遵循天津特色工作思路有序開展活動斷層探測

陳宇坤 閆成國

陳宇坤，博士、正研級高級工程師，天津市地震局副局長，主要從事地震地質、活動構造、工程地震、地震災害風險等方面的研究與管理工作，先后主持十多項國家級和省部級科研項目，獲省部級科技獎一等獎1項、二等獎2項，三等獎2項，局級一等獎4項；發表學術論文20多篇，編著出版專著2部。參加中國地震局昆侖山口西8.1級地震綜合科學考察并被授予科考先進個人；第一批入選中國地震局“新世紀優秀人才百人計劃”；獲全國地震系統優秀個人稱號和天津市科技系統五一勞動獎章。

天津市位于華北地區東北部，構造上處于北東向河北平原斷裂帶和北西向張家口—渤海斷裂帶交匯部位，地下隱伏斷層縱橫交錯，活動性強，具備發生破壞性地震的構造條件。有記載以來，天津境內曾發生5.0級以上地震18次，最大地震為1976年寧河6.9級地震。

活動斷層的存在，一方面加大了破壞性地震發生的危險性，另一方面也大大加重了地震災害損失。天津市受鄰區強震波及并造成破壞的地震有6次，其中1679年三河—平谷8級地震和1976年唐山7.8地震對天津市的破壞最為嚴重，唐山地震造成天津市境內死亡人數達2.4萬，直接經濟損失達50多億元，從而使天津成為新中國唯一遭受Ⅷ度地震烈度破壞的省會級城市。在唐山地震期間，沿著海河斷裂和薊運河斷裂等造成的震災十分嚴重，形成了海河震害帶和薊運河震害帶。

地震活動斷層探測是利用地質學和地球物理、地球化學等方法查明隱伏斷裂的準確空間位置、幾何結構、活動特征和深部構造背景，評價斷層的地震危險性和危害性。通過城市隱伏斷層探測與評價，識別城市潛在地震風險源，甄別城市及周邊活動斷層與不活動斷層，為城市建設規劃、國土資源開發和重大項目建設中采取相應的避讓和防范措施提供科學依據，是減輕城市地震災害風險，提升城市地震安全水平的主要途徑。

中國地震局和天津市政府高度重視活動斷層探測工作，從“九五”開始，20余年天津地震局先后完成海河斷裂、天津斷裂、滄東斷裂、漢沽斷裂、薊運河斷裂和渤海近海海域斷裂等9條斷裂的探測與評價，探測斷裂長度600余千米。積累了大量的活動斷層探測成果資料和圖件，為天津市城市規劃建設、濱海新區城市總體規劃、海洋功能區劃、重大工程選址提供了基礎資料和科學依據，為天津市城市建設和經濟社會發展做出了重要貢獻。

天津市開展活動斷層探測的技術難點

活動斷層探測是一項系統科學工程。除了所有城市活動斷層探測面臨的共同困難，如施工條件差，背景干擾大等問題外，天津市活動斷層探測還存在以下幾大技術難點。

1.天津市位于濱海沉積平原區，軟土覆蓋層厚，斷層處于完全深隱伏狀態，沒有露頭，不具備槽探條件，無法直接進行斷層空間定位和活動性研究。

2.天津地區的沉積物巨厚且松散，含水量大，物性差異小，地下水位埋藏淺，且多為高礦化度的咸水，給地球物理探測帶來了很大困難。

3.天津地區九河下梢，河流縱橫，坑、塘、洼地多，給野外探測測線布置工作帶來極大的考驗。

4.天津市地處華北平原區，地震孕育背景和條件與我國西部地區完全不同，斷層地震危險性評價能夠借鑒的經驗和方法很少，探索適應于本地區的斷層地震危險性綜合評價方法，進行斷層地震風險源判別和劃分，是天津市活動斷層探測與評價的一大科學難題。

