第五节 活断层
一、活断层的概念
活断层也称活动断裂，指现今仍在活动或者近期有过活动、不久的将来还可能活动的断层。其中后一种也叫潜在活断层。活断层可使岩层产生错动位移或发生地震，对工程建筑造成很大的甚至无法抗拒的危害。为了更好地评价活断层对工程建筑的影响，一般将工程使用期内（一般为50～100年）可能影响和危害其安全的活断层叫工程活断层。
活断层按两盘错动方向分为走向滑动型断层（平移断层）和倾向滑动型断层（逆断层及正断层）。走向滑动型断层最常见，其特点是断层面陡倾或直立，平直延伸，部分规模很大，断层中常蓄积有较高的能量，引发高震级强烈地震。倾向滑动型断层中逆断层较为常见，它多数是受水平挤压形成，断层倾角较缓，错动时由于上盘为主动盘，故上盘地表变形开裂较严重，岩体较下盘破碎，对建筑物危害较大。倾向滑动型正断层的上盘也为主动盘，故其上盘岩体也较破碎。
活断层按其活动性质分为蠕变型活断层和突发型活断层。蠕变型活断层指只有长期缓慢相对位移变形，不发生地震或只有少数微弱地震的活断层。突发型活断层错动位移是突然发生的，并同时伴发较强烈的地震。具体又分为两种情况，一种是断层错动引发地震的发震断层，另一种情况是因地震引起老断层错动或产生新的断层。如1976年唐山地震时，形成一条长8km的地表错断，最大水平断距达1．63m，垂直断距达0．7m，错开了楼房、道路等一切建筑，如图8-7所示。
二、活断层的特征
（一）活断层的活动具继承性
活断层绝大多数都是继承老断裂活动的历史而继续发展的，而且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过同样的断裂活动，这就是活断层的继承性。尤其是区域性的深大断裂更为多见。
新活动的部位通常只是沿老断裂的某一段发生，或是某些段活动强烈，另一些段则不强烈。活动方式和方向相同也是继承性的一个显著特点。形成时代越新的断层，其继承性也越强，如晚更新世以来的构造运动引起断裂活动能持续至今。
图8-7 唐山地震某地面断层错位
（二）活动方式影响地震大小
活断层的活动方式可以分为蠕滑和黏滑两种形式。蠕滑是一种连续的滑动过程，因其只发生较小的应力降，因而不可能有大地震相伴随。这种方式活动的断层仅伴有小震或无地震活动。黏滑活动则是断层发生快速错动，在突发快速错动前断层呈闭锁状态，往往没有明显的位移发生，在同一条断裂带的不同区段可以有不同的活动方式。黏滑运动的断层有时也会伴有小的蠕动，而大部分地段以蠕动为主的断层，在其端部也会出现黏滑，产生大地震。
（三）活动速率反映活动强度
活断层的活动速率是断层活动性强弱的重要标志。活断层的活动方式不同，其错动速率有显著差异。蠕变型活断层错动速率大多相当缓慢，通常在年均1mm至几十毫米之间，而突发型活断层错动速度相当快，可达0．5～1m／s。同一条活断层上的错动速率有显著差异，其断层错动速率也不均匀，如地震断层临震前速率可成倍剧增，而震后又趋缓，这种变形速率变化特征对地震预测有很大意义。
活断层的错动速率一般是通过精密地形测量（包括精密水准和三角测量）和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得的。根据断层滑动速率，可将活断层分为活动强度不同的级别。
（四）活断层的活动具周期性
同一断层两次突然错动之间的时间间隔，称为活断层的错动周期。由于活断层发生大地震的重复周期往往长达百年甚至数千年，已超出了地震记录的时间。因此，要准确获得一些活断层上强震的重复时间间隔，必须加强史前古地震的研究。该研究的主要方法为：一是利用地震时保存在近代沉积物中的地质证据以及地貌记录，来判定断层活动的次数和每次活动的时代；二是根据我国历史上发生的地震记录资料获取一些活断层活动周期。我国科学家利用古地震研究获得了一些活动大断裂的强震重复周期，如新疆喀什河断裂为2000～2500年，云南红河断裂北段为150±50年，宁夏海原南西华山北麓断裂约为1600年。
三、活断层的识别
（一）地质标志
地质标志是鉴别活断层的最可靠依据。其主要标志如下。
（1）第四系（或近代）地层错动、断裂、褶皱等。
（2）第四系堆积物中常见到小褶皱和小断层被第四系以前的岩层冲断。
（3）沿断层可见河谷、阶地等地貌单元同时发生水平或垂直位移错断。
（4）活断层内由松散的破碎物质所组成，且断层泥与破碎带一般未胶结。
（5）沿断裂带出现地震断层陡坎和地裂缝，断层面或断层崖壁可见擦痕。
（6）第四纪火山锥或熔岩呈线状分布。
（二）地貌标志
—般而言，活断层的构造地貌比较清晰，许多方面的标志可作为鉴别依据。
（1）地形变化差异大，若在两种截然不同的地貌单元（如山岭和平原之间）直线相接的部位，一侧为断陷区，另一侧为隆起区，两者的接触带往往是一条较大断裂。
（2）山前的第四系堆积物厚度大，山前洪积扇特别高或特别低，呈线性排列，与山体不相称。
（3）在山前形成陡坎山脚，常有狭长洼地和沼泽，或者连续显著出现断层崖、断层三角面。
（4）断裂带有植物突然干枯死亡或生长特别罕见植物。
（5）建（构）筑物、公路等工程地基发生倾斜和错开现象。
（6）沿活动断裂带上滑坡、崩塌和泥石流等工程动力地质现象常呈线形密集分布。
（7）山脊、河流阶
