活動(dòng)斷層_地震災(zāi)害與減災(zāi)對(duì)策問題

1、活動(dòng)斷層、地震災(zāi)害與減災(zāi)對(duì)策問題1徐錫偉(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029摘要本文在對(duì)活動(dòng)斷層的定義和相關(guān)概念的論述基礎(chǔ)上,通過活動(dòng)斷層與地震災(zāi)害間空間分布上的相關(guān)性分析,以及海原斷裂帶松山和阿爾金斷裂帶阿克塞老城西等地點(diǎn)的探槽地質(zhì)剖面的介紹等,揭示出活動(dòng)斷層近地表永久性地質(zhì)變形的局部化特征,永久變形帶寬度一般小于30m 。文章最后介紹了美國(guó)加州地震斷層劃定法案的主要內(nèi)容和活動(dòng)斷層填圖計(jì)劃作為積極有效減災(zāi)的一項(xiàng)公益性對(duì)策,指出中國(guó)大陸地區(qū)應(yīng)有步驟地開展大比例尺活動(dòng)斷層填圖來(lái)有效地減輕可能遭遇的地震災(zāi)害。關(guān)鍵詞:活動(dòng)斷層地震災(zāi)害地質(zhì)變形減災(zāi)對(duì)策1 活動(dòng)斷層相關(guān)概念鑒于活動(dòng)斷層在重大工程場(chǎng)

2、地、核電站選址和城市生命線工程的安全性評(píng)估等方面的重要性,加上與第四紀(jì)環(huán)境和地震、地質(zhì)災(zāi)害在成因上和空間上的相關(guān)性,中外學(xué)者給予了各不相同的定義。考慮到中國(guó)大陸地殼的構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)烈,第四紀(jì)斷層眾多,同時(shí)又能滿足各級(jí)工程地震安全性評(píng)價(jià)和地震危險(xiǎn)性評(píng)估的適用性和有效性,“活動(dòng)斷層”指距今10萬(wàn)年以來(lái)活動(dòng)過,現(xiàn)今正在活動(dòng),并在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)仍有可能活動(dòng)的斷層(徐煜堅(jiān),1982;鄧起東,1991;徐錫偉等,2002;中國(guó)地震局,2005。曾發(fā)生和可能再發(fā)生中強(qiáng)以上地震的活動(dòng)斷層稱為地震活動(dòng)斷層(徐錫偉等,2002;中國(guó)地震局,2005。“與活動(dòng)斷層概念相關(guān)的近義詞包括地震斷層,發(fā)震斷層,新生斷層,能動(dòng)斷

3、層,全新世斷層,晚更新世斷層,中更新世斷層和第四紀(jì)斷層等。地震斷層 地震時(shí)發(fā)生破裂或錯(cuò)動(dòng)形成的斷層,它們是先存斷層再次粘滑錯(cuò)動(dòng)在地表的反映,或者是在一定的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下伴隨著地震的發(fā)生而形成的新生斷層(丁國(guó)瑜,1982;鄧起東,1982;李起彤,1991;Scholz, 1990;徐錫偉、何昌榮,1996;國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2001。發(fā)震斷層 在空間上控制地震發(fā)生的,或有歷史地震地表破裂的,或存在古地震遺跡的活動(dòng)斷層。一般指能產(chǎn)生震級(jí)大于或等于5級(jí)地震的活動(dòng)斷層(中國(guó)地震局,2005。1 國(guó)家發(fā)改委發(fā)改投資城市活斷層試驗(yàn)探測(cè)項(xiàng)目(20041138資助成果收稿日期 2006-01-09作者簡(jiǎn)

4、介 徐錫偉,男,生于1962年。1989年獲國(guó)家地震局地質(zhì)研究所(中國(guó)科技大學(xué)研究生院構(gòu)造地質(zhì)學(xué)博士。中國(guó)地震局地質(zhì)研究所研究員,博士生導(dǎo)師。主要從事活動(dòng)構(gòu)造學(xué)、地震地質(zhì)學(xué)和地震災(zāi)害學(xué)研究工作。 E-Mail: xiweixu第1卷 第1期 2006年3月震災(zāi)防御技術(shù)Technology for Earthquake Disaster PreventionV ol. 1, No. 1Mar. , 2006震災(zāi)防御技術(shù)1卷8新生斷層由于塊體的轉(zhuǎn)動(dòng)或構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化,某一地震的震源錯(cuò)動(dòng)及其地表破裂明顯地偏離、甚至切割先存斷層,這樣的地震地表破裂或地震斷層稱之為新生斷層。其最明顯的一個(gè)構(gòu)造特征是震源

