逆沖型地震地表破裂帶寬度與活斷層“避讓帶”的分析研究*

郭婷婷，徐錫偉，于貴華

0 引言

活斷層是指距今10萬年以來活動過、現(xiàn)今正在活動，并在未來一定時期內(nèi)仍有可能活動的斷層 (徐錫偉等，2002)。活斷層與地震災(zāi)害的關(guān)系密切，并決定著多數(shù)破壞性地震的發(fā)生位置?；顢鄬訉Φ孛娼ㄖ锏奈：χ饕獊碜詳鄬渝e動——突發(fā)錯動 (產(chǎn)生地震的粘滑)和緩慢錯動 (不產(chǎn)生地震的蠕滑)。目前人類所掌握的科技水平及工程手段尚無法阻止地震斷層錯動對地面建筑物的直接破壞，地震極震區(qū)具有沿發(fā)震斷層呈狹窄的帶狀分布的特征 (徐錫偉等，1996)。

汶川地震與多次歷史地震災(zāi)害實例表明 (Wu et al，2012)，當(dāng)強烈地震動發(fā)生時，地下巖層撕裂，并延伸至地表，地表發(fā)生嚴(yán)重破裂變形，使得直接建造在活斷層及其兩側(cè)建筑物發(fā)生嚴(yán)重破損，而距離活斷層兩側(cè)十幾或幾十米外的建筑物破壞相對較輕或是完好 (李錫堤等，2000;周慶等，2008;郭婷婷等，2010)。故探測活斷層的準(zhǔn)確位置，合理確定“避讓帶”寬度，使得建筑物選址避開具有發(fā)震能力的活斷層，可以有效避開活斷層同震錯動對地面建筑物的直接破壞，減輕可能遭遇的地震災(zāi)害損失。

徐錫偉等 (2002)基于不同類型活斷層產(chǎn)生的地震地表破裂帶寬度和跨斷層探槽地質(zhì)剖面的地層強變形帶寬度等觀測事實，結(jié)合地面建筑設(shè)施毀壞帶與活斷層密切的空間位置關(guān)系，采用統(tǒng)計分析方法，確定了活斷層“避讓帶”寬度為30 m。周慶等 (2008)根據(jù)汶川8.0級地震地表破裂帶的實地調(diào)查，龍門山斷裂帶中央斷裂與前山斷裂地表破裂帶寬度自北向南一般小于40 m。結(jié)合以往歷史強震地表破裂帶的寬度統(tǒng)計，提出汶川8.0級地震災(zāi)后重建時，極震區(qū)地震斷層兩側(cè)避讓帶寬度為25 m。張永雙等 (2010)系統(tǒng)調(diào)查了龍門山中央斷裂帶地表破裂的垂直和水平位移以及地震地表破裂影響帶寬度，并采用物探測試方法對部分影響帶寬度進行了驗證。統(tǒng)計結(jié)果表明，汶川地震地表破裂影響帶寬度主要集中在16～60 m，并根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查并借鑒國外經(jīng)驗提出，上盤避讓寬度下限一般不應(yīng)低于15 m，下盤避讓寬度下限不應(yīng)低于10 m。美國加州在1971年美國圣費爾南多 (San Fernando)地震時，注意到地震斷層產(chǎn)生的直接地震災(zāi)害，并于次年年初通過《特別調(diào)查法案》，1994年又修訂為《地震斷層劃定法案》，主要目的是防止房屋建在活動斷層地表形跡之上，并規(guī)定了地震斷層兩側(cè)各避讓15 m。

目前，我國對于活斷層避讓還沒有相關(guān)法律依據(jù)，僅在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范 (GB50011—2010)》規(guī)定丙類建筑 (一般工業(yè)、民用建筑)在抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度時，發(fā)震斷裂的最小避讓距離為100 m;設(shè)防烈度為Ⅸ度時，發(fā)震斷裂的最小避讓距離為200 m。但是該規(guī)定相對泛泛，沒有綜合考慮活斷層類別及其幾何特征等。故仍需加強活斷層避讓研究工作，積極有效地減小地震災(zāi)害。

本文擬通過汶川地震后大量的實地地表破裂變形測量資料，以及收集到的逆沖型歷史地震地表破裂帶寬度資料，采用統(tǒng)計分析方法，初步確定了逆沖型活斷層“避讓帶”的寬度范圍，為建筑工程避讓活斷層提供依據(jù)。

1 地表破裂帶及建筑物破壞

1.1 地表破裂帶

2008年汶川地震在龍門山推覆構(gòu)造帶上主要形成兩條地表破裂帶，一條破裂帶沿北川—映秀斷裂發(fā)育，長約240 km;另一條破裂帶沿灌縣—江油斷裂發(fā)育，長約90 km(徐錫偉等，2008;吳珍漢，張作辰，2008)。強烈的地震地表破裂與錯動使得地表破裂帶及其兩側(cè)近斷層的建筑物遭受了毀滅性破壞，并引發(fā)大量的山體滑坡、巖石崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，加重了災(zāi)害的嚴(yán)重程度。

