活動斷裂本身地質災害
① 活動斷裂的涵義及研究方法
自20世紀年代Willis和Wood提出活斷層的概念以來,活動斷裂的研究一直受到各國際地學組織、地質學家和工程地質專家的重視,這是因為活動斷裂不僅為研究現今地球動力學提供了最為重要和直接的證據,而且活動斷裂控制了內外動力地質災害的發生,同時斷裂的蠕滑和粘滑還可能使建(構)築物遭受不同程度的破壞。目前,人類工程活動正向深部和活動構造區不斷推進,活動斷裂引發的工程地質問題和地質災害日益突出,這迫使人們投入大量的人力和物力去研究活動斷裂。
一、活動斷裂的涵義
到目前為止,對活動斷裂的定義國內外還存在不同的觀點和認識,主要集中在活動斷裂的最新一次活動的時間下限、活動斷裂分類(活動強度級別和活動時間的界限劃分)等方面。產生上述分歧的主要原因是:①目前國內外劃分活動斷裂的標准和原則不統一;②各研究者在地殼運動規律的認識上存在差別;③研究者所處的行業不同,特別是研究活動斷裂的目的和任務不同。
Willis(1923)將活動斷裂定義為:「有可能發生滑動的斷層」,尼古拉耶夫(1962)將新近紀以來形成的、決定現代地形基本輪廓的各種構造運動和構造變動稱為新構造運動,將新構造運動時期所形成的不同類型的構造變形系統稱為活動構造,將新構造運動期形成的不同性質、不同規模、不同方向的斷裂構造統稱為活動斷裂。這一觀點曾一度被中國許多學者所接受。Bonilla(1970)認為:「活動斷層是不久前曾經活動,且在不遠的將來可能再次活動的斷層」。丁國瑜(1982)提出:「嚴格說來,活斷層一詞的含義還有許多不明確和有爭議的地方。但一般說來,把活斷層限定為第四紀至今還活動的斷層,即指那些正在活動或斷續活動著的斷層」。任震寰(1983)、許學漢(1994)與其觀點相似。1983年聯合國教科文與國際地科聯組織的國際地質對比計劃——全球主要活動斷裂的對比項目(IGCP—206)將活動斷裂的研究時代從新近紀、第四紀一直持續到現今,把它作為一個連續的過程來處理。美國地球物理研究學會(1986)將活動構造定義為:「對人類社會有顯著影響的時間尺度(幾十年~幾百年)內產生地殼變形的構造過程」。美國原子能委員會和美國核規范委員會將過去5萬年內至少發生一次顯著活動或過去50萬年內發生一次以上顯著活動的斷裂構造稱為能動斷裂。李興唐等(1987)認為,第四紀以來活動過,且未來有可能活動的斷裂稱為活動斷裂。強調活動斷裂必須是基岩內的前第四紀深斷裂或在第四紀期間復活的區域性大、中型斷裂。而對於那些在斷裂帶內或其附近的第四系中,存在著與它有成因聯系的構造形變出露於第四系中的規模較小的斷層,只能稱其為第四紀斷層或活斷層,以示與前者的區別。中華人民共和國岩土工程勘察規范(GB50021—2001)將全新地質時期(1萬年)有過地震活動或近期正在活動,在今後100年內可能繼續活動的斷裂定義為全新活動斷裂;將近500年內發生過5級以上地震、未來100年內可能發生5級以上地震的全新活動斷裂定義為發震斷裂;將1萬年以前活動過、1萬年以來沒有活動過的斷裂定義為非全新活動斷裂。鄧起東(2003)將晚更新世或距今10萬~12萬年以來有過活動的斷裂定義為活動斷裂。周本剛(2004)將距今3萬年(華南地區為5萬年)以來有過活動的斷層定義為工程活動斷層。
總之,目前關於活動斷裂的定義還存在很大的分歧,還沒有一個各行業通用的國際標准和國家標准。綜合考慮上述有關活動斷裂的觀點和有關國家標准並結合青藏高原和西南地區新生代以來的構造演化規律,認為在青藏高原及其周邊地區的重大工程規劃過程中,將第四紀以來有過活動的斷裂作為活動斷裂來處理是比較適宜的,鑒於青藏高原東南部高山峽谷區的地形地貌條件和第四紀地質特點,應當將晚更新世以來的活動斷裂作為重點研究對象。
二、活動斷裂的主要研究方法
1.活動斷裂的鑒別標志
對活動斷裂的鑒別標志,易明初(1993)進行過系統總結,歸納出地層標志、地貌標志、斷裂破碎帶標志、地下水標志、岩漿活動標志、地震標志、遙感標志、考古標志和儀器測量標志9大類76條活動斷裂鑒別標志。許學漢(1994)提出從地形地貌、形變觀測、地球物理異常、遙感影像特徵、地震活動性、火山活動、溫泉分布及構造事件測年等不同方面鑒別活動斷裂。Keller和Pinter(1996)從歷史地震與古地震、第四紀地質、構造地貌、大地測量、地貌指數、河流變遷、海岸地貌和造山作用不同角度,系統論述活動斷裂鑒別標志。韓同林(1987)對西藏活動構造分布、形成時代與構造-地震、構造-地貌、構造-地熱關系進行過專門討論。吳章明等(1992)從構造地貌、地震地質和遙感影像角度分析了西藏中部活動斷裂鑒別標志。丁國瑜等(1993)進一步論述了不同類型活動斷層及分段性鑒別標志,包括形態標志、地貌標志、變形標志、岩石地層標志、地震標志和地球物理標志。馬宗晉(1992)將活動斷裂鑒別標志歸納為遙感影像標志、構造地貌標志、地層變動標志、水文地質標志、斷裂結構組成標志和斷裂微地貌標志幾大類型。以下結合滇藏鐵路沿線的地質構造背景,對適合高山峽谷區活動斷裂鑒定的主要標志總結如下:
(1)遙感影像標志
