工程地质分析原理 (76).pdf

活断层的工程地质研究活断层的工程地质研究活断层研究方法遥感图象的计算机识别QUICKBIRD ETM（TM图象）图象增强处理地貌学研究山脊位错研究山脊位错研究河流变形研究河流变形研究洪积扇变形研究洪积扇变形研究岩溶地形研究岩溶地形研究夷平面研究夷平面研究海岸地形研究海岸地形研究地质研究研究标志面及标志层研究标志面及标志层的位错的位错大比例尺活动构造测绘大比例尺活动构造测绘第四纪地层中断层天然露头、探第四纪地层中断层天然露头、探槽开挖揭示采用构造地质学的研槽开挖揭示采用构造地质学的研究方法进行解剖究方法进行解剖第四纪成因类型及组合关系研究第四纪成因类型及组合关系研究生物化石研究4.7 4.7 活断层的调查、监测活断层的调查、监测4.7.1 活断层的调查活断层的调查人工地震探测地球物理和地球化学研究大地电磁测深甚低频测氡地形变测量VLBISLR（卫星激光测距）GPSINSAR(合成孔径雷达干涉测量)活断层测年传统测年方法光释光测年多重扩散域测年宇宙成因放射性核素测年考古法14C铀系法K-Ar法FT（裂变径迹法）TL（热释光）ESR（电子自旋共振）“浮动时标”测年法活断层研究方法活断层的工程地质调查目的在于准确确定建活断层的工程地质调查目的在于准确确定建筑区附近活断层带位置，确定筑区附近活断层带位置，确定建筑区内有无活断建筑区内有无活断层层，活断层带的宽度活断层带的宽度，错动最大幅值及变形带宽错动最大幅值及变形带宽度度，以及，以及间断活动的时间间隔间断活动的时间间隔，如果伴有地震，如果伴有地震，则应进行地震研究则应进行地震研究(见第五章见第五章)。航测照片可以看到地表研究所不能看到的迹象，近年来快航测照片可以看到地表研究所不能看到的迹象，近年来快鸟鸟(QUICK BIRD)(QUICK BIRD)卫片精度达卫片精度达0.68m,0.68m,在研究属于线性构造的在研究属于线性构造的断层中是很有用的。有些主干走向错动活断层在图上极易断层中是很有用的。有些主干走向错动活断层在图上极易看出看出 另一些极端情况，例如逆断层，既使是有丰富经另一些极端情况，例如逆断层，既使是有丰富经验的解译者也只能定为可疑断层，所以一定要两个有经验验的解译者也只能定为可疑断层，所以一定要两个有经验的人分别解译，以排除不可靠的主观判断。区域研究用的人分别解译，以排除不可靠的主观判断。区域研究用1:300001:30000一一1:600001:60000，详细研究用，详细研究用1:100001:10000一一1:200001:20000的图件。的图件。4.7.1.1 4.7.1.1 低阳光角航空摄影或高精度卫片低阳光角航空摄影或高精度卫片4.7.1.1 4.7.1.1 低阳光角航空摄影或高精度卫片低阳光角航空摄影或高精度卫片4.7.1.2 4.7.1.2 现场调查现场调查（1 1）开挖探槽开挖探槽开挖断层是研究活断层活动特性、确定其间断活动开挖断层是研究活断层活动特性、确定其间断活动时间间隔的必不可少的手段。时间间隔的必不可少的手段。主要研究跨断层的最新沉积是否被断层错断及其错主要研究跨断层的最新沉积是否被断层错断及其错动幅度；提供含碳物质的样品以定绝对年龄，以便判定动幅度；提供含碳物质的样品以定绝对年龄，以便判定活动的时代；揭露重复错动证据，如较老地层比新地层活动的时代；揭露重复错动证据，如较老地层比新地层错距大、多次的地层砂土液化造成的多次喷砂的地层记错距大、多次的地层砂土液化造成的多次喷砂的地层记录等等，以判定间歇错动的时间间隔。所需探槽深度一录等等，以判定间歇错动的时间间隔。所需探槽深度一般不大，约为般不大，约为2 2-4m4m。揭露后应仔细研究细节。揭露后应仔细研究细节。在研究中须注意的以下几点；在研究中须注意的以下几点；(1)(1)断层泥的表观“新鲜程度”断层泥的表观“新鲜程度”不能用于作为断层近期不能用于作为断层近期活动的证据，因为在地表风化带以下断层往往成糊状未风活动的证据，因为在地表风化带以下断层往往成糊状未风化的外貌，由新鲜土及未风化的破碎岩石组成，既使数百化的外貌，由新鲜土及未风化的破碎岩石组成，既使数百年无错动也是这样。年无错动也是这样。(2)(2)擦痕面方向不能作为判定相对运动的证据擦痕面方向不能作为判定相对运动的证据，因为近，因为近地表处，不管断层位移方向怎样，断层泥都有向阻力最小地表处，不管断层位移方向怎样，断层泥都有向阻力最小的上方挤出的趋势。的上方挤出的趋势。4.7.2 4.7.2 活断层的监测活断层的监测对工程或对发生较强地震有重要意义的活断层应监测对工程或对发生较强地震有重要意义的活断层应监测其活动动态。其活动动态。监测有位移监测和微震监测两方面监测有位移监测和微震监测两方面，两者应配合进行。，两者应配合进行。位移监测的方法是多种的，从不同时期的卫星影象的比较位移监测的方法是多种的，从不同时期的卫星影象的比较研究、基线重复测量到埋置仪器检测。这里主要讲一种行研究、基线重复测量到埋置仪器检测。这里主要讲一种行之有效的埋置仪器监测。之有效的埋置仪器监测。在坑道中跨过断层埋置伸长计可以连续地监测断层活在坑道中跨过断层埋置伸长计可以连续地监测断层活动动态。动动态。现今还在蠕动的断层，需采现今还在蠕动的断层，需采用用重复精密水准测量重复精密水准测量(水准水准环测或三角、三边测量环测或三角、三边测量)。