工程地质-活断层教学课件

工程地质工程地质-活断层活断层n n 从从从从工程使用时间尺度和断层活动时间测工程使用时间尺度和断层活动时间测年的准确性来考虑，活动时间上限不宜太长，年的准确性来考虑，活动时间上限不宜太长，应以前两者为适当。可能有重新活动的不远应以前两者为适当。可能有重新活动的不远的将来，一般理解为重要建筑物如大坝、原的将来，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。n n 活动断层有不同的活动特性活动断层有不同的活动特性:n n 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蠕滑蠕滑(creep(creep(creep(creep slip)slip)slip)slip)或稳滑或稳滑或稳滑或稳滑，(stable slip);(stable slip);间断地、周期间断地、周期性突然错断的为性突然错断的为粘滑粘滑粘滑粘滑(stick slip)(stick slip)，粘滑常，粘滑常伴有地震，是活断层的主要活动方式。一条伴有地震，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。活断层的活动强度主要以其错动速率来式。活断层的活动强度主要以其错动速率来判定。判定。n n 但活断层错动速率是相当缓慢的，两盘相对但活断层错动速率是相当缓慢的，两盘相对位移平均达到位移平均达到lmmlmma a，已属相当强的活断层。，已属相当强的活断层。世界上最著名的活断层，为美国的世界上最著名的活断层，为美国的圣安德烈斯圣安德烈斯圣安德烈斯圣安德烈斯断层断层断层断层，两盘间年平均最大相对位移也只有两盘间年平均最大相对位移也只有5cm5cm。所以，即使是现今还在蠕动的断层，也不能用所以，即使是现今还在蠕动的断层，也不能用一般的观测方法取得它活动的标志，而需采用一般的观测方法取得它活动的标志，而需采用重复精密水准测量重复精密水准测量(水准环测或三角、三边测量水准环测或三角、三边测量)。近年还采用全球定位系统。近年还采用全球定位系统(GPS(GPS，Global Global Positioning System)Positioning System)或超长基线或超长基线(VIBI)(VIBI)测量测量n n法测得两盘相对位移。近年研究证明，断层位移法测得两盘相对位移。近年研究证明，断层位移往往伴有小地震，所以用密集地震台网精确测往往伴有小地震，所以用密集地震台网精确测定小震震中沿断层线分布定小震震中沿断层线分布(参见图参见图623)623)，也是，也是判定断层活动的可靠标志。有些间断活动的断判定断层活动的可靠标志。有些间断活动的断层，在其非活动期，断层线两侧既无相对位移，层，在其非活动期，断层线两侧既无相对位移，沿断层也无小地震产生。但经过一定时期之后，沿断层也无小地震产生。但经过一定时期之后，在断层线上的某一点会发生较强地震，有时还在断层线上的某一点会发生较强地震，有时还伴以位移达几米的地表错断。这类断层可从历伴以位移达几米的地表错断。这类断层可从历史上地震和断层错动记录或从过去的强震震中史上地震和断层错动记录或从过去的强震震中沿断层分布取得其活动标志。沿断层分布取得其活动标志。n n但即使在我国这样但即使在我国这样个历史悠久的国家，地震个历史悠久的国家，地震历史记录也不过只有历史记录也不过只有3000a3000a左右，仪器确切测定左右，仪器确切测定震中更是最近几十年来才实现的。所以判定断震中更是最近几十年来才实现的。所以判定断层活动性主要还是要依靠地质标志，即断层近层活动性主要还是要依靠地质标志，即断层近期活动在最新沉积层中、在断层物质中或在地期活动在最新沉积层中、在断层物质中或在地形地貌上留下来的证据。通过这些证据的详细形地貌上留下来的证据。通过这些证据的详细研究，可以判定断层是否活动，其活动方式和研究，可以判定断层是否活动，其活动方式和规模及是否伴有地震。通过多种绝对年龄测定，规模及是否伴有地震。通过多种绝对年龄测定，还可判定断层的活动时间、速率及重复活动的还可判定断层的活动时间、速率及重复活动的时间间隔或重复活动周期。时间间隔或重复活动周期。n n对活断层进行工程地质研究的重要意义有以下两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。n n 其一是断层的地面错动及其附近的伴生的地其一是断层的地面错动及其附近的伴生的地其一是断层的地面错动及其附近的伴生的地其一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面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近的建筑物。近的建筑物。近的建筑物。近的建筑物。n n 其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会其次是活断层多伴有地震，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使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害。害。害。害。n n 活断层错动直接损害建筑物的例子迄今为活断层错动直接损害建筑物的例子迄今为止为数不多。在我国则有止为数不多。在我国则有19761976年唐山地震时的年唐山地震时的长达长达8km8km的地表错断。它呈北的地表错断。它呈北3030 东方向由市区东方向由市区通过，最大水平错距通过，最大水平错距3m3m，垂直断距，垂直断距0.70.7一一lmlm，错开了道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地错开了道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物。