唐山地震震害分布與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系探討*

劉 亢，張學(xué)文，李津津，馬春勤，張 媛，王金萍

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京100037；2.中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京100049；3.唐山市地震局，河北唐山053000；4.河北省地震局，河北石家莊050021）

唐山地震震害分布與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系探討*

劉 亢1，2，張學(xué)文3，李津津4，馬春勤3，張 媛2，王金萍2

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京100037；2.中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京100049；3.唐山市地震局，河北唐山053000；4.河北省地震局，河北石家莊050021）

地震震害分布與地質(zhì)構(gòu)造緊密相關(guān)。通過(guò)對(duì)1976年唐山7.8級(jí)地震震害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、篩檢，圍繞唐山斷層帶區(qū)域，選擇1 130個(gè)自然村的震害數(shù)據(jù)，完成地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)錄入，建立唐山地震震亡率、建筑物倒塌率分布圖。在此基礎(chǔ)之上，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間分析方法進(jìn)行震害分布特征研究，并結(jié)合唐山市活斷層探測(cè)最新成果，探索區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對(duì)震害分布的控制作用。

震害，地質(zhì)構(gòu)造，地理信息系統(tǒng)，唐山地震

地震災(zāi)害是重大自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性、毀滅性的特點(diǎn)，可以在頃刻之間摧毀一座城市，在極短時(shí)間內(nèi)造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

影響地震災(zāi)害規(guī)模大小、分布特征的因素比較多，除震級(jí)、震源深度等主要因素外，場(chǎng)地條件、地質(zhì)構(gòu)造背景（斷層分布）以及建筑物地基基礎(chǔ)等因素也會(huì)產(chǎn)生較大的影響［1－3］。眾多學(xué)者對(duì)地質(zhì)構(gòu)造與震害分布的關(guān)系問(wèn)題開展了深入的探索，針對(duì)發(fā)震斷層，基于震害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)局部地形、發(fā)震斷層及斷層破碎帶等是影響斷層場(chǎng)地震害的主要因素，斷層帶中心部位震害最重，建筑倒塌率、人員震亡率高［1－5］，相比而下，非發(fā)震斷層對(duì)震害沒(méi)有明顯的影響［2－3］。有學(xué)者提出場(chǎng)地土特性對(duì)震害的影響比較顯著，地形影響相對(duì)較弱，場(chǎng)地土、覆蓋層和地下水的影響互相制約［6］，不同地質(zhì)構(gòu)造及場(chǎng)地條件下倒塌的房屋與場(chǎng)地、地基基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，房屋縱軸與斷層走向的相對(duì)關(guān)系將直接影響到震害大?。?］。

唐山7.8級(jí)地震發(fā)生后，學(xué)者對(duì)唐山地震的震害特征與發(fā)震斷層開展了相關(guān)研究，均揭示唐山地震的震害分布與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系緊密，唐山強(qiáng)震區(qū)存在多條地震斷層，1976年唐山地震的震源位于唐山斷層帶上，極震區(qū)集中在唐山市區(qū)，路南區(qū)的近斷層效應(yīng)尤為明顯［5，7－14］。

隨后，國(guó)家在唐山地震研究方面投入了大量的人力、財(cái)力，取得成果頗豐，尤其是在地震災(zāi)區(qū)完成了大規(guī)模的震害普查工作，積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文基于震害普查成果，結(jié)合地震構(gòu)造特征，討論唐山地震的震害分布與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，在唐山發(fā)震斷層隱伏區(qū)內(nèi)，探索利用震亡率和倒塌率的分布特征來(lái)研判唐山地震發(fā)震斷層的空間展布形態(tài)。

1 研究區(qū)概況

1976年7月28日北京時(shí)間03：42，在河北省唐山豐南一帶發(fā)生了7.8級(jí)地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度10 km，整個(gè)唐山市頃刻間被夷為平地，造成24.2萬(wàn)人死亡，重傷16.4萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)100億元［15］。