活動斷裂在衛星和航空遙感圖上常有顯著的線性影像標志,尤其是主幹活動斷裂在遙感影像圖上常呈現出明顯的線性淺色或深色帶。線性色調的粗細、長短、深淺、隱顯是區分活動斷裂規模、活動強弱的重要標志;強烈活動斷裂的特徵一般是線性色調明顯或兩側色調反差強、影像粗、連續性好,往往反映長達百餘公里、寬至數公里的活動斷裂帶;活動性不明顯的斷裂,線性形跡僅隱約可見,兩側色調反差微弱,肉眼難以分辨,缺少第四紀活動標志(馬宗晉,1992)。
對ETM衛星遙感資料進行特殊圖像增強處理,能夠使活動斷裂及相關地形、地貌、水系、沉積等線性影像更加清晰,從而提高活動斷裂遙感解譯的精度和可靠性。滇藏鐵路沿線的ETM遙感數據和圖像質量總體優良,對活動斷層及斷層位移具有良好的解譯效果。在一些關鍵地段,將中小比例尺的衛星遙感影像和大中比例尺航空照片結合起來進行綜合解譯,或者應用高精度、高解析度的SPOT衛星遙感資料鑒別活動斷層、確定斷層位移,取得了很好的效果。
(2)斷裂帶構造變形與斷層位移標志
斷裂運動常伴有強烈的構造變形,形成不同類型的構造岩和形變構造。斷裂帶常見的構造岩包括斷層角礫岩、碎裂岩、碎粒岩、假玄武玻璃、斷層泥等。活動斷層破碎帶常發育新鮮的斷層泥或未膠結的鬆散斷層角礫、沿斷層帶發育構造楔和崩積楔;在一些斷層面發育擦痕、階步和摩擦鏡面,對斷層擦痕、階步進行觀測可判斷斷層性質和運動方向。斷層泥、斷層鈣質膠結物和崩積物可用熱釋光、光釋光、鈾系、ESR、14C方法測年,以便進一步確定斷層活動時代。活動斷層破碎帶常切割第四紀地層,斷層內部常發育不同類型的節理或裂隙,部分活動斷層發育片理,並伴生小型褶曲。不同性質的活動斷層具有不同特點的斷層位移,活動走滑斷層常長距離水平錯動第四紀地貌面如夷平面、河流階地、湖岸階地與水系、山脊、沖洪積扇等,導致水系與沖洪積扇定向遷移;部分活動走滑斷層切割錯斷河流,形成斷頭河和斷頭溝。活動正斷層切割第四紀地貌面,導致地貌面高度梯次規律性變化,如玉龍雪山東麓活動斷裂成為盆-山邊界斷層。活動逆斷層切割錯動地貌面,導致地貌面順斷裂帶發生梯次抬升,如喜馬拉雅山主中央逆沖斷裂帶(MCT)。通過觀測斷層錯動的第四紀不同時期沉積標志,可以鑒別活動斷層性質和不同時期位移量,估算斷層運動速度。在探槽揭露的斷層帶和天然斷層剖面,對斷層產狀、構造岩結構組成、錯斷地層時代、斷層運動特點進行觀測,對鑒別活動斷層、測定斷層活動時代、判別斷層性質具有重要意義。
(3)地層與沉積標志
盡管滇藏鐵路沿線大部分處於高山峽谷區,但在活動斷裂調查過程中,地層與沉積標志仍是鑒別活動斷層、判別斷層活動時代的良好依據。通過觀測斷層與地層關系,測定受斷層切割、錯斷、控制的地層時代,能夠良好地確定斷層活動時期。滇藏鐵路沿線廣泛分布著第四紀不同時期冰磧和冰水沉積、湖相沉積、沖洪積物等,對這些沉積地層進行精確測年,建立第四系地層的年代框架,能夠為鑒別、研究活動斷層提供重要科學依據。明顯切割、錯動上更新統湖相沉積地層、上更新統河流相礫石層、上更新統冰磧物和冰水沉積物、上更新統泉華沉積而未明顯切割全新統沉積層的斷層均屬晚更新世活動斷層;明顯切割、錯斷全新統河流相砂礫石層、全新統湖相沉積層、全新統泉華沉積、全新統冰磧和冰水沉積的不同性質斷層均屬全新世活動斷層。
(4)地震標志
活動斷裂不均勻粘滑運動是孕育地震的重要原因,活動斷裂對地震孕育、發生和分布具有顯著的控製作用。因此歷史地震和古地震是鑒別活動斷裂、研究斷裂活動習性的重要標志。古地震、歷史地震、現代地震分布明顯受活動斷裂控制,地震遺跡如地表地震破裂帶、堰塞塘、地震裂縫、地震陡坎、地震崩積楔、地震沙土液化、地震崩塌、古地震溝成為全新世活動斷裂(地震斷裂)重要鑒別標志。儀器觀測、記錄地震震中的顯著線性分布能夠良好地揭示地震斷裂的空間分布。古地震斷層具有快速切割、錯動痕跡,如快速剪切、錯斷鬆散沉積物中的礫石、結核、湖相沉積和人工建築。古地震斷層被後期沉積所覆蓋、掩埋,通過確定切割地層和覆蓋層的時代,可以判別古地震發生相對時代和古地震復發規律。古地震溝是古地震活動所遺留的具有陡坎的線性凹地和線性溝槽(馬宗晉,1992),是鑒別古地震和地震斷裂的重要標志之一。
統計分析表明,地震震級和復發周期與斷層運動速度存在函數關系,斷層運動速度越大,活動性越強,地震復發周期越短。因此,地震破裂、地震分布、地震遺跡既是研究地震活動規律的重要線索,也是鑒別地震斷裂、研究斷裂活動規律的重要標志。值得指出,活動斷裂鑒別的地震標志僅適用於粘滑型地震斷裂,對蠕滑型活動斷裂需要應用其他非地震標志進行鑒別。
(5)地貌標志
不同性質的活動斷層對地貌形成演化都具有顯著的控製作用,形成不同類型的斷層地貌。常見活動斷層地貌包括斷層陡坎、斷層三角面、斷層溝谷、斷層隆起、懸谷與斷層崖、不對稱地貌階地、地貌分界及地貌梯度帶。不同類型的斷層地貌成為不同性質活動斷層鑒別的常用標志;但僅據活動斷層的地貌標志難以確定斷層時代和准確標定斷層位置,需要與沉積標志、地震標志、物探標志及年代學標志等有機地結合,進行綜合分析,必要時可以考慮使用鑽探和槽探方法進行揭露。
活動斷層切割現代水系和溝谷,導致水系和溝谷錯位、偏離、急劇拐彎,形成斷頭河、斷尾河、斷塞塘及斷層兩盤河谷寬度的不對稱現象。活動斷層也能夠切割、錯斷現代沖洪積扇體,切割、錯斷夷平面、河流階地、山脊、湖積台地,成為鑒別活動斷層、測量斷層位移的重要標志。
(6)溫泉活動