1.2 地表破裂帶寬度及建筑物破壞情況

地震地表破裂帶通常是指同震地表變形最劇烈的地帶，常表現(xiàn)為地表逆斷層陡坎，褶皺變形產(chǎn)生的撓曲陡坎等，對地面建筑物會產(chǎn)生直接毀壞。地震地表破裂寬度是指由于地震作用造成地表破裂及其引發(fā)的地表明顯變形的區(qū)域?qū)挾取?/p>

1.2.1 彭州市白鹿鎮(zhèn)白鹿中學(xué)測點

龍門山斷裂帶前山斷裂通過了白鹿中學(xué) (圖1)，漢旺—白鹿地表破裂帶斜切白鹿中心學(xué)校校園，在兩棟教學(xué)樓間通過，在操場上形成一個寬4～8 m，高2(±0.15)m的一個NE向褶皺陡坎?，F(xiàn)場考察與實測可得該處的地震地表破裂帶寬度約18 m。位于強變形帶上的砌體結(jié)構(gòu)教師宿舍平房、磚混結(jié)構(gòu)二層樓完全損壞倒塌成為廢墟;操場的水泥地板折斷;上盤強變形帶外的三層磚混結(jié)構(gòu)建筑依然直立且基本未受損壞;距離斷層十幾米外的平房教室大多數(shù)未倒塌。

1.2.2 北川縣沙壩村測點

龍門山斷裂帶中央斷裂通過北川沙壩 (圖2)。北川—映秀地表破裂帶在圖2中所示沙壩處的A、B兩座樓之間穿過，形成一個陡坎。陡坎上磚混樓A已完全損壞成為廢墟;上盤距陡坎8 m的二層磚混B樓結(jié)構(gòu)未受太大損壞;距斷層24m的二層磚混C樓結(jié)構(gòu)完好。實測結(jié)果表明，同震地表變形量及建筑物損壞情況隨距斷層陡坎距離的增加而減小，實測地表破裂帶寬度約36 m。

圖1 白鹿鎮(zhèn)白鹿中學(xué)地形測量剖面圖Fig.1 Topographic survey profile of Bailu Highschool，Bailu town

1.2.3 小魚洞中路測點

NW向小魚洞地表破裂帶通過小魚洞鎮(zhèn) (圖3)。本文在小魚洞中路進行了該地地形的差分GPS測量與建筑物破壞實地調(diào)查，斷層在此形成高0.9 m，寬度約6 m的陡坎，斷層通過處建筑物全部倒塌。地表斷層通過約23 m內(nèi)的地表發(fā)生嚴(yán)重變形，其地面建筑物幾乎全部倒塌，23 m外兩側(cè)的建筑物發(fā)生嚴(yán)重破壞，但仍站立。

1.3 同震地表破裂帶寬度統(tǒng)計

本文對前山斷裂的漢旺—白鹿地表破裂帶，中央斷裂帶的北川—映秀地表破裂帶以及NW向小魚洞地表破裂帶多處地表破裂寬度進行統(tǒng)計 (表1)。其中部分為本文實測結(jié)果，其它均來自文獻資料搜集，共計52處較典型的地表破裂寬度數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，汶川地震地表破裂帶寬度大部分在15～35 m之間，個別觀測點變形帶寬度大于40 m，甚至大于100 m。

2 歷史地震地表破裂帶寬度統(tǒng)計

地震地表破裂多發(fā)生在地震強度MS＞6.0的場地條件。因此，關(guān)于逆沖型地震地表破裂帶的歷史地震資料較少，主要收集了1927年古浪8級地震、1932年昌馬7.6級地震以及1999年臺灣集集7.6級地震地表破裂帶寬度的資料 (表2)。地震錯動產(chǎn)生的地震地表破裂帶主要沿主逆斷層地表跡線分布，大多數(shù)地表破裂帶寬度 (單斷層破裂寬度)均在30 m之內(nèi)。

3 活斷層“避讓帶”的有效寬度計算與討論

建筑物“避讓”活斷層就是指避開直接能夠產(chǎn)生地表破裂的未來同震錯動面。確定“避讓帶”寬度的原則是有效避開活斷層同震錯動對地面建筑設(shè)施的直接破壞，減輕可能遭遇的地震災(zāi)害損失。目前，確定活斷層“避讓帶”寬度的具體方法有2種:(1)同震地表破裂帶寬度統(tǒng)計法;(2)跨斷層地質(zhì)探槽剖面分析法。本文將采取同震地表破裂帶寬度統(tǒng)計法，進行活斷層“避讓帶”計算。其具體方法是依據(jù)某類型活斷層同震地表破裂帶寬度的多組實測數(shù)據(jù)，取逆斷層已有單條和多條地震地表破裂寬度≤50 m的所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得的均值與均方差，以均值和2倍均方差之和作為活斷層“避讓帶”的有效寬度 (徐錫偉等，2002)。