近年还采用近年还采用全球定位系统全球定位系统(GPS(GPS，Global Positioning Global Positioning System)System)或超长基线或超长基线(VLBI)(VLBI)或激光测卫（或激光测卫（SLRSLR）测量法测得两盘相对位移。测量法测得两盘相对位移。GPS测量某水电站活断层监测装置，监测水平方向移某水电站活断层监测装置，监测水平方向移动，固定在断层两侧动，固定在断层两侧4.7.3 4.7.3 活断层活动年代的测定活断层活动年代的测定在地震地质、现代构造运动和大型工程设施区域在地震地质、现代构造运动和大型工程设施区域稳定性研究中，确定断层最后一次活动至关重要。目前稳定性研究中，确定断层最后一次活动至关重要。目前有两类确定方法：有两类确定方法：其一为确定断层活动时代其一为确定断层活动时代区间区间，即活动年代的上，即活动年代的上限和下限，多以被断层错断或未错断的地质体（地层）限和下限，多以被断层错断或未错断的地质体（地层）或地貌的年代来表示；或地貌的年代来表示；其二为直接测定断层活动过程中产生的物质的年其二为直接测定断层活动过程中产生的物质的年代（相对年龄测定和代（相对年龄测定和绝对年龄测定绝对年龄测定），即提取断层活动），即提取断层活动生成的地质时期的计时信息。生成的地质时期的计时信息。石英碎砾表面结构扫描电镜:石英碎砾表面结构扫描电镜分析方法,是一种根据断层带内石英碎砾表面形貌结构特征来判断断层最新活动年代的定性研究方法。研究的基本方法是,从断层带物质中分离出石英颗粒,在扫描电镜下分析其表面形貌结构随时间而发生的溶蚀特征,确定其溶蚀时间,进而判断导致石英破裂的断层活动时代。此法虽不能给出断层最新活动的绝对年代数据。一般溶蚀环境下:贝壳状断口Q4-Q3晚期;次贝壳状断口 Q3 中期;类贝壳状断口Q3 早期;随溶蚀时间推移,相继出现桔皮状.虫蛀状.锅穴状.珊瑚状等形貌结构。相对年龄测定：相对年龄测定：棱角状颗粒次棱角状颗粒颗粒表面的贝壳状断口贝壳状断口贝壳状断口次贝壳状断口类贝壳状断口类贝壳状断口类贝壳-桔皮状状断口桔皮状结构桔皮状结构虫蛀状结构虫蛀状结构虫蛀状结构形貌破裂面贝壳状次贝壳状桔皮状鱼鳞状苔藓状钟乳状虫蛀状锅穴状珊瑚状地质时代全新世晚更新世中更新世早更新世上新世中新世abc断层泥中石英碎屑表面形貌及其生成的相对年代绝对年龄测年绝对年龄测年用于断层活动（古地震事件）测年方法与第四纪地质学和考古学测年方法相同，现行方法超过20种，它们有不同的原理、研究水平、适用范围和年代系列。但可概况为放射性测年法和相对测年法（表4-11）。方 法类 型方法名称最佳测年范围（ka）最大测年范围（ka）样品物质或观测量对象样品用量/g备注放射性方法碳十四（14C）0.20.4（普通）120(AMS)木头、木炭、含碳沉积物、骨头、贝壳、珊瑚5500AMS14C(0.0050.01g)热释光（TL）1200500砖、陶片、方解石、烘烤层、黄土、曝光充分的沉积物、断层泥100300方解石TL测年范围1000ka光释光（OSL）200500各种沉积物200500电子自旋共振（ESR）100500断层泥、断层岩、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐类502000裂变径迹（FT）1106云母、磷灰石、绿帘石和断层岩、火山玻璃100500颗粒铀系（US）50300600骨头、钟乳石、珊瑚、火山岩等100钾氩10106玄武岩、辉石、海绿石、长石等0.510铍十（10Be）10105锰结核、石英、陨石氯三十六（36Cl）10105盐湖沉积、冰川、地下水、火山岩、陨石铝二十六（26Al）10105海洋沉积、锰结核、冰川、陨石相对年方法植物生长率10地衣生长率、树木年轮氨基酸外消旋101031104骨化石、贝壳、深海钙沉积物孢粉106沉积岩、细粒堆积物50100系列样品土壤发育5103土壤剖面50100系列样品地形演化100断层陡坎、阶地陡坎系列剖面风化晕15砾石层和地貌面表面砾石统计量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数值模拟研究。来进行数值模拟研究。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，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，地震震源机制解点，活动的已知点，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，历史上不同震级时代、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、多种应的地层层中等，使数值分析结果能与多个点、多种应力力形变场参数相似合，就可有效地排除多解性，使模形变场参数相似合，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密切结合相互验证，才能使区域断层新活动性的研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断深入。究不断深入。