天津市活動斷層探測工作的總體思路

針對天津市境內活動斷層分布狀況、經濟社會發展需求和探測工作存在的技術難點，確定天津市活動斷層探測按計劃、分步驟，按照先中心市區、再濱海新區、后遠郊區的次序，分期分批開展的原則，遵循由粗到細，先整體、再局部、后綜合，重點突出的工作流程，以及探測一條斷層，做精做細，不留盲區的管理理念，逐步對天津市境內規模較大的9條斷裂開展系統探測和危險性評價。自“九五”起，到“十二五”末，先后對海河斷裂、天津北、天津南斷裂、滄東斷裂，漢沽斷裂、天津渤海近海海域隱伏斷裂及薊運河斷裂開展了探測與地震危險性評價?！笆濉逼陂g，將對位于京津冀交界部位并指向雄安新區的河西務—牛東斷裂開展探測與評價（見表1）。

海河斷裂直接穿過天津中心市區，與天津海河下游工業區及濱海新區關系密切，涉及天津工業東移和新的經濟增長及布局，同時海河斷裂又是研究資料最少、最不清楚的斷裂，因此決定在“九五”期間首先調查穿越市區和濱海新區的海河斷裂。“十五”期間，國家做出了在大城市積極開展地震活動斷層探測工作的重要決策，天津活動斷層探測項目納入了首批國家“十五”重點科學工程計劃，并確立了中央與地方共同投資實施的模式，以穿越中心城區的天津北、天津南斷裂和穿越濱海新區的滄東斷裂為目標斷層，開展科學探測和評價。“十一五”期間，伴隨天津濱海新區的持續開發開放，天津渤海近海海域隱伏斷裂對濱海新區東疆港區、臨港產業區、南港工業區等圍海造陸地區的土地規劃、產業布局及功能區劃造成了重大影響和制約，因此“十一五”期間主要對天津渤海近海海域隱伏斷裂進行了探測和評價。“十二五”期間，對穿越寶坻、寧河等遠郊區的薊運河斷裂開展探測與評價，并研究探討該目標斷裂與1976年寧河6.9級地震的關系?！笆濉逼陂g，依托《京津冀協同發展防震減災專項規劃》，將重點探測北東向河西務斷裂，該斷裂位于京津冀交界部位，向南延伸與牛東斷裂相接，并且指向雄安新區，因此查明其準確空間位置及最新活動，研究建立區域地球動力學模型、強震發震構造模型，判定未來強震風險源和災害影響范圍，對京津冀協同發展、產業轉移承接和天津市的長遠發展將具有重要意義。

表1 天津地區城市活動斷層探測與地震危險性評價工作表

天津市活動斷層探測與評價的主要方法和工作內容

如前所述，天津地區特殊的地質地理條件決定天津市活動斷層探測必須立足于本地區特點，考慮技術難點，充分利用自身優勢，廣泛搜集利用前人研究資料，采取適宜的地質地球物理方法，有針對性地開展探測與評價工作。

1.廣泛資料收集與深入分析

資料的系統整理與分析是活動斷層探測開展的基礎和前提。多年來，天津地區積累了豐富的地質、地球物理資料，這些資料對于天津地區的隱伏斷層均有不同程度的研究。通過對石油、地礦、國土、地調等部門掌握的地震地質、水文地質、石油勘探、鉆探、地熱、地震勘探等資料的綜合系統整理與分析，掌握了本地區斷層研究的現狀及存在問題、區域地震構造背景，為斷層探測工作奠定了基礎。

2.斷層綜合探測與定位

天津地區位于濱海沉積平原區，第四系覆蓋層厚，斷層屬于完全深隱伏狀態，沒有任何露頭，必須采用綜合探測方法進行斷層定位研究。首先通過早期衛星遙感影像解譯、地球化學探測、電阻率CT法探測（見圖1）等手段初步查明斷層的空間位置。這些方法方便、高效、快捷，在隱伏斷層初步定位中具有獨到作用。在詳細勘查階段，主要通過淺層地震勘探及鉆孔探測來確定目標斷層的準確空間位置、展布特征及活動性。斷層定位以淺層人工地震勘探為主（見圖2）。針對天津市內陸河道多和斷層分布在海域的特點，主要采用水上聲學地層探測方法（見圖3），該手段具有施工便利、分辨率高等優點，在揭示河流、湖泊、海洋等水體底部地質構造，研究第四紀地層層序及斷層活動性等方面，有著不可比擬的優勢。