面建筑物。n n 宁夏石咀山红果子沟一带的活断层，也将宁夏石咀山红果子沟一带的活断层，也将明代明代(约约400a400a前前)长城边墙水平错开长城边墙水平错开1.45m(1.45m(右旋右旋)，且西升东降垂直断距约，且西升东降垂直断距约0.9m0.9m。日本神户附近。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的六甲地区活断层对建筑物的影响也是一个较好例子。好例子。n n 津田调查了六甲山南侧平原和阶地上建筑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，并以统计法编制了受损害物出现裂缝的情况，并以统计法编制了受损害建筑物等密线图。图上的高密度延伸线恰好与建筑物等密线图。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，表六甲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。美国被活断明建筑物的损坏与断层活动有关。美国被活断层错开的建筑物层错开的建筑物n n 沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造成地震。成地震。成地震。成地震。所以预测地震危险性或水库诱发地震所以预测地震危险性或水库诱发地震的可能性都需要首先研究活断层，判定其的可能性都需要首先研究活断层，判定其活动活动活动活动时代，错动速率、重复活动的证据和重现周期时代，错动速率、重复活动的证据和重现周期时代，错动速率、重复活动的证据和重现周期时代，错动速率、重复活动的证据和重现周期。正是由于地震预报的广泛研究，促使地震地质正是由于地震预报的广泛研究，促使地震地质迅速发展，而地震地质工作的首要任务是鉴别迅速发展，而地震地质工作的首要任务是鉴别是否存在能是否存在能“发震发震”的活断层。近的活断层。近30a30a内对活断层内对活断层的研究取得较大进展。世界各地都鉴别出了一的研究取得较大进展。世界各地都鉴别出了一些活断层，并逐步积累了其活动特性和错动规些活断层，并逐步积累了其活动特性和错动规模的大量实际资料。有些国家还编制和出版了模的大量实际资料。有些国家还编制和出版了近期活动断层图，对活断层的调查、判定，监近期活动断层图，对活断层的调查、判定，监测方法也取得了不少经验测方法也取得了不少经验。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）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）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）裂缝最大宽度510mm，延伸长度200m昆仑山口断裂带 断层的现今活动在地表的显示F2-2镜向NW4.2 4.2 活断层的特性活断层的特性 活断层的特性包括活断层的类型和活动活断层的特性包括活断层的类型和活动方式，活断层的规模，活断层的错动速率及方式，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，以及作为其分级，活断层的重复活动周期，以及作为活断层活动记录的古地震事件等。活断层活动记录的古地震事件等。4.2.1 4.2.1 4.2.1 4.2.1 活断层的类型和活动方式活断层的类型和活动方式活断层的类型和活动方式活断层的类型和活动方式 按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，可将活断层划分为地质上熟悉的三种类型，即：即：走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层，逆断层和正断层逆断层和正断层逆断层和正断层逆断层和正断层。其中以走向滑动型最为常见。三类活断层由其中以走向滑动型最为常见。三类活断层由于几何特征和运动特性不同，所以它们对工于几何特征和运动特性不同，所以它们对工程场地的影响也各异。程场地的影响也各异。4.2.1.1 4.2.1.1 4.2.1.1 4.2.1.1 走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层走向滑动或平移断层 最大最小主应力近于水平，所以两者之间的最大最小主应力近于水平，所以两者之间的最大剪应力面，亦即此类断层的断层面，近于直最大剪应力面，亦即此类断层的断层面，近于直立，因之其地表出露线也就最为平直；常表现为立，因之其地表出露线也就最为平直；常表现为极窄的直线形断崖。主要是断层面两侧相对的水极窄的直线形断崖。主要是断层面两侧相对的水平运动，相对的垂直升降很小。河流最易于沿这平运动，相对的垂直升降很小。河流最易于沿这种断层发育，水工建筑物也就最易于受到这种活种断层发育，水工建筑物也就最易于受到这种活断层的威胁。如断层与坝轴线小角度斜交，由于断层的威胁。如断层与坝轴线小角度斜交，由于断层错动而造成的心墙拉开宽度可以相当大断层错动而造成的心墙拉开宽度可以相当大(图图44)44)。有名的走向滑动型活断层有美国加州的圣。有名的走向滑动型活断层有美国加州的圣安德烈斯断层安德烈斯断层系系 。n n土耳其安纳托利亚断层系，新西兰的阿尔卑斯土耳其安纳托利亚断层系，新西兰的阿尔卑斯断层系等。几个被活断层错开的土坝，运河主断层系等。几个被活断层错开的土坝，运河主要是被这类活断层所错开的。我国的活断层也要是被这类活断层所错开的。我国的活断层也以走向滑动型为最多，特别是西南和西北，有以走向滑动型为最多，特别是西南和西北，有些走滑型活断层规模非常巨大；例如塔里木断些走滑型活断层规模非常巨大；例如塔里木断块南的阿尔金山断裂，青藏断块内部的鲜水河块南的阿尔金山断裂，青藏断块内部的鲜水河断裂，川滇断块西界的红河断裂都是我国西部断裂，川滇断块西界的红河断裂都是我国西部长达数百到数千公里的活动着的走滑断裂。