第二章-活断层工程地质研究PPT课件.ppt

第二章 活断层工程地质研究1.学习指南F关键词：活断层（active fault）活断层参数 F学习目的：认识活断层的基本参数及其基本特征F掌握：1、活断层的含义 2、活断层的参数定量研究内容有哪些 3、如果判别断层（难点）2.提 要概述活断层基本特征活断层鉴别标志活断层调查研究方法活断层区建筑原则3.第一节 概述活断层一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久将来可能重新活动过的断层。后者也称为潜在活断层。4.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看法不一，不同部门、不同国家都存在差别。5.岩土工程勘察规范 全新活动断裂：全新世（1000010000）年内有过活动或近期正在活动，在将来（100100年）可能继续活动的断裂。发震断裂：近期（500500年）发生过5 5级以上地震，或在未来100100年内预测可能发生5 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10-1510-15万年（晚更新世）的断层。6.美国原子能委员会（USNRCUSNRC）的定义是：（1 1）在3.53.5万年内有过一次或多次活动的断层 （2 2）与其他活动断层有联系的断层 （3 3）沿该断裂发生过蠕动或微震活动7.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，在形成以后受到晚期构造背景条件控制，仍保持着活动的特征。早在十八世纪，人们从地震活动与断层活动的关系渐渐意识到断层的活动性特征，经过几个世纪的研究，对活断层的特征有了比较深入的认识。8.活断层受控于板块构造9.全球构造（板块构造全球构造（板块构造plate tectonics theoryplate tectonics theory）理）理论的基本点是，全球划分为六个刚性的岩石圈板论的基本点是，全球划分为六个刚性的岩石圈板块在软流层之上漂移，不断地运动。块在软流层之上漂移，不断地运动。10.板块边界的作用力是中国板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变大陆新生代和现今构造变形的主要动力源。形的主要动力源。变形呈弥散型变形呈弥散型(千公里以千公里以上上)，集中在不同次级块体，集中在不同次级块体的边界上，具相对低的运的边界上，具相对低的运动速率动速率(小于小于10mm/a)10mm/a)10mm/a)10mm/a)。次级块体内部变形微弱或次级块体内部变形微弱或整体运动整体运动 边界带（边界带（plate boundary plate boundary plate boundary plate boundary orogenic beltorogenic beltorogenic beltorogenic belt）常常是地）常常是地质、地球化学和地球物理质、地球化学和地球物理的结构面，绝大多数大陆的结构面，绝大多数大陆地震发生在活动带上。地震发生在活动带上。11.12.在研究某一个地域的大陆构造变形时需要从活动论的在研究某一个地域的大陆构造变形时需要从活动论的观点，从全球构造框架或区域构造框架出发观点，从全球构造框架或区域构造框架出发13.来自板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源来自板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源14.印度洋板块青藏高原15.16.17.中国大陆地壳断裂分布图18.中国大陆与地震分布19.20.21.GPS观测获得的相对于稳定欧亚参考框架下的中国大陆现今地壳运动速度场，蓝色箭头是各GPS观测站的速度矢量,误差椭圆为95%置信度22.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究活断层与工程建筑的关系，评价其对建筑物的破坏作用。活断层错动变形对建筑物的直接破坏;活断层对区域地质环境的影响，如地震、区域地壳稳定、水库地震等。23.活断层决定多数破坏性地震的发震位置，活断层的规模、大小、运动性质和活动时代属性决定了地震震级大小，同时对强震的地面运动具有复杂的影响24.茂县茂县北川北川松潘 绵阳绵阳德阳德阳江油江油都江堰都江堰 平武平武 共由个共由个共由个 7.17.17.17.17.17.17.6 7.6 7.6 7.6 7.6 7.6 级地震组级地震组级地震组成，是成，是成，是100100100100100100秒钟内沿龙门山中秒钟内沿龙门山中秒钟内沿龙门山中部断裂发生的多点连续破裂行部断裂发生的多点连续破裂行部断裂发生的多点连续破裂行为。为。为。第一次破裂的震中位于第一次破裂的震中位于第一次破裂的震中位于NENENENENENE向龙向龙向龙门山断裂带的中部断裂与门山断裂带的中部断裂与门山断裂带的中部断裂与NNENNENNENNENNENNE向岷江断裂、近向岷江断裂、近向岷江断裂、近EWEWEWEWEWEW向的金汤弧向的金汤弧向的金汤弧形构造交汇处。形构造交汇处。形构造交汇处。首震震中首震震中青川青川 理县理县 绵竹绵竹 彭州彭州 汶川汶川7.4 7.4 7.4 7.4 7.4 7.4 7.6 7.6 7.1 7.1 7.1 7.1 7.1 7.1 7.2 7.2 龙门山前山断裂龙门山前山断裂龙门山中部断裂龙门山中部断裂龙门山后山断裂龙门山后山断裂,岷江断裂带岷江断裂带,金汤弧形构造带金汤弧形构造带 说明说明映秀映秀成都成都 市市断裂分段？25.Cypress Freeway Structure,Oakland Loma Prieta Earthquake,198926.27.San Andreas Faultcrossing the Carrizo Plain,North of Santa Barbara28.San Andreas Fault offsetting streamsOn the Carrizo Plain29.San Francisco City Hall,190630.振动液化（Liquefaction Liquefaction）31.El Centro,CA,1979Loma Prieta,CA,198932.海啸（Tsunami）33.34.35.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影响，有时可以安全有效地降低工程设计标准，节省投资。