圖1 電阻率CT法探測現場

圖2 淺層人工地震勘探現場

圖3 水上聲學地層探測現場工作

3.斷層活動性鑒定

由于天津地區斷層上斷點埋藏較深，地下水位淺，不適宜開展大型探槽，斷層活動性鑒定主要依據鉆孔聯合剖面探測與地層對比方法（見圖4）。在鉆孔地層對比分析中，高度重視年代地層學的研究，綜合利用14C、光釋光和古地磁等測年技術，結合巖性地層學和生物地層學方法，建立天津地區不同構造單元的第四紀年代地層剖面，為評價斷層活動性提供年代地層標尺；天津地區海相地層發育且比較穩定，通過微體古生物樣品鑒定和海相地層劃分，為鉆孔地層對比提供標志層。

圖4 鉆孔聯合剖面勘探現場

4.深部構造探測

深部構造探測與研究對于揭示斷層的深部構造特征和孕震條件，開展斷層地震危險性評價具有重要意義。通過采用重力測量、航磁資料聯合反演與解譯、大地電磁測深、深地震寬角度折/反射及深地震反射等深部探測手段，開展地殼上地幔精細結構綜合探測，研究本區地殼高導層、低速體及上地幔隆起等的基本特征，分析深部地球物理場異常變化與強震活動的關系，從而揭示斷層的深部孕震構造條件與背景。

5.斷層地震危險性綜合評價

基于目標斷層的幾何結構、構造特征、現今地震活動、地球物理場、深部構造條件、深淺構造關系、構造應力場與形變場特征的研究，采用構造類比法和歷史地震分析法，確定目標斷層未來的潛在地震危險區段，從地質學的角度對未來地震的強度（大?。┖桶l震危險程度進行研究。然后，進行工作區和各斷層的地震活動性鑒定，建立區域和各斷層的震級—頻度關系模型，進行斷層地震危險性的定量評價，確定斷層發震的危險性、潛在地震最大震級以及發震概率。

6.斷層地震危害性評價

在斷層地震危險性評價基礎上，建立研究區三維地下速度結構模型；對具有發震危險的地震活動斷層，進行近斷層強地面運動預測以及寬頻帶強地震動合成，對研究區活動斷層的危害性進行綜合評價，為城市規劃和工程建設提供科學依據。

7.斷層探測基礎數據庫和地理信息系統

斷層探測基礎數據庫和地理信息系統是斷層探測與地震危險性評價項目的重要部分，可實現活斷層探測成果信息的查詢顯示、數據管理與分析處理、咨詢服務等功能。數據庫包含了活斷層探測過程中所獲得的全部探測和評價資料、數據和成果，是一個綜合數據庫，能夠反映活斷層幾何學、運動學及動力學特征，記載城市范圍內斷裂定位、定年、定性、深部背景、地震危險性和危害性等方面各類原始探測記錄及綜合分析結果信息。地理信息系統實現了活動斷層探測與評價數據的動態查詢、展示和更新，可供國土規劃、重大工程選址、城市建設和防災減災等使用。

天津市活動斷層探測與評價的主要創新成果

1.查明天津地區主要隱伏斷層的空間展布及活動特征

在資料搜集分析解譯基礎上，通過綜合探測方法，明確了天津地區主要隱伏斷裂的準確空間展布、幾何結構特征，編制完成天津地區1∶250000區域地震構造圖（見圖5）和1∶50000天津主要隱伏活動斷層分布圖；以標準鉆孔剖面為時間標尺，依據淺層人工地震探測、鉆孔勘探等探測結果，查明了主要隱伏斷層的上斷點埋深、最新活動時代及活動強度。