唐山強(qiáng)震區(qū)主要發(fā)育有5組斷層（圖1），即NE向的豐臺(tái)－野雞坨斷層（F4）、寧河－昌黎斷層（F6）、NNE向的唐山斷層帶，以及NW向的薊運(yùn)河斷層（F5）、灤縣－樂(lè)亭斷層（F7）。四條深大斷層將唐山地區(qū)圍限成一個(gè)菱形塊體，其基底為前古生代的變質(zhì)巖系，蓋層為古生代的沉積巖系，中生代地層缺失，新生代沉積了大量的第四系松散層，沉積厚度向南逐漸增加到800 m以上，地貌上呈山前傾斜平原，平原上散布著殘丘，往南逐漸消失［16］。

圖1 唐山強(qiáng)震區(qū)斷層分布圖

唐山斷層帶位于菱形塊體對(duì)角線位置，由3條近平行的斷層組成，分別為陡河斷層（F1）、巍山－豐南斷層（F2）以及古冶－南湖斷層（F3）。其中巍山－豐南斷層（F2）受基巖殘山大城山阻隔，被分為南北兩段，古冶－南湖斷層（F3）為1976年唐山7.8級(jí)地震的發(fā)震斷層，震中位于該斷層的西南段。

2 唐山震害普查數(shù)據(jù)初步分析

1990年代，唐山市、秦皇島市民政局、地震局及其所轄縣、區(qū)的工作人員，對(duì)地震烈度Ⅵ～Ⅺ涉及到的2個(gè)市（唐山市、秦皇島市）、14個(gè)區(qū)縣（豐南區(qū)、豐潤(rùn)區(qū)、玉田縣、遵化市、遷西縣、遷安縣、灤縣、灤南縣、樂(lè)亭縣、唐?？h、盧龍縣、撫寧縣、昌黎縣、寧河縣）、472個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、7 772個(gè)自然村開展了唐山地震震害普查工作。

普查以自然村為單位，調(diào)查內(nèi)容包括：唐山地震影響的各市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊的震亡人口、倒塌房屋、嚴(yán)重破壞房屋在全震區(qū)震亡人口、重傷人口、倒塌房屋、嚴(yán)重破壞房屋中所占百分比，唐山震區(qū)市縣震災(zāi)匯總表（包括震亡人口（男、女）、震亡率、重傷人口（男、女）、重傷率、震前房屋、倒塌房屋、倒塌率、嚴(yán)重破壞房屋和嚴(yán)重破壞率）。

唐山地震震害普查數(shù)據(jù)表明，唐山地震造成的人員傷亡和建筑物破壞極為嚴(yán)重，唐山市區(qū)的人員死亡率高達(dá)15.8%，房屋建筑基本倒塌或嚴(yán)重破壞；人員傷亡率和房屋建筑倒塌率隨地震烈度增加明顯上升，在Ⅶ～Ⅺ度區(qū)內(nèi)，存在不同程度的人員傷亡和房屋建筑破壞，而進(jìn)入Ⅵ度區(qū)，則出現(xiàn)無(wú)震害的地域，可以劃分出地震災(zāi)區(qū)與非災(zāi)區(qū)的界線［14］。表1中列出了主要受災(zāi)區(qū)縣的震亡人口占全震區(qū)震亡人口的比例。在斷層帶上及其附近，震害普遍嚴(yán)重，特別是唐山斷層帶影響尤為突出。

3 區(qū)域斷層系統(tǒng)與震害空間分布研究

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)在震害分布研究中的應(yīng)用比較普遍，早在2004年，高孟潭等就開始應(yīng)用GIS平臺(tái)空間分析功能進(jìn)行震害空間分布特征和地震等震線的研究［17］。

本文以唐山震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為研究對(duì)象，搜集震害普查數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理、篩選，圍繞唐山斷層帶區(qū)域，選取1 130個(gè)自然村的震害數(shù)據(jù)，完成GIS數(shù)據(jù)庫(kù)錄入，建立唐山地震震亡率、倒塌率的分布圖（圖2、圖3）。在此基礎(chǔ)之上，應(yīng)用GIS軟件空間分析功能對(duì)震害數(shù)據(jù)進(jìn)行克里格插值生成震害分布圖，分析唐山地震震害分布特征。

