第5章活断层的工程地质研究课件.ppt

1、p掌握活断层的基本概念及研究意义；掌握活断层的基本概念及研究意义；p掌握活断层的类型及特征、错动速率和活动周期，掌握活断层的类型及特征、错动速率和活动周期，活断层活动的时空不均一性，震源机制及震源机制活断层活动的时空不均一性，震源机制及震源机制断层面解；断层面解；p了解活断层区内规划设计建筑物的基本原则；了解活断层区内规划设计建筑物的基本原则；p掌握活断层的判别标志，活断层的调查、监测与研掌握活断层的判别标志，活断层的调查、监测与研究方法。究方法。本章学习内容及要求本章学习内容及要求4.1 4.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义p活断层活断层(active fault)p一般理解为目前还

2、在持续活动的断层，或在历史时期或近期地质时期活动过、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 active fault)。p断层在断层在目前持续活动目前持续活动，是判定活断层的无可争议的证据。，是判定活断层的无可争议的证据。人类历史时期有过活动记录的是潜在活断层。人类历史时期有过活动记录的是潜在活断层。p对对“近期地质历史时期近期地质历史时期”却有不同的理解与限定却有不同的理解与限定。p将之限于全新世将之限于全新世(即最近即最近10000a10000a以内以内)；p将之限于最近将之限于最近35000a35000a(以以1414C C确定绝对年龄的可

3、靠上限确定绝对年龄的可靠上限)之内；之内；p将之限于晚更新世将之限于晚更新世(最近最近100,000 a 100,000 a 或或500,000a)500,000a)之内，或者根据近期之内，或者根据近期地质历史时期地质历史时期(例如第四纪期间例如第四纪期间)有重复活动来判定。有重复活动来判定。行业规范活断层定义岩土工程勘察规范在地质历史时期形成的断裂,在全新世以来有过活动,在未来工程试用期间(50-100年)可能在此活动的断裂.水电工程规范本规范把晚更新世以来活动过的断层定为活断层(13万年以来)核电站勘测技术规程以Q3以来活动断层作为能动断层(活断层)的重要的评定标准 铁路勘察规范在地质历史

4、时期形成的断裂,在全新世以来有过活动,在未来工程试用期间(50-100年)可能在此活动的断裂.公路工程地质勘察规范在地质历史时期形成的断裂,在全新世以来有过活动,在未来工程试用期间(50-100年)可能在此活动的断裂.p从工程上的时间尺度一般理解为重要建筑物如大坝、原从工程上的时间尺度一般理解为重要建筑物如大坝、原子能电站等的使用年限之内，约为子能电站等的使用年限之内，约为100a100a一一200a200a。p蠕滑蠕滑:持续不断缓慢蠕动的称为持续不断缓慢蠕动的称为蠕滑蠕滑(creep slip)(creep slip)或稳滑或稳滑 (stable slip);(stable slip);p粘

5、滑粘滑:间断地、周期性突然错断的为间断地、周期性突然错断的为粘滑粘滑(stick slip)(stick slip)，粘滑常伴有地震，是活断层的主要活动方式。一条长大粘滑常伴有地震，是活断层的主要活动方式。一条长大活断层的不同区段可以有不同的活动方式。活断层的活活断层的不同区段可以有不同的活动方式。活断层的活动强度主要以其动强度主要以其错动速率错动速率来判定（详见来判定（详见4.44.4节）。节）。San Andreas Fault（美（美国圣安德列斯断层）国圣安德列斯断层）汇聚型大陆边缘与地震分布汇聚型大陆边缘与地震分布p（1）断层的地面错动及其附近伴生的地面变形，往往）断层的地面错动及其附

6、近伴生的地面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近的建筑物。会直接损害跨断层修建或建于其邻近的建筑物。唐山地震：长达唐山地震：长达8km的、呈的、呈N30E方向方向通过市区地表错断。最大水平错距通过市区地表错断。最大水平错距3m，垂直断距垂直断距0.7一一l m，错开了道路、围墙、，错开了道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物。房屋、水泥地面等一切地面建筑物。1976年唐山地震使铁路扭年唐山地震使铁路扭曲曲走向滑动活断层引起的心墙拉开 台湾集集地震被错断的石冈坝 2008.5.12 汶川大地震将压力钢管错断2010.9.4新西兰地震使路边右旋错动靠近旧金山第六街的布鲁克桑靠近旧金山第六

