活動構(gòu)造與城市直下型地震

鄧起東 徐錫偉

鄧起東，中國科學(xué)院院士，地質(zhì)學(xué)家，中國地震局地質(zhì)研究所研究員，博士研究生導(dǎo)師，2003年當(dāng)選中國科學(xué)院院士；長期從事活動構(gòu)造、地震地質(zhì)和工程地震研究,建立我國活動構(gòu)造大比例尺填圖技術(shù)，開創(chuàng)全國活動構(gòu)造地質(zhì)填圖和研究工作，推動我國活動構(gòu)造定量研究和古地震研究發(fā)展，系統(tǒng)編制了我國活動構(gòu)造圖，主編我國第一份經(jīng)國家批準(zhǔn)作為抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的中國地震烈度區(qū)劃圖；先后出版專著13部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文227篇，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國家地震局科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，三等獎(jiǎng)5項(xiàng)；1991年獲第二屆李四光地質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)，1992年被評為國家級有突出貢獻(xiàn)中青年專家，享受國務(wù)院政府特殊津貼。

活動構(gòu)造的概念

我們居住的地球是一個(gè)不斷運(yùn)動的星球，在地球的運(yùn)動過程中會產(chǎn)生各種變形，包括斷層、褶皺、盆地、隆起和斷塊等，它們被統(tǒng)稱為地震構(gòu)造，斷層是其中最重要的一類。這種變形發(fā)生在不同地質(zhì)時(shí)期， 我們關(guān)心的是最新時(shí)期的變形，因?yàn)樗鼈兣c地震和多種災(zāi)害的發(fā)生密切相關(guān)。

所謂活動構(gòu)造是指現(xiàn)今正在活動， 未來一定時(shí)期內(nèi)仍可能發(fā)生活動的構(gòu)造。為了更全面地了解與現(xiàn)在構(gòu)造活動密切相關(guān)的最新構(gòu)造活動， 我們?nèi)∮腥祟惢顒映霈F(xiàn)以來這一段時(shí)期作為活動構(gòu)造的時(shí)限，即第四紀(jì)晚更新世（10～12萬年）以來。因此， 活動構(gòu)造就是在上述時(shí)間范圍內(nèi)正在發(fā)生活動的各類地質(zhì)構(gòu)造， 包括活動斷層、活動褶皺、 活動盆地及活動地塊等。

活動構(gòu)造的類型

1.活動斷層是指晚第四紀(jì)（10～12萬年）以來有過活動的斷層，它是活動構(gòu)造中最重要的一種類型。斷層在受力作用下發(fā)生錯(cuò)動，形成不同性質(zhì)的斷層。例如，由于拉張作用形成正斷層，擠壓作用形成逆斷層，剪切作用形成走向滑動斷層。不同性質(zhì)的斷層活動會產(chǎn)生不同類型的地震，即正斷層型、逆斷層型和走滑斷層型地震（見圖1）。根據(jù)斷層是否出露地表，活動斷層可以分為裸露活斷層和隱伏活斷層， 裸露活斷層是切割地表面的斷層，在地表常表現(xiàn)為斷層陡坎等地貌現(xiàn)象。

2.活動褶皺是指晚第四紀(jì)以來有過活動的褶皺或現(xiàn)今正進(jìn)行著的巖石彎曲變形。活動褶皺在現(xiàn)代擠壓造山帶和再生造山帶，包括其前陸盆地、山間盆地內(nèi)都十分常見。在這些構(gòu)造帶內(nèi)，褶皺伴隨斷層運(yùn)動過程而產(chǎn)生，因而被稱為斷層相關(guān)褶皺。斷層相關(guān)褶皺的基本類型分為斷彎褶皺、斷展褶皺和滑脫褶皺。它們都可能伴隨地震而孕育和發(fā)生。當(dāng)它們發(fā)育于地下一定深度時(shí)，它們就是盲斷裂、盲褶皺，大地震常與深部盲斷裂、盲褶皺相關(guān)，這類地震被稱為“褶皺地震”或“盲斷裂型地震”。