天然溫泉是地殼深部熱水沿活動斷裂運移、富集並向上湧出地表所形成的、具有較高溫度的上升泉水,是地球內部熱能釋放的重要方式之一。溫泉據泉水溫度劃分為低溫溫泉(25~40℃)、中溫溫泉(40~60℃)、中高溫溫泉(60~80℃)、高溫溫泉(80~100℃)和沸泉(≥100℃)。絕大部分天然溫泉分布都嚴格受活動斷裂控制,出露於斷層谷地和山麓地區斷層破碎帶;很多著名的溫泉發育於不同方向區域性活動斷裂的交叉復合部位,高溫溫泉活動帶和強烈地震活動帶在空間上具有良好的對應關系。張性正斷層、張扭性斜滑斷層和扭性走滑斷裂都是溫泉形成的有利構造部位,部分中低溫溫泉受褶皺構造和地形地貌控制,與斷裂關系不明顯。
滇藏鐵路沿線絕大部分溫泉都成群、成帶分布於活動斷裂帶與裂陷盆地、拉分盆地與斷陷盆地,盆地內部溫泉空間展布明顯受盆緣邊界活動斷裂或盆內活動斷層控制。因此,天然溫泉既是斷裂活動的產物,又是活動斷裂的重要鑒別標志,環形或橢圓形溫泉群常指示不同方向活動斷裂的交叉復合,線性展布的溫泉群和泉華群能夠較好地指示活動斷裂的位置。
(7)地球物理異常
地球物理探測如電法勘探、地震反射、氡氣測量能夠較好地揭示隱伏活動斷裂的位置、產狀和性質,是活動斷裂鑒別的重要標志。活動斷裂具有良好的含水性,產生顯著的低電阻率異常,與完整岩石之間的電性差異較大。採用直流電聯合剖面測深方法,通過固定電極距的電極排列,沿剖面線逐點供電和測量,獲得視電阻率剖面曲線。應用電法勘探獲得測線的視電阻率曲線,地下岩層、土層橫向電性變化有明顯反應,對追索構造破碎帶、確定活動斷層位置具有良好效果。氡氣放射性測量是勘測活動斷裂的成熟方法,通過測量土壤氡及其衰變子體產生的α粒子的數量,能夠有效地確定活動斷層和構造破碎帶位置和寬度。部分學者觀測到氡氣含量在地震前後的顯著變化規律,並嘗試應用氡氣含量連續觀測方法監測斷層運動和地震活動規律。活動斷裂還具有顯著的地震波速異常,斷層面和斷層破碎帶對地震波傳播具有顯著影響,能夠利用地震探測方法揭示活動斷層和隱伏活動斷層的產狀、性質和延伸情況。
2.斷裂活動時代的測年方法
測年技術的發展為定量研究斷裂活動時代提供了有效工具,常用的活動斷裂測年方法包括鈾系等值線測年、電子自旋共振(ESR)測年、熱釋光(TL)測年、光釋光(OSL)測年和14C同位素測年,通過測定斷層切割最新地層、覆蓋斷層的最老地層、斷層破碎帶方解石脈、斷層泥和構造楔形體的形成年齡,確定斷層形成與活動時代。本次研究主要應用鈾系等值線、電子自旋共振(ESR)、熱釋光(TL)、光釋光(OSL)、14C等測年方法,取得可靠的年代學數據。
(1)鈾系等值線法測年
鈾系法是鈾系不平衡測年方法的簡稱。鈾系不平衡測年方法的基本原理是:自然界中存在3個放射性衰變系列,放射性元素鈾、釷和錒的衰變遵循以下放射性衰變規律:
滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題
式中,t代表時間(年齡);N0為初始放射性強度;N為t時的放射性強度。放射性系列中的母體與子體元素在復雜的地球化學環境中,由於溶解度的差異、擴散遷移、吸附作用、齊拉-契滿斯效應等物理和化學性質的差別,當地質條件改變時,子體從母體的衰變鏈中分離出來,造成衰變平衡的破壞,從而使子體相對虧損或相對過剩。通過測定樣品中母體與子體含量,根據衰變產物的積累或過剩產物衰變的方法,可由衰變定律推算出年齡。
在天然放射性系列238U-206Pb中,當母體與子體達到平衡時,有λ1N1=λ2N2=λnNn。然而,當樣品所處的地球化學環境改變時,平衡鏈被破壞,造成子體的相對虧損或相對過剩,即鈾系不平衡。230Th和234U是衰變鏈中的2個子體,假定在封閉系統中,230Th全部由樣品的238U和234U衰變生成,那麼230Th/234U比值可用下式表示:
滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題
230Th隨時間的生長速率為:
滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題
式中,λ230、λ234、λ238分別是230Th、234U、238U的衰變常數。根據實際測量得到的230Th/234U和234U/238U的比值,按照上述公式計算年齡t。230Th的半衰期(T1/2)=75200年,這一方法可以測44~40萬年的樣品,是鈾系法中最為常用的方法。U系法測年范圍一般在4000年至30萬年之間。
對海洋珊瑚礁與洞穴純碳酸鹽,可直接測定樣品230Th/234U和234U/238U比值,計算樣品形成年齡。但湖相沉積與斷層相關碳酸鹽樣品常含早期礦物殘留物,由於難以將樣品碳酸鹽相和非碳酸鹽相完全分開,新生碳酸鹽礦物和殘留非碳酸鹽礦物年齡相差很大,因此常規分析方法難以得到合理的年齡數據。通常可以對所測量的含碳酸鹽沉積物樣品採用篩分和沉降方法對樣品進行粒級和密度分選,取得3~4個子樣;對每個子樣進行全溶,分別測定U、Th同位素比值,以234U/232Th對238U/232Th作圖,所得等值線斜率就是碳酸鹽234U/238U比值;以230Th/232Th對234U/232Th作圖,所得等值線斜率就是碳酸鹽230Th/234U比值;這樣得出的比值代表去掉碎屑和殘留物質污染的新生碳酸鹽的同位素比值,代入公式可計算得出新生碳酸鹽樣品的形成年齡,稱之為U系等值線年齡。