7、街的布鲁克桑姆街路面出现了深深的地裂缝姆街路面出现了深深的地裂缝并有明显的垂直位错并有明显的垂直位错断层突然错动使公路毁坏断层突然错动使公路毁坏（2）活断层多伴有地震，而强烈地震又会使建活断层多伴有地震，而强烈地震又会使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害（高烈度）。（高烈度）。台湾集集地震使彰化县员林镇邦富贵名门大楼座落台湾集集地震使彰化县员林镇邦富贵名门大楼座落在中山路惠明街口一栋在中山路惠明街口一栋L L型大楼上倾倒。型大楼上倾倒。(3)地震诱发大量次生灾害p(1)滑坡、崩塌：汶川地震p（2）沙土液化p（3)海啸p在地震一章详细介绍p本章重点

8、：本章重点：p（1 1）我国活断层带分布及划分；）我国活断层带分布及划分；p（2 2）震源机制概念，断层活动的震源机制断层面解；）震源机制概念，断层活动的震源机制断层面解；p（3 3）活断层的活动特性及判别标志。）活断层的活动特性及判别标志。p本章难点：本章难点：p活断层的判别标志，分三方面判别标志：即地质地貌活断层的判别标志，分三方面判别标志：即地质地貌判别标志；文献记录判别标志和大地测量判别标志。判别标志；文献记录判别标志和大地测量判别标志。本章重点及难点本章重点及难点本章思考题p(1)活断层的活动特性及判别标志活断层的活动特性及判别标志p(2)(2)断层活动的时空差异断层活动的时空差异p

9、(3)(3)我国主要活断层的展布特征我国主要活断层的展布特征p掌握活断层的基本概念及研究意义；掌握活断层的基本概念及研究意义；p掌握活断层的类型及特征、错动速率和活动周期，掌握活断层的类型及特征、错动速率和活动周期，活断层活动的时空不均一性，震源机制及震源机制活断层活动的时空不均一性，震源机制及震源机制断层面解；断层面解；p了解活断层区内规划设计建筑物的基本原则；了解活断层区内规划设计建筑物的基本原则；p掌握活断层的判别标志，活断层的调查、监测与研掌握活断层的判别标志，活断层的调查、监测与研究方法。究方法。本章学习内容及要求本章学习内容及要求4.2 4.2 活断层的类型和活动方式活断层的类型和

10、活动方式 4.2.14.2.1活断层的类型活断层的类型按按构造应力状态构造应力状态及及两盘相对位移两盘相对位移的性质，活断层分的性质，活断层分为：为：（1 1）走滑断层；）走滑断层；（2 2）逆断层；）逆断层；（3 3）正断层。）正断层。其中中国大陆以走向滑动型最为常见。其中中国大陆以走向滑动型最为常见。213A:走滑断层（走滑断层（strike slip fault）走滑断层是位移方向与断层走向相同或相近的大型平移断层，是走向滑动断层的简称，走滑断层：走滑断层：最大、最小主应力近最大、最小主应力近于水平，中间主应力于水平，中间主应力垂直，最大剪应力垂直，最大剪应力面面断层面近于直立断层面近于

11、直立走滑断层的应力应变场 断陷盆地隆起 地表出露线平直，地表出露线平直，断层倾角较陡。断层倾角较陡。断层面两侧相断层面两侧相对的水平运动，对的水平运动，相对的垂直升降相对的垂直升降很小。很小。河流最易于沿这河流最易于沿这种断层发育，水种断层发育，水工建筑物也就最工建筑物也就最易于受到这种活易于受到这种活断层的威胁。断层的威胁。(图图44)。p 世界上有名的走向滑动世界上有名的走向滑动型活断层有：型活断层有：p （1 1）美国加州的圣安德）美国加州的圣安德列斯断层列斯断层系（右图）；系（右图）；p 圣安德烈斯断层圣安德烈斯断层p（2）土耳其安纳托利亚断层系）土耳其安纳托利亚断层系 安纳托利亚断层

