太原市活動斷層探測工作及其在地方經濟建設中的應用

李自紅 曾金艷 史燕玲

李自紅，博士，正研級高工，碩士生導師，山西省地震局預報中心主任、太原理工大學地震與地質災害防治研究所副所長，山西省人大第一屆智庫專家。1993年獲中南工業大學（現中南大學）勘查地球物理工學學士學位，2014 年獲太原理工大學礦產普查與勘探工學博士學位。長期從事地震工程、活動構造、地震預測等方面的研究，主持和參與省部級項目 20 多項，主持完成了太原、臨汾城市活動斷層探測與地震危險性評價項目。 出版專著 3 本、在國內外中高級刊物上發表論文 40 余篇。參加編修了《中國地震活動斷層探測技術系統技術規程》 《活動斷層探測》等國家及行業規范。曾獲中國地震局防震減災優秀成果一等獎 1 項、三等獎 1 項，山西省科技進步二等獎 1 項，山西省地震局防震減災優秀成果獎多項。

大量的震例研究表明，城市范圍內活動斷層突然錯動產生的直下型大地震，是對城市破壞最大、危害最嚴重的突發性自然災害，直接威脅著城市和人民生命財產的安全。為了有效減輕城市直下型地震產生的災害，保障人民生命財產安全，保持社會穩定和經濟建設可持續發展，二十世紀初中國地震局提出了“大城市活斷層探測與地震危險性評價”項目計劃。根據中國地震局的指示精神，山西省地震局組織有關科研人員編制了“太原市活斷層探測與地震危險性評價項目”建議書、可研報告等材料，太原市有幸被列入首批20個開展“大城市活斷層探測與地震危險性評價”的城市。

該項目實施歷時4年，通過資料收集、分析與整理，區域地震構造環境研究，地震地質調查、淺層地震勘探、多道直流電法探測、鉆孔聯合剖面探測、槽探、年代樣品測試、地質地貌填圖等多種方法的活動斷層綜合定位和活動性鑒定，活動斷層地震危險性評價，活動斷層地震危害性評價，以及基礎探測數據庫和數據管理系統的建設等系統的科研工作，撰寫了13本專題成果報告和總項目成果報告，繪制各類圖件近百余幅，產出了一批具有重要價值的基礎數據和基礎圖件，取得了重要成果。

通過探測，確定了太原市交城斷層柴村段（柴村斷層）、交城斷層晉祠段、南堰斷層、汾河西斷層、汾河東斷層、新城—親賢斷層以及東山山前斷層7條斷層的空間位置、延伸長度、幾何特征、第四紀活動性和分段特征。綜合評價了交城斷層和東山山前斷層的地震危險性，劃分了未來發生地震的危險區段和最大潛在地震震級，評估了交城斷層的地震危害性，并提出了防震減災對策與措施，在太原市城市規劃、國土利用、重大工程選址等方面得到了很好地應用。

地震環境與活動斷層研究現狀

（一）地震環境

太原市位于山西斷陷帶太原盆地北部，北與忻定盆地相鄰，南接臨汾盆地，東、西兩側為太行山、呂梁山斷塊隆起區。歷史上是中強破壞性地震多發區，有史料記載以來在目標區范圍內共發生M≥5級地震7次，最大地震是1102年太原6?級地震；1970年有臺網記錄以來，太原市是山西地震帶小震活動相對頻繁的地區，并發生過多次強有感地震，最大地震是2002年太原4.7級地震。

山西最大的河流汾河流經太原盆地并貫穿太原市區，市區的大部分坐落在汾河東、西兩岸的階地上。新生代以來市區一帶長期處于斷陷沉降狀態，市區斷陷幅度500米左右，向南至晉祠一帶增至1000米，第四紀斷陷幅度200～300米。目標區主要分布有NNE–NE、NEE、EW和NNW–NW向四組斷層，共計18條（見圖1）。其中交城斷層柴村段、交城斷層晉祠段、大虎峪地壘北側斷層、大虎峪地壘南側斷層、萬柏林斷層共5條斷層為出露地表的盆地邊界斷層；其余13條為盆地內隱伏斷層。

（二）活動斷層研究現狀

在實施活動斷層探測以前，由于工程地震工作的逐漸開展，對太原市隱伏斷層的大體位置已有所了解，但針對隱伏斷層的詳細探測工作由于各種原因始終沒有開展。對太原市區隱伏斷層的數量、規模、穿越市區的具體位置、錯斷地層情況、全新世活動狀況均不甚清楚，研究程度較低，因此市區隱伏斷層的活動將對太原的未來城市發展和建設構成潛在危害。

