第七章-1 活断层的工程地质研究

美国原子能委员会从历史性和现实性观点出发，将 美国原子能委员会从历史性和现实性观点出发， 活断层分为: 活断层分为: 狭义的，称为“活动断层” 其概念是， 1. 狭义的，称为“活动断层”，其概念是，全新世 (1× a)以来活动的断层 并且未来仍有可能活动， 以来活动的断层， (1×104a)以来活动的断层，并且未来仍有可能活动，其 活动可以找到地质的、历史考古的、地震活动的、 活动可以找到地质的、历史考古的、地震活动的、地球 物理的以及大地测量的诸种证据， 物理的以及大地测量的诸种证据，它对现代工程实践和 地震预报等有着最直接和密切的关系。 地震预报等有着最直接和密切的关系。 广义的，称为“能动断层” 其含义是： 2. 广义的，称为“能动断层”，其含义是：①在过去 3.5× 内至少有过一次活动证据． 3.5×104a 内至少有过一次活动证据．或在过去 50× 内有反复活动的证据； 与之有联系的断层； 50×104a内有反复活动的证据；②与之有联系的断层； 沿该断裂带仪器记录到微震活动。 ③沿该断裂带仪器记录到微震活动。美国的这个概念后 来被不少国家参考使用。 来被不少国家参考使用。 我国规定潜在活断层的时间上限， 我国规定潜在活断层的时间上限，铁路线为 1×104a．高坝和核电站为 5×104a。
我国主要活断层错动速率分布如图4 16所示 我国主要活断层错动速率分布如图4—16所示： 所示：

我国已有的这类关系式 有： M=1.19lgL+5.25 L=0.56ML=0.56M-2.25 日本松田时彦得出的关系式为： 日本松田时彦得出的关系式为： M=（1/0.6） M=（1/0.6）lgL+4.85 lgD=0.55M =0.55MlgD=0.55M-3.71 博尼拉通过统计、回归分析，获得如下关系式： 博尼拉通过统计、回归分析，获得如下关系式： Ms(L)=6.04+0.708lgL
研究意义： 二、研究意义：
对活断层进行工程地质研究的重要意义有以下两 个方面： 个方面： 1、是断层的地面错动及其附近的伴生的地面 变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近 变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近 的建筑物。 的建筑物。 2、其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又 其次是活断层多伴有地震 活断层多伴有地震， 会使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到 损害。 损害。
世界范围的活断层研究表明， 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1毫米到几毫米， 速率很小，一般为每年不足1毫米到几毫米，最强 的也仅有每年几十毫米。板块边缘断层最强， 的也仅有每年几十毫米。板块边缘断层最强，一 般为几cm cm／ 般为几cm／a，如美国加州圣安德烈斯断层带最大 速率为5cm/a 5cm/a。 速率为5cm/a。我国的活断层一般均为板块内部断 活动速率要小得多。研究表明， 层，活动速率要小得多。研究表明，我国活断层 错动速率大小具有明显的区域性。大致以东经105 错动速率大小具有明显的区域性。大致以东经105 度为界，东部与西部不同， 度为界，东部与西部不同，东部华北与华南又不 同。
我国大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动的构 造形式：因地壳块体或断裂带蠕动， 造形式：因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 地裂缝(ground 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。 fissure)或“地裂”现象。典型代表有西安地裂缝。 当然地面裂缝有多种成因，外生的地裂分布是比较广 当然地面裂缝有多种成因， 泛的。但上述的地裂现象不受地貌、 泛的。但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， 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， 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。西安地裂缝就被认为是由于渭 引起的地表蠕裂现象。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， 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， 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 作用下产生了侧向扩展(gravitational lateral spreading)而形成的 而形成的。 spreading)而形成的。
风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公 路的裂缝延伸特征（镜向西） 路的裂缝延伸特征（镜向西）
风火山隧道北部断裂切割表层第四系的裂 缝延伸特征（镜向西） 缝延伸特征（镜向西） 裂缝最大宽度5 10mm，延伸长度200m 裂缝最大宽度5－10mm，延伸长度200m
第二节 活断层的特性
活断层的特性包括活断层的类型 活动方式， 活断层的特性包括活断层的类型和活动方式， 活断层的类型和 活断层的规模，活断层的错动速率及其分级， 及其分级 活断层的规模，活断层的错动速率及其分级，活 断层的重复活动周期 重复活动周期， 断层的重复活动周期，以及作为活断层活动记录 古地震事件等 的古地震事件等。 一、活断层的类型和活动方式 构造应力状态及两盘相对位移的性质， 按构造应力状态及两盘相对位移的性质，可 将活断层划分为地质上熟悉的三种类型， 将活断层划分为地质上熟悉的三种类型，即：走 向滑动或平移断层，逆断层和正断层。 向滑动或平移断层，逆断层和正断层。其中以走 向滑动型最为常见。 向滑动型最为常见。三类活断层由于几何特征和 运动特性不同， 运动特性不同，所以它们对工程场地的影响也各 异。
