活動斷層地震地表永久位移研究綜述＊

劉艷瓊 趙紀生 劉培玄

1）中國地震局工程力學(xué)研究所，北京100036 2）地殼運動監(jiān)測工程研究中心，北京100036

活動斷層地震地表永久位移研究綜述＊

劉艷瓊1）趙紀生2）劉培玄2）

1）中國地震局工程力學(xué)研究所，北京100036 2）地殼運動監(jiān)測工程研究中心，北京100036

活動斷層地震地表永久位移的研究為地震災(zāi)害預(yù)防、工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中地表永久位移的輸入，對大型工程選址、避讓距離的確定及抗錯動措施的選取提供理論依據(jù)。因此，其對防震減災(zāi)具有十分重要的工程意義和理論價值。本文介紹了地震地表破裂的分類及研究內(nèi)容，綜述了國內(nèi)外活動斷層地震危險性分析和地表永久位移估計的研究現(xiàn)狀、成果及主要觀點，對其發(fā)展走向作了展望。

活動斷層；地震地表破裂；地表永久位移；地震危險性分析；綜述

引言

震害調(diào)查表明，近場的結(jié)構(gòu)破壞不僅由地震動引起，地表破裂或永久位移引起的破壞也占很大比重。近年來的汶川地震、集集地震、昆侖山口地震、土爾其伊茲米特地震等都引起了大規(guī)模的地表破裂，其可能對道路、橋梁、隧道、大壩、輸油（氣）管網(wǎng)、通訊電纜等大型工程造成嚴重破壞，導(dǎo)致巨大人員傷亡和財產(chǎn)損失。另外，目前各類抗錯動構(gòu)件的實際應(yīng)用也促使地震地表永久位移與地震動一樣，成為工程結(jié)構(gòu)的地震輸入［1-4］。

雖然地震發(fā)生地點不確定，但中強地震經(jīng)常發(fā)生在主干斷裂上，其中發(fā)生在主干斷裂上的8級地震占94%，7級占87%，6級地震占76%［5］。從而，地震地表破裂的研究重點落在活斷層上。我國是一個活動斷層廣泛分布的國家，也是一個多地震的國家，地震活動頻度高、震級大，地震災(zāi)害嚴重。20世紀全世界1／3大陸地震發(fā)生在我國，造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。20世紀我國因地震死亡人數(shù)占全世界地震死亡人數(shù)的55%，財產(chǎn)損失主要表現(xiàn)在房屋和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，主要是由地震動和地震地表破裂造成的［1］。

隨著我國經(jīng)濟實力的增強，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)逐年增加，尤其像南水北調(diào)、西氣東輸?shù)乳L距離工程，跨越江河、峽谷的公路、鐵路、橋梁、大壩，以及穿越高山的隧道等大型工程，都不可避免要毗鄰或跨越地震活動性較高的活斷層［6-7］。發(fā)震斷層引起的永久位移的估計對重要工程選址、災(zāi)害預(yù)測、地震應(yīng)急有重大意義。

1 地表破裂的分類及研究內(nèi)容

1．1 地表破裂的分類

按地震地表破裂的生成機制和形態(tài)特征一般把地表破裂分為構(gòu)造性地表破裂和重力性地表破裂兩大類，即地震斷層和地裂縫帶［8-10］。構(gòu)造性地表破裂是指地震引起的基巖斷裂或在第四紀表土層中產(chǎn)生的構(gòu)造形跡，它的生成、規(guī)模及展布完全受其下方發(fā)震斷裂的控制，是地震在震中區(qū)附近形成的地表破壞現(xiàn)象，是震源深處斷層的粘滑運動在地表的反映，是活斷層最直接、最具體的反映，并往往與原有的地質(zhì)斷層位置相重合。構(gòu)造性地表破裂是工程抗震最擔心的問題，因為這種破壞作用常被認為是一般抗震措施所不易抵御的。因此，它是地震危害性評價的主要對象。本文中地震地表破裂永久位移評估也主要針對構(gòu)造性地表破裂。