對盆地邊界出露地表斷層的研究程度也有差別。交城斷層晉祠段和交城斷層柴村段研究程度較高，前者為全新世活動斷層，但至今未發現古地震遺跡；后者為晚更新世活動斷層，斷層在全新世的活動狀況不清楚，也未發現古地震遺跡。東山山前斷層因斷層帶廣泛被黃土覆蓋，不易從天然剖面上觀察，因此斷層的活動時代缺乏可靠的地質依據。

探測目標與主要工作內容

根據太原市城市發展和防震減災的需要，以及主要斷層的研究現狀，確定太原市目標區南北長約38千米，東西寬約24千米，面積約912平方千米。地理坐標：北緯37°40′～ 38°00′，東經 112°24′～ 112°40′。本項目擬通過地質地貌、地球物理等探測手段重點對交城斷層柴村段、交城斷層晉祠段、南堰斷層、汾河西斷層、汾河東斷層、新城—親賢斷層以及東山山前斷層7條斷層開展以下主要工作內容。

（一）初查與目標區主要活動斷層鑒定

通過對已有地震、地質與地球物理等資料收集、匯編、整理，結合遙感圖像的處理與解譯等，初步給出主要活動斷層的空間分布和活動時代；繼而開展控制性淺層地震探測、多道直流電法探測、地震地質調查、控制性鉆孔探測和第四紀地層劃分等工作，確定目標區活動斷層分布概況、初步估計其活動性及需進行地震危險性評價的主要活動斷層數量和位置。

（二）地震活動斷層鑒定與危險性評價

在目標區主要活動斷層鑒定基礎上，通過斷層兩側鉆孔探測及其巖芯樣品分析或探槽工程開挖、年齡樣品的系統測試、現代構造應力場分析與測量，以及現有地震臺網、形變測量網資料的整理等，確定目標區主要活動斷層的現今運動狀態，綜合評價各主要活動斷層的地震危險性，確定目標區的主要地震活動斷層。

（三）地震活動斷層詳細探測

通過選擇淺層地震和多道直流電法等有效探測手段，對太原盆地呈隱伏狀態的南堰斷層、新城—親賢斷層、汾河西斷層、汾河東斷層、東山山前斷層進行詳細探測；對交城斷層柴村段、交城斷層晉祠段除補充一定數量的地球物理探測剖面外，主要對其進行高精度的地質地貌填圖；在此基礎上，綜合編制1∶10000主要活動斷層分布圖，確定太原盆地主要活動斷層的空間位置。

（四）地震活動斷層危害性評價

在主要活動斷層地震危險性評價基礎上，綜合地球物理探測成果，建立活動斷層的三維結構模型，評定有發震危險的主要活動斷層近場強地面運動的分布特征，針對活動斷層類型以及城市環境特點，提出城市經濟建設中活動斷層危害防范的對策。

（五）城市活動斷層數據庫和地理信息管理系統建設

建立太原市主要活動斷層基礎數據庫和用于活動斷層地震危險分析、近斷層強地面運動計算和危害性對策咨詢的地理信息系統。建立太原市活動斷層數據庫和地理信息管理系統，提供針對地震活動斷層危害的國土規劃和防災對策及其相關資料、圖件，為太原市城市建設規劃和防震減災工作服務。

圖1 太原市目標區活動斷層分布圖

取得的主要成果

（一）主要斷層活動性鑒定

基于大量野外地震地質調查結果，同時結合淺層地震探測、多道直流電法探測、槽探和鉆孔聯合剖面探測等工作，從構造地質學、地層年代學、構造地貌學、地球物理探測等多方面綜合研究了太原市目標區主要活斷層的展布（見圖1）及新活動特征和準確定位等，其主要結論及創新之處表現在。

志愿服務精神是推動志愿服務活動長期深入開展的內在動力和有力支撐。因此，應重視普及志愿服務理念，在全社會營造一種參與志愿服務的風尚和文化。一是增加學校關于志愿服務精神、理念、知識等內容的教育，同時推動在校學生參與志愿服務實踐。二是加大志愿服務精神的宣傳，組織開展各種形式的志愿服務宣傳活動，發掘志愿服務先進典型，以榜樣的力量增強公眾對志愿服務的認同和參與，吸引更多的人參與志愿服務。四是積極推廣志愿組織統一CI標志、徽章、色彩、服裝等使用，增強組織識別感。五是鼓勵學者加強志愿服務重難點問題的研究，形成一批理論成果；開展志愿服務文化研討會、論壇等活動。