如黄河小浪底工程坝址区半径30公里内有8条大断裂 其中王良断裂在坝下游6.5公里 断层发生在Q1Q2期间 断层泥热释光法测年龄：15.4-18.3万年，37.4-53.2万年 Q2的中后期，Q3以来再未活动过 抗震设计：9 9级88级 水平加速度：0.30.3伽0.2150.215伽，节约至少2 2亿元剖面图TQ1Q236.小浪底及邻区第四纪活动断层分布图37.38.39.40.本节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、错动速率与周期。第二节 活断层的基本特征41.一、活断层的类型 按照位移方向与水平面的关系：（1 1）正断型活断层 差异升降活动为它的断陷盆地边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合。（2 2）逆断型活断层 多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出现多分支断层。（3 3）走滑型活断层 常分布于大陆内部的地块之间的接触部位，水平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。42.二、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动方式可分为粘滑型和蠕滑型 stick fault and creep fault（stable fault）43.（1 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 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。二、活断层的活动方式44.45.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。19761976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8km6km8km6km的地带内，于1969197519691975年发生了走滑错距为104cm104cm的无震蠕滑、走向和倾向滑动的平均速率分别达18.6cm/a 18.6cm/a 和1.4cm1.4cma a。46.我国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列微型破裂构造，一般称为地裂缝(ground fissure)或“地裂”现象。典型代表有西安地裂缝和19741976年在冀、鲁、豫、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分布在大范围内，与区域构造方向和区域应力场方向协调，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。47.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(gravitational lateral spreading)而形成的。48.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 M，利用统计经验方式及查表确定L L和D D。三、断层活动段的长度和断距49.如下关系图也可以作为确定L L、D D时使用50.（1 1）我国关系式（四川省地震局19861986）：M=1.19lgL+5.25 M=1.19lgL+5.25 L=0.56M-2.25 L=0.56M-2.25（2 2）日本松田时彦得出的关系式为：M=M=（1/0.61/0.6）lgL+4.85lgL+4.85 lgD=0.55M-3.71 lgD=0.55M-3.71（3 3）博泥拉得出的关系式：Ms(L)=6.04+0.708lgLMs(L)=6.04+0.708lgL51.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。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。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，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。52.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，是确定地震强度以及预测地震危害性的重要资料。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。断层错动速率从三个方面获得：（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。四、错动速率和活动周期53.（2 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AAAAA AB BC CD D错动速率(/a)101100.110.010.1R1010R11R0.1R8.0强烈7.0-7.9中等6.0-6.9弱6.054.55.世界范围的活断层研究表明，活断层的错动速率很小，一般为每年不足1mm1mm到几毫米，最强的也仅有每年几十毫米。板块边缘断层最强，一般为几cmcma a，如美国加州圣安德烈斯断层带最大速率为5cm/a5cm/a。56.我国的活断层一般均为板块内部断层，活动速率要小得多,且错动速率大小具有明显的区域性。自上新世晚期以来的位移总量:西部为数kmkm至20km20km，在东部则为数十米至数千米。东部的错动速率华北为每年不足1mm1mm到数mm(mm(鄂尔多斯周边)，华南、东北则一般小于0.1mm0.1mm。西部则达每年数mmmm至lOmmlOmm以上57.58.2 2、错动周期 断层两次错动之间的时间间隔定义为活断层错动周期R。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。59.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。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60.按上式计算，对于S110mm/a的A级活断层，当发生M78的地震时，R1000年。许多人研究了震级M M、错动速率S 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,lgd=0.6M-4.0,错动周期是R=d(R=d(错移量)/s()/s(错动速率)，即有61.