美國加州活動(dòng)斷層探測及其成果應(yīng)用

陳睿(R. Chen), Tim E. Dawson, Tim P. McCrink

陳睿，美國加州地質(zhì)調(diào)查局（CGS）高級(jí)地震和工程地質(zhì)學(xué)家，加州注冊地質(zhì)工程師，曾任加州州立大學(xué)奇口分校土木工程系兼職教授、西南研究院核廢料監(jiān)管分析中心高級(jí)研究工程師、RE/SPEC咨詢公司工程師及中國地震局地殼應(yīng)力研究所助理研究員，現(xiàn)負(fù)責(zé)CGS地面震動(dòng)和斷層錯(cuò)動(dòng)危險(xiǎn)評(píng)估工作；先后獲得中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地震地質(zhì)學(xué)學(xué)士、中國地震局地質(zhì)研究所地震構(gòu)造學(xué)碩士和加拿大曼尼托巴大學(xué)土木與地質(zhì)工程學(xué)博士學(xué)位，長期從事概率地面震動(dòng)和地表斷層錯(cuò)動(dòng)危險(xiǎn)性評(píng)估、概率分析方法研究及其在地震損失預(yù)算、關(guān)鍵性建筑（核電站、醫(yī)院、學(xué)校等）抗震設(shè)計(jì)及其他防震減災(zāi)方面的應(yīng)用工作。

引言

本文簡要介紹美國，特別是加利福尼亞州，活動(dòng)斷層探測填圖及其成果在抗震減災(zāi)中的應(yīng)用。為避免由地震產(chǎn)生的地表破裂對(duì)建筑物造成的直接破壞，加州州政府在1972年頒布了《Alquist-Priolo地震斷層區(qū)劃法》（以下簡稱“AP法”）。此后開始對(duì)活動(dòng)斷層系統(tǒng)探測并填制大比例尺活動(dòng)斷層分布圖。截至目前，美國積累了大量有關(guān)發(fā)震斷層的空間分布、幾何特征及活動(dòng)參數(shù)的資料數(shù)據(jù)。隨著探測技術(shù)日趨先進(jìn)，對(duì)活動(dòng)斷層的探測和研究更深入和定量化。盡管迄今積累的數(shù)據(jù)資料仍然有限，但已經(jīng)可以用來建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式和數(shù)值模型，并計(jì)算不同震級(jí)地震發(fā)生的概率，促進(jìn)了地震危險(xiǎn)性概率分析和地震損失預(yù)測方法的發(fā)展，為有效地減輕地震風(fēng)險(xiǎn)、提高社區(qū)抗震能力提供了科學(xué)依據(jù)。

加州活動(dòng)斷層探測和填圖

在美國，以減輕地震風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)的活動(dòng)斷層探測始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)主要為一些重要設(shè)施提供依據(jù)，如核電站選址等。1971年，南加州San Fernando發(fā)生6.6級(jí)地震，形成的地表破裂毀壞了許多房屋、大壩和橋梁（Bonilla等，1971；Youd和 Olsen，1971；Yerkes，1973），大地震地表破裂造成建筑物嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象在其他國家和地區(qū)也普遍存在。地震后加州州政府頒布了AP法，禁止在活動(dòng)斷層之上建造供人類居住的建筑，使得活動(dòng)斷層探測得以推廣。

AP法被編入加利福尼亞州公共資源法（CPRC）第2部分第7.5章，在公共資源法中，AP法定義活動(dòng)斷層為：有全新世（地質(zhì)年代，距今約11700年）地表位錯(cuò)的斷層，并明確三個(gè)部門或者相應(yīng)人員負(fù)責(zé)AP法的管理和實(shí)施：加州首席地質(zhì)學(xué)家（加州地質(zhì)調(diào)查局局長）、州地質(zhì)礦產(chǎn)委員會(huì)和市縣等地方政府的主管機(jī)構(gòu)（有權(quán)審批開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目和發(fā)放許可證）。