圖1 正斷層（a）、逆斷層（b）和走滑斷層（c）模型

3.活動盆地是指晚第四紀(jì)以來有過活動或者繼續(xù)發(fā)育的沉積盆地。可分為以張性構(gòu)造為特征的地塹盆地和半地塹盆地，以擠壓構(gòu)造為特點(diǎn)的壓陷盆地，以走滑構(gòu)造為特點(diǎn)的拉分盆地。對張性盆地而言，地震孕育和發(fā)生與地殼上部斷陷主斷裂和深部垂直走滑斷層的貫通相關(guān)，中地殼滑脫面在上、下地殼變形中起了重要作用。對壓陷盆地而言，山前深部盲斷層-滑脫面-前端斷坡的組合對大地震的孕育起著關(guān)鍵作用，深部震源斷層與地震地表破裂帶是分離的，在前端斷坡也可能發(fā)生中等強(qiáng)度地震。對拉分盆地（見圖2）而言，在其演化的后期，兩條剪切斷層相貫通，在拉分盆地內(nèi)產(chǎn)生盆地內(nèi)部張剪切斷層，階區(qū)障礙點(diǎn)被突破，它與剪切斷層一起共同控制大地震的發(fā)生。

4.活動斷塊是指被活動斷層帶、活動褶皺帶或活動盆地帶圍陷的地殼和巖石圈塊體?；顒訑鄩K有兩種類型：第一類斷塊整體性好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，塊體內(nèi)部不發(fā)生明顯的構(gòu)造變形和差異構(gòu)造活動。第二類斷塊內(nèi)部存在一定的構(gòu)造變形和差異活動，完整性和整體性較差，內(nèi)部構(gòu)造帶的活動速率小于斷塊邊界活動構(gòu)造帶。

中國活動構(gòu)造與地震

中國大陸位于歐亞板塊東南端， 挾持于太平洋板塊和印度洋板塊之間， 其間為西太平洋板塊邊界構(gòu)造帶和地中海一喜馬拉雅邊界構(gòu)造帶， 西太平洋板塊邊界構(gòu)造帶通過我國臺灣， 縱谷是主要的活動邊界， 曾在1920年和1972年發(fā)生過兩次8級地震。喜馬拉雅主前緣斷裂全新世縮短速率21±1.5 毫米 /年（Lave et al， 2000）， 帶內(nèi)已先后發(fā)生 9次8級地震，2015年尼泊爾博克拉8級地震是最新的一次。

除上述板塊邊界構(gòu)造帶外， 中國板內(nèi)一級活動構(gòu)造區(qū)（見圖3）有青藏?cái)鄩K區(qū)， 新疆?dāng)鄩K區(qū)， 華北斷塊區(qū)， 東北斷塊區(qū)，華南斷塊區(qū)和南海斷塊區(qū)。 其中華北斷塊區(qū)、青藏?cái)鄩K區(qū)和新疆?dāng)鄩K區(qū)是最主要的活動構(gòu)造區(qū)和地震活動區(qū)。

圖2 海原活動斷層干鹽池拉分盆地影像（a）和地質(zhì)圖（b）（國家地震局地質(zhì)研究所等，1990）

圖4 鄂爾多斯斷塊的構(gòu)造（a）和小震分布圖（b）（鄧起東，周慶，2015）

華北斷塊區(qū)可分為東西兩部分。西部鄂爾多斯斷塊整體穩(wěn)定，斷塊內(nèi)無明顯的差異活動， 斷塊四周則均為活動斷陷盆地， 斷陷帶內(nèi)多發(fā)6～8 級地震（見圖4），如山西斷陷帶1303年洪洞8級地震、渭河斷陷帶1556年華縣8?級地震和銀川盆地1739年平羅8級地震等。東部華北平原內(nèi)部表現(xiàn)出多拗、多隆、多凹、多凸的復(fù)雜格局， 也是一個(gè)大震多發(fā)區(qū)， 區(qū)內(nèi)多發(fā)7～8級地震，如1679年三河平谷8級地震、 1668年山東郯城8?級地震和1976河北唐山7.8級地震等。