鈾系法測年樣品應新鮮,不純碳酸鹽中碳酸鹽樣品含量盡可能高。本次研究主要採用鈾系等值線法對湖相地層、鈣質泉華、鈣質膠結物進行測年,取得了良好效果。
(2)電子自旋共振(ESR)測年
斷裂在形成與活動過程中,沿斷裂破碎帶常形成不同類型的斷層裂隙,成為地下水或熱流體儲藏和運移的重要場所,並在一定溫壓條件下(溫度≤100℃,深度≤3 km)沉積同構造期方解石脈與石膏脈。採取同構造期的方解石脈與石膏脈樣品,應用電子自旋共振(ESR)方法測定其年齡,便可以確定斷層的形成活動時代。其原理是:樣品自形成以來,受到周圍環境的放射性輻射,在晶體內部產生空穴電子。樣品所受到輻射總劑量(Nd)與樣品所積累的空穴電子數量呈正比,而樣品空穴電子數量可通過ESR磁譜儀測定,由此可以確定樣品在地質歷史時期所受輻射總劑量(Nd)。
樣品所受輻射總劑量(Nd)的測定是ESR測年的關鍵。將樣品粉碎,挑選0.1~0.2 mm的純方解石或純石膏顆粒,在0.1N的鹽酸溶液中浸泡3分鍾;然後用蒸餾水清洗樣品,在60~70℃的溫度條件下將樣品烘乾。將烘乾後的樣品縮分為5~8份,每份樣品重300 mg。將縮分後的樣品用60Co產生的劑量為5、10、20、30、40、50、60、70、80krad的γ射線照射。將照射後的樣品放入石英管,用ESR波譜儀測定樣品的波譜曲線與信號強度。樣品的ESR信號強度(I)與60Co劑量呈線性相關關系或指數相關關系,相關直線或曲線在60Co坐標上的截距(信號強度I=0)便為樣品自形成以來所受輻射總劑量(Nd)(Henning et al.,1983;Wagner,1998)。ESR測年的另外一個重要參數是年輻射劑量(D),與樣品放射性元素U、Th、K含量呈線性相關關系。可通過測定樣品或環境中放射性元素U、Th、K含量,根據放射性平衡模式得到各元素放射性衰變對α、β、γ射線強度的貢獻(Henning et al.,1983;Nambi and Aitkan,1986),計算年輻射劑量(D)。計算公式如下:
滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題
上式中,U表示放射性元素鈾含量(×10-6),Th表示放射性元素釷含量(×10-6),K表示放射性元素鉀含量(%)。在測定樣品輻射總劑量(Nd)與年輻射劑量(D)的基礎上,依據公式t=Nd/D,計算得出樣品年齡(t),進而確定斷層活動時期。
(3)熱釋光(TL)測年
熱釋光(TL)測年是從考古學發展起來的一種方法,目前已經成為第四紀沉積年齡和第四紀地質事件年代的重要測年手段。其原理是:物質加熱至400~500℃,能發出一種光(熱釋光),再加熱,光消失,即貯存的能量被耗盡。因為某些晶體礦物通過放射性元素能吸收一些能量,貯存起來,時間越長,吸收越多,主要吸收的是鈾、釷、鉀、40K放射性衰變釋放出來的能量,這樣可測定岩石礦物生成或結晶時代和岩石礦物受熱時代。當岩石礦物受到斷層活動作用時,某些礦物有可能使原來的熱釋光能量全部退掉,重新積累能量。根據現在已知的能量大小可推斷其受熱事件的年代,即該晶體所經受的最後一次熱事件至今的年齡。
熱釋光法測年范圍可從幾百年至約50萬年,誤差2%~5%,測年最佳時段為5萬~10萬年。樣品採集對象主要為陶片、烘烤層、黃土及含大量方解石或石英顆粒的細砂或粉砂,樣品要求新鮮的,最好從表層刨進去20~50 cm,並進行周圍地質環境記錄。因此,在條件許可情況下,在採集陶片、磚瓦、方解石、砂土等樣品過程中,應把標本周圍的環境物質一起取來進行分析(表3-1)。
表3-1 熱釋光法測年采樣要求
(4)光釋光(OSL)測年方法
盡管TL方法可測對象種類多,然而在遇到諸如沉積作用(或構造事件)中樣品繼承性的輻射效應能否消除,即何時才作為計算沉積地質樣品的年齡起點等問題時,該類測年方法在應用理論和實驗技術上均存在難以克服的困難。為此,基於沉積作用(沉積物)的光釋光(OSL,Optically Stimulated Luminescence)測年技術開始產生並發展起來。OSL測年技術是由加拿大學者D.J.Huntley 1985年首先提出的,它為短期地質、氣候、考古事件的年代測定提供了一種有效的技術手段。與TL測年技術不同,OSL測年技術的零點是陽光,因而從根本上克服了TL測年技術零點難以確定的不足,這大大提高了測年的准確性。利用OSL信號來測定沉積物地層的年齡時,地質樣品應滿足如下條件:①沉積物中的石英等礦物在搬運、沉積過程中曾暴露在陽光之下,即使暴露的時間很短暫;②這些石英等礦物OSL信號具有足夠高的熱穩定性,即在常溫下不發生衰減;⑧沉積物沉積埋藏以來,這些石英等礦物處在恆定的電離輻射場里,它們所接收輻射劑量率為常數,這要求沉積層基本上處於U、Th、K封閉體系。只有這樣,石英等礦物天然積存的OSL信號強度測量值才是自然樣品所在沉積層的沉積年齡。
(5)14C同位素測年方法
14C同位素測年是晚第四紀研究中最常用的測年方法。在含碳質的生物死後,同位素12C、13C及14C的交換停止,這時14C按指數規律不斷衰變,半衰期為5730±40年。含碳質的物質年齡越長,剩下的14C越少。14C方法所測得年齡可由4萬年至幾百年,現在最新技術可檢測到12萬年的樣品。我國用14C年齡測定法所測得岩層的年齡最老的是5萬年。
