活断层的工程地质研究

活断层的工程地质研究
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一、基本概念
活断层，是指现今在持续活动的断层，或在人类历史时期或近期地质时期曾经活动过，极有可能在不远的将来重新活动的断层。

后一种也可称为潜在活断层。

断层在目前持续活动的标志，当然是判定活断层的无可争议的证据。

如何判定潜在活断层则有各种不同的标准。

《岩土工程勘察规范》：在全新地质时期（一万年）内有过地震活动或近期正在活动，在将来（今后100年）可能继续活动的断裂，称为活断层。

全新活动断裂中，近期（近500年来）发生过地震震级大于或等于5级的断裂，或在今后100年内，可能发生大于或者等于5级的断裂，为发震断裂。

活断层有不同的分类。

按运动速率分为A、B、C、D不同级别；按运动性质分为粘滑断层和蠕滑断层；按发震与否分为发震断层的和非发震断层的；按几何形态（两盘相对运动方向）分为走滑断层（又分左旋断层和右旋断层）、倾滑断层（正断层和逆断层）和混合型断层等。

二、活断层特性
活断层的特性需要从活断层类型、规模、错动速率和活动周期等方面进行研究。

（一）活断层工程地质分类
为适应我国振兴经济, 建立对工程适用性较强的活断层工程地质分类, 已经成为当代中国和国际社会大规模工程建设急待解决的新问题。

鉴于活断层对工程的影响主要表现为灾害性质, 工程地质的目标是要提出灾害减缓的对策, 首先建立一个满足工程需要的灾害性工程地质分类原则, 弥补当代活断层研究中为地震学服务的局限性, 摆脱现存活断层研究中那种以时限为基础的状况, 使活断层研究与工程灾害直接结合起来。

大量实践证明, 活断层的工程灾害主要通过直接发震、蠕动、积累较高的地应力及增强断裂带地下水循环交替而导致断层带岩石软化, 进而导致滑坡和崩塌作用等的发生。

据此, 提出活断层工程地质分类如
表2。

第一类, 灾害型活断层, 第二类, 危害型活断层, 第三类, 灾害减缓型活断层, 第四
类, 安全型活断层。

（二）活断层规模（断层活动段的长度L和错距D）
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，这里断层长度是指现活动段长度及两旁相应的错断距离。

在关于活断层的建筑设计及有关稳定性的分析论证时，需要了解断层活动段长度L 和错距D 。

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。

一般认为，活断层地表产生的断裂长度与震源体处断裂长度相一致。

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 。

这种关系式很多，如我国地震工作者对我国及邻近地区地表地震断裂资料得到如下式：
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。

断层长度一到数百公里不等，错距一般几米。

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1/2~1/5.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，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。

断层锁固力强的部位往往是活动部位。

（三）错动速率和活动周期
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、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。

如贺兰山东麓活断裂红果子沟处，84年~86年测得断层右旋错动，水平8.48mm 、垂直0.75mm 。

故错动速率：
（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。

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。

可按以下方法确定错动周期：
○
1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 。

②根据2次地震条件、时间间隔确定
M
L 57.148.0lg -=a mm S /8.2348.8水平==a mm S /25.03
75.0垂直=
=
③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
按上式计算，对于S ＝1～10mm/a 的A 级活断层，当发生M ＝7～8的地震时，R ≈1000年。

④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1—2千年左右，少数上万年或几百年。

三次运动：
①第一次（4200a ）上盘块体下滑，
产生张裂缝，堆积W1
②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
②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 0.6÷1880≈0.75mm/a 北天山西部喀什河断裂
三、活断层的危害
（一）活断层的地面错断直接危害跨越该断层的建筑物
例：宁夏石嘴山市红果子沟河北蓟县
（二）伴有地震发生的活断层，强烈的地面振动对较大范围内的建
筑物损害
例：美国1906年旧金山地震中，圣·安德烈斯断裂的错动→圣·安德
烈斯坝（27米）
（三）唐山地震地裂缝
我国唐山大地震时有一条长8km ，走向N30°E 的地表断层，
正好由市区通过，最大水平错距3m ，垂直断距0.7－1m 。

该断层
穿过的道路、房屋、围墙等一切建筑物全被错开
四、活断层的鉴别标志
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。

（一）地质标志
最新沉积物被错断，断层破碎带，砂土液化，地面破裂等。

1、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40—50m 。

如图：沉积物错断
2、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。

)0.4(lg 6.0lg +-=S M
R 唐山大地震地表断层错动
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），如图
（二）地貌标志
1、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
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，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。

