活動斷層避讓問題探討與建議

徐錫偉 陳桂華

徐錫偉，中國地震局地殼應(yīng)力研究所所長，二級研究員，博士研究生導(dǎo)師，國家重大科學(xué)工程項目《中國地震活斷層探測技術(shù)系統(tǒng)—城市活斷層探測與地震危險性評價》首席科學(xué)家，歷任中國地震局地質(zhì)研究所研究室主任、副所長等職。自1989 年獲國家地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造地質(zhì)專業(yè)博士學(xué)位以來，長期從事活動構(gòu)造與減輕地震災(zāi)害風(fēng)險應(yīng)用研究，曾赴日本東京大學(xué)做博士后研究、美國哈佛大學(xué)做高級訪問學(xué)者；先后發(fā)表中英文學(xué)術(shù)論文200 余篇，其中被SCI 收錄50 余篇、被EI 收錄30 余篇，出版著作和技術(shù)標準5部；1994 年獲中國地質(zhì)學(xué)會金錘獎，1999 年入選國家百千萬人才工程第一、第二人選，先后2 次獲中國地震局科考勇士稱號，2001 年獲中共中央組織部、人事部、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會第七屆中國青年科技獎，2008 年被中國科協(xié)授予抗震救災(zāi)先進個人，2009 年被國家科技部授予野外科技工作先進個人，2010 年被中國科協(xié)授予全國優(yōu)秀科技工作者，2014 年入選國家高層次人才特殊支持計劃領(lǐng)軍人才（萬人計劃）。

引言

人類的歷史，就是發(fā)展與災(zāi)難共存的歷史，地震災(zāi)害是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一。地震是活動斷層錯動的直接結(jié)果，造成地震災(zāi)害的兩個主要因素是近斷層強地面運動和活動斷層地表斷錯，前者是由于積累在活動斷層附近巖石中的彈性應(yīng)變能，通過斷層突發(fā)性滑動釋放引起的。

根據(jù)大量地震現(xiàn)場調(diào)查、斷層擴展實驗和地震破裂機制研究表明，震級大于6.5級的地震通常會在地表形成數(shù)千米至數(shù)百千米長的地表破裂帶，產(chǎn)生數(shù)十厘米至數(shù)米的地表錯動。例如，1999年臺灣集集7.6級地震，發(fā)震斷層為車籠埔斷層，形成一系列地表破裂和陡坎，其地表破裂帶長度達100千米，斷層上盤抬升了數(shù)十厘米至十米不等，橫跨車籠埔斷層的所有道路、房屋、工程設(shè)施均被嚴重損毀（見圖1）。

我國地處歐亞板塊、印度板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊相互作用的交接部位，是世界地震多發(fā)國家和地震災(zāi)害十分嚴重的國家之一，已知的活動斷層超過495條，主要分布在青藏高原、天山地區(qū)、阿爾泰地區(qū)、華北地區(qū)和臺灣地區(qū)，東北地區(qū)和華南沿海也存在少量活動斷層。

目前的工程抗震措施還難以抵御斷層錯動對地面建(構(gòu))筑物的直接毀壞，吸收和總結(jié)國內(nèi)外活動斷層避讓的經(jīng)驗和教訓(xùn)，避開活動斷層則可避免因斷層活動造成的損失，有效地解決建設(shè)工程的抗斷問題。

圖1 臺灣集集地震中損毀的鐵路

活動斷層避讓的理論依據(jù)

震后地震斷層考察、地震破裂機制研究與實驗結(jié)果表明，在大多數(shù)情況下地震是沿地殼中已有的活動斷層破裂成核、滑動擴展和終止的產(chǎn)物；在某些特殊情況下則是地殼巖石受力沿應(yīng)變集中帶破裂成核、滑動擴展形成新生斷層的結(jié)果。其中，已有斷層面閉鎖引起彈性應(yīng)變能或應(yīng)力的積累，并達到摩擦強度時發(fā)生突然滑動是地殼內(nèi)發(fā)生地震的主流觀點。