AP法要求加州地質(zhì)調(diào)查局（California Geological Survey，簡稱CGS）沿加州已知活動(dòng)斷層劃分出地震斷層區(qū)（Earthquake Fault Zones，簡稱EFZ），并公開發(fā)布EFZ圖。受AP法影響最直接的是業(yè)主和開發(fā)商，業(yè)主和開發(fā)商（或其代理人）必須與主管機(jī)構(gòu)合作，確定建設(shè)項(xiàng)目是否受到AP法的約束；如果是，則必須遵守法律，按法律要求雇用合格的、持有專業(yè)執(zhí)照的地質(zhì)人員進(jìn)行詳細(xì)的場點(diǎn)活動(dòng)斷層調(diào)查與探測，并向主管機(jī)構(gòu)提交調(diào)查報(bào)告，作為審查和批準(zhǔn)的依據(jù)。

AP法要求CGS不斷收集和審查新的地質(zhì)和地震資料，評(píng)估還未被納入EFZ的活動(dòng)斷層和新發(fā)現(xiàn)的活動(dòng)斷層，并根據(jù)需要對(duì)已劃分的EFZ加以調(diào)整和修改。納入?yún)^(qū)劃的活動(dòng)斷層需要滿足兩個(gè)條件：有足夠的活動(dòng)性證據(jù)（指沿主干斷層或其分支有全新世位移）和明顯位錯(cuò)跡象（在地表或近地表的錯(cuò)動(dòng)能夠被專業(yè)的地質(zhì)人員識(shí)別）。

CGS的EFZ圖以美國地質(zhì)調(diào) 查 局（USGS） 的 1∶24000標(biāo)準(zhǔn)地形圖為底圖（見圖1a）。地震斷層區(qū)邊界的確定標(biāo)準(zhǔn)是距離主要活動(dòng)斷層約500英尺（150米），距離有明顯斷錯(cuò)痕跡的小規(guī)模斷層200～300英尺（60～90米），傾斜斷層上盤區(qū)劃范圍要比下盤寬，局部構(gòu)造復(fù)雜地段需要根據(jù)具體情況做決定。EFZ圖的主要目的是促進(jìn)場點(diǎn)活動(dòng)斷層探測。圖上活動(dòng)斷層位置的精確程度取決于現(xiàn)有資料，斷層跡線不一定能滿足AP法場點(diǎn)活動(dòng)斷層探測的具體要求，圖上沒有未來地表位錯(cuò)危險(xiǎn)程度相關(guān)信息。業(yè)主和開發(fā)商所雇用的地質(zhì)咨詢?nèi)藛T必須通過詳實(shí)細(xì)致的實(shí)地探測確定斷層位置，并在可能的情況下確定斷層錯(cuò)動(dòng)年代，以滿足AP法的避讓要求。

地震斷層區(qū)是加州用來控制地震災(zāi)害的法律管制區(qū)中的一類，其他還有砂土液化和地震誘發(fā)的山體滑坡危險(xiǎn)區(qū)（見圖1b）。在這些管制區(qū)中新建和擴(kuò)建工程都必須進(jìn)行場點(diǎn)調(diào)查研究和分析計(jì)算。CGS發(fā)布的EFZ圖有Geo-PDF和地理信息系統(tǒng)（GIS）shapefile兩種文件格式。CGS還提供EFZ圖和全州范圍房產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的交互式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，以便居民識(shí)別受EFZ影響的個(gè)人財(cái)產(chǎn)（https://maps.conservation.ca.gov/cgs/earthquakezones/app/），并向主管機(jī)構(gòu)和其他部門提供EFZ圖的地理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（https://spatialservices.conservation.ca.gov/arcgis/rest/services/CGS_Earthquake_Hazard_Zones）。