根據(jù)震亡率、倒塌率分布圖，唐山地震災(zāi)區(qū)震害分布總體特征主要為：在去除大面積砂土液化區(qū)等因素外，高震亡率和高倒塌率的空間分布呈線性集中沿發(fā)震斷層帶分布，呈明顯的NNE向展布，由唐山市區(qū)東側(cè)向西南延伸至寧河附近。

震亡率是最能反映震害特征的一個(gè)指標(biāo)，每個(gè)自然村的震前人口與地震死亡人口均為客觀數(shù)據(jù)，不會(huì)因?yàn)檎{(diào)查人員不同而產(chǎn)生較大誤差。

圖4為應(yīng)用GIS軟件對(duì)震害數(shù)據(jù)進(jìn)行克里格插值生成的震害分布圖，其中白色－綠色的漸變過(guò)程代表震亡率由高到低，白色為震害最嚴(yán)重區(qū)域，這與實(shí)際震中位置基本一致。唐山地震發(fā)震斷層為古冶－南湖斷層（F3），沿該斷層震亡率值較高，呈橢圓狀衰減，這也與唐山地震極震區(qū)烈度、地震動(dòng)衰減特征比較吻合。

表1 主要受災(zāi)區(qū)縣震亡人口占全震區(qū)震亡人口比例列表

圖2 唐山地震災(zāi)區(qū)震亡率分布圖

圖3 唐山地震災(zāi)區(qū)倒塌率分布圖

圖4 唐山地震災(zāi)區(qū)震亡率插值圖

沿薊運(yùn)河斷層（F5）在寧河縣附近出現(xiàn)了一個(gè)高震亡率異常區(qū)，呈現(xiàn)出橢圓狀衰減特征。1976年11月15日21：53在唐山西南約70 km的寧河地區(qū)發(fā)生了6.9級(jí)地震，發(fā)震斷層為NW向的薊運(yùn)河斷層（F5），震后發(fā)生的余震基本沿NW向密集展布。該高震亡率異常區(qū)呈橢圓狀，其長(zhǎng)軸方向沿薊運(yùn)河斷層（F5）展布，顯示該斷層對(duì)震害的控制作用，這與寧河6.9級(jí)地震烈度分布特征基本一致，進(jìn)一步說(shuō)明利用震亡率普查數(shù)據(jù)進(jìn)行震害分布研究比較可靠，可以真實(shí)反應(yīng)地震動(dòng)衰減、發(fā)震斷層展布特征等信息。

根據(jù)唐山市活斷層探測(cè)項(xiàng)目完成的淺層人工地震與跨斷層鉆孔成果，陡河斷層（F1）與巍山－豐南斷層（F2）晚更新世以來(lái)未見明顯活動(dòng)［18］，然而，沿這兩條斷層震害也相對(duì)較重。陡河斷層（F1）西側(cè)存在一個(gè)條帶狀震害異常區(qū)。該斷層NW盤為震害髙值帶，震亡率明顯高于SE盤，異常區(qū)邊界與陡河斷層（F1）吻合。

以上現(xiàn)象表明，雖然發(fā)震斷層為古冶－南湖斷層（F3），但是另外與之平行陡河斷層（F1）距離發(fā)震斷層較近，在1976年唐山地震中不同程度受到了觸發(fā)，沿?cái)鄬痈浇鸷σ蚕鄬?duì)較重，成條帶狀展布。

在斷層對(duì)震害分布的控制之外，地形地貌對(duì)震害的影響也不容忽視。圖4中黑色橢圓區(qū)域距發(fā)震斷層（F3）垂直距離大于10 km，然而震害較重。推測(cè)該區(qū)水系發(fā)達(dá)，河流、古河道遍布，沙河流經(jīng)此區(qū)域，砂土液化現(xiàn)象比較普遍，因此震害相對(duì)較高。在寧河縣震害異常區(qū)內(nèi)，薊運(yùn)河、還鄉(xiāng)河穿城而過(guò)，加重了震害影響程度。同樣，位于水庫(kù)、水塘區(qū)域，受地基液化等震害影響，震亡率也相對(duì)較高。