青藏?cái)鄩K區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜， 區(qū)內(nèi)除了次級斷塊邊緣為構(gòu)造活動的邊界構(gòu)造帶外， 高原主體部分自南而北分布有拉薩、羌塘、巴顏喀喇、東昆侖一柴達(dá)木和祁連山斷塊等5個(gè)Ⅱ級斷塊。 青藏?cái)鄩K區(qū)及其次級斷塊的最新構(gòu)造活動均表現(xiàn)出向南東方向滑動， 其滑動速率由北向南依次增大， 直到斷塊區(qū)中部羌塘—川滇斷塊運(yùn)動速率最大， 川滇斷塊東北緣鮮水河斷層走滑速率最大可達(dá)13～15毫米/年。青藏?cái)鄩K區(qū)地震活動強(qiáng)烈， 1900年以來已發(fā)生多次8級強(qiáng)震， 三個(gè)地震系列的主體活動區(qū)為20世紀(jì)20～30年代的海原—古浪地震系列， 20世紀(jì)50～70年代的察隅—當(dāng)雄地震系列和巴顏喀拉塊體為中心的昆侖—汶川地震系列， 該地震系列自1997年以來已先后發(fā)生8次≥7級以上的地震，其中包括2001年昆侖山口西8.1級和2008年汶川8級地震（見圖5）。

圖5 青藏高原活動構(gòu)造分區(qū)與大地震(鄧起東等，2014)

新疆?dāng)鄩K區(qū)的活動構(gòu)造以擠壓斷塊型盆地為特征， 天山是—個(gè)典型的新生代再生造山帶， 天山兩側(cè)多排逆斷層由天山向外發(fā)展， 形成活動構(gòu)造帶， 并有多個(gè)山間盆地發(fā)育。天山兩側(cè)7～8級地震不時(shí)發(fā)生。在阿爾泰再生造山帶發(fā)育有阿爾泰山和科不多地震帶分布。

此外， 東北斷塊區(qū)， 華南斷塊區(qū)和南海斷塊區(qū)均為構(gòu)造活動和地震活動較弱地區(qū)， 但東南沿海地區(qū)由于臺灣動力觸角的影響發(fā)生過多次7級地震。

總的來說， 中國活動構(gòu)造格局控制了中國強(qiáng)震的分布。我們的研究結(jié)果表明，我國全部8級，絕大部分7～7.9級地震均發(fā)生在活動斷塊邊界活動構(gòu)造帶內(nèi)， 對內(nèi)部有次級活動構(gòu)造的塊體而言， 少數(shù)7～7.9級地震和部分6～6.9級地震也可能發(fā)生在塊體內(nèi)部的活動構(gòu)造帶上。大地震與活動斷層、活動褶皺和活動盆地的緊密關(guān)系還可以從全國70多次7級以上地震的同震破裂帶與活動構(gòu)造展布的一致得到證明。

城市直下型活動斷層與直下型地震

1.直下型活動斷層及其危害

城市范圍內(nèi)發(fā)育的活動斷層被稱為直下型活動斷層， 受它控制的地震被稱為直下型地震。城市地震災(zāi)害主要是由位于城市之下的活動斷層突發(fā)快速錯(cuò)動導(dǎo)致直下型地震發(fā)生， 產(chǎn)生地表破裂使斷層線上的建（構(gòu)）筑物造成嚴(yán)重破懷。7級及7級以上的地震可能形成同震地表破裂帶。隨著現(xiàn)代社會城市人口和財(cái)富高度集中， 城市范圍內(nèi)活動斷層孕育和引發(fā)的直下型地震的破壞和危害也越來越大。