12、系安纳托利亚断层系1.走滑断层；2.正断层；3.碰撞带；4.俯冲带；5.运动方向54321323640N40322416 Ekm2000爱琴海雅典海中地安娜托利亚板块班加西非 洲 板 块开罗耶路撒冷阿拉伯板块安卡拉欧 亚 板 块索菲亚贝尔格莱德海黑p（3）新西）新西兰的阿尔卑兰的阿尔卑斯断层系等斯断层系等(右图右图)。p我国的活断层也以走滑型居多：例如阿尔金山断裂，鲜水河我国的活断层也以走滑型居多：例如阿尔金山断裂，鲜水河断裂，红河断裂长达数百到数千公里。断裂，红河断裂长达数百到数千公里。图520中国大陆活动地块的划分方案与强震分布(邓起东 张培震 等2002)锯齿状线条是板块边界带；深色粗线

13、条是活动地块区（级活动地块）边界带；浅色粗线条是活动地块（或级活动地块）边界带；黑色粗线条是晚更新世以来活动断裂。1.喜马拉雅主逆冲带；2喀喇昆仑嘉黎断裂带；3.玛尼玉树鲜水河断裂带；4.昆仑玛沁断裂带；5.阿尔金海原断裂带；6.金沙江红河断裂带。准格尔阿尔泰萨彦天山塔里木阿拉善柴达木祁连巴颜喀拉433261112滇西滇南川滇6华南华北平原鲁东-黄海燕山鄂尔多斯55兴安-东盟东北羌塘拉萨地震震级88.977.9南海202530354045（N）65707580859095100105110115120125130135140（E）中国大陆活动地块运动速度矢量图（据张培震 王琪等）2025303

14、540455055(N)75808590 95100 105 110 115120 125 130 135 140(E)塔里木天山准葛尔萨彦阿尔泰兴安-东蒙阿拉善鄂尔多斯燕山东北华北平原鲁东-黄海华南南海滇南滇西川滇拉萨羌塘巴颜喀拉柴达木祁连-10.5mm/a-N102E-N165E-9mm/a-1mm/a-N90E-68mm/a-N9096E-45mm/a-N90E-1mm/a-N15E-20mm/a-N10E-28mm/a-N60E-2030mm/a-N3047E-7mm/a-N80E-2mm/a-N74EABFDEC河道被右旋走滑断层活动错断图解 东大滩地震鼓包沿走滑断裂线性分布东大滩地

15、震鼓包沿走滑断裂线性分布东大滩地震鼓包与走滑拉分盆地东大滩地震鼓包与走滑拉分盆地B:逆断层逆断层(thrust fault)(thrust fault)逆断层逆断层（1）最大主应力近于最大主应力近于水平，水平，最小主应力近于垂直，最小主应力近于垂直，走向垂直于最大主应力的断走向垂直于最大主应力的断层面与水平面夹角一般小于层面与水平面夹角一般小于45，往往为，往往为2040。（2）断层面两侧的点之间的距）断层面两侧的点之间的距离总是由于位移而缩短。上盘除离总是由于位移而缩短。上盘除上升外还往往伴以多个分支或次上升外还往往伴以多个分支或次级断层的错动级断层的错动312汶川地震龙门山山前断裂逆冲使震

16、前平坦的公路变成高差近3m，坡度达20的陡坡新加坡 逆断层的断层线往往是逆断层的断层线往往是波状弯曲的波状弯曲的，断层带，断层带较较宽宽，由于上升盘形成了断层崖易产生，由于上升盘形成了断层崖易产生滑坡或崩塌滑坡或崩塌，逆断层的逆断层的确切位置最难确定确切位置最难确定。逆断层有时地表变。逆断层有时地表变形范围很大。形范围很大。在我国逆冲型活断层主要发育于西部地区。在我国逆冲型活断层主要发育于西部地区。自南而北有喜马拉雅山南麓逆冲推覆断层，天山自南而北有喜马拉雅山南麓逆冲推覆断层，天山南侧，天山北侧逆冲推覆断层等几个长达数百公南侧，天山北侧逆冲推覆断层等几个长达数百公里走向近东西的逆冲型活断层。里