圖 1 好萊塢7.5分幅地震斷層區(qū)圖（部分）（摘自 CGS, 2018）

CGS的活動(dòng)斷層評(píng)估工作在很大程度上依賴于其他單位或部門的地質(zhì)人員在活動(dòng)斷層研究、工程建設(shè)、石油和天然氣勘探等方面積累的資料。CGS地質(zhì)工作人員也在必要時(shí)進(jìn)行野外考察、分析航空相關(guān)影像、以及利用其他探測技術(shù)評(píng)估活動(dòng)斷層。CGS第42號(hào)?？钚滦薷陌妫–GS，2018）詳細(xì)介紹了CGS使用和推薦的活動(dòng)斷層調(diào)查技術(shù)方法，包括地表和地下觀測探測方法，如地表測繪技術(shù)、活動(dòng)斷層地下探槽調(diào)查等。

用于區(qū)域和場點(diǎn)活動(dòng)斷層調(diào)查的地表測繪技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的立體成像航空照片解譯仍然重要，但更新的攝像測量技術(shù)如SFM（structure from motion）即通過分析物體的運(yùn)動(dòng)得到三維結(jié)構(gòu)信息的過程，更易于進(jìn)行地震災(zāi)害前后影像對(duì)比。許多城市有了基于激光雷達(dá)的高分辨率高程測量圖像，而且因?yàn)閭鹘y(tǒng)彩色攝像機(jī)和激光雷達(dá)傳感器都可以安裝在無人機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行測繪，這些新的攝像測量技術(shù)越來越經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用面也越來越廣。

由于開挖探槽可以直接觀察地下地層間的關(guān)系，可很方便地選擇和采集巖土樣品進(jìn)行年代測定等原因，探槽仍然是活動(dòng)斷層地下調(diào)查中最有效的方法。而鉆孔和地球物理方法通常用于不能開挖探槽的區(qū)域，或作為輔助性的探測手段。

盡管與AP法相關(guān)的活動(dòng)斷層探測工作主要目的是確定活動(dòng)斷層位置和斷錯(cuò)的時(shí)間問題，但從這些調(diào)查工作中積累的知識(shí)和大量的數(shù)據(jù)資料有助于進(jìn)一步加深對(duì)活動(dòng)斷層發(fā)震機(jī)制及發(fā)震潛力的認(rèn)識(shí)和理解。目前在加州和美國其他地區(qū)對(duì)活動(dòng)斷層的探測研究既包括對(duì)斷層活動(dòng)時(shí)空特征的全面了解，也包括利用古地震和歷史地震資料及斷層滑動(dòng)速率等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)建立模型，用來表征地震震級(jí)和發(fā)震頻率的關(guān)系，以期逐步完善對(duì)地震危險(xiǎn)性(包括地面震動(dòng)危險(xiǎn)性和地表斷裂錯(cuò)動(dòng)危險(xiǎn)性)進(jìn)行綜合分析的概率方法。

概率地震危險(xiǎn)性分析在活動(dòng)斷層探測中的應(yīng)用

大部分美國人生活在有潛在強(qiáng)烈地面震動(dòng)危害的地區(qū)（Jaiswal等，2015a）。為提高公眾安全和震后社區(qū)恢復(fù)能力，需要對(duì)地震危險(xiǎn)性做可信的、有科學(xué)依據(jù)的估算。目前對(duì)未來地面震動(dòng)強(qiáng)度做定量估算最好的方法是概率地震危險(xiǎn)性分析（Probabilistic Seismic Hazard Analysis，以下簡稱“PSHA”）。PSHA計(jì)算在給定的時(shí)間段內(nèi)地面震動(dòng)將超過各種量值的可能性（Cornell，1968）。在美國用PSHA計(jì)算的各種結(jié)果已在很多方面得到有效應(yīng)用，包括土地使用規(guī)劃、建筑規(guī)范的制定和修改、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急響應(yīng)、生命線和關(guān)鍵設(shè)施設(shè)計(jì)以及相關(guān)的科普宣傳教育等（National Research Council，2011）。

