(cè)量在可能活動(dòng)斷層兩側(cè)進(jìn)行地形變測(cè)量，可以有效地獲得斷層活動(dòng)性的有關(guān)證據(jù)。 斷層的現(xiàn)代活動(dòng)，必然導(dǎo)致斷層帶內(nèi)產(chǎn)生物理、化學(xué)變化，其中如斷層氣、放射性異常；重力、磁力、地溫等物理異常。通過(guò)測(cè)量分析，可以間接作為活斷層的佐證。 自70年代以來(lái)，我國(guó)地震部門(mén)在一些重要地區(qū)設(shè)置了密集的地震臺(tái)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)微震震中位置用以判別活斷層，尤其在一些大型水、著名的活斷層地區(qū)布置監(jiān)測(cè)臺(tái)站，取得了一系列監(jiān)測(cè)資料。它是研究現(xiàn)代地震活斷層的最直接有效的方法，但其費(fèi)時(shí)、代價(jià)高，不能作為研究活斷層的主要工具。地球化學(xué)及地球物理標(biāo)志活斷層的工程地質(zhì)調(diào)查目的在于準(zhǔn)確確定建筑區(qū)附近活斷層帶位置，確定建筑區(qū)內(nèi)有無(wú)活斷層，活斷層帶的寬度，錯(cuò)動(dòng)最大幅值及變形帶寬度，以及間斷活動(dòng)的時(shí)間間隔，如果伴有地震，則應(yīng)進(jìn)行地震研究。活斷層的調(diào)查研究方法航測(cè)照片 可以看到地表研究所不能看到的跡象，近年來(lái)快鳥(niǎo)(QUICK BIRD)衛(wèi)片精度達(dá)0.68m,在研究屬于線性構(gòu)造的斷層中是很有用的。有些主干走向錯(cuò)動(dòng)活斷層在圖上極易看出 另一些極端情況，例如逆斷層，既使是有豐富經(jīng)驗(yàn)的解譯者也只能定為可疑斷層，所以一定要兩個(gè)有經(jīng)驗(yàn)