这长达数百到数千公里的活动着的走滑断裂。这些断层的水平错动往往在地形上留下明显迹象，些断层的水平错动往往在地形上留下明显迹象，尤以对水系的错动改造最为明显尤以对水系的错动改造最为明显 4.2.1.2 4.2.1.2 逆断层逆断层逆断层逆断层 最大主应力近于水平，最小主应力近于垂直。最大主应力近于水平，最小主应力近于垂直。走向垂直于最大主应力的断层面与水平面夹角一般走向垂直于最大主应力的断层面与水平面夹角一般小于小于4545，往往为，往往为20-4020-40 ，且由于位移是水平挤压，且由于位移是水平挤压形成的，断层面两侧的点之间的距离总是由于位移形成的，断层面两侧的点之间的距离总是由于位移而缩短。上盘除上升外还产生地面变形，往往伴以而缩短。上盘除上升外还产生地面变形，往往伴以多个分支或次级断层的错动多个分支或次级断层的错动(图图4-6)4-6)。如。如19711971年美年美国圣费尔南多地震时使圣费尔南多断层国圣费尔南多地震时使圣费尔南多断层(逆断层逆断层)产产生逆冲错动。下降盘无地表变形及破裂，上升盘抬生逆冲错动。下降盘无地表变形及破裂，上升盘抬升近升近2m2m以上，并有强烈变形，许多小的次级断层主以上，并有强烈变形，许多小的次级断层主要集中在距主断面要集中在距主断面1km1km之内，但距主断面之内，但距主断面n n2.5km2.5km尚有一条产生尚有一条产生150mm150mm相对位移的次级断层。相对位移的次级断层。逆断层的断层线往往是波状弯曲的，断层带也较逆断层的断层线往往是波状弯曲的，断层带也较平移断层宽得多，由于上升盘隆起和倒悬的断层平移断层宽得多，由于上升盘隆起和倒悬的断层崖易产生滑坡，所以逆断层的确切位置最难于确崖易产生滑坡，所以逆断层的确切位置最难于确定和预测。世界上很多大的山系以逆断层为其边定和预测。世界上很多大的山系以逆断层为其边界，如喜马拉雅山、安第斯山等，世界上许多大界，如喜马拉雅山、安第斯山等，世界上许多大的地震都是伴随板块俯冲带或大陆碰撞带的逆断的地震都是伴随板块俯冲带或大陆碰撞带的逆断层错动产生的。这类逆断层有时地表变形范围很层错动产生的。这类逆断层有时地表变形范围很大，如大，如19641964年阿拉斯加地震，年阿拉斯加地震，200000km200000km2 2范围内变范围内变形最大垂直上升达形最大垂直上升达12m12m。n n 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。受印度板块年速率约受印度板块年速率约6cm6cm的的NNENNE向俯冲的推挤，向俯冲的推挤，自南而北有喜马拉雅山南麓逆冲推覆断层，天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山南侧，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，青藏断块百公里走向近东西的逆冲型活断层，青藏断块东界的北段，则有走向北东的龙门山逆掩推覆东界的北段，则有走向北东的龙门山逆掩推覆断层；所有这些断层都是活动性强烈的发震断断层；所有这些断层都是活动性强烈的发震断层。层。n n4.2.1.3 4.2.1.3 4.2.1.3 4.2.1.3 正断层正断层正断层正断层 n n 最大主应力近于垂直最小主应力近于水平。最大主应力近于垂直最小主应力近于水平。走向垂直于最小主应力且与最大主应力呈锐角的走向垂直于最小主应力且与最大主应力呈锐角的断层面与水平面夹角大于断层面与水平面夹角大于4545，一般为，一般为6060一一8080。在错动过程中，垂直断面走向的水平方向有所伸在错动过程中，垂直断面走向的水平方向有所伸长。伴随这类断层活动的变形长。伴随这类断层活动的变形(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(图图4-7)4-7)。与河谷平行断。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面倾斜的正断层，可以使拦河坝产生比其它形式断层运动更宽的初始裂缝断层运动更宽的初始裂缝(图图4-8)4-8)。一般说来，这。一般说来，这类断层的可识别程度介于走滑断层和逆断层之间，类断层的可识别程度介于走滑断层和逆断层之间，其影响带宽度和对工程的危害程度也介于两者之其影响带宽度和对工程的危害程度也介于两者之间。间。n n 地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中脊分布。脊分布。脊分布。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，美国的盆地与山脉区东非断裂谷，美国的盆地与山脉区(内华达、犹他内华达、犹他及其附近地带及其附近地带)，欧洲莱茵地堑系，苏联贝加尔湖，欧洲莱茵地堑系，苏联贝加尔湖地堑等。我国东部大陆边缘活动带的扩展与沉陷，地堑等。我国东部大陆边缘活动带的扩展与沉陷，在华北平原、渤海湾与松辽平原形成了一系列地在华北平原、渤海湾与松辽平原形成了一系列地堑系或裂谷系。地堑边缘的张性正断层是东部地堑系或裂谷系。地堑边缘的张性正断层是东部地区活断层中的主要类型。鄂尔多斯地块周围也有区活断层中的主要类型。鄂尔多斯地块周围也有银川地堑、河套地堑和汾渭地堑系等一系列地堑银川地堑、河套地堑和汾渭地堑系等一系列地堑盆地。地堑盆地中新生代沉积层厚有的达数百至盆地。