考慮到斷層與震害分布緊密相關(guān)，逆向考慮，在唐山斷層隱伏區(qū)內(nèi)，可以利用唐山地震造成的震亡率和倒塌率的分布特征來(lái)研判唐山發(fā)震斷層的空間分布，為活斷層探測(cè)工作提供目標(biāo)。

綜上，唐山地震災(zāi)區(qū)震亡率分布圖及其插值圖揭示出地震斷層對(duì)震害分布起到控制作用，震害嚴(yán)重區(qū)沿發(fā)震斷層分布，由斷層向兩側(cè)，沿垂直斷層方向震害逐漸減弱。同時(shí)，地形地貌對(duì)震害有著不可忽視的影響作用，尤其在水系發(fā)達(dá)區(qū)域，震害相對(duì)較重。

4 結(jié)論

（1）基于1976年唐山7.8級(jí)地震震害普查數(shù)據(jù)，完成了震亡率、倒塌率分布圖，以及克里格插值圖，結(jié)合唐山市活斷層分布數(shù)據(jù)，揭示出地震斷層對(duì)震害分布起到控制作用，唐山地震災(zāi)區(qū)高震亡率和高倒塌率的空間分布呈線性集中，沿發(fā)震斷層帶分布。地形地貌對(duì)震害有著不可忽視的影響作用，尤其在河道、古湖泊和砂土液化高發(fā)區(qū)震害相對(duì)較重。

（2）震亡率分布特征揭示出早更新世活動(dòng)斷層陡河斷層（F1）附近震害較重，推測(cè)該斷層距離發(fā)震斷層古冶－南湖斷層（F3）較近，受到一定程度觸發(fā)，造成震害異常帶。對(duì)于這種現(xiàn)象，在斷層隱伏區(qū)內(nèi)，根據(jù)淺層地震勘探、鉆孔探測(cè)等手段獲得的早期活動(dòng)斷層，要充分重視與之密切相關(guān)的斷層系統(tǒng)，在特定的地質(zhì)構(gòu)造背景下，強(qiáng)震發(fā)生后，沿這些斷層也可能會(huì)出現(xiàn)局部震害高異常區(qū)。

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A Discussion on the Relationship between Seism ic Damage Distribution and Geological Structure of Tangshan Earthquake

Liu Kang1，2，Zhang Xuewen3，Li Jinjin4，Ma Chunqin3，Zhang Yuan2and Wang Jinping2

（1．Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2．National Earthquake Response Support Service，Beijing 100049，China；3．Tangshan Earthquake Administration，Tangshan 063000，China；4．Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Seismic damage distribution is closely related to geological structure.Based on sorting and screening of detailed seismic damage investigation data around Tangshan fault zone，seismic data of1130 villages are chosen to finish the geography information database and establish the distributionmaps ofmortality and the ratio of collapsing houses by Tangshan earthquake.Then，the seismic damage distribution features are studied by using spatial analysismethod of Geographic Information System.Combined with the latest achievements of active fault detection in Tangshan City，the control effect of regional geological structure on seismic damage is explored.

seismic damage；geological structure；Geographic Information System；Tangshan earthquake

P315.911；X43

A

1000－811X（2014）02－0025－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.006

劉亢，張學(xué)文，李津津，等.唐山地震震害分布與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系探討［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：25－28.［Liu Kang，Zhang Xuewen，Li Jinjin，et al.A Discussion on the Relationship between Seismic Damage Distribution and Geological Structure of Tangshan Earthquake［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：25－28.］

2013－08－26

2013－10－10

地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201208018）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2008BAK50B03－05）；中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心青年科技基金（YJ12021077）

劉亢（1980－），男，陜西商洛人，博士，副研究員，從事活動(dòng)構(gòu)造、地震災(zāi)害評(píng)估方面的研究工作.

E-mail：liukang028＠163.com