常用14C同位素測年方法測定與斷層活動相關的沉積層含碳物質的年代,從而間接推知斷層活動的年代。測定被錯斷的沉積層年代,可得知斷層活動的下限年代;測定斷層活動的相關堆積物(如斷塞塘和崩塌楔等底部)年代,可得知斷層活動的年代;測定沒有變動的斷層上面的覆蓋沉積層年代,可得知斷層活動的上限年代。14C樣品包括各類有機碳和無機碳,樣品採集量與樣品中碳的含量有關(表3-2),對於年齡大於36000年或要求有較高精度的樣品,樣品採集量應為要求量的2倍。
(6)地質定年方法
滇藏鐵路沿線部分活動斷裂發育於第四系分布區,部分活動斷裂位於基岩出露區。第四紀不同時期、不同類型的沉積層以及地貌標志可以在鑒別活動斷裂、判別斷裂活動時代方面發揮重要作用。例如,研究程度比較高的第四紀冰磧與冰水沉積層、第四紀湖相沉積層、第四紀泉華沉積、第四紀地貌面、河流階地、河流沉積等通過區域研究和對比都有相應的時代歸屬,在不易取到年齡樣品的情況下,可以直接通過研究活動斷裂與這些沉積層和地貌標志之間的切割、覆蓋關系,大致判別第四紀斷裂的形成活動時代,為分析斷裂活動規律、估算斷裂運動速度提供重要資料。
表3-2 14C同位素測年采樣要求
三、活動斷裂的分級
斷裂帶分級是區域地殼穩定評價需要考慮的重要方面之一。李興唐等(1987)認為,產生大地震的活動斷裂總是沿著近代活動的深斷裂和新生代以來形成的深斷裂和裂谷發育。如果沒有深斷裂,較完整的地塊不會發生中強以上地震(Ms≥5)。斷裂延伸越長,切割深度越大,斷裂的規模、深度越大。斷裂帶岩石的粘結程度越高,所需要的形變應力越大,地震的震源規模和震級也就越大。因此,斷裂規模和切割深度是控制地殼近代活動性、地震帶的極重要的因素。許多工程地質和構造地質學家都重視深斷裂與地殼近代活動性和地震的關系。
張文佑先生(1975)按照斷裂的切割深度,將斷裂分為4級,即岩石圈斷裂、地殼斷裂、基底斷裂和蓋層斷裂。在區域地殼穩定性評價研究中,斷裂帶分級的主要指標通常包括:斷裂帶的規模(斷裂帶的長度、寬度及其所涉及的構造層次等)、斷裂帶與該區不同級別活動地塊的關系及其在地塊活動中所起的作用。根據青藏高原東南緣的地質構造格局以及最新的活動地塊劃分方法,可將研究區的活動斷裂劃分為4級(表3-3)。構成一級活動地塊邊界的活動斷裂帶屬於一級斷裂帶(岩石圈斷裂),如雅魯藏布江斷裂帶、紅河斷裂帶。位於一級地塊內部構成二級活動地塊邊界的活動斷裂帶屬於二級斷裂帶(地殼斷裂),如德欽-中甸斷裂帶、龍蟠-喬後斷裂帶、麗江-劍川斷裂帶和永勝-賓川斷裂帶等。位於二級活動地塊內部的次一級活動斷裂帶屬於三級斷裂帶(基底斷裂),如麗江-大具斷裂、松桂西緣斷裂帶和鶴慶東緣斷裂帶等。位於盆地內部的中小規模斷裂一般屬於蓋層斷裂。
表3-3 活動斷裂的分級及其主要特徵表
② 活動斷裂
活動斷裂是指晚更新世以來一直在活動,現在正在活動,未來一定時期內仍會發生活動的斷裂。活動斷裂與現代構造活動是相連一體的,它是現代構造活動的一部分,與現代地球動力作用、地震活動和地質災害緊密相關[23]。由鄧啟東等編制的中國活動構造圖(1∶400萬)詳盡地表示了活動斷裂、活動褶皺、活動盆地、活動塊體、火山和地震等不同類型的活動構造及其運動學參數(圖3–3)。中國處於印度板塊、太平洋板塊和菲律賓海板塊的夾持之中,是一個晚第四紀和現代構造活動強烈的地區。板塊之間的晚第四紀和現代活動邊界通過喜馬拉雅和台灣地區,其他地區為板塊內部地區。板塊邊界構造帶是最重要的活動構造帶,因而形成現代活動造山帶及強烈活動的地震帶和火山帶;板塊內部並不真正是剛性的,尤其是在大陸內部存在板內塊體的相對運動,且其活動程度有所區別,從而形成活動程度不同的活動塊體和活動構造帶[24]。中國活動構造圖共表示了(10~12)×104a以來有活動的斷裂800餘條,現代地震和古地震地震破裂帶80餘條,其中有近200條活動斷裂約400個滑動速率值,70餘條地震地表破裂帶約150個同震位移參數。總的來看,西部活動斷裂規模大、數量多、活動強,東部活動斷裂規模小、數量少、強度弱。
③ 地震活動斷裂災害評價
地震活動斷裂探測工作的重要內容之一是客觀地科學地評價其災害性。從現有的資料看,海口地區尚未進行過專門的地震地質災害(包括活動斷裂災害)評價工作。但區內開展的大量地震地質、歷史地震、地質調查、工程地震安全性評價等工作,均為活動斷裂的災害評價提供了一些實際資料。
地震斷裂是城市規劃、工程建設、地區安全性評價中最受重視的問題之一。地震斷裂災害是構造力破壞地表的直接現象,它延伸的方向性明顯,破壞力強,不受地形地貌與岩性所控制,常把水系、公路、山脊錯開,位於斷裂帶上和附近的建築物在強地震活動的瞬間均遭嚴重破壞。世界上所有的強震活動都證明,地震斷裂活動是現有抗禦條件下難以抗禦的地震地質災害。海口潛在震源區震級上限是7級,鄰區的鋪前潛在震源區震級上限是7.5級,老城潛在震源區震級上限是7級,其他稍遠的潛在震源區震級上限也有6級以上。因此,在海口地區均有產生地震斷裂災害的可能性。
本區的斷裂有延伸上百千米、延深大於30km、切割莫霍面延深至上地幔的深大斷裂(如近東西向的馬裊-鋪前斷裂),有延伸長度達幾十千米、延深大於10km的基底斷裂(如北西向的海口-雲龍斷裂、長流-仙溝斷裂)。它們共同的特點是活動時間晚且強烈,均為正斷層。近東西向的馬裊-鋪前斷裂帶上(或者與北西向斷裂的交會處)一旦發生破壞性地震,其震級可能達到7級,沿著斷裂帶及其兩側數十米的范圍內,斷裂面發生錯動,將引起地面位移和發生沉降或抬升,造成毀滅性破壞。北西向的長流-仙溝斷裂、海口-雲龍斷裂一般只會發生5級左右的地震,但它們與馬裊-鋪前斷裂的交會處,強震時,斷裂兩側的地帶也會發生嚴重震害,尤其是海口-雲龍斷裂北段的海府地區,將會發生嚴重的砂土液化、軟土震陷等震害。