重力性地表破裂是指在地震動作用下造成整體土層或巖層的某一部位沿重力方向產(chǎn)生相對位移而形成的地裂縫。例如山區(qū)的地震滑移或滑坡，地下采空區(qū)的地表塌陷、震陷，或在液化區(qū)的邊緣地段產(chǎn)生的張性或張扭性地裂縫。這種地裂縫多發(fā)生在斜坡地段或傾斜地層的邊緣，所以它們常與微地貌的界限吻合或平行延展。與構(gòu)造性地表破裂相比，重力性地裂縫的展布范圍要大得多，例如唐山7．8級地震，構(gòu)造性地表破裂長度僅10 km左右，而誘發(fā)的重力性地裂縫大約分布在2 300×300 km的區(qū)域內(nèi)［10］。因此，常將地震重力性地表破裂的評價作為一般的工程地質(zhì)問題來處理。

1．2 地表永久位移估計的主要研究內(nèi)容

大地震的發(fā)生，往往會伴隨著顯著的震后形變。因此，地震地表永久位移，除了沿地震斷層的地表同震位錯外，還應(yīng)考慮震后位移。同震位移主要反映的是介質(zhì)對斷層錯動的彈性響應(yīng)，而震后位移的物理機制則相對比較復(fù)雜。迄今為止，中外學(xué)者提出如下幾種造成震后形變的物理過程，即速率-狀態(tài)模型的震后余滑、孕震層之下的粘彈性蠕動、損傷性非彈性松弛和孔隙壓力變化引起的彈性回跳［11］。

研究證明，對于不同場地條件下的地震地表永久位移的估計，不僅要考慮斷層因素，還要對作為背景的場地地震危險性以及場地第四系覆蓋層發(fā)育狀況等進行綜合分析，這樣才能夠估計出場地發(fā)生地震地表破裂的危險性［12］。

總的來說，對活動斷層的地震地表破裂永久位移的估計，需要進行兩方面的研究工作：其一，提供地震參數(shù)，包括將來可能發(fā)生的地震的最大震級、可能發(fā)生的地點及可能發(fā)生的時間，即對活動斷層進行地震危險性分析；其二，基于活斷層的地震危險性分析結(jié)果，選擇合理的計算方法，進行斷層地震地表永久位移估計。

2 研究現(xiàn)狀評述

2．1 活斷層地震危險性分析

強震的孕育和發(fā)生與活斷層有著密切的聯(lián)系。Reid于1910年提出了“彈性回跳理論”，用以解釋地震中彈性應(yīng)變積累和釋放的過程。不久，地震學(xué)家們以“彈性回跳理論”為物理基礎(chǔ)，提出了一系列地震原地復(fù)發(fā)的理論模式，用于預(yù)測活動斷裂的地震危險性［13］。其中，針對板緣特征地震的模式主要有：時間可預(yù)報模式與滑動可預(yù)報模式［14］、準周期模式［15］和時間-震級可預(yù)報模式［16］等。針對中國大陸板內(nèi)環(huán)境特征的地震模式主要有：準時間可預(yù)報行為［17］和時間-震級可預(yù)報模式［18］。

國際上，Nishenko和Buland［19］通過整理環(huán)太平洋板緣地震帶不同段落“特征地震”的復(fù)發(fā)時間資料，初步建立了強震原地復(fù)發(fā)時間間隔的概率分布模型，即NB模型［17］。之后，美國加州地震概率工作組［20-23］應(yīng)用該經(jīng)驗分別評估了圣安德烈斯斷層各斷裂段未來30年地震復(fù)發(fā)的條件概率，Nishenko［19］將其應(yīng)用于環(huán)太平洋板緣地震帶96個段落未來20年地震復(fù)發(fā)潛勢的實時概率評估。Ellsworth［24］和Matthews［25］從活動斷裂上強震發(fā)生的內(nèi)在物理機制入手，通過分析活動斷裂上應(yīng)力的加載過程，建立了布朗過程時間模型（Brownian Passage Time model）。美國加州地震概率工作組應(yīng)用該模型對舊金山灣地區(qū)未來30年的地震危險性進行了預(yù)測［26］。