（三）历史地震标志
我国有长达3000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。

（四）其他标志
1、水文地质标志
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。

2、微震及地形变测量标志
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，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。

3、地球化学及地球物理标志
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。

五、活断层的工程地质评价
在工程建设中, 工程设计人员、地质工程师和决策部门对活断层的危害抱有极大的关心, 甚至感到忧虑, 这并不是毫无理由的。

因为在人类历史上活断层通过发震或其它方式, 给工程带来的损害是屡见不鲜的。

所以, 在工程建设中, 对活断层给予高度重视, 特别是一些大型工程的选址可行性论证, 对活断层进行深入研究是非常必要的。

（一）研究方法
我们也应看到,并非凡有活断层分布的地区, 都将不加分析地一律放弃修建工程的可能性。

从表2所列的工程地质分类可以看出, 活断层既不全是安全的, 也不全都是那么危险的。

由于活断层特点和种类的不同以及工程类型的差异, 所做出的工程地质灾害性评价则有原则性的差别。

不过目前阶段尚未建立起有关活断层工程地质评价的原则和内容的具体标准。

通常采用的方法包括：现有资料查阅；航卫片解读；区域地质调查；现场勘探；年龄测量；监测等。

活断层研究首先应从较大的地域范围内进行研究，初步确定活断层展布，和位置、长度等，这些可以采用区域地质资料，大范围地质调查，以及航卫片解译的方法进行。

调查分析中，要注重区域大的地质构造背景，水系，地形地貌，第四纪沉积物等研究。

对建筑场地内或附近的活断层，要进行更加深入的研究，开展必要的钻探、坑探、物探工作。

采用探槽方式揭露断层带，对揭露断层的地层及活动构造变形形迹进行细致考查研究，通常应配合岩土取样进行构造分析及有关地层的年龄测定。

良好的露头，可以显示大量有用的信息，得到断层错动次数、错动量、错动周期等有用参数。

年龄测定可以根据情况分别采取断层构造岩、断层带充填物、断层两侧不同时代的地层物质的样品，采用C14、热释光、电子自旋共振等方法进行年龄测定。

（二）活断层区的建筑原则
1、建筑物场址一般应避开活动断裂带
2、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
3、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。

4、在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式
（三）活断层工程地质问题的评价
1、活断层的地震灾害工程地质评价
以基本指标划分工程地质类型时, 切忌单凭某一项或少数几项指标就做出评价结论。

只有采取全面的综合评定, 才能避免做出错误结论。

此外, 还要将同一活动带内及同一构造部位上的发震重复和减缓规律、地震震级与频度规律以及断裂发震的深部物理场特
点等一并考虑在内进行灾害评定。

2、活断层的蠕动灾害效应工程地质评价
蠕动灾害效应, 一方面是地裂缝水平扭动和拉张, 直接破坏建筑物地基, 另方面由断层蠕动引起断裂带位移。

这类灾害效应的工程地质评价, 应按其发育阶段划分为萌发期、生长期和消亡期来予以评价, 并且结合活动速度、幅度和位移量积累等情况提出可行性论证。

对不同工程种类采取相应的避开措施或是提高基础结构的抗拉和抗剪设防标准, 以便消除蠕动灾害效应的不良影响。

3、活断层的应力积累与应力集中效应的工程地质评价
4、断层活动引起岩石软化效应评价
由于断裂活动, 特别是剪应力占主导的应力状态下的断裂带, 常常会引起深部地下水循环交替加强, 地表水渗入作用加剧, 活动断裂带中破碎岩石被软化和抗剪强度被降低, 断裂活动性增强, 从而对工程地质条件产生一系列不利影响。

5、活断层引起的滑坡、崩塌动力效应评价
活断层研究证实, 它所产生的动力效应相当普遍, 在一些高山地区由活断层所引起的滑坡、崩塌作用常呈带状沿断裂分布。

当然, 滑坡、崩塌发生有自已的机制, 但区域性活断裂的动力作用也是不容忽视的, 尤其在高山地区活断层的动力效应可能成为工程建设的突发性灾害效应的根源。

6、活断层的应力转递与灾害减缓作用评价、
地壳活动总是表现为区域性的, 其应力状态又处于不断转递过程。

如果一个区域性块体周边受到活断裂切割和围限, 地壳中的应力不断地由内部向周缘集中转递, 而块体内部由于缺少断裂切割, 很难积累高量级的应变, 从而成为“安全岛”区。

故在多数情况下, 通过周缘断裂缓慢活动, 内部应力不断向外转递, 块体内部不再积累更高应变能, 稳定性增强, 起到对灾害减缓作用。

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