活動構造與城市直下型地震

鄧起東 徐錫偉

鄧起東，中國科學院院士，地質學家，中國地震局地質研究所研究員，博士研究生導師，2003年當選中國科學院院士；長期從事活動構造、地震地質和工程地震研究,建立我國活動構造大比例尺填圖技術，開創全國活動構造地質填圖和研究工作，推動我國活動構造定量研究和古地震研究發展，系統編制了我國活動構造圖，主編我國第一份經國家批準作為抗震設防標準的中國地震烈度區劃圖；先后出版專著13部，發表學術論文227篇，獲國家科技進步二等獎2項，國家地震局科技進步一、二等獎5項，三等獎5項；1991年獲第二屆李四光地質科學獎，1992年被評為國家級有突出貢獻中青年專家，享受國務院政府特殊津貼。

活動構造的概念

我們居住的地球是一個不斷運動的星球，在地球的運動過程中會產生各種變形，包括斷層、褶皺、盆地、隆起和斷塊等，它們被統稱為地震構造，斷層是其中最重要的一類。這種變形發生在不同地質時期， 我們關心的是最新時期的變形，因為它們與地震和多種災害的發生密切相關。

所謂活動構造是指現今正在活動， 未來一定時期內仍可能發生活動的構造。為了更全面地了解與現在構造活動密切相關的最新構造活動， 我們取有人類活動出現以來這一段時期作為活動構造的時限，即第四紀晚更新世（10～12萬年）以來。因此， 活動構造就是在上述時間范圍內正在發生活動的各類地質構造， 包括活動斷層、活動褶皺、 活動盆地及活動地塊等。

活動構造的類型

1.活動斷層是指晚第四紀（10～12萬年）以來有過活動的斷層，它是活動構造中最重要的一種類型。斷層在受力作用下發生錯動，形成不同性質的斷層。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。不同性質的斷層活動會產生不同類型的地震，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，在地表常表現為斷層陡坎等地貌現象。

2.活動褶皺是指晚第四紀以來有過活動的褶皺或現今正進行著的巖石彎曲變形。活動褶皺在現代擠壓造山帶和再生造山帶，包括其前陸盆地、山間盆地內都十分常見。在這些構造帶內，褶皺伴隨斷層運動過程而產生，因而被稱為斷層相關褶皺。斷層相關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生。當它們發育于地下一定深度時，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，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以來有過活動或者繼續發育的沉積盆地。可分為以張性構造為特征的地塹盆地和半地塹盆地，以擠壓構造為特點的壓陷盆地，以走滑構造為特點的拉分盆地。對張性盆地而言，地震孕育和發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，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生中等強度地震。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，在拉分盆地內產生盆地內部張剪切斷層，階區障礙點被突破，它與剪切斷層一起共同控制大地震的發生。

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。活動斷塊有兩種類型：第一類斷塊整體性好，內部結構完整，塊體內部不發生明顯的構造變形和差異構造活動。第二類斷塊內部存在一定的構造變形和差異活動，完整性和整體性較差，內部構造帶的活動速率小于斷塊邊界活動構造帶。

中國活動構造與地震

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造帶和地中海一喜馬拉雅邊界構造帶， 西太平洋板塊邊界構造帶通過我國臺灣， 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）， 帶內已先后發生 9次8級地震，2015年尼泊爾博克拉8級地震是最新的一次。

除上述板塊邊界構造帶外， 中國板內一級活動構造區（見圖3）有青藏斷塊區， 新疆斷塊區， 華北斷塊區， 東北斷塊區，華南斷塊區和南海斷塊區。 其中華北斷塊區、青藏斷塊區和新疆斷塊區是最主要的活動構造區和地震活動區。

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

圖4 鄂爾多斯斷塊的構造（a）和小震分布圖（b）（鄧起東，周慶，2015）

華北斷塊區可分為東西兩部分。西部鄂爾多斯斷塊整體穩定，斷塊內無明顯的差異活動， 斷塊四周則均為活動斷陷盆地， 斷陷帶內多發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。東部華北平原內部表現出多拗、多隆、多凹、多凸的復雜格局， 也是一個大震多發區， 區內多發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。

青藏斷塊區內構造復雜， 區內除了次級斷塊邊緣為構造活動的邊界構造帶外， 高原主體部分自南而北分布有拉薩、羌塘、巴顏喀喇、東昆侖一柴達木和祁連山斷塊等5個Ⅱ級斷塊。 青藏斷塊區及其次級斷塊的最新構造活動均表現出向南東方向滑動， 其滑動速率由北向南依次增大， 直到斷塊區中部羌塘—川滇斷塊運動速率最大， 川滇斷塊東北緣鮮水河斷層走滑速率最大可達13～15毫米/年。青藏斷塊區地震活動強烈， 1900年以來已發生多次8級強震， 三個地震系列的主體活動區為20世紀20～30年代的海原—古浪地震系列， 20世紀50～70年代的察隅—當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 青藏高原活動構造分區與大地震(鄧起東等，2014)