三、活断层的错动速率和重复错动周期
活断层的错动速率是反映活断层活动强弱、 活断层的错动速率是反映活断层活动强弱、断层 错动速率是反映活断层活动强弱 所在地区应变速率大小的重要数据，一般是通过重复精 所在地区应变速率大小的重要数据，一般是通过重复精 密地形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得 密地形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得 错动速率以一定时间段内的平均错动速率表示。 的，错动速率以一定时间段内的平均错动速率表示。重 复精密地形测量可以精确地测定活断层不同地段的现今 错动速率， 错动速率，而第四纪沉积物年代及其错位量的研究则只 能确定活断层在最新地质时期内的平均错动速率。 能确定活断层在最新地质时期内的平均错动速率。 地震断层两次突然错动之间的时间间隔． 地震断层两次突然错动之间的时间间隔．即是活断 层的错动周期 断层的错动速率愈大， 错动周期。 层的错动周期。断层的错动速率愈大，两次突然错断之 间的时间间隔，亦即其重复错动周期，也就愈短。 间的时间间隔，亦即其重复错动周期，也就愈短。
按断裂的主次关系又可将活断层分为主断层 断裂的主次关系又可将活断层分为 又可将活断层分为主断层 fault)，分支断层(branch fault)和 (main fault)，分支断层(branch fault)和次级 断层(secondary fault)。 断层(secondary fault)。次级断层从平面上看来 与主断层无关， 与主断层无关，实际上在剖面上它仍属主断层的 分支，对于逆断层来说主要产生在上盘， 分支，对于逆断层来说主要产生在上盘，而对于 正断层来说则主要产生在下盘， 正断层来说则主要产生在下盘，而走向滑动断层 则很少有次级断层伴生。 则很少有次级断层伴生。
二、活断层的长度和断距 活断层的长度和断距 活断层的长度和断距是表征活断层规模的重 长度和断距是表征活断层规模的重 要数据，通常用强震导致的地面破裂(地震断层或 要数据，通常用强震导致的地面破裂 地面破裂( 地表错断)的长度(L) (L)和 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。 (D)表示 错断的最大位移值(D)表示。通过对地表错断的研 可以了解地震破裂的方式和过程， 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， 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 判定地震危险性和震害程度， 建筑物的抗震设计提供参数。 建筑物的抗震设计提供参数。所以近年来世界各 地都对地表错断进行了广泛的研究。 地都对地表错断进行了广泛的研究。
第一节 基本概念及研究意义 一、基本概念
活断层(active fault)一般理解为 活断层(active fault)一般理解为目前还在持续 一般理解为目前还在持续 活动的断层， 活动的断层，或在历史时期或近期地质时期活动 极可能在不远的将来重新活动的断层。 过、极可能在不远的将来重新活动的断层。后一 种情况也可称为潜在活断层(potentially 种情况也可称为潜在活断层(potentially fault)。 active fault)。
活断层活动的两种基本方式是粘滑与 活断层活动的两种基本方式是粘滑与蠕滑。
粘滑错动是间断性突然性发生的 粘滑错动是间断性突然性发生的。在一定时间段内 错动是间断性突然性发生的。 断层的两盘就如同粘在一起(锁固起来) 断层的两盘就如同粘在一起(锁固起来)，不产生或仅有 极其微弱的相互错动，一旦应力达到锁固段的强度极限， 极其微弱的相互错动，一旦应力达到锁固段的强度极限， 较大幅度的相互错动就在瞬时之内突然发生， 较大幅度的相互错动就在瞬时之内突然发生，锁固期间 积蓄起来的弹性应变能也就突然释放出来而发生较强地 这种瞬间发生的强烈错动间断的，周期性的发生， 震。这种瞬间发生的强烈错动间断的，周期性的发生， 沿这种断层就有周期性的地震活动。 沿这种断层就有周期性的地震活动。 的错动是持续地平稳地发生的。 蠕（稳)滑的错动是持续地平稳地发生的。由于断层 两盘岩体强度低， 两盘岩体强度低，或由于断层带内有软弱充填物或有高 孔隙水压力， 孔隙水压力，在受力过程中就会持续不断的相互错动而 不能锁固以积蓄应变能， 不能锁固以积蓄应变能，这种方式活动的断层仅伴有小 震或无地震活动。有些断层则兼有粘滑与蠕滑。 震或无地震活动。有些断层则兼有粘滑与蠕滑。
活断层错动直接损害建筑物的例子迄今为止为数 不多。在我国则有1976年唐山地震时的长达8km 1976年唐山地震时的长达8km的地 不多。在我国则有1976年唐山地震时的长达8km的地 表错断。它呈北30 东方向由市区通过， 30° 表错断。它呈北30°东方向由市区通过，最大水平错 3m，垂直断距0.7 lm，错开了道路、围墙、房屋、 0.7一 距3m，垂直断距0.7一lm，错开了道路、围墙、房屋、 水泥地面等一切地面建筑物。 水泥地面等一切地面建筑物。 宁夏石咀山红果子沟一带的活断层， 宁夏石咀山红果子沟一带的活断层，也将明代 400a前 长城边墙水平错开1.45m(右旋) 1.45m(右旋 (约400a前)长城边墙水平错开1.45m(右旋)，且西升 东降垂直断距约0.9m 0.9m。 东降垂直断距约0.9m。 日本神户附近的六甲地区活断层对建筑物的影响 也是一个较好例子。 也是一个较好例子。津田调查了六甲山南侧平原和阶 地上建筑物出现裂缝的情况， 地上建筑物出现裂缝的情况，并以统计法编制了受损 害建筑物等密线图。 害建筑物等密线图。图上的高密度延伸线恰好与六甲 山麓发育的几条活断层的延长线一致， 山麓发育的几条活断层的延长线一致，表明建筑物的 损坏与断层活动有关。 损坏与断层活动有关。