地应力是怎么影响断层活动的？

断裂是岩层在内动力作用下断错的力学行为。据其断裂大小和两侧岩层位移的情况，断裂构造分为三类：一类岩层发生了断裂但两盘岩石没有发生明显的相对位移，称为节理；一类断裂变动微细，但没有明显破坏岩石的连续性，称为劈理；如果断裂明显且两侧岩石发生了明显的相对位移，则称为断层，也正是本文讨论的重点。

张北县台路沟乡后花村大型地质遗迹——玄武岩柱状节理照片（拍摄者：李振）

岩石滑劈理和轴面劈理照片（来源于网络）

 断层大小不一、规模不等，小的不足一米，大到数百、上千千米，破坏了岩层的连续性和完整性。一次大的地震不仅可以破裂地下岩层，还会在地表留下破裂带。在断层带上往往岩石破碎，易被风化侵蚀。沿断层线常常发育为沟谷，有时出现泉或湖泊。

 汶川地震映秀-北川断裂地表破裂（来源于李海兵PPT）

断层的研究，特别是活动断层的研究具有重要的理论意义和实际意义，因为地壳断块沿断层的突然运动是地震发生的主要原因。活动断层的研究不仅可以对短期预报提供依据，进而减小地震灾害造成的损失。随着对断层机制研究的深入，还可能准确地预报地震，甚至控制地震。在地质工程方面，活动断层的研究可以对重大工程设计、施工建设提供建议，能够有利保障工程顺利施工、安全运营；活动断层的研究也能为矿产资源调查提供理论依据。

一、活动断层的定义

断层犹如地球的伤痕一样，在内部动力作用下，还会再次发生破裂、滑动。这类现今或近代地质时期曾有过活动，将来还可能重新活动的断层，称为活动断层或活断层。活动断层的具体活动时限国内外学者的认识并不完全一致，美国原子能委员会，将其定为1万年以来。中国学者倾向于晚第四纪以来（260万年）发生构造作用的断层，并且着重详细研究晚更新世（12万年以来）、全新世期间（1万年以来）的活动特征。

二、活动断层的动力来源

是什么力量导致岩层断裂、错位呢？在地壳运动中，局部地段产生强大的压力、张力和剪力（统称地应力），超过岩层本身的强度对岩石产生破坏作用而形成的。至于什么是地壳，为什么地壳运动呢？这就得从地球的内部结构说起。

地球结构由地表到内部依次可分为地壳、地幔、地核。做个形象的比喻，地球就像一个鸡蛋，地核就相当于蛋黄，地幔就相当于蛋清，地壳就相当于蛋壳。一般认为上地幔聚集着大量的放射元素，放射性元素衰变造成局部热异常，将岩石熔融，形成一个软流层。软流圈以上的地幔和地壳共同组成了岩石圈，岩石圈并非是整体一块，可以理解为由若干刚性板块拼合起来的圈层。软流圈就像传输带一样，推动岩石圈运动，形成板块运动。

地球内部结构示意图（来源于网络）

板块运动中，在地壳局部部位产生强大的构造应力，对韧性岩层，局部应力就像作用于橡皮泥一样，使它们发生变形，形成褶皱；对脆性岩层，局部应力就像撕开纸片，使岩层发生破裂，并沿破裂面有明显相对位移，形成断层。

应力与岩层响应示意图

三、断层活动分类

断层由断层面、断盘组成，破裂面即是断层面。两侧的岩体即是断盘，位于断层面之上的称为上盘，断层面之下的称为下盘；如断层面直立，则相对于断层面的方位来描述，如北西盘-南东盘。

断层几何要素示意图

地壳受内部动力驱动，地壳局部地段相对应力聚集区，形成拉力、压力和剪力区。拉力区地壳伸展，上盘相对下盘发生下降滑移，形成正断层；压力区地壳汇聚、压缩，上盘相对下盘发生上升滑移，形成逆断层；剪力区，断层两侧地壳错动，沿断层走向作相对水平运动，形成走滑断层。

断层受力及结构示意图

四、断层活动方式

在板块运动作用下，当地质体内存储的应变能量达到一定程度、构造应力超出断层所能承受度时，犹如地球表面伤痕的活动断层以多种多样的形式活动。断层活动引起的构造地震最为人们所熟知，例如2008年汶川地震就是龙门山断裂的构造运动引起的。然而，断层活动不仅仅只是地震的形式，断层在几秒的时间内破裂、滑动，将储存能量急剧释放，也可以以慢地震的形式，在持续时间几分钟、几小时甚至几十天里，将能量缓慢的释放掉，或以难以察觉的相对蠕滑释放能量。至于断层是以急剧还是以缓慢形式活动，主要取决于断层所处地质体岩石强度。岩石强度较高，断层带锁固能力强，断层在构造运动作用下，间歇性突然滑动，常伴有地震活动，此类活动断层称为“粘滑型活动断层”；断层处于岩石强度较低的软岩中时，断层带锁固能力弱，两侧岩层沿断层面连续缓慢地滑动，一般无震发生，有时可伴有小震，此类活动断层称为“蠕滑型活动断层”。

另外，当地壳中引张或引张-剪切应力大于当地岩石破裂强度时，便可能形成张性或张-剪性破裂，如若这些裂隙互相连通，就可以作为岩浆喷发的通道。琼北地区长流-仙沟断裂南起长昌煤矿一带，向北经长流入海，延伸至广东徐闻灯楼角。断裂表现为正断兼左旋方式活动，沿北西向展布。受该断裂带控制，石山-永兴熔岩台地上马鞍岭、雷虎岭等几十个火山口沿北西向呈中心式群体性喷发，串珠状展布于石山一带。