國內(nèi)，利用活斷層定量研究來進行地震危險性預(yù)測也有一定進展，如聞學(xué)澤系統(tǒng)地概括了以活斷層資料為基礎(chǔ)預(yù)測地震中—長期危險性的基本思路，即將特定斷層（段）上的特征地震復(fù)發(fā)間隔看作大致服從某種理論的復(fù)發(fā)模式，再由歷史地震、古地震等資料估算其存在的不確定性，然后應(yīng)用到相應(yīng)概率模型中，在得到最后一次地震離逝時間的前提下，估算未來一段所關(guān)注時間內(nèi)的概率值，其研究實例包括鮮水河斷裂［27］、小江斷裂帶［28］等。后來，甘衛(wèi)軍［29］利用中國大陸原地復(fù)發(fā)古地震資料，擬合出板內(nèi)強震原地準周期復(fù)發(fā)的概率密度函數(shù)Ln（μ＝-0．025，σD＝0．26），并應(yīng)用于祁連山東段活斷裂的地震危險性概率估計中。聞學(xué)澤［30］在分析我國大陸活斷裂段上的歷史地震復(fù)發(fā)行為時，發(fā)現(xiàn)它們有良好的準周期行為及時間可預(yù)報行為，而且其地震復(fù)發(fā)間隔分布和環(huán)太平洋板緣的特征地震復(fù)發(fā)間隔分布（N模型）無明顯差別，因此將二者合并，得到一個更穩(wěn)定的準周期復(fù)發(fā)間隔對數(shù)正態(tài)分布Ln（μ＝0．00，σD＝0．22）。由于大多數(shù)情況很難獲得某一斷裂段可靠的古地震和同震破裂數(shù)據(jù)，張培震采用特征地震矩法估計了鮮水河斷裂的地震復(fù)發(fā)間隔，促進了活動斷層地震危險性評價的廣泛應(yīng)用［31］。

2001年，中國地震局提出了“大城市活斷層探測與地震危險性評價”項目。經(jīng)過3年多的立項論證，2004年中國地震局提出的“十五”國家重大建設(shè)項目中國地震活斷層探測技術(shù)系統(tǒng)，由國家發(fā)改革委批準。該項目擬對全國20個省會城市或大中城市開展“城市活斷層探測與地震危險性評價”工作。2004年，作為試點的福建省地震局組織實施完成了“福州市活斷層探測與地震危險性評價”項目，為國內(nèi)其他城市提供了經(jīng)驗。為了對福州盆地周邊弱活動斷層進行地震危險性評價，聞學(xué)澤［32］通過區(qū)域地殼動力學(xué)背景分析和地震活動水平統(tǒng)計對比，綜合判定了福州盆地主要斷裂的最大潛在地震震級。且針對中國大陸東部中—弱活斷層的地震危險性評估問題，提出構(gòu)造小區(qū)的震級-頻度關(guān)系參數(shù)應(yīng)用的評價思路，建立了華北、華東-華中、華南與東南沿海3個大區(qū)域的Muat／b值的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停⒃敿毞治隽酥小〉卣鹑?、余震和觸發(fā)型地震序列、人為誘發(fā)地震等因素對經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)的影響，為模型的推廣應(yīng)用作了詳盡闡述［33］。這種間接方法對解決中國大陸城市活斷層地震危險性評估中的關(guān)鍵問題探索了一條新的、可行的途徑。