活動斷層避讓是基于上述地質(zhì)構(gòu)造原理來確定避讓對象。從上述原理衍生的重要假設(shè)是，未來的地震地表破裂最有可能沿以前發(fā)生過地震破裂的活動斷層發(fā)生。古地震以及不同時期斷錯地貌累積位移有規(guī)律地增加等現(xiàn)象，肯定了這一假設(shè)的可靠性和合理性（見圖2）。因此，需要實施避讓的活動斷層可以通過地質(zhì)、地球物理等手段進行確定。

圖2 圣安德列斯斷層華萊士溪累積地震位移和歷史地震位移分布圖（照片由R. Wallace拍攝）

活動斷層破裂局部化特性

地震發(fā)生時，活動斷層在地表產(chǎn)生的破裂具有局部化特征，破裂寬度取決于活動斷層的構(gòu)造變形特性，如位移大小和破裂方式。在活動構(gòu)造研究的時間域內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場一般不會發(fā)生顯著的變化，活動斷層的性質(zhì)具有相對穩(wěn)定的特征。古地震研究也表明，在百年至千年時間尺度，地表可見明顯跡線的活動斷層會以規(guī)則或不規(guī)則的復(fù)發(fā)間隔和位移不斷地重復(fù)發(fā)生地震地表破裂，且地震破裂具有局部化特征。因此，避讓活動斷層的首要任務(wù)是進行斷層活動性鑒定，確定是否屬于活動斷層，進而確定活動性質(zhì)及其破裂局部化特性，并據(jù)此制定避讓方案。

在2008年汶川地震之前，龍門山斷裂帶內(nèi)的北川—映秀斷層和安縣—灌縣斷層沿走向多處發(fā)育斷層活動形成的斷坎，汶川地震時又形成了一系列新的地表破裂，并且表現(xiàn)形式多種多樣，常見有正斷層型陡坎、逆斷層型陡坎、走滑型陡坎、褶皺型陡坎、推覆型陡坎、上盤垮塌型陡坎、斜列張裂縫、鼓包狀隆起等。

由于汶川地震的地表破裂帶以垂直差異運動為主，斷層沿線建（構(gòu)）筑物受損狀況最直接的影響因素是地表變形梯度，即垂直變形量與對應(yīng)地表變形帶寬度之比，各種變形梯度值與建筑物破壞狀況的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 地表變形梯度值與建筑物破壞狀況對應(yīng)關(guān)系

從表1可以看出，當(dāng)?shù)乇碜冃翁荻龋?.1時，建筑物完全倒塌，功能完全喪失；地表變形梯度為0.07～0.1時，建筑物遭受嚴重損壞，產(chǎn)生傾斜及強烈變形；當(dāng)?shù)乇碜冃翁荻葹?.03～0.07時，建筑物受到中度損壞或產(chǎn)生傾斜，具有抗震設(shè)防能力的建筑物一般不會倒塌；當(dāng)?shù)乇碜冃翁荻龋?.03時，具有抗震設(shè)防能力的建（構(gòu)）筑物一般只會受到輕度損傷或基本完好（見圖3）。

活動斷層破裂帶位置的確定

活動斷層的空間展布位置和幾何結(jié)構(gòu)是土地規(guī)劃、建筑設(shè)計和避讓活動斷層相關(guān)災(zāi)害帶的前提和基礎(chǔ)。如果確定在工程建設(shè)場地或周邊存在活動斷層，可通過探槽和大比例尺填圖等方法，確定活動斷層及其分支斷層的平面展布位置和幾何學(xué)結(jié)構(gòu)（如走向、傾向和傾角等），劃定包含主斷層、分支或次級斷層、明顯變形區(qū)的變形帶邊界（見圖4）。需要注意的是，通?；顒訑鄬幼冃螏б卜Q為斷層破壞帶（fault damage zone），變形帶寬度一般為幾米至數(shù)十米，代表了活動斷層變形最強烈的范圍和未來地震地表破裂帶的出露范圍，也是建（構(gòu)）筑物嚴重毀壞的帶狀區(qū)域，該區(qū)段是建設(shè)工程避讓的主要對象。