琼北火山沿断裂串珠状分布图

五、活动断层调查及监测

采用遥感、地面调查、地球物理等方法，开展活动断裂的空间分布、破裂带特征调查。开展断层带地应力测量与监测、数字模拟工作，获取地壳局部地段相对应力聚集情况，判别断裂活动性。

我国地质、地震部门在重要地区、重要的活动断层带设置了密集监测台网。监测微震震中位置，通过现代地震研究活动断层，也是判别断层活动性最直接有效的方法。另外，在可能活动断层两侧进行精密断层变形测量，也是开展地震预报研究最直接的方法。因此，以钻孔应变、微地震相结合的方式开展断裂带监测，可有效的调查断层的空间展布、断层活动方式、断层活动程度，特别是对于水体覆盖下海域活动断层，该法可弥补现代物探手段调查效果不显著的技术缺陷。

地应力监测台站分布图（来源于中国地应力调查报告<2017年>）

六、渤海海峡地应力与活动断裂分布

渤海海峡跨海通道规划区总体受北西向断裂控制，具有活动断裂北少南多、地形北低南高、地貌北沟南岛、沟槽岛屿相间分布。通过物探调查、地应力测量和微震监测，分析断裂现今活动速率和微震分布特征，并与陆岛地质钻探资料相互验证，确定渤海海峡跨海通道规划区发育19条活动断裂，其中规划线路穿越8条全新世活动断裂，特别是砣矶岛北断裂和长岛-芝罘岛断裂为发震断裂。

砣矶岛北断裂在公元173年发生过砣矶岛7.5级地震，现今监测微地震活动294次。长岛-芝罘岛断裂在1548年发生过蓬莱7.0级地震，现今监测微地震活动217次，主要分布在大黑山岛向北西方向20千米范围内；其与北沟-玲珑断裂（F6）在大黑山岛的交汇处存在剪应力集中区。现今活动速率分别为3.2毫米/年和4.6毫米/年，有错切规划线路的危险。规划线路登州头至北隍城岛段需优先采用桥梁或柔性支护结构的隧道方案。

渤海海峡活动断裂及微地震分布图

         钻孔地应力测量只反映测点处的应力状态，要了解区域应力特征，充分考虑地质体不均匀性，特别是对现今地应力场有较大影响的断层，选取适当的区域建立地质模型；必须由测点的应力状态，推算研究区域内部应力的分布，判别断层带受力状态及其活动性。根据其地质及地形特征，以渤海海峡为中心线，选取宽度625km，高度670km为方形区域，厚度为50km，建立地质模型，模拟区域内部应力的分布。研究区地应力场剪应力τxy受到郯庐断裂带、张渤断裂带、黄县弧形断裂、北沟-玲珑断裂、金州断裂及鸭绿江断裂带影响，分别在唐山、平谷、海城、黄县、威海-莱西-即墨一带出现剪切应力集中区。渤海海峡南端受北沟-玲珑断裂影响，剪应力集中，异常值较大，跨海通道选线应给予足够重视。

黄渤海地区区域应力模拟模型及结果

七、断层活动的影响

断层活动的常见且为大家熟悉的危害表现在伴随地震发生、强烈的地面震动对较大范围内的建筑造成影响。如2008年汶川8.0级地震沿青藏高原东缘的龙门山造成约240km的地表破裂带，沿破裂带山崩地裂、河流阻塞、屋毁人亡，其危害性巨大。1605年琼山7.5级地震造成铺前湾约100多平方公里、70多个村庄陆陷成海，形成 “海底村庄”。造成房屋倒塌、沉没，人员伤亡惨重。

汶川地震造成桥梁破坏（来源于网络）

 另外，断层破碎带常为地下水的良好通道，沿断层风化及岩溶发育，易形成工程地质软弱带，降低地基岩体强度、完整性及稳定性。对断层带建（构）筑物错切破坏和变形破坏，造成房屋开裂、道路错动、管道变形破坏等。 活动断裂的缓慢活动（蠕滑）及其伴生的地质灾害造成的危害相对较小，但也是需要通过设防措施来阻止的，所以相关规划部门在场地选址过程中要充分考虑。

 断层引起的管道（来源于网络）、隧道等工程变形（来源于中国地应力调查报告<2017年>）

断层活动的影响也不仅仅只是危害，区域性断层常常控制或影响区域成矿作用，为人民生产、生活带来了丰富的矿产、肥沃的土壤及地热资源，如山东招远金矿。断层是石油、天然气、地下水等的赋存、运移的通道；在规模较大的断层附近或断层发育地区，常常形成大规模的“地热田”。如著名的西藏羊八井热泉。

结语

活动断裂在区域应力场驱动下，可能诱发地震及火山活动，引起地表错动及变形破坏。同时地震波震动效应可能诱发、加剧岩土体失稳、滑坡及地表错动等地质灾害。导致工程错断、隧道破坏、核泄露等次生灾害，威胁城市、重大工程生命线安全，影响人类社会的安定和社会经济的可持续发展。需加强在综合考虑断裂、地震、火山等因素影响，评价内动力作用下现今地壳的相对稳定程度，为跨海交通工程、滨海城市群等规划建设选址提供科学依据。