2．2 地震地表同震位移估計

地震地表同震位移的研究總體上分為兩種思路，經(jīng)驗統(tǒng)計方法和理論分析方法兩類。

2．2．1 經(jīng)驗統(tǒng)計方法

地震地表同震位移估計的經(jīng)驗統(tǒng)計方法研究成果較多，大多集中在震級與破裂長度、破裂寬度、位錯量之間關(guān)系的建立上。某次地震的地表破裂資料可能與經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系存在誤差，誤差可能還不小，但基于震害調(diào)查的經(jīng)驗關(guān)系是真實的，對其他分析方法有宏觀指導(dǎo)作用。經(jīng)驗統(tǒng)計方法具有進一步發(fā)展的空間，隨著地震地表破裂調(diào)查資料的積累，在經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系中，除震級影響因素外，應(yīng)進一步考慮斷層附近的構(gòu)造應(yīng)力場和變形場（GPS）、活動斷裂的類型、古地震序列等因素，建立它們與地表破裂或地表永久位移（場）特征的關(guān)系，利用這些經(jīng)驗關(guān)系對某條斷裂發(fā)生地震的地表破裂進行預(yù)測。

地震地表同震位移統(tǒng)計分析的經(jīng)典工作主要聚集在南加利福尼亞大學(xué)和USGS，代表人物有Vincent Lee［34-36］、Trifunac［34-36］、Donald Wells［37］、Kevin Coppersmith［37］、Bonilla，Mark和Lienkaemper［38］。他們詳細考察了美國西部和全球地震地表破裂資料，統(tǒng)計了不同斷層類型的震級與破裂長度、破裂寬度、破裂面積、最大位移的經(jīng)驗關(guān)系。

其中，較成熟的活動斷層永久位移模型是Wells和Coppersmith［37］模型和Lee等的dmax（M）［34］模型。Wells和Coppersmith模型是指數(shù)線性的，該模型將斷層上的地表最大永久位移描述為震級的函數(shù)，既給出了不同類型斷層分別對應(yīng)的函數(shù)，也給出了所有類型斷層對應(yīng)的函數(shù)，其所用數(shù)據(jù)源于全球，共搜集了148個震級為5．2～8．1的地震。而Lee等的dmax（M）［34］模型則利用震級、震中距、傳播特性、不同地質(zhì)單元和局部場地條件的組合效應(yīng)來評估斷層上的最大永久位移。該模型的數(shù)據(jù)來源于美國西部2 000個三分量加速度記錄值。

2．2．2 理論分析方法

活斷層地震地表同震位移理論分析方法的一般思路是基于活斷層的危險性分析結(jié)果，在設(shè)定地震下，由同震位錯作為輸入，從動力平衡方程、材料的本構(gòu)關(guān)系（屈服、破壞和破壞進化準則）、初始邊界條件出發(fā)，采用局部應(yīng)變增強和破裂追蹤算法，計算上覆土層破裂發(fā)生和發(fā)展過程。其中有幾個重要的問題尚未解決，其一，區(qū)域內(nèi)的初始應(yīng)力場的確定，它不僅是自重應(yīng)力的結(jié)果，更嚴格受構(gòu)造應(yīng)力的制約；其二，巖土材料的動力破裂準則的確定，由于巖土介質(zhì)材料的區(qū)域性、不均勻性，即使采用最簡單的破壞準則，也需要很大的投入，尤其是建筑工程沒有涉及到的深度100 m以下巖土介質(zhì)的相關(guān)信息［1］。

克服了理論分析方法的以上兩個問題，并假定活斷層的危險性估計結(jié)果是足夠精確的，則均勻介質(zhì)內(nèi)的破裂理論是可以勝任的。但必須認識到，即使考慮均勻介質(zhì)，基于動力學(xué)的分析方法難度是巨大的，很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不清楚，如：構(gòu)造應(yīng)力加載邊界的確定；深層巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)（尤其是結(jié)構(gòu)面）及其幾何特征和強度分布；巖土材料和界面動力破壞強度；開裂與裂紋擴展準則（應(yīng)變間斷、位移間斷萌生和進化準則）；地震預(yù)報的長期預(yù)測有較高的可信度，短期預(yù)報還很差等等。此外，確定性分析也作了不少工作，但它需要大量的數(shù)值分析工作和詳細的現(xiàn)場工作以確定未來地震的震級、位置、斷層破裂尺度、同震位移，需要地球物理學(xué)和測地學(xué)方法確定場點周圍地殼內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力場，需要流變摩擦學(xué)和大型試驗確定深層巖土材料的破壞準則等，這些都限定了確定性方法在工程中的應(yīng)用。因此，現(xiàn)階段按確定性方法分析近場地震地表破裂范圍的方法還不成熟［1，6］。