地堑盆地中新生代沉积层厚有的达数百至千米千米(汾渭地堑系汾渭地堑系)，n n有的达几千米有的达几千米有的达几千米有的达几千米(华北平原地堑系华北平原地堑系华北平原地堑系华北平原地堑系)有的达有的达有的达有的达12000m(12000m(12000m(12000m(渤渤渤渤海湾中的渤中拗陷海湾中的渤中拗陷海湾中的渤中拗陷海湾中的渤中拗陷)，这表明这些断裂的新生代适，这表明这些断裂的新生代适，这表明这些断裂的新生代适，这表明这些断裂的新生代适动以正断运动为主，另一方面，沿这些断裂带的动以正断运动为主，另一方面，沿这些断裂带的动以正断运动为主，另一方面，沿这些断裂带的动以正断运动为主，另一方面，沿这些断裂带的地震震源机制，地震断层以及地震前后的形变测地震震源机制，地震断层以及地震前后的形变测地震震源机制，地震断层以及地震前后的形变测地震震源机制，地震断层以及地震前后的形变测量又都表明这些断层都有很大的水平分量，表明量又都表明这些断层都有很大的水平分量，表明量又都表明这些断层都有很大的水平分量，表明量又都表明这些断层都有很大的水平分量，表明其现代活动性与典型张性构造区和典型的内陆裂其现代活动性与典型张性构造区和典型的内陆裂其现代活动性与典型张性构造区和典型的内陆裂其现代活动性与典型张性构造区和典型的内陆裂谷带有所不同。谷带有所不同。谷带有所不同。谷带有所不同。n n 上述三种活断层的位移矢量都分别是单纯走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滑或倾滑，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。实际应力场的两个是水平的而另一个是垂直的。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，而是由不同的水平和垂直分量所合不完全垂直，而是由不同的水平和垂直分量所合成。因之，断层的位移矢量也多由不同的倾滑、成。因之，断层的位移矢量也多由不同的倾滑、走滑分量所合成。而活断层的类型也就可以是左走滑分量所合成。而活断层的类型也就可以是左(或右或右)旋走滑逆冲断层或左旋走滑逆冲断层或左(或右或右)旋走滑正断层旋走滑正断层等多种形式。等多种形式。n n 断层活动受区域构造应力场所支配。内陆活断层活动受区域构造应力场所支配。内陆活断层是地块间相互运动调整的枢纽。断层是地块间相互运动调整的枢纽。n n由于这些地块是相互镶嵌的而且它们的结构及受由于这些地块是相互镶嵌的而且它们的结构及受力状况不均一，地块间的相对挤压、拉张和剪切力状况不均一，地块间的相对挤压、拉张和剪切错动就构成了这些大小地块和断块之间的断层活错动就构成了这些大小地块和断块之间的断层活动，呈现出相当复杂的情况。除了这些活动断裂动，呈现出相当复杂的情况。除了这些活动断裂的不同段落有不同的活动方式，由于它们相互间的不同段落有不同的活动方式，由于它们相互间的联系，构成网络状，各断层的活动往往不是孤的联系，构成网络状，各断层的活动往往不是孤立的，而是相互牵制、相互调整和相互转换的。立的，而是相互牵制、相互调整和相互转换的。一条活断层的终端点是要以各方式转换为另一种一条活断层的终端点是要以各方式转换为另一种形式的活动，以调整地块运动所造成的地壳拉张，形式的活动，以调整地块运动所造成的地壳拉张，缩短和扭曲。研究活动断层相互转换的状况，对缩短和扭曲。研究活动断层相互转换的状况，对了解现代构造应力场、认识地震活动规律有重要了解现代构造应力场、认识地震活动规律有重要的意义。的意义。n n 按断裂的主次关系又可将活断层分为主断层按断裂的主次关系又可将活断层分为主断层(main fault)(main fault)，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)。次级断层从平面上看来。次级断层从平面上看来与主断层无关，实际上在剖面上它仍属主断层的与主断层无关，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升盘，而对分支，对于逆断层来说主要产生在上升盘，而对于正断层来说则主要产生在下降盘于正断层来说则主要产生在下降盘(参见图参见图4-64-6和和图图4-7)4-7)，而走向滑动断层则很少有次级断层伴生。，而走向滑动断层则很少有次级断层伴生。n n 断层类型不同由主断层中线到分支和次级断断层类型不同由主断层中线到分支和次级断层带外缘的宽度也各不相同。走向错动断层为最层带外缘的宽度也各不相同。走向错动断层为最窄，逆断层为最宽。根据已有地表错断的实际观窄，逆断层为最宽。根据已有地表错断的实际观测资料，各带的宽度如表测资料，各带的宽度如表4-14-1。n n活断层活动的两种基本方式是活断层活动的两种基本方式是粘滑与稳滑粘滑与稳滑粘滑与稳滑粘滑与稳滑。n n 粘滑粘滑粘滑粘滑错动是间断性突然性发生的。在一定时错动是间断性突然性发生的。在一定时间段内断层的两盘就如同粘在一起间段内断层的两盘就如同粘在一起(锁固起来锁固起来)，不产生或仅有极其微弱的相互错动，一旦应力达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，较大幅度的相互错动就在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，锁固期间积蓄起来的弹性应瞬时之内突然发生，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震。这种瞬变能也就突然释放出来而发生较强地震。这种瞬间发生的强烈错动间断的，周期性的发生，沿这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。种断层就有周期性的地震活动。n n 稳（蠕稳（蠕稳（蠕稳（蠕)滑滑滑滑的错动是持续地平稳地发生的。由的错动是持续地平稳地发生的。由于断层两盘岩体强度低，或由于断层带内有软弱于断层两盘岩体强度低，或由于断层带内有软弱充填物或有高孔隙水压力，在受力过程中就充填物或有高孔隙水压力，在受力过程中就 会会持持续续不不断断的的相相互互错错动动而而不不能能锁锁固固以以积积蓄蓄应应变变能能，这这种种方方式式活活动动的的断断层层仅仅伴伴有有小小震震或或无无地地震震活活动动。有有些些断断层层则则兼兼有有粘粘滑滑与与蠕蠕滑滑。