17、走向近东西的逆冲型活断层。图图b为探槽为探槽Tc10剖面素描图。剖面素描图。G5-G1 表示晚更新世晚期暗灰色砂砾石层，表示晚更新世晚期暗灰色砂砾石层，S0-全新世暗棕色全新世暗棕色含砾砂土层，含砾砂土层，S1-暗棕色重力堆积含砾粉砂土；暗棕色重力堆积含砾粉砂土；G7-为地震崩积楔。为地震崩积楔。BDT1-1BDT1-4 为测年为测年样品编号，样品编号，7.0ka与与8.7ka表示光释光年龄，揭示较早一期古地震发生时代为表示光释光年龄，揭示较早一期古地震发生时代为7.0ka。图例说明：。图例说明：1-土壤层；土壤层；2-黄褐色粉砂质粘土；黄褐色粉砂质粘土；3-细砾石层；细砾石层；4-粗砾石层；

18、粗砾石层；5-地震楔；地震楔；6-地震断层。地震断层。研究第四系活断层古地震剖面可以揭示断层的新近活动历史在错动过程中，垂直断面走向的在错动过程中，垂直断面走向的水平方向有所伸长。伴随这类断水平方向有所伸长。伴随这类断层活动的变形层活动的变形(下沉下沉)和分支断层和分支断层错动，主要集中于下降盘错动，主要集中于下降盘(左图左图)。与河谷平行断面倾斜的正断层，与河谷平行断面倾斜的正断层，可以使拦河坝产生比其它形式断可以使拦河坝产生比其它形式断层运动更宽的初抬裂缝层运动更宽的初抬裂缝(图图48)。最大主应力近于垂直，最小最大主应力近于垂直，最小主应力近于水平。主应力近于水平。走向垂直走向垂直于最小

19、主应力且与最大主应于最小主应力且与最大主应力呈锐角的断层面与水平面力呈锐角的断层面与水平面夹角大于夹角大于45，一般为，一般为6080。123C:正断层正断层(normal fault)石岗大坝全长石岗大坝全长700m,台湾台湾1999.9.21地震地震中被断层正断切错中被断层正断切错正断层断层带断层角砾无序排列地壳上承受水平张应力的地带主要沿地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中脊分布。大洋中脊分布。大陆上以现代活动正断层为主的地带有大陆上以现代活动正断层为主的地带有东非断裂谷东非断裂谷，美国的盆地与，美国的盆地与山脉区山脉区(内华达、犹他及其附近地带内华达、犹他及其附近地带)，欧洲莱茵地堑

20、系欧洲莱茵地堑系，苏联贝加苏联贝加尔湖地堑尔湖地堑等。等。p 上述三种活断层的位移矢量都分别是单纯走滑上述三种活断层的位移矢量都分别是单纯走滑或倾滑，其产生的应力场是三个主应力方向中的两或倾滑，其产生的应力场是三个主应力方向中的两个是水平的而另一个是垂直的。个是水平的而另一个是垂直的。p实际应力场往往是复杂的，三个主应力方向既不完实际应力场往往是复杂的，三个主应力方向既不完全水平也不完全垂直，全水平也不完全垂直，而是由不同的水平和垂直分而是由不同的水平和垂直分量所合成量所合成。p 按断裂的主次关系又可将活断层分按断裂的主次关系又可将活断层分为主断层为主断层(main fault)(main f

21、ault)，分支断层，分支断层(branch(branch，fault)fault)和次级和次级断层断层(secondary fault)(secondary fault)。p 断层类型不同，主断层中线到分支和次级断层断层类型不同，主断层中线到分支和次级断层带外缘的宽度也各不相同。带外缘的宽度也各不相同。走向错动断层为最窄，走向错动断层为最窄，逆断层为最宽。逆断层为最宽。p按断裂的切割深度可以区分为盖层断裂、基底断裂、地壳按断裂的切割深度可以区分为盖层断裂、基底断裂、地壳断裂、岩石圈断裂和超岩石圈断裂断裂、岩石圈断裂和超岩石圈断裂.p盖层断裂盖层断裂:切穿盖层切穿盖层,到达盖层与基地界面到达盖