地等突然发生明显错断或拐弯。
（三）地震活动标志
（1）在断层带附近有现代地震、地面位移和地形变化及微震发生。
（2）沿断层带有历史地震和现代地震震中分布，且震中呈有规律的线状分布。
（四）水文与水文地质标志
（1）水系呈直线状、格子状展布，河流、河谷等水系突然发生明显错断或呈拐弯折线状。
（2）泉点、地热带、湖泊和山间盆地呈线状（或串珠状）分布，温泉水温和矿化度较高，有时植被呈线状发育。
（五）地壳变形测量、地球物理和地球化学标志
地壳变形测量就是对比同一地区、同一路线相同点位在不同时期测量结果。用这种方法可以确定断层两盘的相对位移。
地震波法等地球物理方法也是研究活断层的有效手段。特别是地震波法广泛应用于松散层中的隐伏断裂研究。
地球化学方法对了解地下断层活动与否具有较高的灵敏度和分辨率。常用的方法是测量土壤中汞、氧气或氨气。当断层有新的活动表现时，这些气体便从地壳内部大量释放，这时分析测定它们的含量，即可判别断层带中气体的异常情况。
四、活断层评价方法
活断层因其未来具有活动的可能性，会以发震、错动或蠕动等方式对工程建设场地稳定性产生影响，所以活断层评价是区域稳定性评价的核心问题。活断层的蠕动及其伴生的地面变形，直接损害断层上及其附近的建筑物。
罗国煜（1992）根据多年实践，认为应从活动性断裂中依据一系列指标划分出优势活动性断裂，并将其分为两类。
（一）区域优势活动性断裂
指常以发震形式影响工程场地稳定性的断裂。
（二）场区优势活动性断裂
指常以错动和蠕动等方式影响场地稳定性的断裂。
活断层评价一般需首先了解工程场地及其附近是否存在活断层，以及活断层的规模、产状特征，活断层活动时代（其中最晚一次活动的时代最为重要），活断层活动性质（黏滑、蠕滑）、活动方式（走滑、倾滑）、活动速率等特征；其次，要了解和评价断层地震危险性，即是否为发震断裂，其最大震级及复发周期。
活断层发震造成工程震害，就其原因和特点来看，主要有两方面：地震振动破坏和地面破坏。
1．地震振动破坏
地震振动破坏程度取决于地震强度、场地条件和建筑物抗震性能。工程地质研究的重点是场地条件对工程的危害性。地震振动破坏取决于工程场地在未来地震造成的地表影响范围和程度。国内外地震灾害统计资料表明，场地地形地质条件会引起地震震害或烈度发生变化。地震震害与震级大小、场地条件和建筑物抗震性能有关。工程地质着重研究场地条件对地震烈度的影响，又称为工程场地地震效应研究。地震振动破坏程度主要取决于以下几个方面。
（1）地质构造条件。就稳定性而言，地块优于褶皱带，老褶皱带优于新褶皱带，隆起区优于凹陷区。非发震活断层往往形成高烈度异常区，而老断裂构造无加重震害趋势。
（2）地基特性。在震中距相同情况下，基岩上的建筑物比较安全。土的成因对其抗震性有很大影响，抗震性能顺序是：洪积物＞冲积物＞海、湖沉积物及人工填土。软硬土层结构不同，烈度影响也不相同。硬土层在上部时，厚度越大震害越轻；软土层在上部时，厚度越大则震害越重。
（3）卓越周期。地震波在地基岩土体中传播，经过不同性质界面的多次反射将出现不同周期的地震波。当地震波的振动周期与场地岩土体的固有周期相近时，由于共振作用而使地震波的振幅得到放大，会使地表振动加强而出现最大峰值，此周期称为卓越周期。建筑物地基受地震冲击而振动，同时也引起建筑物振动。当两者振动周期相同或相近时就会引起共振，使建筑物振幅加大而遭受破坏。例如地基土为巨厚冲积层时，高层建筑（自振周期较长）在远震时易遭受破坏，其原因就是共振。
（4）砂基液化。疏松的粉细砂土含的水饱和后，在受到地震振动作用后，砂土层会完全丧失抗剪强度和承载能力。
（5）场地地貌。孤立突出的地形使震害加剧，低洼沟谷使震害减弱。
（6）地下水埋深。地下水埋藏得越浅，地震烈度增加得越多。
2．地面破坏
地震往往在地面引起地裂缝及沿裂缝发生小错动。地面变形破坏是超过地震振动破坏的主要破坏类型。由于这种破坏位错量大并且是瞬时发生的，工程措施难以抵御它的破坏，所以要避开一段距离。即使是未发过震的活断层，工程也应远离，更不能跨越其上，以防断层位移带动或蠕动，对工程造成影响。地裂缝按其成因主要有两类。
（1）构造地裂缝。可以继承深部发震断裂或蠕动断裂方向。构造成因地裂缝不受地形、土体性质和其他自然条件控制，延伸稳定、活动性强、规模大。在强地震区等现今构造活动带常常出现地裂缝。
（2）非构造地裂缝。与地基液化、抽取地下水等有关。工程避开活断层和地震危险区，应从烈度衰减规律出发，即顺断层走向烈度衰减缓慢，而垂直断层走向时衰减快。所以工程布局应垂直活断层并避开一段距离。以下规定可供参考：地裂缝处每边要离开100～200m，活断层要离开lkm，核电站8km范围内不允许有长1．5km的活断层。汤森族（1999）提出对于重大工程（主要指线状工程）活动断裂安全距离，见表8-4。
表8-4 活动断裂安全距离
复习思考题
1．何谓地震震级，震级和烈度有何区别、联系？
2．建筑物“三水准”的抗震设防要求是什么？
3．地震所引发的工程地质问题有哪些？
4．活断层的识别标志有哪些？
5．简述活断层的评价方法。
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