1605年7月13日午夜,瓊北發生7.5級大地震,震中位於光村-鋪前斷裂的東端,瓊山區的塔市與文昌市的鋪前鎮之間,斷裂北側坡體下陷成海,面積逾100km 2,最大下陷幅度達9m,毀滅了72個村莊,死亡人口約3300人。
④ 活動斷層的概念及研究意義
新構造的重要表現之一是活動斷層,又稱活斷層。它是與人類活動關系最為密切的活動構造。但活動斷層的概念爭議較大,其焦點在於活動斷層活動的時間上限問題。有的主張把第四紀以來活動過的斷層都叫活動斷層,有的主張限定在晚更新世之內,有的主張限於最近35 ka(按14C確定的絕對年齡的可靠上限)之內,也有的主張只限於全新世之內。時間差距較大。然而,大家研究的重點則是一致的,都注重研究從第四紀以來反復活動著,與地震活動緊密相關的,今後可能繼續活動的斷層。從工程使用的時間尺度和斷層活動資料的准確性考慮,時間上限不宜過長與過短。時間上限太長,則活動斷層太多,不利於工程建設;如時間上限過短,則會遺漏很多活動斷層,對工程也有影響。因此,應結合工程類型及其重要程度,給予活動斷層以明確的含義。
美國原子能委員會等機構從歷史性和現實性觀點出發,將活動斷層分為兩類。一類是狹義的,稱為「活動斷層」,其概念是全新世(10ka)以來活動的斷層,並且未來仍有可能活動,該活動可以找到地質的、歷史考古的、地震活動的、地球物理的以及大地測量的諸多證據,它對現代工程實踐和地震預報等有著最直接和密切的關系。另一類是廣義的,稱為「能動斷層」,其含義是:①在過去35 ka 內至少有過一次活動的證據,或在過去0.5Ma內有反復活動的證據;②與之有聯系的斷層;③沿該斷裂帶儀器記錄到微震活動。美國的這個概念後來被不少國家參考使用。
目前一般認為晚第四紀(晚第四紀指距今100~120ka以來的時段)以來有活動的斷層叫活動斷層。
活斷層研究具有十分重要的意義。隨著國民經濟建設的發展,大型工程設施愈來愈多,如超高建築、大型橋梁、隧道、大型水庫、核電站、高速公路、地下鐵道、國際機場、重要廣播、電視發射台、重要通信樞紐、大型化工廠等。為確保工程的安全,活斷層對工程的影響和破壞作用是不可忽視的。活斷層對工程設施的破壞作用主要表現在三個方面:①由於斷層重新活動發生地震引起的破壞;②由於斷層緩慢蠕動造成地表破裂和位移;③由於斷層活動引起地質災害如滑坡、崩塌等。因此,在工程進行可行性研究前,務必引起工程主管決策人和設計人員的高度重視,以避免或減少活斷層給工程安全帶來的隱患。
⑤ 活動斷層標志
1.地質標志
(1)新地層(沉積物)錯斷標志
最新沉積物(地層)錯開是活動斷層最可靠的地質特徵。一般地說,只要見到第四紀晚期的沉積物被錯斷,無論是老斷層的復活或新斷層的出現,均可鑒別為活動斷層(圖10-1,10-6,10-7)。鑒別時需注意與滑坡產生的地層錯斷相區別。
圖10-6 四川鮮水河活動斷裂(四川石棉縣)
活動斷裂下部發育在基岩(花崗岩)中,上部錯斷2級階地沖積物
①第四系中的錯動面;②角度不整合;③沖積物(Q3);④基岩斷層;⑤花崗岩
(2)斷層岩特徵標志
活動斷層破碎帶通常由鬆散物質組成,而老斷層的破碎帶均有不同程度的膠結。未膠結和膠結極差的疏鬆構造岩、斷層泥的存在可作為判別活動斷層的地質標志。
(3)成生關系標志
在地質構造上,證實與已知活斷層有共性或同生關系的斷層也可認為是活動斷層。
2.地貌標志
活動斷層產生的地貌標志多種多樣(圖10-8),如斷層崖、水系、山脊、階地、洪積扇等錯斷(圖10-9);斷層破碎帶形成的斷層溝槽、坡中谷等線性地貌;串珠狀或斜列式盆地或沼澤、湖泊的分布;密集的台階式陡坎(圖10-10)、線形脊、閘門山、斷塞塘、地震溝;乾旱地區的一線綠洲、沼澤、沙丘等出現,它們往往指示活斷層的存在。
圖10-7 雲南巧家南熱水村第四紀斷層
(趙和平攝)
3.地質災害標志
山崩、滑坡、倒石堆沿斷裂帶呈明顯的帶狀分布,但應注意區別重力作用的地質災害。
4.地球物理標志
圖10-8 活動斷層地貌
圖10-9 四川則木河斷裂左旋錯移沖溝3.8m
(聞學澤攝)
圖10-10 念青唐古拉山南東山麓斷層陡坎
(據國家地震局,1992)
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ示4級陡坎
重力和磁力正負異常的分界線和梯級帶,尤其是排除了地貌、岩性所引起的異常,即由於壓強差所反映出的重力均衡異常梯級帶,以及地震波探測剖面中所反映的斷距明顯的(常以千米計)深部界面的存在。
5.地球化學標志
地球化學測量反映的水化學異常及冷泉、溫泉、承壓泉、汽泉等呈線狀排列;同位素異常成帶分布,很多氣體,如CO2、H2、He、Ne、Ar、Rn、Hg、As、Sb、Bi、B等的含量一般都會偏高。
6.地震活動性標志
斷層帶內有現代強震,或歷史上有破壞性地震,或發現有晚更新世以來的古地震遺跡,或現代小震沿斷層密集成帶分布。