圖3 北川—映秀地表破裂帶斷層陡坎與建筑物破壞關(guān)系

隱伏活動斷層的同震破裂是由地下向地表擴展，這是一個復(fù)雜過程，其與斷層上覆松散沉積層厚度、巖土力學(xué)性質(zhì)、斷層傾角和位移量等參數(shù)密切相關(guān)，因此斷層破裂的擴展方向、地表出現(xiàn)的位置、破裂樣式、變形或錯動幅度等方方面面具有很大的不確定性。正是由于存在這樣的不確定性，我們無法判斷同震錯動是否延伸至地表及其出露位置，使得隱伏活動斷層在地表難以有效地避讓。

圖4 阿爾金斷裂帶阿克塞東探槽變形帶

活動斷層鑒定和位置確定是一項專業(yè)性十分強的工作，須遵循活動斷層探測相關(guān)技術(shù)標準，由具有良好專業(yè)能力、豐富經(jīng)驗的地質(zhì)專家或地質(zhì)工程師做專門的調(diào)查與研究，其中確定活動斷層位置最有效的方法是槽探法，通過開挖探槽，可以劃定主斷層兩側(cè)變形帶的寬度及其邊界，為建設(shè)工程避讓活動斷層提供科學(xué)依據(jù)。

活動斷層破裂帶寬度的確定

地震活動斷層破裂帶和變形帶寬度的確定取決于斷層地表破裂的局部化特征。通常震級M≥6.5的地震沿發(fā)震活動斷層形成呈條帶狀展布的地表破裂帶，寬度在數(shù)米至數(shù)十米不等（見圖5），某些地段受斷層幾何結(jié)構(gòu)的影響，地表破裂帶寬度可超過百米，表現(xiàn)出變形和破裂局部化的典型特征。

1.走滑斷層

走滑斷層指斷層面近于直立、兩盤塊體做水平運動的斷層，包括右旋走滑斷層、左旋走滑斷層和帶有少量傾滑分量的斜滑斷層。典型的例子有美國加利福尼亞州右旋走滑的圣安德烈斯斷裂、我國青藏高原左旋走滑的阿爾金斷裂、東昆侖斷裂、鮮水河斷裂等。

大量的震例研究表明，走滑斷層的同震地表破裂及其引起的建（構(gòu)）筑物毀壞帶主要沿其地表跡線對稱分布，寬度統(tǒng)計平均值為30米( 見圖6a)。

由于陡傾角走滑斷層由不連續(xù)的次級剪切斷層斜列而成，使得走滑斷層的內(nèi)部斜列階區(qū)( 擠壓隆起或拉分盆地)和端部出現(xiàn)復(fù)雜的破裂特征（階區(qū)的破裂特征），特別是寬度取決于階區(qū)本身的寬度和次級走滑斷層的重疊量，當(dāng)階區(qū)寬度在數(shù)十米寬度時，可把階區(qū)整體作為變形帶進行避讓；但當(dāng)階區(qū)規(guī)模在千米量級時，且土地資源較為緊缺的條件下，需要利用探槽確定階區(qū)內(nèi)部各次級斷層的準確位置和地質(zhì)變形帶的邊界，分別考慮避讓距離。

圖5 不同類型斷層地震地表破裂帶寬度實測圖

2.傾滑斷層

傾滑斷層，包括逆斷層和正斷層兩種類型。由于逆斷層和正斷層上盤變形量比下盤大，無論是地震地表破裂，還是地面同震錯動對地面建( 構(gòu)) 筑物的直接毀壞等均出現(xiàn)明顯的上盤效應(yīng)，即上盤嚴重災(zāi)害帶寬度是下盤的2～3 倍。因此，在避讓逆斷層和正斷層時需要考慮上盤效應(yīng)，即下盤最小避讓距離為地質(zhì)變形帶邊界向外15米，而上盤應(yīng)為地質(zhì)變形帶邊界向外30～45米。

鑒于正斷層近地表傾角一般為50°～60°，建議上盤最小避讓距離為從地質(zhì)變形帶邊界向外30米( 見圖6b)；而逆斷層傾角一般較緩，通常在30°左右，建議上盤最小避讓距離為從地質(zhì)變形帶邊界向外45米( 見圖6c) 。