活斷層地震地表同震位移估計的概率性分析方法已有了一些進展，如Todorovska等［39］提出一個基于地震危險性的概率方法，對未來一段時間內(nèi)由斷層上發(fā)生的地震引發(fā)的地表永久位移進行評估。

地震地表破裂的理論分析主要集中在地震復(fù)發(fā)規(guī)律的研究上，國內(nèi)外已有很多專家提出了一系列的地震原地復(fù)發(fā)模式，這方面的研究已在斷層地震危險性評價的研究現(xiàn)狀中作了敘述。近年來，國內(nèi)在活斷層地震地表永久位移估計的理論分析方面也做了一些工作。趙紀生等［5］借鑒了Lee和Youngs提出的地表永久位移估計方法，結(jié)合中國第四代地震區(qū)劃圖的潛在震源區(qū)參數(shù)，給出了適合中國的跨越發(fā)震斷層的永久位移概率分析方法。趙紀生等［7］基于Cornell地表地震動的概率方法，提出了發(fā)震斷層未來一段時間地震引起地表永久位移的概率分析方法，給出了不同特征地震模型下的不同概率水準的地震地表永久位移，首次考慮了地震地表位移估計的時間尺度。萬波等［12］將場地發(fā)生地震地表破裂的危險性確定為場地地震危險性、斷層和場地第四系覆蓋層的函數(shù)，并以概率形式估計出場地發(fā)生地震地表破裂的危險性。劉艷瓊等［6］借鑒Lee等提出的發(fā)震斷層引起的地表最大永久位移估計方法，提出了發(fā)震斷層附近最大永久位移場的估計方法，計算了不同概率水準所對應(yīng)的設(shè)定地震下的地表最大永久位移。劉艷瓊等［1］還提出了基于有限震源位錯解的地震地表永久位移估計方法，對活動斷層有限范圍內(nèi)的地表位移場進行了數(shù)值模擬。

2．3 震后地表位移場估計

震后形變研究方面，其物理機制有多方面的解釋。目前應(yīng)用較廣泛的震后形變理論有震后余滑理論、孔隙流體調(diào)整理論、粘彈性松弛理論。震后余滑理論認為地震的震后形變是由震后斷層面深部的持續(xù)滑動引起的，其介質(zhì)結(jié)構(gòu)為彈性；孔隙流體調(diào)整理論認為地震的發(fā)生會造成震區(qū)孔隙壓的變化，從而導(dǎo)致孔隙內(nèi)流體流動以致引起地震震后形變，介質(zhì)結(jié)構(gòu)為孔隙介質(zhì)；震后粘彈性松弛理論認為震后形變是震后下地殼或者上地幔中粘彈性的流動引起的，介質(zhì)為粘彈體［40］。