22、层与基地界面;p基底断裂基底断裂:切穿硅铝层切穿硅铝层,到达康拉德面到达康拉德面;p地壳断裂：地壳断裂：切穿硅鎂层，到达莫霍面；切穿硅鎂层，到达莫霍面；p岩石圈断裂岩石圈断裂:切穿岩石圈切穿岩石圈,到达软流圈顶面到达软流圈顶面;p超岩石圈断裂超岩石圈断裂:切穿岩石圈切穿岩石圈,深入软流圈深入软流圈;4.2.2 4.2.2 各类活断层在我国的分布各类活断层在我国的分布 p中国活动构造区及主要活断层图（根据Wang&Ma 1995）14710235811690200400600 km0 150 300km1020110120203040708090100110120130140拉萨南宁广州香港福州

23、昆明台北上海武汉成都郑州西安兰州太原银川北京天津沈阳哈尔滨广州西宁乌鲁木齐161514113895276410121122201931718192123577.51.510151012212262621210212322.26.710A1-10B0.1-1C0.01-0.1D1010R11R0.1R8.0强烈强烈7.0-7.9中等中等6.0-6.9弱弱30岩石漆1100砾石层和地貌面表面砾石统计量30地层2000地层剖面岩性结构特征火山灰2000岩性层位古地磁3400块状岩石或岩土100500系列样品化石2000动、植物化石文物5人类活动遗物 4.7.4 4.7.4 活断层工程地质评价活断层工

24、程地质评价 断层的新活动性受区域现代构造应力场所支配。一断层的新活动性受区域现代构造应力场所支配。一个地区往往有多条新活动断裂按特有的几何排列或断续个地区往往有多条新活动断裂按特有的几何排列或断续相接或相互交切构成新活动断裂网络。在统一的构造应相接或相互交切构成新活动断裂网络。在统一的构造应力场作用下，各断层的活动不是孤立的，而是相互联系、力场作用下，各断层的活动不是孤立的，而是相互联系、相互牵制、相互调整和相互转化的，不同方向的断裂活相互牵制、相互调整和相互转化的，不同方向的断裂活动的方式不同，同一断裂的不同段的活动强度也不同。动的方式不同，同一断裂的不同段的活动强度也不同。构成特定的总体变

25、形图像。构成特定的总体变形图像。近年来，多采用与地质力学模拟相结合的数值模拟方法近年来，多采用与地质力学模拟相结合的数值模拟方法来进行这类研究和探索。来进行这类研究和探索。这类数值模拟研究的实质，是将某些区域或地区的现这类数值模拟研究的实质，是将某些区域或地区的现代地壳运动这一地质过程看作为一个力学作用过程，用数代地壳运动这一地质过程看作为一个力学作用过程，用数值计算的方法进行描述。值计算的方法进行描述。它的基本研究思路是以深入的它的基本研究思路是以深入的地质原型调研为基础地质原型调研为基础，通过对一些点上的已知信息的反拟合来推求面上的未知信通过对一些点上的已知信息的反拟合来推求面上的未知信息

26、，息，包括区域构造应力场的作用方式和量级，应力包括区域构造应力场的作用方式和量级，应力形变形变场的特征和应力场、形变场和应变能密度分布等随时间的场的特征和应力场、形变场和应变能密度分布等随时间的变化过程及发展演化趋势，取得一些必要的定量关系或数变化过程及发展演化趋势，取得一些必要的定量关系或数据，为断层新活动性及区域构造稳定性的量化评价提供依据，为断层新活动性及区域构造稳定性的量化评价提供依据。其研究步骤可概括如下。据。其研究步骤可概括如下。(1)(1)根据区域大地构造、区域地球物理、区域地震活动性、区域构根据区域大地构造、区域地球物理、区域地震活动性、区域构造应力场基本特征等区域地球动力学环