2.建立天津地區新的第四紀標準地層剖面

通過鉆孔勘探和高精度古地磁測定、多種年代學測量、微體古生物等綜合性研究，建立天津地區新的第四紀標準剖面（見圖6），改變了對本地區第四紀地層的傳統認識，為更深入開展本地區的第四紀地層學研究和斷層活動性鑒定奠定了堅實的基礎。

3.應用聲學探測技術開展內陸淡水河道隱伏斷層探測

根據天津濱海平原區內河道縱橫，且與斷層多次相交的特點，攻克了內陸淡水河道內開展探測的諸多技術難題，首次成功采用水上高分辨率聲學地層探測技術，獲得區內高分辨率連續地層剖面（見圖7），對目標斷層的晚第四紀活動特征進行深入研究，為濱海平原區隱伏斷層活動性探測提供了新途徑。

圖5 天津市1∶250000區域地震構造圖

4.探索濱海平原區完全深隱伏斷層的探測與評價方法

華北地區的強震孕震機制不同于中國西部地區的斷層滑動模式，往往具有更為復雜的深部孕震構造背景，用斷層滑動和特征地震的模型很難進行科學評價。如何綜合利用各種探測手段，結合本地區地質與地理環境特點，摸索出一套行之有效的濱海平原區完全深隱伏斷層的探測與評價方法，是天津市隱伏活動斷層探測研究的關鍵技術，也是重大科學難題。

圖6 黃驊坳陷（BZ1孔）第四紀年代地層剖面

圖7 海河河道葛沽－鄧善沽聲學地層剖面

我們通過地球化學、電法、淺層地震、鉆探、聲納、綜合測年等多種方法，確定了目標隱伏斷層準確位置及最新活動時代；采用深地震寬角度反射/折射、遠參考大地電磁測深、天然地震層析成像、航磁、重力解譯等多種方法，對深部孕震構造條件和深淺構造關系進行了探測研究；通過地震活動性與隱伏斷層的關系研究，現代形變、應變場與構造應力場研究，運用構造類比等方法，劃分了潛在地震危險區段，對其最大潛在震級和發震的危險性做出了評估（見圖8）；在震源三維構造模型分析的基礎上，計算了近斷層強地面運動參數和地震時的場地效應。從陸地、水上及空間對隱伏斷層進行多手段綜合探測與評價，是濱海平原區完全深隱伏斷層探測的必要手段和成功的保證。

地震活動斷層探測成果應用

活動斷層探測成果的有效應用是斷層探測工作的出發點和落腳點。通過多種途徑廣泛宣傳推廣天津市活動斷層探測成果，積極推動規劃、住建、國土等部門，在城鄉規劃、國土利用、海洋功能區劃、重大建設工程選址、斷層避讓等方面應用斷層探測成果，為天津市城市發展規劃、城市空間和重大項目布局，提供了重要的基礎性資料。

天津市的活斷層成果在天津經濟技術開發區、天津市濱海新區城市總體規劃、中新生態城等發展規劃、未來科技城、空客A320、長征五號大火箭、大眾汽車華北整車生產基地等重大工程選址、招商引資中得到廣泛應用，為天津經濟社會發展做出了重要貢獻，取得了顯著的經濟社會效益，得到了天津市委市政府的高度肯定和評價。

天津市活動斷層探測工作的思考

對于城市活動斷層探測工作，我們從探測目標、探測方法、技術路線、工作模式、成果應用等方面經歷了從完全不了解，到逐步了解，再到比較熟悉的不斷摸索過程。各城市的地質地理條件千差萬別，城市布局、勘探施工條件各不相同，開展活斷層探測工作的模式和思路也不相同?？偨Y天津市二十年來的活動斷層探測工作，有以下幾個方面值得思考和總結。