这这三三种种方方式式的的错错动动位移随时间的变化如图位移随时间的变化如图4-94-9所示。所示。n n 近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在近年来，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大震前后一段时间内在震源区及其外围的蠕滑现象。象。19761976年唐山地震前后的一些宏观现象，如井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动有关。据唐山地震区地形变资料反演求得的震中区中区8km-6km8km-6km的地带内，于的地带内，于1969-19751969-1975年发生了走年发生了走滑错距为滑错距为104cm104cm的无震蠕滑、走向和倾向滑动的平的无震蠕滑、走向和倾向滑动的平均速率分别达均速率分别达18.6cm/a 18.6cm/a 和和1.4cm1.4cma a。我国大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动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，导致在的构造形式：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，一般称为地裂缝地面产生一系列微型破裂构造，一般称为地裂缝(ground fissure)(ground fissure)或或“地裂地裂”现象。典型代表有现象。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泛的。但上述的地裂现象不受地裂分布是比较广泛的。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。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生了侧向扩展(gravitational lateral(gravitational lateral spreading)spreading)而形成的；而形成的；4.2.2 4.2.2 4.2.2 4.2.2 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活断层的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要数据，通常用强震导致的地面破裂(地震断层或地震断层或地表错断地表错断)的长度的长度(L)(L)和伴随地震产生的一次突然和伴随地震产生的一次突然错断的最大位移值错断的最大位移值(D)(D)表示。通过对地表错断的研表示。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，为在活断层区修建建筑物的抗震设计提供参数。所以近年来世界各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。近年来，我地都对地表错断进行了广泛的研究。近年来，我国地震部门也对全国国地震部门也对全国4040余条地震地表错断进行了余条地震地表错断进行了研究研究(图图4 4一一11)11)。断层名称断层名称地震名称地震名称 地震时间地震时间 震级震级 地表错断距离（地表错断距离（cm)cm)地表错断地表错断 长长 度度 （km)km)水平水平 垂直垂直蒙蒙古古 博博 格多断层格多断层戈壁戈壁拉尔秦地震拉尔秦地震1957.10.281957.10.288.08.0 885 885左旋左旋（1000-12001000-1200*）300 300 272 272日日本本 根尾谷断层根尾谷断层 卿村断层卿村断层 山田断层山田断层 丹那断层丹那断层 鹿野断层鹿野断层 吉冈断层吉冈断层 三和断层三和断层 浓尾地震浓尾地震 北丹后地震北丹后地震 北丹后地震北丹后地震 北丹后地震北丹后地震 鸟取地震鸟取地震 鸟取地震鸟取地震 三河地震三河地震 981.10.28 981.10.28 927.3.7 927.3.7 1927.3.7 1927.3.7 1930.11.26 1930.11.26 1943.9.10 1943.9.10 1943.9.10 1943.9.10 1945.1.13 1945.1.13 8.4 8.4 7.5 7.5 7.5 7.5 7.0 7.0 7.4 7.4 7.4 7.4 7.1 7.1200200左旋左旋270270左旋左旋8080右旋右旋300300左旋左旋150150左旋左旋9090右旋右旋150150 600 600 80 80 70 70 200 200 80 80 50 50 200 2009090 18 18 7 7 35 35 8 84545 9.0 9.0美美国国 加加 州圣安德烈斯断层州圣安德烈斯断层 加加 州英佩里尔谷断层州英佩里尔谷断层 内华达州费尔维蜂断层内华达州费尔维蜂断层 阿拉斯加费尔维塞尔断层阿拉斯加费尔维塞尔断层蒙大拿州赫布根断层蒙大拿州赫布根断层加加 州圣安德烈斯断层州圣安德烈斯断层加加 州英佩里尔谷断层州英佩里尔谷断层 旧金山地震旧金山地震英佩里尔谷断层英佩里尔谷断层费尔维蜂断层费尔维蜂断层费尔维塞尔断层费尔维塞尔断层赫布根湖地震赫布根湖地震帕克费尔德地震帕克费尔德地震 1906.4 1906.4 194.05.18 194.05.18 1954.12.16 1954.12.16 1958 1958 1959.8.18 1959.8.18 1966.6.27 1966.6.27 1966.3 1966.3 8.3 8.3 7.1 7.1 7.1 7.1 8.0 8.0 7.1 7.1 5.5 5.5 3.6 3.6640640右旋右旋580580右旋右旋420420右旋右旋645645右旋右旋17.417.4右旋右旋1.51.5右旋右旋 