27、境和区域地质结构及断造应力场基本特征等区域地球动力学环境和区域地质结构及断裂新活动性，以及地应力实测资料建立地质力学模型。裂新活动性，以及地应力实测资料建立地质力学模型。(2)(2)根据研究区内地应力实例结果和震源机制解，以线弹性有限元根据研究区内地应力实例结果和震源机制解，以线弹性有限元分析反演区域构造应力量级及模型边界力源的作用方式。其方分析反演区域构造应力量级及模型边界力源的作用方式。其方法是不断改变边界力的作用方式和大小，进行反复试算，使计法是不断改变边界力的作用方式和大小，进行反复试算，使计算区内一些特定点的主应力计算值算区内一些特定点的主应力计算值(方向、大小方向、大小)与已有震源

28、机与已有震源机制解及地应力实测结果达到最佳拟合，从而求出边界力的作用制解及地应力实测结果达到最佳拟合，从而求出边界力的作用方式和量级，据此建立区域应力形变场的有限元分析模型。方式和量级，据此建立区域应力形变场的有限元分析模型。(3)(3)通过线弹性有限元分析得出区域应力场和应变能密度的基本特通过线弹性有限元分析得出区域应力场和应变能密度的基本特征，各断层两盘的相对位移矢量并判定各断层的活动方式。征，各断层两盘的相对位移矢量并判定各断层的活动方式。(4)(4)进行时效过程有限元分析进行时效过程有限元分析(粘弹塑性粘弹塑性)研究应力场、研究应力场、形变场、各断层活动强度随时间的调整过程及地震应力释

29、形变场、各断层活动强度随时间的调整过程及地震应力释放对未来地震危险区的影响。放对未来地震危险区的影响。数值模拟不仅是验证野外地质现象的重要手段，而且数值模拟不仅是验证野外地质现象的重要手段，而且是从总体上、全过程上和内部作用机制上对研究对象是从总体上、全过程上和内部作用机制上对研究对象(地地质体质体)深层次认识的重要途径。但数值模拟既然是反面拟深层次认识的重要途径。但数值模拟既然是反面拟合，则必然有多解性。排除多解性的主要途径首先是对地合，则必然有多解性。排除多解性的主要途径首先是对地质原型的深入观察和正确认识。在原型深入调研基础上合质原型的深入观察和正确认识。在原型深入调研基础上合理地抽象建

30、立模型就能将数值模拟导人正确轨道。理地抽象建立模型就能将数值模拟导人正确轨道。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；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；程海深断裂；小金河断裂；甘孜甘孜-理塘断裂；金沙江断裂；理塘断裂；金沙江断裂；进行数值模拟的进行数值模拟的一个模型一个模型最大主应力最大主应力最小主应力最小主应力 通过原型研究还应取得尽可能多的用于反演拟合的通过原型研究还应取得尽可能多的用于反演拟合的已知点，如地应力实测点，

31、地震震源机制解点，活动时已知点，如地应力实测点，地震震源机制解点，活动时代、错动速率不同的断层或断层段，历史上不同震级的代、错动速率不同的断层或断层段，历史上不同震级的地层层中等，使数值分析结果能与多个点、多种应力地层层中等，使数值分析结果能与多个点、多种应力形变场参数相似合，就可有效地排除多解性，使模拟结形变场参数相似合，就可有效地排除多解性，使模拟结果与客观实际相符合。数值模拟与地质原型的现场研究果与客观实际相符合。数值模拟与地质原型的现场研究密切结合相互验证，才能使区域断层新活动性的研究不密切结合相互验证，才能使区域断层新活动性的研究不断深入。断深入。p本章重点：本章重点：p（1 1）我

32、国活断层带分布及划分；）我国活断层带分布及划分；p（2 2）震源机制概念，断层活动的震源机制断层面解；）震源机制概念，断层活动的震源机制断层面解；p（3 3）活断层的活动特性及判别标志。）活断层的活动特性及判别标志。p本章难点：本章难点：p活断层的判别标志，分三方面判别标志：即地质地貌活断层的判别标志，分三方面判别标志：即地质地貌判别标志；文献记录判别标志和大地测量判别标志。判别标志；文献记录判别标志和大地测量判别标志。本章重点及难点本章重点及难点本章思考题p(1)活断层的活动特性及判别标志活断层的活动特性及判别标志p(2)(2)断层活动的时空差异断层活动的时空差异p(3)(3)我国主要活断层的展布特征我国主要活断层的展布特征