USGS在20世紀(jì)90年代開始使用PSHA方法在全國范圍內(nèi)對(duì)地面震動(dòng)危險(xiǎn)做概率分析，并繪制了全國地震危險(xiǎn)性圖（National Seismic Hazard Maps，以下簡稱“NSHM”）。NSHM是一套旨在改善抗震建筑的產(chǎn)品。NSHM及其基本計(jì)算模式每六年更新一次，以便將最新和最準(zhǔn)確的有關(guān)破壞性地震的信息和研究成果納入其中。

PSHA的基本模式之一是震源模式。NSHM震源模式的一個(gè)主要資料來源是USGS的第四紀(jì)斷層和褶皺數(shù)據(jù)庫（https ：//earthquake.usgs.gov/hazards/qfaults/）。該數(shù)據(jù)庫匯編了第四紀(jì)以來發(fā)生過6級(jí)以上地震的約2000條斷層資料：包括地質(zhì)背景、斷層走向、斷錯(cuò)類型、滑動(dòng)方向和速率、地震重復(fù)周期以及最近一次地震發(fā)生的時(shí)間。

2014年版NSHM（最新版，Petersen，et al.，2015）的PSHA計(jì)算采納了幾個(gè)相對(duì)過去版本有顯著改進(jìn)的震源模式，值得一提的有：基于加利福尼亞統(tǒng)一地震斷裂預(yù)算第三版（Uniform California Earthquake Rupture Forecast，version3， 以 下 簡 稱“UCERF3”）（Field et al.，2014）的震源模式和Cascadia俯沖帶界面震源模式（Frankel et al.，2015）。其他震源模式在Moschetti et al.（2015年）中有詳細(xì)介紹。

UCERF3放寬了過去震源模式中斷層分段發(fā)生地震的假設(shè)，并且在條件滿足的情況下，允許多條斷層在同一地震中錯(cuò)動(dòng)。這些改進(jìn)的科學(xué)性及必要性被近年來發(fā)生的多例地震證實(shí)：如2011年日本Tohoku的9級(jí)地震不局限在斷層分段內(nèi)；2010年的墨西哥El Mayor-Cucapah7.2級(jí)和2012年印度尼西亞Sumatra 8.6級(jí)地震都由多條斷層錯(cuò)動(dòng)所致。UCERF3的另一個(gè)創(chuàng)新之處是把所有可能發(fā)生地震的斷層作為一個(gè)整體系統(tǒng)來預(yù)估各條斷層的地震發(fā)生概率。

Cascadia俯沖帶界面震源模式包括兩種類型的地震：一種是由整個(gè)俯沖帶界面錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的特大地震，另一種是俯沖帶界面部分錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的地震。兩種地震的發(fā)生及其發(fā)生的頻率是根據(jù)斷層探測和古地震研究得到的有關(guān)資料來確定的，包括陸地古地震證據(jù)、海岸沉降、海嘯沉積、砂土液化，以及在深海巖芯中發(fā)現(xiàn)的近期海底混濁堆積物。

2014年版NSHM（及其計(jì)算模式）的應(yīng)用例子包括全國及加州地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和損失預(yù)算（Jaiswalet al.，2015a，b；Chenet al.，2016）。CGS通常用最新版的NSHM及其計(jì)算模式為編制加州砂土液化圖和地震誘發(fā)的山體滑坡危險(xiǎn)區(qū)圖提供地面震動(dòng)參數(shù)（Chen，2018）。

斷層地表位錯(cuò)危險(xiǎn)性的概率分析

研究表明，加州的AP法有效地減輕了與地表破裂有關(guān)的地震風(fēng)險(xiǎn)（Reitherman and Leeds，1991）。通過避讓降低風(fēng)險(xiǎn)本質(zhì)上是一種確定性（deterministic）的方法，這一方法不用考慮未來地震在地表產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)的可能性有多大，也不必通過工程設(shè)計(jì)來降低風(fēng)險(xiǎn)。但有學(xué)者認(rèn)為一概避讓的要求太苛刻，他們認(rèn)為工程師們有能力設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)使其能夠承受地表斷裂錯(cuò)動(dòng)（Bray，2001）。AP法的減災(zāi)理念與目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的risk-informed performancebased的設(shè)計(jì)也不兼容。Risk-informed performancebased的設(shè)計(jì)是指在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)有了充分的定量估算之后，基于建筑物的應(yīng)用性能來設(shè)計(jì)。此外，避開活動(dòng)斷層對(duì)一些重要的基礎(chǔ)設(shè)施來說是不實(shí)際的，如水渠，電纜，油氣管道，交通運(yùn)輸系統(tǒng)等。