古地震震动效应主要是近代沉积层中保存的喷砂活动迹象。这种现象在我国最早发现子宁夏中宁，根据探槽揭露的喷砂活动判定了京、津、唐地区距今4000a和1000a的两次大地震事件。一次事件发生在绝对年龄为399990a的q层之前，一次则发生于年龄为169090a的q层之后，绝对年龄为103060a的r层沉积之前。由此可判定古地震重现间隔约为3000a62.63.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F1 断裂，将W2错断（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64.65.断层的活动性与否要通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：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、地球物理标志第三节 活断层的鉴别标志66.地质方面 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。最新沉积物被错断67.如上图，可看出几期运动：C C堆积以前，断层已活动，位移量大；C C堆积以后，D D堆积以前，断层至少一次运动 （CDCD的错距不同）；D D堆积后，至少一次活动，CDCD错距不同；E E堆积以后，断层再次活动。68.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，光轴微定向等）69.伴有地震现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝 如，日本丹那断层带，地震产生很多地裂缝，呈雁形排列70.不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别 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，沿线分布断层三角面、断层崖、陡坎、垭口、“V型谷”等 地貌单元的分解和异常 例如，河流阶地、山脊、水系、娄平面、坡洪积扇等地貌单元由于活断层作用，使其产生错断、分解 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，断层下降盘一侧线状排列的洪积群、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。地貌方面 71.72.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。地物错断 我国有长达30003000多年的历史地震记载资料，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。73.微震及地形变测量 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7070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，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。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。地球化学及地球物理标志74.75.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。76.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)(QUICK BIRD)卫片精度达0.68m,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。区域研究用1:300001:30000一1:600001:60000，详细研究用1:100001:10000一1:200D01:200D0的图件。77.西大滩遥感影像图78.丽江市断裂遥感79.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2-4m2-4m。80.揭露后必须小心地以铲清除侧壁浮土，用刷和刮刀清理壁面以便详细观察和描绘细节。因为既使是大的活断层，最近期表层沉积中的错动带宽也仅有1010一20cm20cm或更少，不仔细研究细节往往作出错误结论。在研究中须注意的以下几点；(1)(1)断层泥的表观“新鲜程度”不能用于作为断层近期活动的证据，因为在地表风化带以下断层往往成糊状未风化的外貌，由新鲜土及未风化的破碎岩石组成，既使数百年无错动也是这样。(2)(2)擦痕面方向不能作为判定相对运动的证据，因为近地表处，不管断层位移方向怎样，断层泥都有向阻力最小的上方挤出的趋势。81.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。82.83.载波相位差分技术(Real(Real Time KinematicTime Kinematic）RTKRTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。载波相位差分原理为，由基准站通过数据链,实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPSGPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时提供观测点的三维坐标(毫米级)。84.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。85.龙门山大断裂；利店断裂；蓬莱断裂；金阳断裂；小江深断裂；侧木河断裂；安宁河断裂；哀牢山断裂；鲜水河大断裂；金河-程海深断裂；小金河断裂；甘孜-理塘断裂；金沙江断裂；86.最大主应力最小主应力87.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 活断层区的建筑原则88.大亚湾核电站 选在一完整的燕山期花岗岩岩体中，位于南岭纬向构造带与新华夏构造体系第二隆起代的交汇部位。历史上在核电站周围曾有强震和多震 大鹏半岛上有三条不到1010公里的断层 这三条断层均未切割第四系沉积物 该区无切穿地壳的深大断裂，而且场区内从未有过地震记载89.90.91.