590 590 120 120 360 360（正断）（正断）180 180 550 550 正断正断 4.8 4.8435435 64 6457.657.6 175-200 175-200262637371010新新西西兰兰 阿瓦特雷断层阿瓦特雷断层 怀拉拉帕断层怀拉拉帕断层 怀特克里克断层怀特克里克断层 罗托克胡断层罗托克胡断层南岛南岛BullerBuller地震地震 1984 1984 1855 1855 1926.6.17 1926.6.17 1968 1968 7.8 7.8 610 610右旋右旋 1220 1220右旋右旋 215 215左旋左旋 200 200右旋右旋 30 30 275 275 455 455 90 90 96 961441443232 土土尔尔其其 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带 安纳托里亚断层带安纳托里亚断层带埃津兼地震埃津兼地震埃尔巴地震埃尔巴地震博卢博卢格雷德地震格雷德地震叶尼斯地震叶尼斯地震木都尔努地震木都尔努地震木腊迪耶地震木腊迪耶地震格韦地震格韦地震托西亚地震托西亚地震 1939.12.26 1939.12.26 1942.12.20 1942.12.20 1944.2.1 1944.2.1 1953.3.18 1953.3.18 1967.7.22 1967.7.22 1976.11.24 1976.11.24 1957.5.26 1957.5.26 1943.11.26 1943.11.26 7.9 7.9 7.0 7.0 7.2 7.2 7.4 7.4 7.2 7.2 7.6 7.6 7.1 7.1 7.2 7.2 420 420右旋右旋 200 200右旋右旋 360 360右旋右旋 430 430右旋右旋 230 230右旋右旋 380 380右旋右旋 160 160右旋右旋 150 150右旋右旋 150 150 50 50 100 100 0 0 180 18035035050501901906060808055554040265265表42 国外一些地震断层的地表错断历史记录 研究表明，地震地表错断长度自研究表明，地震地表错断长度自1km88东东北北 海城断裂海城断裂 金州断裂金州断裂7070200200NWWNWWNENEQ QQ QS SNorNor1.01.00.11.00.11.0MMMM*华华北北平平原原高丽营黄庄断裂高丽营黄庄断裂顺义断裂顺义断裂唐山断裂唐山断裂沧东断裂沧东断裂祈沐断裂祈沐断裂1001001001005050350350330330NENENENENENENNENNENNENNEQ QNQNQQ QQ QQ QNorNorNor TNor TS SNorNorS S0.130.130.10.10.10.10.020.021212MMC CMMC CMM*汾汾河河地地堑堑系系大同口泉断裂大同口泉断裂天镇阳高断裂天镇阳高断裂太谷山前断裂太谷山前断裂运城盆地运城盆地韩城兰田断裂韩城兰田断裂渭河大断裂渭河大断裂1851858383123123142142200200380380NENENEENEENENENENENENEEWEWQ QQ QQ QQ QQ QQ Q3 3-Q-Q4 4S SS SNorNorNorNorNorNorNorNor0.10.10.0480.0480.0860.0860.1170.1172.52.5（0.60.6+）1.01.0MMMMMMMMMMMM*银川银川地堑地堑银川平罗断裂银川平罗断裂贺兰山断裂贺兰山断裂7070120120NNENNENNENNEQ Q4 4Q Q4 4NorNorNorNor2.02.00.91.30.91.3C CC C*河套河套地堑地堑大青山前缘断裂大青山前缘断裂鄂尔多斯断裂鄂尔多斯断裂160160300300EWEWEWEWQ Q4 4Q Q3 3-Q-Q4 4NorNorNorNor1.31.30.70.7*新疆新疆富蕴断裂富蕴断裂180180NNWNNWQ Q4 4S S（右）（右）412412*青青藏藏高高原原周周边边阿尔金山断裂阿尔金山断裂昌马断裂昌马断裂香山香山天景山裂天景山裂海源断裂海源断裂鲜水河断裂鲜水河断裂安宁河断裂安宁河断裂则木河断裂则木河断裂小江断裂小江断裂红河断裂红河断裂16001600120120200200237237360360350350140140300300NEENEENWWNWWNWWNWWNWWNWWNWNWSNSNNNWNNWNNE-SNNNE-SNNNWNNWQ Q N-Q N-Q Q Q4 4Q QQ QQ Q Q QQ QS S（左）（左）S S（左）（左）+T+TS S（左）（左）S S（左）（左）S S（左）（左）S S（左）（左）+T+TS S（左）（左）+T+TS S（左）（左）S S（右）（右）5 75 74.5-6.54.5-6.5（H H）1-1-1.41.4（V V）1.763.31.763.36106107.57.55.75.7（南）（南）1.0 1.0（北）（北）4.94.96.47.06.47.08 8MMMMC CMMMMMMC CMM*表44 中国主要活断层错动速率注:上表中 Nor正断;T逆滑;S走滑;()左右表示左旋或右旋;M超壳;C壳断裂;*代表一次地震活动n n 活断层的错动速率多以地质地貌分析法和沿活断层的错动速率多以地质地貌分析法和沿(跨跨)断层重复测量或仪器监测来测定（甚长基线断层重复测量或仪器监测来测定（甚长基线测量，三角测量和测量，三角测量和GPSGPS等）。对话断层的蠕滑段，等）。对话断层的蠕滑段，可采用跨断层精密测量或伸缩仪定点仪器观测确可采用跨断层精密测量或伸缩仪定点仪器观测确定其错动速率。而对于粘滑段，这样测得的年错定其错动速率。而对于粘滑段，这样测得的年错动速率仪是平均年错动速率的一小部分，即蠕沿动速率仪是平均年错动速率的一小部分，即蠕沿成分的速率。