概率斷層位錯(cuò)危險(xiǎn)性分析（probabilistic fault displacement hazard assessment，以下簡稱“PFDHA”）計(jì)算在給定時(shí)間段內(nèi)伴隨地震而產(chǎn)生的地表位錯(cuò)超過各種量值的可能性，包括沿主干或主要地震斷層的錯(cuò)動(dòng)位移，以及出現(xiàn)在主干斷層兩側(cè)一些小規(guī)模次級(jí)斷裂和裂隙上的位錯(cuò)。美國政府曾為計(jì)劃建于美國內(nèi)華達(dá)州尤卡山的高放射性核廢料地質(zhì)處置庫做了大量安全性評(píng)估，包括分析計(jì)算地表和近地表斷層錯(cuò)動(dòng)危險(xiǎn)性。為此Youngs等人（2003）初次使用了適用于伸展構(gòu)造環(huán)境的PFDHA。之后通過Petersen等人（2011）以及Moss和Ross（2011）的研究，PFDHA方法得以改進(jìn)，其適用范圍擴(kuò)展到其他構(gòu)造環(huán)境。用PFDHA計(jì)算方法繪制的斷層位錯(cuò)危險(xiǎn)性圖（見圖2）(Chen和Petersen，2011）有可能在將來成為AP法的輔助工具，從而更有效地減輕與地表破裂有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，PFDHA在美國和其他國家的應(yīng)用不斷增多（Amec Geomatrix，2010；U.S. Nuclear Regulatory Commission，2012；Takao et al.，2013；Japan Nuclear Safety Institute，2013；Rizzo，2013）。 美 國 核 學(xué) 會(huì)（American Nuclear Society，2015）發(fā)表了針對(duì)核設(shè)施的評(píng)估斷層地表位錯(cuò)和構(gòu)造變形危險(xiǎn)性的國家標(biāo)準(zhǔn)。國際原子能機(jī)構(gòu)（TheInternational Atomic Energy Agency，簡稱“IAEA”）要求其成員國對(duì)核設(shè)施地表斷層錯(cuò)動(dòng)危險(xiǎn)性進(jìn)行概率計(jì)算（IAEA，2016）。IAEA目前正在撰寫一份有關(guān)PFDHA的技術(shù)文件，旨在為其成員國提供技術(shù)指導(dǎo)。

相對(duì)PSHA而言，PFDHA還很不成熟。PFDHA仍舊主要使用少數(shù)學(xué)者的估算方法（如Youngs等，2003；Petersen等，2011），這些方法從有限的歷史地震地表破裂收集斷錯(cuò)數(shù)據(jù)，經(jīng)回歸分析，得到經(jīng)驗(yàn)公式，來預(yù)測未來地震可能產(chǎn)生的地表位錯(cuò)量。需要指出的是，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)不包括2000年以后發(fā)生的地震，并且用于不同類型地震和不同地區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一。為改進(jìn)斷層位錯(cuò)危險(xiǎn)性的估算，在IAEA和國際第四紀(jì)科學(xué)聯(lián)盟的支持下，Baize等（2017）發(fā)起了一個(gè)旨在建立全球統(tǒng)一的地震斷層地表位錯(cuò)數(shù)據(jù)庫（SUrface Rupture of Earthquakes Database，簡稱“SURE數(shù)據(jù)庫”）的國際合作項(xiàng)目。