建設(shè)工程抗斷與避讓距離建議

活動斷層避讓旨在通過避開活動斷層來解決建（構(gòu)）筑物的“抗斷問題”，達到有效減輕地震災(zāi)害風(fēng)險的目標，是目前世界范圍內(nèi)普遍接受并相繼實施的一項減災(zāi)措施。

圖6 不同類型活動斷層避讓方案

1994 年美國北嶺地震后，活動斷層沿線的災(zāi)情尤為嚴重，為此，加州州政府頒布了《地震斷層劃定法案》（Earthquake Fault Zoning Act），明確規(guī)定活動斷層兩側(cè)各避讓15米，才能夠建設(shè)居住的建筑物，這個避讓距離實際上主要是針對包括圣安德烈斯斷裂帶在內(nèi)的陡傾角走滑斷層。

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，大量農(nóng)村人口轉(zhuǎn)移到城市，城市規(guī)模越來越大，土地資源越來越稀缺，城市規(guī)劃、國土等部門對城市活動斷層避讓距離提出了更高要求，希望避讓距離更加精準。下面從活動斷層破裂帶影響寬度統(tǒng)計和科學(xué)研究的角度，就各類建設(shè)工程的避讓距離提出相關(guān)建議。

1.一般建設(shè)工程

對位于走滑斷層附近的一般建設(shè)工程，建議最小避讓距離為地質(zhì)變形帶邊界向外各15米；對位于正斷層附近的一般建設(shè)工程，則需要考慮斷層的上盤效應(yīng)，即下盤最小避讓距離為地質(zhì)變形帶邊界向外15米，建議上盤最小避讓距離為從地質(zhì)變形帶邊界向外30米；對位于逆斷層附近的一般建設(shè)工程，同樣需要考慮斷層的上盤效應(yīng)，下盤最小避讓距離為地質(zhì)變形帶邊界向外15米，建議上盤最小避讓距離為從地質(zhì)變形帶邊界向外45米。

2.重要建設(shè)工程

重要建設(shè)工程，無論是工程的重要性還是建設(shè)規(guī)模，都有別于一般工程，有些還可能引發(fā)嚴重的次生災(zāi)害，因此，重要建設(shè)工程的避讓要視工程的重要性進行合理調(diào)整。由于傾滑斷層，特別是逆斷層的同震地表破裂及其建（構(gòu)）筑物毀壞帶遠較走滑斷層復(fù)雜，也為了安全起見，對位于傾滑斷層附近的重要建設(shè)工程，避讓距離建議大于3千米，如應(yīng)急指揮、生命線工程樞紐等功能不能中斷的機構(gòu)或設(shè)施所在的建（構(gòu)）筑物；而用于生產(chǎn)、測試、存儲易燃易爆等容易產(chǎn)生嚴重次生災(zāi)害或精密儀器設(shè)備的建設(shè)工程，其避讓距離建議大于5千米，這一避讓距離也與核電站廠址要求相一致。

此外，地震現(xiàn)場不僅觀察到了包括活動斷層同震破裂和錯動對房屋、橋梁等地面建（構(gòu)）筑物的直接毀壞現(xiàn)象，也看到了坐落在同震地表破裂帶上的一些“抗斷”建筑實例。針對走滑斷層和傾滑斷層的同震地表破裂特征和差異，通過強化地基和結(jié)構(gòu)“抗斷”性能設(shè)計，實現(xiàn)分散、吸收或降低同震地表破裂和錯動對地面建（構(gòu)）筑物的影響。

結(jié)束語

黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院將公共安全體系建設(shè)放在更加突出位置，要求牢固樹立安全發(fā)展觀念，建設(shè)平安中國，防震減災(zāi)事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展，是保障全面建成小康社會的重要環(huán)節(jié)。

實踐證明，建設(shè)工程避開活動斷層是一種積極、有效的減輕地震災(zāi)害的途徑。各級政府要提高對活動斷層探測工作的重視程度，加大對陸地和海域活動斷層探測工作的投入，查明轄區(qū)內(nèi)活動斷層的活動性質(zhì)及其空間展布位置，充分利用活動斷層探測成果，提升防震減災(zāi)的基礎(chǔ)能力，保障國民經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展。