而平均错动速率的主要部分则来自成分的速率。而平均错动速率的主要部分则来自间断发生的突然错动事件，这种突然错动事件也间断发生的突然错动事件，这种突然错动事件也就是古地震事件。这类事件总是要留下地质的或就是古地震事件。这类事件总是要留下地质的或地貌的证据，通过地质地貌分析，判定事件的次地貌的证据，通过地质地貌分析，判定事件的次数、累积错动距、各事件的绝对年龄，就可求出数、累积错动距、各事件的绝对年龄，就可求出平均错动速率和重复错动周期平均错动速率和重复错动周期.n n 古地震事件的地貌证据最为直观，如断层以古地震事件的地貌证据最为直观，如断层以走滑为主则有：断错冲沟、溪流、阶地、冲积扇走滑为主则有：断错冲沟、溪流、阶地、冲积扇和山脊。如以倾滑为主或有较大的倾滑分量，则和山脊。如以倾滑为主或有较大的倾滑分量，则形成断层陡坎和断层三角面形成断层陡坎和断层三角面(triangular facet)(triangular facet)。沿陡峻断层陡崖往往形成滑坡群。溪沟错断或正沿陡峻断层陡崖往往形成滑坡群。溪沟错断或正断层下陷，往往形成断塞塘或下陷塘断层下陷，往往形成断塞塘或下陷塘(sag pond)(sag pond)。19321932年甘肃昌马年甘肃昌马7.57.5级地震就留下了很多的断错地级地震就留下了很多的断错地貌证据貌证据(图图4-17)4-17)n n 如断层活动以倾滑为主，形成相当陡的断层崖。如断层活动以倾滑为主，形成相当陡的断层崖。后期重力崩塌和流水侵蚀将后期重力崩塌和流水侵蚀将 此陡斜面改造为缓的此陡斜面改造为缓的侵蚀面，陡坎顶部的坡折点将会不断后退，经过足侵蚀面，陡坎顶部的坡折点将会不断后退，经过足够长的时间，演化为接近休止角的稳定缓坡，剖面够长的时间，演化为接近休止角的稳定缓坡，剖面线也趋近于圆滑曲线。如果突然错断事件沿同一断线也趋近于圆滑曲线。如果突然错断事件沿同一断层面间断地发生多次，则陡坎的演化就会有如图层面间断地发生多次，则陡坎的演化就会有如图420420所示的复杂过程。图中表示出沿断层面曾发所示的复杂过程。图中表示出沿断层面曾发生过三次错断事件，先后形成生过三次错断事件，先后形成F F1 1、F F2 2、F F3 3三个陡倾三个陡倾错断面。经重力及流水改造形成错断面。经重力及流水改造形成E1E1、E 2E 2两个稳定两个稳定侵蚀面和侵蚀面和FF3 3一个尚未达到稳定的自由面。一个尚未达到稳定的自由面。n n断层陡崖的下盘则形成一个平缓的堆积斜坡，在断层陡崖的下盘则形成一个平缓的堆积斜坡，在断层陡崖崖脚先后形成断层陡崖崖脚先后形成D D1 1，D D2 2，D D3 3三个崩积楔，将三个崩积楔，将断层陡崖下部掩埋起来。在这种情况下计算每次断层陡崖下部掩埋起来。在这种情况下计算每次错断的位移位并测定平均错动速率，需要地貌与错断的位移位并测定平均错动速率，需要地貌与地质证据并用，开挖探槽至最早的崩积楔地质证据并用，开挖探槽至最早的崩积楔D D1 1底部，底部，求得求得D D1 1底面与断层面交点底面与断层面交点P P1 1，延长，延长O Ou u线使之与断层线使之与断层面上延线相交求得交点面上延线相交求得交点P P2 2。则。则P P1 1P P2 2即为三次错断的即为三次错断的累积错距。如求得三个崩积楔的绝对年龄值再累积错距。如求得三个崩积楔的绝对年龄值再将将F F1 1、F F2 2、F F3 3值分别求出，就可以求出平均错动速值分别求出，就可以求出平均错动速率及地震事件的重复间隔。率及地震事件的重复间隔。n nR RC.Buckman(1979)C.Buckman(1979)等研究美国内华达地区断层等研究美国内华达地区断层时发现，断层崖的主坡角时发现，断层崖的主坡角(如图如图4-204-20的的F3F3，E2E2、E1)E1)与其年龄呈负对数相关，其统计经验公式为：与其年龄呈负对数相关，其统计经验公式为：n n -8.5lgT+52.5 (4-5)-8.5lgT+52.5 (4-5)n n其中：其中：为断层崖侵蚀面坡角为断层崖侵蚀面坡角(度度)；T T为断层崖为断层崖的年龄的年龄(年年)。用此式计算得出昌马断裂于昌马地。用此式计算得出昌马断裂于昌马地震之前形成的两级断层崖的年龄分别为：最早一震之前形成的两级断层崖的年龄分别为：最早一次错断形成的最高一级断崖为距今次错断形成的最高一级断崖为距今10847a10847a，第二，第二级断崖则距今级断崖则距今1968a(1968a(见图见图417417，G)G)。n n 古地震震动效应主要是近代沉积层中保存的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喷砂活动迹象。这种现象在我国最早发现子宁夏中宁，最近根据探槽揭露的喷砂活动判定了京、中宁，最近根据探槽揭露的喷砂活动判定了京、津、唐地区距今津、唐地区距今40 00 a40 00 a和和100 0a100 0a的两次大地震事的两次大地震事件件(图图424424、2525、2626）。一次事件发生在绝对年）。一次事件发生在绝对年龄为龄为3999399990a90a的的q q层之前，一次则发生于年龄为层之前，一次则发生于年龄为1690169090a90a的的q q层之后，绝对年龄为层之后，绝对年龄为103060a103060a的的r r层层沉积之前。由此可判定古地震重现间隔约为沉积之前。由此可判定古地震重现间隔约为3000 3000 a a。