（1）交城斷層柴村段作為太原盆地的西部邊界斷層，經地震地質調查、淺層地震勘探、地質地貌填圖、槽探驗證，該斷層由3條平行的斷層組成。從后緣到前緣3條斷層的活動時代分別為：晚更新世、晚更新世晚期—全新世早期、全新世。通過大型探槽的開挖和古地震事件的分析，有力地推翻了前人認為該斷層是晚更新世活動斷層的觀點。

（2）交城斷層晉祠段為太原盆地的西部邊界斷層，經地震地質調查、淺層地震勘探、地質地貌填圖以及槽探驗證，該段由2條平行的斷層組成，后緣斷層的活動時代為晚更新世晚期—全新世早期、前緣斷裂的活動時代為全新世，獲取了新的古地震事件證據，進一步證明了前人的看法。

（3）南堰斷層為太原市區西部的隱伏斷層，前人認為它是交城斷層的次級斷層，為全新世活斷層。本次工作通過淺層地震探測證實，該斷層上斷點埋深很深，斷層是存在的，但其活動時代應為早更新世。

（4）汾河東斷層、汾河西斷層是太原市區基本沿汾河展布的2條隱伏斷層，前人認為是晚更新世活動斷層。本次工作通過淺層地震勘探、多道直流電法探測、鉆孔聯合剖面探測，認為汾河東斷層、汾河西斷層是存在的，但其活動時代應為中更新世。

（5）新城—親賢斷層是太原市區縱貫南北展布的1條隱伏斷層，前人認為是晚更新世活動斷層。本次工作通過淺層地震勘探、鉆孔聯合剖面探測，認為新城—親賢斷層是存在的，但其活動時代應為中更新世。

（6）東山山前斷層是太原盆地東邊界的1條隱伏斷層，前人認為是晚更新世活動斷層。本次工作通過地震地質調查、淺層地震勘探、多道直流電法探測、鉆孔聯合剖面探測，認為東山山前斷層是存在的，但其活動時代應為中更新世。

（二）交城斷層地震危險性評價

圖2 交城斷層7.2級設定地震加速度峰值分布圖（單位：gal）

（三）交城斷層地震危害性評價

除了前述的地震危險性概率評價方法外，在詳細研究的基礎上，設定交城斷層為發震斷層。采用確定性方法評估了該斷層發生7.2級地震對目標區可能的影響。一方面本項目設定的發震斷層交城斷層地震活動強烈，發震震級強度大（設定為7.2級），且震源體埋深淺（深度在20千米范圍內），震源體規模相對較小造成能量密度大，在斷層的破裂過程中，地震輻射能量集中于地表淺層。另一方面，目標區與交城斷層的距離較近，太原市區大部處于交城斷層東側20千米范圍內，因此地震輻射能量衰減較少，在目標區產生了強烈的地震動效應。

根據危害性評價結果，目標區城區部分地區處于加速度峰值大于400gal的區域，城區大部分地區處于加速度峰值大于200gal的區域（見圖2）。單就此次設定地震對目標區造成的加速度峰值而言，靠近斷層的太原市相當大范圍的地區受設定地震的影響已經超過GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》所確定的當地的抗震設防要求，大約相當于通常所說的大震的地震動水平；而隨著距斷層距離的加大、地震動衰減，目標區的部分地區處在小于200gal的分區內，對于這部分地區大約相當于通常所說的中震的地震動水平。

我國抗震設計實行“大震不倒、中震可修、小震不壞”的三級設防水準，若嚴格遵循抗震設計規范進行設計，施工質量良好，這樣的建筑在目標區遭遇本次設定地震的襲擊，在部分地區應能達到中震可修的目標，可能會出現可修復的破壞；而對于部分地震動強烈的地區，盡管可以做到“大震不倒”，但可能發生難以修復的嚴重破壞，出現較大損失。而對于未按抗震設計規范進行設計和建造施工的老舊建筑，根據目標區地震動強度計算結果結合歷史地震經驗分析，肯定會發生較嚴重的破壞。

未來最大潛在地震最有可能沿著交城斷層前緣斷裂發生，根據探槽剖面觀測到的斷層位移以及特征地震模型的基本假設，可以合理推斷交城斷層柴村段和晉祠段在未來地震事件中的同震垂直位移約為2.9米和2.0米，地震地表破裂帶寬度最大不會超過70米。