城市， 尤其是大中型城市，是當(dāng)代政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，是人口集中、建（構(gòu)）筑物集中、工業(yè)生產(chǎn)、多種市政設(shè)施集中的場所， 一旦發(fā)生大地震將可能造成極其巨大的災(zāi)害后果。城市的生命線基礎(chǔ)是城市功能極其重要的一部分， 其功能網(wǎng)絡(luò)常呈立體交織結(jié)構(gòu)， 且許多管線深埋地下， 縱橫交錯(cuò)，一旦網(wǎng)絡(luò)遭到破壞， 修復(fù)難度極大。城市災(zāi)害具有連鎖性，直接災(zāi)害、 次生災(zāi)害和間接災(zāi)害連鎖， 形成災(zāi)害鏈， 更會加劇對城市的破壞。

面對大中型城市遭受直下型地震災(zāi)害越來越嚴(yán)重， 一些國家和政府越來越重視城市地震的危害， 認(rèn)識到城市防震減災(zāi)的重要性， 認(rèn)識到需要開展城市活動斷層探測工作， 查明城市內(nèi)是否存在活動斷層， 對活動斷層的定位、活動性及其地震危險(xiǎn)性——做出鑒定，制定相應(yīng)對策， 特別是制定直下型地震和引發(fā)地表破裂帶的預(yù)防對策， 在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)抗震設(shè)防管理， 提高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)， 強(qiáng)化防震減災(zāi)意識， 建立突發(fā)公共安全事件應(yīng)急處置預(yù)案。

2.城市活動斷層探測的核心問題

開展城市活動斷層探測， 評價(jià)其地震危險(xiǎn)性和危害性，其核心是要解決城市范圍內(nèi)的斷層定位， 斷層的最新活動和深部背景， 斷層的地震危險(xiǎn)性和地表錯(cuò)動的危險(xiǎn)性及減災(zāi)對策。2001年我們曾用6句話對這些科學(xué)問題加以概括。這6句話是“有沒有，活不活，深不深，震不震，錯(cuò)不錯(cuò)，好對策”。以下是對它們的簡單的解釋。

“有沒有”是要解決城市范圍內(nèi)有無直下型斷層及其定位問題。首先是要匯總已有的資料， 包括已有的地質(zhì)、地貌、遙感、鉆探、地球化學(xué)和地球物理勘探等各種資料，研究城市范圍和區(qū)域范圍內(nèi)的斷層活動情況， 對斷層分布做出判斷，輔以控制性地球化學(xué)和地球物理勘探; 其次， 是利用不同方法的綜合剖面探測， 對城市范圍內(nèi)的直下型斷層進(jìn)行初步定位; 最后， 在詳細(xì)探查中加大探測深度，逐步做到精確定位。

“活不活”是指對直下型斷層的活動性進(jìn)行評價(jià)。只有晚更新世（10～12萬年）以來仍然活動的斷層才考慮具有發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)， 因此， 必須評價(jià)城市范圍內(nèi)直下型斷層的活動性。更確切地說，調(diào)查斷層切割的地層、地貌與斷層的相互關(guān)系是活動斷層研究的核心。特別值得注意的是斷層活動面的轉(zhuǎn)移和最新活動面的確定， 如在盆地和平原邊緣，斷層最新活動面常由山區(qū)向盆地（或平原）轉(zhuǎn)移。

“深不深”是要解決直下型斷層的切割深度或直下型斷層深淺構(gòu)造關(guān)系問題， 地殼淺表的斷層不可能發(fā)生大的破壞性地震， 板內(nèi)地震一般震源深度可達(dá)10千米以上或接近10千米， 因此， 活動斷層探測必須從淺部、中深部和深部等不同層次的探測查明活動斷層的深淺構(gòu)造特征， 是否可能形成具有一定特征的震源構(gòu)造， 最好應(yīng)探測到莫霍面。