5、的錯(cuò)動(dòng)與先存斷層無(wú)關(guān),地震的發(fā)生對(duì)應(yīng)于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中完整巖石的破裂。新生斷層形成的典型例子是1973年的遼寧海城地震和1912年的南冰島地震。前者形成了與北北東向主干活動(dòng)斷裂斜交的一條北西向新生斷層,長(zhǎng)約5km,最大左旋水平位移僅55cm,主震前的小震(前震活動(dòng)特征類似于完整巖石破裂前的聲發(fā)射序列特征(徐錫偉、何昌榮,1996;后者在沒有先存斷層的現(xiàn)代玄武巖覆蓋區(qū)形成了長(zhǎng)不足1km、近南北向展布的雁狀排列的地裂縫帶(Scholz, 1990。能動(dòng)斷層是由美國(guó)原子能委員會(huì)根據(jù)核電站選址的需要而提出來(lái)的一個(gè)與活動(dòng)斷層相關(guān)的概念,即不久的將來(lái)可能活動(dòng)的斷層謂之能動(dòng)斷層。全新世斷層距今10 000a以

6、來(lái)在地表或近地表發(fā)生過位移的活動(dòng)斷層(中國(guó)地震局, 2005。晚更新世斷層距今10000a120000a期間在地表或近地表發(fā)生過位移、斷錯(cuò)了晚更新世地層或地質(zhì)、地貌單元的活動(dòng)斷層。中更新世斷層斷錯(cuò)中更新世地層或地質(zhì)、地貌單元,被全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)覆蓋的斷層。第四紀(jì)斷層距今2.4Ma以來(lái)活動(dòng)過的斷層。按力學(xué)或運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)可把“活動(dòng)斷層”或“地震斷層”劃分成正斷層、走滑斷層、逆斷層等3種基本類型(圖1?；顒?dòng)斷層在某種意義上等于潛在突發(fā)性地震災(zāi)害源或無(wú)震蠕滑地質(zhì)災(zāi)害源。2 活動(dòng)斷層與地震災(zāi)害實(shí)例大量歷史震例表明,巨大的地震災(zāi)害主要是由地下活動(dòng)斷層突然快速錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的直下型地震引起的?；顒?dòng)斷層不僅是產(chǎn)生地震

7、的根源,而且地震時(shí)沿?cái)鄬泳€的破壞最為嚴(yán)重,人員傷亡也明顯地大于斷層兩側(cè)的其它區(qū)域;7級(jí)以上地震往往造成地表數(shù)米的錯(cuò)動(dòng),目前的抗震設(shè)防措施還難以阻止數(shù)米同震地表錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面設(shè)施的直接毀壞,沿活動(dòng)斷層形成毀滅性災(zāi)害帶。例如,1995年日本阪神地震、1999年土耳其伊茲米特地震、1999年臺(tái)灣集集地震等的重災(zāi)帶都集中在它們各自的發(fā)震斷層沿線及其附近地帶,而遠(yuǎn)離發(fā)震活斷層其災(zāi)害損失迅速減輕。以下震例資料直觀地反映地震震害與發(fā)震活動(dòng)斷層在空間上的密切關(guān)系。 圖1 活動(dòng)斷層類型及其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)示意圖(a正斷層;(b逆斷層;(c走滑斷層Fig. 1 Diagram showing classification

8、 of active faults and their associated strained states(a Normal fault; (b Reverse fault; (c Strike-slip fault1期 徐錫偉:活動(dòng)斷層、地震災(zāi)害與減災(zāi)對(duì)策問題 92.1 1995年日本阪神地震 日本是多地震災(zāi)害的國(guó)家之一,地面建筑物,特別是高層建筑物大都按較高的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),具有相當(dāng)高的抗震能力。1995年日本阪神地震仍造成6418人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失超過1000億美元。據(jù)1995年3月日本朝日新聞社報(bào)道,地震重災(zāi)帶集中在野島會(huì)下山西宮斷層沿線,90%以上的震亡人數(shù)和木質(zhì)房屋倒塌率30