誘發或產生地震的活動斷層稱震源斷層或發震斷層。地震在地面產生的各種變形形跡叫地震遺跡。研究古地震及現代地震遺跡,對研究活動斷層的位置、規模、產狀、運動方式等具有十分重要的意義。地震時在地表產生的破裂叫地震斷層,也有人稱地震地表破裂(帶)、地表斷層等。大地震的地震遺跡主要有地震斷層、地裂縫、構造楔、崩積楔、地震溝、地震鼓包、地震滑坡、地震崩塌、碎石林及沙土液化(沙脈)等(圖10-11)。
圖10-11 四川雷波翼子壩斷層古地震遺跡
①第四紀砂礫石層;②地震裂縫;③含礫細砂層;④泥質層;⑤沙脈
2008年5月12日14時28分發生的四川汶川的8.0級地震(簡稱5·12汶川地震)震驚世界,是新中國成立以來破壞性最強、影響范圍最廣、救災難度最大的一次地震。地震造成大量人員傷亡和房屋倒塌損壞,基礎設施大面積損毀,工農業生產遭受重大損失,生態環境遭到嚴重破壞,直接經濟損失數千億元。地震引發的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生災害舉世罕見。
「5·12」汶川地震地表破裂樣式是近期發生的大陸特大地震中結構最復雜、地表破裂的長度也最長的一次地震地表破裂。汶川大地震與龍門山推覆構造帶的中央斷裂(北川-映秀斷裂)的前山斷裂(灌縣-江油斷裂)的強烈活動有關。地震活動時北川-映秀斷裂地震地表破裂帶長約240km,以右旋平移-逆斷層型破裂為主,最大垂直位移(6.5±0.5)m,最大右旋走滑位移4.9m。灌縣-江油斷裂地震地表破裂帶長約72km,主要為逆斷層型地表破裂,最大垂直位移3.5m。另外,在上述兩條地表破裂帶西部的彭州小魚洞一帶還發育一條NW向帶有逆沖垂直分量的左旋走滑地表破裂帶,長約6km。
7.地形變測量標志
跨斷層的短水準和基線測量系統會發現斷層具有明顯活動,包括水平運動和垂直運動。
8.文物古跡錯斷標志
沿斷裂帶一側或兩側古墓群、城牆或其他地物標志發生明顯的變形。如寧夏紅果子溝北東向斷裂切錯長城1.45 m等。
9.遙感影像標志
沿斷層線性異常,包括線性影像醒目,但應注意區別非構造成因的線性異常。
在識別活動斷層時,上述標志必須綜合考慮,互相引證,並從區域性著眼,才能得出正確的鑒別,避免被個別標志和局部現象混淆迷惑。如第四紀地層中的小規模斷裂,可以是由於種種非構造原因(如下部地層的充水膨脹或脫水下陷)所引起的,所以需強調多方面的綜合論證,以防止誤斷。
⑥ 斷層算不算地質災害
不算,那是自然形成,地質災害因為板塊活動,引起
⑦ 活動斷裂調查與區域穩定性評價確保鐵路工程建設和運行安全
中國地質科學院地質力學所
青藏鐵路是實施西部大開發戰略的標志性工程,是中國新世紀四大工程之一。該路東起青海西寧,西至拉薩,全長1956千米。滇藏鐵路是我國規劃建設的重點工程之一,是繼青藏鐵路之後規劃的第二條進藏鐵路,途經雲南西北部和西藏東南部,全長約1500千米。
青藏鐵路和滇藏鐵路均處於印度板塊與歐亞板塊碰撞帶附近,鐵路沿線地形地貌和地質條件極其復雜,活動斷裂、地震和地質災害強烈發育,而且鐵路沿線前瞻性區域工程地質和地質災害等方面的研究成果十分匱乏,鐵路工程規劃和建設受到嚴重製約(圖1)。
為了查明鐵路沿線新構造活動特徵和重要活動斷裂分布特徵,完善青藏、滇藏鐵路設計與施工方案,診治地質「病害」並解決重大工程地質問題,保障鐵路安全運營,國土資源大調查項目先後開展了「青藏鐵路沿線活動斷層調查與地應力測量」、「青藏鐵路活動斷裂調查與監測」、「滇藏鐵路沿線地殼穩定性調查評價」等工作。
開展活動斷裂調查與區域穩定性評價的中國地質科學院地質力學所技術人員克服野外生活條件艱苦、交通不便和高原缺氧等不利條件,瞄準鐵路規劃建設中迫切需要解決的活動斷裂、地殼穩定性和地質災害、特殊性岩土體等重大工程地質問題,採用多種先進技術方法和手段開展了調查與評價研究。實測了364個冰丘、24條構造裂縫帶、14個滑坡體和7處泥石流,發現了6個移動冰丘和若干嚴重災害隱患。沿青藏鐵路唐古拉—拉薩段埋設了15個GPS測量標志,建立GPS觀測區域網,完成了2期GPS測量任務;在西大灘、安多、羊八井、五道梁分別建立了地應力綜合監測站;重新釐定了14條重要的全新世或晚更新世以來的活動斷裂。
通過項目實施,獲得了大量的地質資料,取得了顯著的經濟社會效益:
(1)提交了鐵路隧道地應力測量與工程穩定性分析報告、1:2000活動斷層與地質災害分布圖、1:10萬衛星遙感影像圖與活動斷層分布圖及青藏鐵路沿線活動斷裂勘測成果報告,應用於設計施工中,為青藏鐵路優化設計施工方案提供了重要依據。
(2)發現85道班移動冰丘、83道班移動冰丘、雅瑪爾南移動冰丘及氂牛成群穿越路基產生的災害隱患,沿青藏鐵路對斷裂誘發地質災害進行了跨季節對比觀測,應用三維數值模擬技術計算分析了移動冰丘等地質災害對線路工程的破壞機理,多次提交青藏鐵路沿線地質災害隱患報告及防治建議,管理部門及時採取了必要的工程防治措施,有效地消除了隱患,保障了青藏鐵路工程質量和運營安全。
圖1 滇藏鐵路沿線復雜的工程地質條件
(3)鐵路設計部門採納了調查技術人員提出的麗江—香格里拉線路優化方案,使昆明鐵路局滇西鐵路建設指揮部在該段工程節約投資約4.3億元,初步估算可節約工期4個月。
(4)活動斷裂調查與區域穩定性評價核心成果還在西藏地質礦產勘查開發局、成都地質礦產研究所、成都理工大學地質災害防治國家重點實驗室、西藏大學、西南交通大學等單位得到推廣應用,產生了顯著的經濟效益和社會效益。