表4-9 我国一些主要活断裂古地震事件和强震重复间隔活动断裂活动断裂名名 称称活断形状活断形状最近一次强震最近一次强震时间与震级时间与震级 古地震事件古地震事件期次期次 距今年代距今年代 强震重复间隔强震重复间隔（a a）最近两次最近两次 历次平均历次平均备注备注阿尔金山阿尔金山断裂（东段）断裂（东段）左旋逆走滑左旋逆走滑 a 38450 a 38450 18591859 b 24530 2590 b 24530 2590 c 20675 1142 c 20675 1142 d 18580 300 d 18580 300 e 12120 160 e 12120 160 3000 3000 邢成启邢成启19881988昌马断裂昌马断裂左旋走滑逆冲左旋走滑逆冲 1932.12.15 1932.12.15 M=7.5 M=7.5 a 5100 a 5100 340340 b 3100 280 b 3100 28030403040 2500 2500 侯珍清侯珍清 1985 1985海原断裂海原断裂左旋逆走滑左旋逆走滑 1920.12.16 1920.12.16 M=8.5 M=8.5 a 9360 a 9360 b 7380 b 7380 103103 c 6300 70 c 6300 70 d 3680 60 d 3680 60 36003600 2325 2325 刘百刘百 汪一鹏汪一鹏 1985 1985富蕴断裂富蕴断裂右旋走滑右旋走滑 1930.8.10 1930.8.10 M=8.0 M=8.0 a a 全新世早期全新世早期 b 7000 b 7000 80008000 c 3000 d 830 c 3000 d 830 3030 e 230 f 105 e 230 f 105 3.3.冯先岳冯先岳19851985宁夏香宁夏香山天景山天景山断裂山断裂东段东段 1709 M=7.5 1709 M=7.5 5100 510048004800汪一鹏汪一鹏 1990 1990西段西段 a 22090 b 17240 a 22090 b 17240 c 12960 d?c 12960 d?全新世全新世51005100鲜水河断裂鲜水河断裂左旋逆走滑左旋逆走滑 1973.2.6 1973.2.6 M=7.6 M=7.6 a 8910 a 8910 270 b 7430 240270 b 7430 240 b 5150 170 d 4110 180 b 5150 170 d 4110 180 c 3830 180 f 3270 160 c 3830 180 f 3270 160 d 2820 160 h 2100 150 d 2820 160 h 2100 150200300200300 李天诏李天诏（19861986）赵翔赵翔（19841984）安宁河断裂安宁河断裂（北段）（北段）左旋逆走滑左旋逆走滑 a?a?缺年龄缺年龄 b 3736 b 3736 102102 c 2790 150 d 1957 150 c 2790 150 d 1957 150 e 920 80 e 920 80940940钱洪等钱洪等19891989则木河断裂则木河断裂左旋逆走滑左旋逆走滑 a 5615 a 5615 115115 b b 缺年龄值缺年龄值 c 745 c 745 858567867888588512751275任金卫任金卫活动断裂活动断裂名名 称称活断形状活断形状最近一次强震最近一次强震时间与震级时间与震级 古地震事件古地震事件 期次期次 距今年代距今年代 强震重复间隔（强震重复间隔（a a）备注备注最近两次最近两次历次平均历次平均小江断裂小江断裂（西支）（西支）右旋走滑右旋走滑 1883 1883 M=8 M=8 a 4162 a 4162 105 105 b 3210210 b 3210210 c c 缺年龄值缺年龄值 d 2823 d 28237575900900阵眸阵眸 李坪李坪1985 19881985 1988红河断裂红河断裂右旋走滑右旋走滑全新世期间至少发全新世期间至少发生四次强震事件生四次强震事件最大值约最大值约为为2000a2000aC.Allen.K.E.C.Allen.K.E.Sieh,Sieh,韩源等韩源等贺兰山山贺兰山山前断裂前断裂右旋走滑右旋走滑正断层正断层 1739.1.3 1739.1.3 M=8 M=8 a 8000 a 8000 b 4760 b 4760 c 2720 c 2720 d 247 d 2472473247320002000廖玉华廖玉华19861986渭河断裂渭河断裂右旋走滑右旋走滑正断层正断层 1556.1.23 1556.1.23 M=8 M=8 a 2000 a 200015701570李永善等李永善等19821982唐山丰南唐山丰南断裂断裂右旋走滑右旋走滑正断层正断层 1976.7.28 1976.7.28 M=7.8 M=7.8 a 1486 a 1486 b 7665 b 7665 105105 7600760074007400王挺梅王挺梅19841984焱庐断裂焱庐断裂右旋逆走滑右旋逆走滑 1668.7.25 1668.7.25 M=8.5 M=8.5 a 11000 a 11000 b 7400 b 7400 c 3500 c 3500 d 320 d 320 3200320035003500高维明等高维明等19881988 续表n n 另外一种计算地震重复周期的原理为重复周另外一种计算地震重复周期的原理为重复周期期(R)(R)与断裂平均错动速度与断裂平均错动速度(S)(S)成反比，而与一次强成反比，而与一次强震产生的位错量震产生的位错量(D)(D)成正比，即：成正比，即：n n R Rx x=D/S (46)=D/S (46)n n 上式适用于构造应变仅由突发性弹性位错所上式适用于构造应变仅由突发性弹性位错所释放，即断层错动仅为粘滑形式。如果构造应变释放，即断层错动仅为粘滑形式。如果构造应变的释放是粘滑、的释放是粘滑、蠕滑兼而有之，则大地震事件的蠕滑兼而有之，则大地震事件的重现周期为：重现周期为：n n R Rx xD/(DD/(D一一C)C)(47)(47)n n式中式中C C为平均年蠕滑速率。为平均年蠕滑速率。n n43 活断层活动的时空不均匀性活断层活动的时空不均匀性n n 活断层在全新世期间的活动在全世界范围内都活断层在全新世期间的活动在全世界范围内都表现出明显的时空不均匀性。表现出明显的时空不均匀性。n n 在时间上的不均匀性主要表现在活动强度随在时间上的不