9、%以上的地段均集中在距斷層23km 寬度范圍內(nèi)(翠川三郎,1995。在野島小倉(cāng)村附近現(xiàn)今地震遺跡天然保存館所在位置,地震地表破裂帶(地震活動(dòng)斷層穿過處圍墻、道路等地面建筑設(shè)施被撕裂,而附近不在地震活動(dòng)斷層上的建筑物、圍墻基本完好(圖2。震中附近的神戶海洋氣象臺(tái)記錄到的最大峰值加速度達(dá)0.818gal 。 2.2 1999年土耳其伊茲米特地震土耳其歷史地震災(zāi)害頻繁,房屋建筑結(jié)構(gòu)按照較高的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),具有相當(dāng)高的抗震能力。1999年土耳其伊茲米特地震死亡人數(shù)18000余人,直接經(jīng)濟(jì)損失200億美元。地震重災(zāi)帶集中在北安那托里亞斷層西段的北分支上,沿這一發(fā)震斷層形成了長(zhǎng)達(dá)180km 的地震

10、地表破裂帶,最大水平位移5m ,垂直錯(cuò)動(dòng)約 1m ,最大地表破裂帶寬度57m ,跨越發(fā)震活動(dòng)斷層的建筑物全部倒塌。例如,位于地震斷層上的某一座兩層小學(xué)教學(xué)樓地震期間全部倒塌,而距地震斷層幾十米的其它建筑遭受破壞程度明顯要輕(圖3。2.3 1999年臺(tái)灣集集地震臺(tái)灣地區(qū)位于太平洋、菲律賓海和歐亞等板塊的交接復(fù)合地帶,是多地震災(zāi)害的地區(qū),其建筑設(shè)計(jì)規(guī)范參照了日本的有關(guān)做法,提高了房屋的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此,1999年集集地震仍造成2375人死亡,財(cái)產(chǎn)損失達(dá)104億美元。這次地震重災(zāi)帶集中在其發(fā)震活斷層車籠埔斷層帶圖2 1995年日本阪神地震斷層地表破裂帶小倉(cāng)斷錯(cuò)點(diǎn)地面建筑設(shè)施破壞實(shí)例Fig. 2

11、 Example for destroyed construction along the1995 Kobe earthquake surface rupture zone, Japan圖3 土耳其伊茲米特地震地表破裂帶(地震斷層與地面建筑物破壞實(shí)例(一座位于地震斷層上的兩層小學(xué)教學(xué)樓完全倒塌Fig. 3 Example for destroyed construction (two-floor building along the 1999 Izmite earthquake surface rupture zone, Turkey10震災(zāi)防御技術(shù)1卷上,長(zhǎng)105余公里。沿車籠埔斷層帶兩側(cè)十

12、幾米寬的范圍內(nèi)幾乎所有建筑物均夷為平地,水壩壩體開裂,而十幾米以外的建筑物破壞明顯減輕或基本完好。據(jù)臺(tái)灣強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的集集地震大量近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)資料,發(fā)震斷層附近的最大峰值加速度達(dá)1g(相當(dāng)于IX度以上地震烈度,向兩側(cè)不對(duì)稱地迅速衰減,在離開斷層約3km的臺(tái)站記錄到的峰值加速度已下降到0.3g(相當(dāng)于VII度略強(qiáng)的地震烈度(圖4和5。其中,車籠埔斷層帶東側(cè)(逆斷層上盤量值較西側(cè)下盤要高,且衰減率要慢。因此,車籠埔斷層的同震錯(cuò)動(dòng)控制了地震災(zāi)害最嚴(yán)重帶的空間分布。從以上破壞性地震震例可以看出,發(fā)震活動(dòng)斷層的地表跡線決定了嚴(yán)重震災(zāi)帶的空間分布特征。對(duì)地面建筑物破壞最嚴(yán)重、且?guī)缀跏请y以抗拒的因素是

13、活動(dòng)斷層的同震地表錯(cuò)動(dòng)對(duì)建、構(gòu)筑物的直接毀壞,尤其是位于活動(dòng)斷層上的重要生命線工程、公共建筑、居民住宅區(qū)和油氣罐站等易產(chǎn)生次生災(zāi)害的設(shè)施,盡管目前的抗震設(shè)防措施可以提高它們的抗震能力,但還無(wú)法抵御活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)所產(chǎn)生的直接破壞。在美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家以及我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū),由于房屋建筑物和生命線工程等考慮了較高的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),地震時(shí)活動(dòng)斷層對(duì)重災(zāi)帶的控制作用十分明顯。這些實(shí)例還顯示出,沿地震斷層的這一重災(zāi)帶不因局部場(chǎng)地條件的差異而發(fā)生本質(zhì)變化,即地震重災(zāi)帶空間分布在很大程度上取決于發(fā)震活動(dòng)斷層本身的幾何結(jié)構(gòu)特征(如次級(jí)斷層的斜列、彎曲、不連續(xù)等(徐錫偉等,2002。除活動(dòng)斷層同震錯(cuò)動(dòng)對(duì)建、構(gòu)筑物