圖2 沿南圣安德列斯斷裂帶小區(qū)域范圍50年超越概率10%的斷層位錯(cuò)危險(xiǎn)性圖（據(jù) Chen和Petersen，2011年）

用于PFDHA的活動(dòng)斷層調(diào)查包括對(duì)地震地表破裂帶作高精度填圖、詳細(xì)描述斷錯(cuò)特征、仔細(xì)測量位移量、并記錄各觀測點(diǎn)的地理位置（經(jīng)緯度）。調(diào)查必須在地震發(fā)生后即時(shí)進(jìn)行，因?yàn)榈卣鹪斐傻牡乇砥茐淖C據(jù)可能會(huì)因自然風(fēng)化或人為因素很快消失。出現(xiàn)在主干斷層兩側(cè)支系和小規(guī)模斷裂、裂隙上的位錯(cuò)常被地震地質(zhì)人員忽略，而這些位錯(cuò)的分布在工程應(yīng)用中非常重要。現(xiàn)代技術(shù)，如SAR干涉測量和LiDAR或SFM地形測量，已可以在更廣泛的空間范圍內(nèi)識(shí)別同震變形，獲得精確的、系統(tǒng)的及大批量的位移測量數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)對(duì)于估算未來地表斷層錯(cuò)動(dòng)量和錯(cuò)動(dòng)位置至關(guān)重要。

PSHA只需要地震斷層的大概位置，而PFDHA需要斷層的確切位置，定位誤差，和斷層支系和一些特殊段落(如彎曲段、斷層末端、跡象相對(duì)復(fù)雜和走向突然改變段等)的仔細(xì)描繪。地震斷層幾何特征的復(fù)雜性和斷裂位置的誤差是PFDHA方法需要面對(duì)的問題（詳見Petersen等，2011年）。歷史地震表明，地表破裂可能偏離此次地震之前繪制的斷層跡線，比斷層跡線復(fù)雜、甚至出現(xiàn)在沒有斷層跡線的地方?？梢?/p>

未來地震地表破裂的位置有一定的偶然性或者說存在可變性。如果有足夠的、顯示多次古地震的探槽資料，對(duì)這一可變性是可以做定量估計(jì)并在PFDHA計(jì)算中做相應(yīng)處理的（Chen等，2013）。

圖3 加州第四紀(jì)以來有過錯(cuò)動(dòng)的斷層分布圖

結(jié)束語

過去幾十年美國在活動(dòng)斷層探測方面取得了很大成果，所積累的知識(shí)、資料和數(shù)據(jù)的直接應(yīng)用（如通過AP法）或間接應(yīng)用（如通過用PSHA和PFDHA對(duì)地面震動(dòng)程度和地表斷裂錯(cuò)動(dòng)量作定量估算并將結(jié)果用于工程設(shè)計(jì)等）有效地提高了許多城市和社區(qū)的防震抗災(zāi)能力。CGS將繼續(xù)評(píng)估加州境內(nèi)很多可能有全新世位錯(cuò)但還沒被區(qū)劃為AP地震斷層區(qū)的活動(dòng)斷層（見圖3），必要時(shí)也會(huì)更改已劃出的AP地震斷層區(qū)，并繼續(xù)進(jìn)行理論研究和數(shù)據(jù)收集以進(jìn)一步改善PFDHA。USGS將不斷更新NSHM，以納入最新數(shù)據(jù)、理論和模式。這些持續(xù)不斷的工作要求活動(dòng)斷層的探測越來越精確和定量化。PSHA和PFDHA都需要很多以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?duì)這些模式的改進(jìn)需要更多能夠反應(yīng)場點(diǎn)和斷層具體特性的數(shù)據(jù)，包括過去地震事件的時(shí)間、震級(jí)和每次地震的地表位錯(cuò)量等。這些有關(guān)活動(dòng)斷層的地震歷史數(shù)據(jù)對(duì)于推進(jìn)最近新建立的與時(shí)間相關(guān)（time dependent）的地震預(yù)測和災(zāi)害評(píng)估方法也是必不可少的（Field等，2015；Biasi和 Thompson，2017）。