圖8 天津、滄東斷裂地震危險性評價結果圖

1.分期分步實施，注重成果的應用和效益發揮

天津市采用分批分期分步持續實施的思路，從“九五”到“十三五”一直將活動斷層探測納入全市防震減災規劃重點項目，持續二十年未間斷，從中心市區到濱海新區，再到近海海域和遠郊區，我們先后完成了9條600多千米的斷裂探測工作。通過持續不斷的活斷層工作，加深了各級各部門領導的印象，使他們逐步認識到活斷層工作的重要性和實際意義，主動配合地震部門做好項目立項、實施和成果應用工作。同時，我們高度重視活斷層成果的應用，讓各級領導看到活斷層工作在城市規劃，在空客A320飛機總裝項目、長征五號大火箭項目、大眾汽車整車生產基地等重大項目建設、招商引資中發揮的巨大作用和效益，從而更加關注，主動宣傳和強調這項工作。比如，在天津市濱海新區城市總體規劃中，原本準備沿滄東斷裂北段設置長30千米,斷層兩側各200米寬的綠化避讓帶，通過活動斷層探測查明滄東斷裂北段不是活動斷裂，無須設置避讓帶，客觀上相當于增加了1200萬平方米的土地，并使濱海新區城市規劃更具有整體性，為天津市城市建設和經濟社會發展做出了重要貢獻。

2.加強溝通交流，開展多部門聯合探測與研究

地震活動斷層探測是防震減災的基礎性工作，但其他行業對此了解甚少，如何使該項工作得到本地區地質、地礦系統和行業的認可，并最終得到廣泛應用是一個難題。我們通過加強與地質、地礦、地勘等部門的溝通與交流，獲取了大量的基礎地質與地球物理資料，使活動斷層探測的基礎更扎實，探測成果更可靠，精度更高；同時通過積極申請“天津市礦產資源補償費地質項目”及“天津市科技興海項目”，得到了天津市國土資源和房屋管理局、天津市地調中心、天津市海洋局、天津市地調院、華北地質勘查局等單位的高度認可，在此基礎上，通過開展深度合作，共同承擔了國土資源部與天津市的部市合作項目，使活動斷層探測成果在各建設、規劃行業部門間被廣泛關注和應用。此外通過多部門聯合，合作攻關，使活動斷層探測成果被市國土房管、礦產、規劃、海洋、地勘等相關單位和部門接受，逐步融入本地區的地質調查規劃和項目計劃，逐步形成了全市的活動斷層探測研究中心。

3.加強合作，不斷推進探測成果共享與應用

通過加強部門間的合作，打破信息壁壘，推進成果公開和共享，促進探測成果的生成和應用。市地質資料館面向地震部門等權限開放，而地震部門的探測成果則完全提供給國土規劃部門，并與他們聯合召開成果發布會（見圖9），面向濱海新區，邀請規劃局、設計院、建交委、國土局、海洋局等委辦局，以及地礦、地調、地勘等單位人員與媒體記者參加，共享活動斷層探測成果，不僅能使活動斷層數據更好地服務于社會，應用更廣泛，同時能使地震局同地方各委辦局及行業兄弟單位建立一種合作交流機制，為以后開展更深度的交流合作打下基礎。

圖9 天津市濱海新區地質成果聯合發布會

4.及時總結經驗，不斷提升活動斷層探測工作水平

活動斷層探測是一項系統的科學工程，涉及年代學、地層學、構造地質學、地球物理學、地球化學、地震學、遙感、形變與GNSS等多個學科，綜合運用遙感影像解譯、地質地貌填圖、淺層地震勘探、鉆孔勘探、年代測試、古生物鑒定、斷層槽探、深地震反射、大地電磁測深、地理信息系統、危險性分析建模、危害性評價等方法和手段，需要我們及時總結活動斷層探測評價的方法與經驗，向經驗更豐富的單位和專家學者學習，不斷關注國內外活動斷層理論研究動向，掌握最新的理念和方法，及時與開展相關工作的單位交流，立足于本地區地質地球物理條件和自身工作實際，不斷探索活動斷層探測的先進理論和方法，提升活動斷層探測技術水平，促進防震減災事業的發展。