14、的直接破壞外,地震斷層同震錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的影響也是加重震害的一個(gè)重要因素,近斷層處的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離斷層的其它區(qū)域。因此,如果能探明具有發(fā)震能力的活動(dòng)斷層的空間位置,并使重大工程、生命線工程、住宅區(qū)等重要建筑設(shè)施避開活動(dòng)斷層一定距離,不僅可以避免活動(dòng)斷層對(duì)地面建構(gòu)作物的直接破壞,而且受近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的影響也會(huì)明顯降低,積極而有效地減輕地震造成的危害。3 活動(dòng)斷層永久變形帶寬度活動(dòng)斷層“避讓帶寬度”問題是一個(gè)工程界關(guān)注和有效減輕地震災(zāi)害的科學(xué)問題(徐錫偉等,2002,多年來(lái)古地震研究表明,地表破裂型地震可以在活動(dòng)斷層獨(dú)立破裂段上規(guī)則或不規(guī)則地不斷重復(fù)發(fā)生(Crone等,199

15、2;Yeats等,1996;Xu和Deng,1996,因此,活動(dòng)斷層“避讓帶寬度”問題本質(zhì)上就是其近地表永久地質(zhì)變形帶的寬度問題。海原斷裂帶、阿爾金斷裂帶等是我國(guó)青藏高原東緣和北緣兩條規(guī)模較大且活動(dòng)性較強(qiáng)的走滑活動(dòng)斷裂帶(冉勇康等,1997;徐錫偉等,2003,它們的古地震探槽剖面揭露的近地表永久變形帶的寬度應(yīng)該具有一定的代表性。海原斷裂帶位于青藏高原東北緣(鄧起東等,2002,由發(fā)生過1920年海原8.5級(jí)地震地表破裂的東段(狹義的海原斷裂,國(guó)家地震局地質(zhì)研究所等,1990,毛毛山老虎山段(中段和冷龍嶺段(西段等組成,全新世左旋走滑速率介于612 mm/a。毛毛山老虎山段中部松山盆地南邊界探

16、槽地質(zhì)剖面表明,經(jīng)歷過8次同震地表破裂的主形變帶集中在探槽中部寬僅3m的范圍,向兩側(cè)變形強(qiáng)度明顯減弱,永久變形帶寬約9m(圖6。海原斷裂帶東段發(fā)生過1920年海原8.5級(jí)地震地表破裂的高彎子三維探槽開挖也僅揭露出寬約24m的近地表永久地質(zhì)變形帶(冉勇康等,1997。阿爾金斷裂帶是青藏高原北緣的一條主干邊界斷裂帶,據(jù)斷錯(cuò)地貌研究可知,在其東部阿克塞附近的左旋滑動(dòng)速率可達(dá)1618mm/a(徐錫偉等,2003。在阿克塞老城西跨一個(gè)拉1期 徐錫偉:活動(dòng)斷層、地震災(zāi)害與減災(zāi)對(duì)策問題 11分盆地開挖的探槽長(zhǎng)約40m ,但有次級(jí)斷層切割或明顯永久地質(zhì)變形的剖面長(zhǎng)僅13m (圖7,略寬于拉分盆地。 01002

17、0030040050060070080090010001100Closestdistancetofault(kmP G A (c m /s /s圖4 臺(tái)灣集集地震近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度隨斷層距離的變化 Fig. 4 PGA value (cm/s/s vs distance to the fault (km of the groundmotion caused by the 1999 Jiji earthquake, Taiwan, China (A (B (C 圖5 由420條強(qiáng)震記錄臺(tái)灣集集地震近斷層峰值加速度等值線分布圖(A 垂直方向峰值加速度等值線圖(cm/s/s ; (B 南北方

18、向峰值加速度等值線圖(cm/s/s ; (C 東西方向峰值加速度等值線圖(cm/s/s Fig. 5 Contour map of PGA near fault by the Jiji earthquake derived from strong ground motion recordings of 420 stations110010009008007006005004004002001000峰值加速度(c m /s /s 距斷層距離(km 12 震災(zāi)防御技術(shù) 1卷 圖6 海原斷裂帶毛毛山老虎山段松山拉分盆地南緣斷層探槽東壁照片及其地質(zhì)剖面記錄 （不同顏色的層狀物代表上第四系松散沉積層，紅