對于震后位移場的理論計算，國內(nèi)外學(xué)者也做了一些工作。Pollitz［41-42］發(fā)展了基于球體分層粘彈性地殼模型的震后應(yīng)力應(yīng)變計算的半解析式，可以對各種深度和時間序列的震后位移場、應(yīng)力場進行計算，并發(fā)展了模塊化的程序。Zeng［43］基于Luco和Apsel［44］的廣義反射透射矩陣方法，采用麥克斯韋粘彈介質(zhì)計算了分層介質(zhì)中震后形變及應(yīng)力變化。李志才等［45］利用Pollitz的球體粘彈性模型研究了分層結(jié)構(gòu)對唐山地震的震后變形的影響。Wang等［46］利用傳播算法計算層狀介質(zhì)模型的格林函數(shù)，模擬垂直分層介質(zhì)模型中的地震同震、震后位移場，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件包。譚凱等［47］利用Pollitz的震后粘彈性松弛模型和網(wǎng)格搜索的反演方法，采用標準線性體的粘彈性介質(zhì)反演了阿爾泰山的巖石圈流變結(jié)構(gòu)。李鋒［40］以汶川地震、日本地震為例，定量模擬了介質(zhì)的不均勻性對地震同震位移以及震后位移的影響。王麗鳳等［11］采用分層粘彈模型研究了2011年日本9．0級地震的震后線彈性松弛過程。

3 結(jié)論與展望

對于活動斷層的地震地表永久位移的研究，經(jīng)驗統(tǒng)計方法和理論分析方法各有其優(yōu)勢和不足?；谡鸷φ{(diào)查的經(jīng)驗關(guān)系是真實的，更能準確反映實際情況，但也不能應(yīng)用于所有的情況，也會有某次地震的地表破裂資料與其出現(xiàn)誤差，誤差可能會很大，而且目前針對我國的斷層破裂統(tǒng)計關(guān)系還不成熟。而現(xiàn)階段地震地表永久位移的理論分析還存在兩個明顯缺陷：一是地震短期預(yù)報的缺乏；二是地下1～10 km的巖石材料及斷層力學(xué)特征數(shù)據(jù)的缺乏。

由于受到認知和數(shù)據(jù)不完整的限制，活斷層的地震地表永久位移估計還需深入研究?？偨Y(jié)起來可以從以下幾個方面來完善：①進一步搜集我國的活動斷層資料，建立斷層破裂尺度與地震的統(tǒng)計關(guān)系，研究適合我國斷層破裂分布模式的永久位移衰減關(guān)系。②通過探槽等野外勘察方法，進一步搜集指定活動斷層的古地震，完善地震序列，使特征地震和復(fù)發(fā)間隔的預(yù)測更準確。③隨著現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)造應(yīng)力場和GPS觀測數(shù)據(jù)結(jié)果也更實時、準確、完整。在以后的工作中，逐漸完善GPS數(shù)據(jù)，把實時的GPS位移、速度場數(shù)據(jù)作為邊界加載，可能會得到更符合實際的結(jié)果。④對重要活動斷層進行深入研究，取得更詳細、完整的各個地震活動期前后斷層泥參數(shù)及斷層摩擦特性，以提高模擬結(jié)果的可靠性。

總之，活動斷層的地震地表永久位移的研究對大型工程的選址、避讓距離確定及抗錯動措施的選取等具有重大的指導(dǎo)意義，其仍是值得研究的方向。

（作者電子信箱，劉艷瓊：yanqiong-liu＠163．com）

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Review of studies on surface permanent displacement of active faults

Liu Yanqiong1），Zhao Jisheng2），Liu Peixuan2）
1）Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China 2）National Earthquake Infrastructure Service，Beijing 100036，China

Study on surface permanent displacement of active faults provides displacement input for earthquake disaster prevention and seismic design of engineering structure．And it provides a theoretical basis for site selection of large engineering，determination of the evaded distance and measure selection of dislocation resistance．Therefore，it has a great engineering significance and theoretical value to earthquake preparedness and disaster reduction．In this paper，classification and research contents of seismic surface rupture are introduced．And research status，results，main viewpionts and prospect of seismic risk analysis of active faults and evaluation of surface permanent displacement are reviewed．

active faults；seismic surface rupture；surface permanent displacement；seismic risk analysis；seview

P315．9；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．09．006

2014-05-29；

2014-07-28。

國家自然科學(xué)基金項目（51278474），地震科技星火計劃（XH13032Y）資助。