新疆斷塊區的活動構造以擠壓斷塊型盆地為特征， 天山是—個典型的新生代再生造山帶， 天山兩側多排逆斷層由天山向外發展， 形成活動構造帶， 并有多個山間盆地發育。天山兩側7～8級地震不時發生。在阿爾泰再生造山帶發育有阿爾泰山和科不多地震帶分布。

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

總的來說， 中國活動構造格局控制了中國強震的分布。我們的研究結果表明，我國全部8級，絕大部分7～7.9級地震均發生在活動斷塊邊界活動構造帶內， 對內部有次級活動構造的塊體而言， 少數7～7.9級地震和部分6～6.9級地震也可能發生在塊體內部的活動構造帶上。大地震與活動斷層、活動褶皺和活動盆地的緊密關系還可以從全國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

城市范圍內發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。城市地震災害主要是由位于城市之下的活動斷層突發快速錯動導致直下型地震發生， 產生地表破裂使斷層線上的建（構）筑物造成嚴重破懷。7級及7級以上的地震可能形成同震地表破裂帶。隨著現代社會城市人口和財富高度集中， 城市范圍內活動斷層孕育和引發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，是當代政治、經濟和文化中心，是人口集中、建（構）筑物集中、工業生產、多種市政設施集中的場所， 一旦發生大地震將可能造成極其巨大的災害后果。城市的生命線基礎是城市功能極其重要的一部分， 其功能網絡常呈立體交織結構， 且許多管線深埋地下， 縱橫交錯，一旦網絡遭到破壞， 修復難度極大。城市災害具有連鎖性，直接災害、 次生災害和間接災害連鎖， 形成災害鏈， 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害越來越嚴重， 一些國家和政府越來越重視城市地震的危害， 認識到城市防震減災的重要性， 認識到需要開展城市活動斷層探測工作， 查明城市內是否存在活動斷層， 對活動斷層的定位、活動性及其地震危險性——做出鑒定，制定相應對策， 特別是制定直下型地震和引發地表破裂帶的預防對策， 在此基礎上加強抗震設防管理， 提高抗震設防標準， 強化防震減災意識， 建立突發公共安全事件應急處置預案。

2.城市活動斷層探測的核心問題

開展城市活動斷層探測， 評價其地震危險性和危害性，其核心是要解決城市范圍內的斷層定位， 斷層的最新活動和深部背景， 斷層的地震危險性和地表錯動的危險性及減災對策。2001年我們曾用6句話對這些科學問題加以概括。這6句話是“有沒有，活不活，深不深，震不震，錯不錯，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、地貌、遙感、鉆探、地球化學和地球物理勘探等各種資料，研究城市范圍和區域范圍內的斷層活動情況， 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， 對城市范圍內的直下型斷層進行初步定位; 最后， 在詳細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行評價。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生中強地震的危險， 因此， 必須評價城市范圍內直下型斷層的活動性。更確切地說，調查斷層切割的地層、地貌與斷層的相互關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向盆地（或平原）轉移。

“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造關系問題， 地殼淺表的斷層不可能發生大的破壞性地震， 板內地震一般震源深度可達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造特征， 是否可能形成具有一定特征的震源構造， 最好應探測到莫霍面。

“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生大地震做出評價， 這涉及要查明斷層的活動方式、運動特征和斷層的活動歷史， 如斷層活動的突發性和粘滑特性， 突發錯動的歷史和重復模型， 古地震及古地震重復間隔， 高精度探槽和高密度鉆探， 最后一次事件發生至今的時間（即離逝時間）， 活動斷層的規模或活動斷層的分段長度則與震級大小相關。在這一工作的基礎上，對未來一定時期內是否會發生直下型地震及其發震概率做出評價。

“錯不錯”是指直下型地震發生后發震斷層是否會出露地表， 在城市范圍內的地表是否出現同震地表破裂帶， 若出現，則評價其規模， 即地表破裂帶長度、寬度、位移、性質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，供城市規劃建設使用，并做好宣傳工作。

3.我國城市活動斷層探測進展

1999年，全球相繼發生了土耳其伊茲米特、我國臺灣地區集集和美國赫克特曼（Hector Mine）等3次大地震，地震現場考察認識到活動斷層同震錯動對地面建構筑物直接毀壞帶寬度是有限的， 是可以避開的， 這是一個非常重要的結論。基于我國許多城區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實， 為有效減輕我國可能遭遇的地震災害損失， 推動實現我國2020年以前減輕地震災害的目標， 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性評價項目， 在國家發展與改革委員會的資助下， 2002年我們首先對福州市進行了試驗探測， 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或破壞性地震多發區（帶）的18座省會城市和2座計劃單列市進行了活動斷層探測， 在北京、天津、太原、銀川等城市鑒定出具有發生破壞性地震能力的26條活動斷層， 給出了它們的準確定位和發震危險性， 初步劃定避讓帶寬度，為城市建設提供了科學基礎。

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預防能力， 取得了很好的社會效益， 國務院和各級地方政府加快推進了城市活動斷層探測工作， 不僅研發了城市活動斷層探測的技術方法， 還擴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97座， 其中已經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核心區地震活動斷層探測、排查，為雄安新區的可持續發展起到保駕護航的作用。