19、色線條代表次級(jí)斷層） Fig. 6 Mosaic image showing the eastern wall of the trench crossing the southern fault of the Songshan pull-apart on the MaomaoshanLaohushan segment of the Haiyuan fault zone (upper part and its trench log (lower part 圖7 阿爾金斷裂帶東部阿克塞老城西跨某一小拉分盆地探槽西壁地質(zhì)剖面記錄 （底圖為西壁照片，不同顏色的層狀物代表上第四系松散沉積層，紅色線條代表

20、次級(jí)斷層） Fig. 7 Mosaic image showing the western wall of the trench crossing the a pull-apart on the the Altyn Tagh fault and its trench log west of old town of Aksay 因此，跨海原斷裂帶和阿爾金斷裂帶的探槽剖面表明，活動(dòng)斷層的永久地質(zhì)變形帶的寬 度是有限的，具有變形局部化的基本變形特征。據(jù)已有研究可知，具有統(tǒng)計(jì)意義的活動(dòng)斷層 永久變形帶或避讓帶寬度為斷層跡線兩側(cè)各 15m，合計(jì)為 30m（徐錫偉等，2002） 。 4 活動(dòng)斷層防災(zāi)對(duì)策問

21、題 美國(guó)十分重視活動(dòng)斷層相關(guān)減災(zāi)工作，不僅建立嚴(yán)格的房屋抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，還建立了活 動(dòng)斷層減災(zāi)的相關(guān)法律法規(guī)，規(guī)范工程建設(shè)前期活動(dòng)斷層鑒定工作，使新建地面建、筑作物 “避開”活動(dòng)斷層，免遭活動(dòng)斷層同震地表錯(cuò)動(dòng)引起的直接破壞。1994 年美國(guó)北嶺地震后， 1期 徐錫偉：活動(dòng)斷層、地震災(zāi)害與減災(zāi)對(duì)策問題 13 加州州政府頒布了“地震斷層劃定法案” （Earthquake Fault Zoning Act） ，主要目的是防止用 于人類居住的房屋建筑在活動(dòng)斷層地表跡線之上；法案的主要內(nèi)容是：州政府按一定程序公 布已經(jīng)查清的活動(dòng)斷層位置和數(shù)量， 若開發(fā)方案涵蓋了已知活動(dòng)斷層， 在具體方案核準(zhǔn)之前， 須委托

22、地質(zhì)專業(yè)技師進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和活動(dòng)性鑒定，撰寫調(diào)查技術(shù)報(bào)告；若鑒定為活動(dòng) 斷層，則必須在活動(dòng)斷層兩側(cè)各避讓 15m 才能夠建供人居住的建筑物；但獨(dú)戶木架結(jié)構(gòu)或鋼 架結(jié)構(gòu)不超過 2 層樓的住宅，且不屬于 4 個(gè)單位以上共同開發(fā)方案，不受本法案限制。 除“地震斷層劃定法案”外，作為國(guó)家或地方政府的減災(zāi)行為，出臺(tái)了一系列公益性項(xiàng) 目，對(duì)加州地區(qū)的活動(dòng)斷層進(jìn)行 1：24000 比例尺分幅填圖計(jì)劃，作為減輕活動(dòng)斷層相關(guān)災(zāi)害 的一項(xiàng)基本對(duì)策，目前已經(jīng)完成了 547 條地表有出露的活動(dòng)斷層填圖工作。前車之轍，后車 之鑒。根據(jù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的戰(zhàn)略部署，對(duì)我國(guó)大陸地區(qū)活動(dòng)斷層的大比例尺填圖工作也應(yīng)該 作為政府減

23、輕活動(dòng)斷層相關(guān)災(zāi)害的一項(xiàng)公益性計(jì)劃，按輕重緩急逐步開展。 參考文獻(xiàn) 翠川三郎， 1995. 連鎖災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制與實(shí)態(tài)追蹤. 科學(xué)朝日， 緊急增刊. 東京： 大和工業(yè)株式會(huì)社， 15 18. 丁國(guó)瑜，1982. 中國(guó)內(nèi)陸活動(dòng)斷裂基本特征的探討， 中國(guó)活動(dòng)斷裂. 北京：地震出版 1 9. 鄧起東，1982. 中國(guó)的活動(dòng)斷裂， 中國(guó)活動(dòng)斷裂. 北京：地震出版社，19 27. 鄧起東，1991. 活動(dòng)斷裂研究的進(jìn)展和方向， 活動(dòng)斷裂研究. 北京：地震出版社，1 6. 鄧起東，張培震，冉勇康等，2002. 中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造基本特征. 中國(guó)科學(xué)，D 輯，32（12） ：1021-1-30. 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局

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