“震不震”是指在直下型斷層定位、活動性和深部構(gòu)造解決以后， 對那些晚更新世以來仍在活動， 且具有一定深部活動背景的斷層是否可能發(fā)生大地震做出評價(jià)， 這涉及要查明斷層的活動方式、運(yùn)動特征和斷層的活動歷史， 如斷層活動的突發(fā)性和粘滑特性， 突發(fā)錯(cuò)動的歷史和重復(fù)模型， 古地震及古地震重復(fù)間隔， 高精度探槽和高密度鉆探， 最后一次事件發(fā)生至今的時(shí)間（即離逝時(shí)間）， 活動斷層的規(guī)?；蚧顒訑鄬拥姆侄伍L度則與震級大小相關(guān)。在這一工作的基礎(chǔ)上，對未來一定時(shí)期內(nèi)是否會發(fā)生直下型地震及其發(fā)震概率做出評價(jià)。

“錯(cuò)不錯(cuò)”是指直下型地震發(fā)生后發(fā)震斷層是否會出露地表， 在城市范圍內(nèi)的地表是否出現(xiàn)同震地表破裂帶， 若出現(xiàn)，則評價(jià)其規(guī)模， 即地表破裂帶長度、寬度、位移、性質(zhì)及水平和垂直位移量， 確定避讓帶的范圍， 向政府提出防御措施，供城市規(guī)劃建設(shè)使用，并做好宣傳工作。

3.我國城市活動斷層探測進(jìn)展

1999年，全球相繼發(fā)生了土耳其伊茲米特、我國臺灣地區(qū)集集和美國赫克特曼（Hector Mine）等3次大地震，地震現(xiàn)場考察認(rèn)識到活動斷層同震錯(cuò)動對地面建構(gòu)筑物直接毀壞帶寬度是有限的， 是可以避開的， 這是一個(gè)非常重要的結(jié)論?；谖覈S多城區(qū)存在活動斷層的跡象， 還有許多城市歷史上遭受過破壞性地震的現(xiàn)實(shí)， 為有效減輕我國可能遭遇的地震災(zāi)害損失， 推動實(shí)現(xiàn)我國2020年以前減輕地震災(zāi)害的目標(biāo)， 中國地震局在2000年年初提出了城市活動斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)項(xiàng)目， 在國家發(fā)展與改革委員會的資助下， 2002年我們首先對福州市進(jìn)行了試驗(yàn)探測， 在獲得成功后， “十五”期間由中央和地方政府共同投資， 選取了位于地震基本烈度≥Ⅶ或破壞性地震多發(fā)區(qū)（帶）的18座省會城市和2座計(jì)劃單列市進(jìn)行了活動斷層探測， 在北京、天津、太原、銀川等城市鑒定出具有發(fā)生破壞性地震能力的26條活動斷層， 給出了它們的準(zhǔn)確定位和發(fā)震危險(xiǎn)性， 初步劃定避讓帶寬度，為城市建設(shè)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

由于“十五”期間開展過活動斷層探測的城市顯著提升了震災(zāi)預(yù)防能力， 取得了很好的社會效益， 國務(wù)院和各級地方政府加快推進(jìn)了城市活動斷層探測工作， 不僅研發(fā)了城市活動斷層探測的技術(shù)方法， 還擴(kuò)大了活動斷層探測的覆蓋面。截至2017年12月底，我國已開展城市活動斷層探測的地級及以上城市合計(jì)97座， 其中已經(jīng)完成活動斷層探測和鑒定的城市81座， 正在開展探測的城市16座。此外， 我們還組織完成了雄安新區(qū)核心區(qū)地震活動斷層探測、排查，為雄安新區(qū)的可持續(xù)發(fā)展起到保駕護(hù)航的作用。