本文對表1中所收集的汶川地震地表破裂帶寬度數(shù)據(jù)進行初步計算:均值為26.5;均方差為3.0，計算所得斷層“避讓帶”的有效寬度值為32.5 m。將所能收集到的汶川地震地表破裂帶寬度數(shù)據(jù) (表1)與其它逆沖型地震地表破裂帶寬度數(shù)據(jù) (表2)一起進行計算，算得的活斷層“避讓帶”的有效寬度值為29.7 m，約為30 m。雖然逆沖型地震的相關(guān)地表破裂帶寬度數(shù)據(jù)不多，但是加上表2中的數(shù)據(jù)進行計算，其結(jié)果更具有代表性和全面性。本次通過大量的實測數(shù)據(jù)所得計算結(jié)果與徐錫偉等 (2002)研究結(jié)果以及美國加州“地震斷層劃定法案”規(guī)定的活斷層兩側(cè)合計30 m“避讓帶”寬度非常吻合。

本文計算所得逆沖型活斷層“避讓帶”的有效寬度為30 m。需要指出的是，上述“避讓帶”寬度值僅代表“避讓”單條斷層的寬度。根據(jù)逆沖型地震的現(xiàn)場調(diào)查，斷層上盤影響帶寬度與下盤的比值一般為3∶1～2∶1(張永雙等，2010)，本文給出逆沖型活斷層上盤的避讓寬度約為20～22.5 m，下盤的避讓寬度約為7.5～10 m。在避讓帶之外所建各類建筑工程均應(yīng)達到新的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

表1 汶川地震同震地表破裂帶寬度統(tǒng)計Tab.1 Statistics of the widths of co-seismic surface rupture zones of Wenchuan M8.0 earthquake

續(xù)表1

表2 歷史地震地表破裂帶寬度統(tǒng)計Tab.2 Statistics of the widths of surface rupture zones of historical earthquakes

4 結(jié)論與討論

汶川地震現(xiàn)場考察表明，活斷層同震錯動產(chǎn)生的地震地表破裂帶及其對地面建 (構(gòu))筑物直接毀壞是難以通過抗震設(shè)防措施預(yù)防和阻止的，采取避讓活斷層錯動帶應(yīng)為防震減災(zāi)工作首選。本文綜合大量汶川地震地表破裂帶寬度與其它逆沖型歷史地震地表破裂帶寬度數(shù)據(jù)，計算所得逆沖型活斷層“避讓帶”的有效寬度約為30 m?；顢鄬由媳P的避讓寬度可以取值約20～22.5 m，下盤的避讓寬度為7.5～10 m。計算結(jié)果可為建筑工程避讓逆沖型斷層提供參考依據(jù)。

汶川MS8.0地震提供了大量的關(guān)于逆沖型斷層的地震地表破裂帶寬度資料，故本次對于逆沖型斷層“避讓帶”有效寬度的計算結(jié)果更加具有可靠性，且與徐錫偉等 (2002)研究結(jié)果以及美國加州“地震斷層劃定法案”規(guī)定的活斷層兩側(cè)合計30 m“避讓帶”寬度非常吻合，其結(jié)果也可為其他類型活斷層避讓提供參考。綜合本文與前人研究分析資料 (徐錫偉等，2002，張永雙等，2010)，活斷層地震災(zāi)害“避讓帶”寬度可初步定為30 m，除上段提出的逆沖型斷層外，其它類型的活斷層上下盤的避讓距離可根據(jù)斷層類型與具體工程地質(zhì)條件、地形地貌特征而有所變化;活斷層斜列階區(qū)、平行次級斷層圍限區(qū)、走向彎曲區(qū)等特殊地域的“避讓帶”寬度為除它們本身的地域?qū)挾韧獾?0m避讓。具體各活斷層“避讓帶”寬度也可根據(jù)跨活斷層探槽地質(zhì)剖面揭示的強變形帶寬度等于實際避讓帶的寬度來確定 (徐錫偉等，2002)。

在活斷層“避讓帶”寬度之外所建各類建筑均應(yīng)達到新的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);在其它災(zāi)害可避免的情況下 (如山洪、滑坡、泥石流、崩塌等)，在活斷層“避讓帶”之內(nèi)，只能建造高于抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的2層以下建筑物，但在此范圍內(nèi)應(yīng)明確禁止興建學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑。

建議相關(guān)部門繼續(xù)加強活斷層“避讓帶”寬度研究，以及震后活斷層上下盤震害情況調(diào)查與對比研究;開展活斷層避讓帶立法與執(zhí)法管理，加強活斷層鑒定及其地表活動線幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)的準(zhǔn)確定位工作。

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