做好主動服務，不斷加強成果應用

太原市活動斷層探測與地震危險性評價項目取得了重大突破，為實現太原市建設規劃“立足當前，著眼未來，科學規劃，合理布局”的理念和城市綜合實力的提升提供了扎實可靠的科學依據。對位于市區的汾河西斷層、汾河東斷層和新城—親賢斷層以及市區東邊的東山山前斷層4條活動斷層的否定，為太原市可持續發展提供更廣闊的空間，新增的土地由于其地理位置、開發實效以及土地綜合使用等因素所形成的長效經濟價值和社會意義是無法估計的。

（一）為太原市“五大”標志性建筑提供主動服務

在項目實施期間，山西省委、省政府為了提升山西省社會公益類基礎設施服務能力，在太原市長風商務區文化島上建設山西大劇院、山西省圖書館、山西省科技館、山西體育中心、中國太原煤炭交易中心等“五大”標志性建筑。這五大標志性建筑均為人員密集活動性場所，一旦發生城市直下型破壞地震，將會造成大量的人員傷亡和財產損失。而這些項目的選址正好位于汾河東斷層、汾河西斷層穿過的地區，雖然項目前期對這2條斷裂進行了勘察，但因采用的探測方法單一，技術不夠先進，只是初步給出了斷裂的位置，并認為是活動斷裂需要避讓。

為主動服務于省城重大工程建設，在項目實施期間積極與建設方進行聯系，優先開展該區域的探測工作，不但獲得更準確的斷裂位置，而且否定了這2條活動斷裂，為省城“五大”標志性建筑的抗震設防節省大量建設投資。

（二）把活動斷層成果納入城市“五規合一”

為解決現行規劃體制下各種規劃各自為政、目標抵觸、內容重疊、項目重復建設以及管理分割、指導混亂等系列問題。太原市于2016年11月啟動了“五規合一”試點工作。決定將國民經濟和社會發展規劃、城鎮規劃、國土規劃、產業規劃、環保規劃的核心要素進行重組和整合，即“五規合一”。太原市防震減災局作為成員單位之一，為了使太原市活動斷層探測成果得到更好地應用，擬將活動斷層等相關內容納入全市“五規合一”信息及數據處理平臺。

為此，太原市防震減災局與太原市規劃局進行了多次溝通，并邀請項目技術負責人山西省地震局李自紅研究員對全市規劃系統開展了題為“防震減災與城市規劃”的專題講座。講座內容將防震減災三大體系建設與城市國土規劃利用結合起來，重點從建設工程選址對地震監測設施及地震觀測環境干擾的避讓與保護、國土規劃利用應避讓地震活動斷層與不良地質條件、建設工程抗震設防要求設計參數的選取等方面進行了全面講解，使規劃部門對太原市城區活動斷層的分布以及可能帶來的危害有了深入的了解。

體會與認識

太原市活動斷層探測與地震危險性評價項目自申請立項以來已將近20年，不但在探測中取得了突破性成果，而且在成果推廣應用上也取得可喜的成績。回顧這么多年歷程，有以下幾點體會與認識。

（一）政府重視、群眾理解是順利探測的保障

在城市地區開展工作，基礎資料收集、野外施工及交通管制等方面都需要地方各級政府、有關部門和單位的支持和通力協作。根據野外施工的環境條件復雜的情況，山西省人民政府和太原市人民政府都發文通知各級政府、有關部門和單位協助開展太原市活動斷層探測工作。太原市人民政府還專門組織協調會，要求各級單位大力配合。這些都為項目的各種野外施工創造了良好的外部環境，在爭取人民群眾的理解，在涉及場地的占用、對城市設施與交通的影響、城郊種養殖物的損壞和現場施工安全的保護等方面，獲得重要支持。

（二）尊重科學、解放思想方能求得真解

把項目真正當作一項嚴肅的系統科學工程去做，項目采用的探測手段和所要解決的問題就是實際地震科學研究和防震減災工作中必須面對和切實需要解決的關鍵科學問題。不迷信所謂“定論”，辯證地看待前人的一些認識和結論，認真細致地分析各種地質要素及其內在聯系，發現問題追根朔源，求得真解。

（三）勤于宣傳、主動服務是成果應用的抓手

在項目實施期間，項目組就主動聯系有關部門，為太原市“五大”標志性建筑提供主動服務，使規劃、建設等部門對活動斷層探測和使用的重要性有了深刻的認識。并且在總驗收時，請這些部門的同志參加，為活動斷層探測成果的推廣起到了很好的示范作用。在得知太原市啟動“五規合一”試點的消息后，積極與太原市規劃局進行溝通，并邀請項目技術負責人對全市規劃系統開展了題為“防震減災與城市規劃”的專題講座，使規劃部門對太原市城區活動斷層的分布以及可能帶來的危害有了深入的了解，使他們有了主動使用活動斷層探測成果的理念。