(5)建立了具有很高的工程實用價值且簡便易行的分區評價及特殊岩體判定方法,已在滇西片區鐵路建設中推廣應用。
⑧ 活斷層和地震的關系及有關地震減災的知識
本世紀末,全球擁有200萬以上人口的城市已達110餘個,其中有40%位於構造板塊邊界200公里以內,或靠近過去曾發生過破壞性地震的地區。44個左右的大城市已發生過破壞性地震的就有28個。從1906年的舊金山大地震開始,到1999年為止,死亡人數達50餘萬,財產損失約3750億美元,影響經濟產值(停工停產、外貿等)1800億美元。
另外,從聯合國人口報告統計來看,有30億大中小城市居民(其中發展中國家城市佔80%)生活在地震危險區中,預計到2035年以前,地震危險區的人口還會增加1倍。
這種狀況延續下去只會有增無減,所以做好防災減災工作是必須的,應積極有效地計劃、實施防災減災工作。
怎樣才能最有效地開展防災減災工作?25個多地震國家都曾採取過各種抗、防、救措施,這為我們提供了豐富、寶貴的經驗。
一些發達國家的大都市(如美國加州聖安德烈斯大斷層上的舊金山、洛杉磯等大城市,日本東京地震圈及阪神地震帶),已形成地震抗震防災人員和城市規劃人員之間的協作,並在政府指導下,共同採取措施減輕未來地震所造成的人員傷亡、財產損失和對社會經濟的沖擊,已經收到一定的實際效果。據估計1994年1月17日洛杉磯7.1級地震,災害損失減少50%;1995年9月30日墨西哥城7級地震,災害損失減少了60%。
可借鑒的多地震國家的經驗
在實施減災措施同時,需保持社會經濟可持續發展,各國的做法各不相同,如:日本:提高建築抗震性能、防震演習、快速通信與運輸,有效利用地下空間;墨西哥:備用城市通信系統、利用地下空間;美國:整治城市環境(土地利用、活斷層調查等),改進建築物的建築方式、提高抗震效果,加強地震早期檢驗系統、快速反應救援、保障運輸系統、讓"地震的發生是日常生活的一部分,下一次你准備好了嗎?"成為公民的生活意識。
此外,多震國家必須具備地震早期預警系統;發展智能建築,安裝強震儀,自救設備、自開自關設備(傳震開關,球形避震屋,高層下滑自控,計算機保安);個人、志願隊、社區、軍隊和政府的快速反應;推廣高中低檔的救災工具設施;參觀地震現場(編制現場考察-社會經濟報表格式);開發建築物地震測檢台;成立社區防震聯合培訓班;開展小型地震演習,安裝警報器;利用GPS、GIS、可視光碟、車載電視系統防災救災;高技術設備的防震;計算機系統的防震;生命線系統的防震,包括家庭的、公用設施;散發地震准備手冊;購買地震保險,個人、公司都參加;建房要選址抗震,老房要加固,選用地震警報器,購置自救、自保護、逃生器具;群測群防;編制關於城市的、社區的、公司的、工廠的、家庭的、個人的地震抗震防災規劃和准備計劃;普及地震理論與應用教材;防災減災所用圖表匯集;地震預防手冊;地震救援自願組織;地震慈善救濟(紅十字會救災統計資料庫資料);軍隊應急響應的經驗教訓。
究竟該如何做好防災減災工作
據統計,從1960年到1997年,主要自然災害的種類增加了4倍,現有14種;在同一時期經濟損失增加了6倍,保險損失共增加了14倍。這種趨勢表明,減災戰略和計劃比預期中的效率要低。城市在增加,人口在增長,高價值設施在集中,而人的防抗救能力(知識、技術、投資等)在減弱。在這種情況下,我們的戰略應表達為要象重視國家安全那樣,重視地震安全,增強減災能力。
從各個國家的防災減災行動中可以看出國際間的合作和政府與有關部門的統籌規劃是必不可少的。政府可制定從上到下的減災措施,包括:
建立地震預測預警系統;建立災害評估系統;建立應急救援系統和建立震後恢復重建系統,把研究、開發和實際應用很好地結合起來,協調起來,獲得減災效果。
政府還要告訴大眾和決策部門,防震減災應做什麼,包括:
學習災害提供的經驗;購買地震災害保險,利用法律保護自己;普及宣傳教育,提供各類防抗小冊子;改進各類地震信息的傳播方法和利用;增加防抗救的技術手段供選擇使用;公開承認人類在防抗救做法上的錯誤,增加地震安全方面的意識與知識;多學科交叉做好防抗救的研究與應用。
概述以上政府做法,總結出防災減災管理工作的運作準則可分為:人才、資金、物資的大量投入;有效的信息傳播和運輸保障;實用的城市抗震防災規劃編制;有效的監督檢查及改進。
最後產生的防災規劃應具備以下特徵
一、從個人方面
(1)認識和承認災害的存在;
(2)用現有知識主動行動以保持安定秩序;
(3)技術、政治、社會、經濟、法律、心理、軍事、國際相結合的災害整體觀念。
二、從有關決策部門方面
(1)理論與應用、新概念與新技術的結合而不是分割;
(2)應急資源協同與准備,自主決策、自主保障;
(3)預估可能發生的問題與困難,准備解決的方案,加速緊急狀態下的快速反應行動。
三、從政府方面
(1)組織協調:政府、單位、社區、家庭、個人;
(2)城市功能的整備與發揮、維修與重建;
(3)實際需要與供給
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⑨ 活動性斷裂通過什麼對工程造成畏寒和引起巨大災害
活動性斷裂→活動→形變→形變應變能→粘滑活動,釋放能量,產生強烈地震→地震災害+地害誘發的地質災害等,地震堰塞湖潰壩等→引起巨大災害。