美國加州活動斷層探測及其成果應用

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

陳睿，美國加州地質調查局（CGS）高級地震和工程地質學家，加州注冊地質工程師，曾任加州州立大學奇口分校土木工程系兼職教授、西南研究院核廢料監管分析中心高級研究工程師、RE/SPEC咨詢公司工程師及中國地震局地殼應力研究所助理研究員，現負責CGS地面震動和斷層錯動危險評估工作；先后獲得中國地質大學（武漢）地震地質學學士、中國地震局地質研究所地震構造學碩士和加拿大曼尼托巴大學土木與地質工程學博士學位，長期從事概率地面震動和地表斷層錯動危險性評估、概率分析方法研究及其在地震損失預算、關鍵性建筑（核電站、醫院、學校等）抗震設計及其他防震減災方面的應用工作。

引言

本文簡要介紹美國，特別是加利福尼亞州，活動斷層探測填圖及其成果在抗震減災中的應用。為避免由地震產生的地表破裂對建筑物造成的直接破壞，加州州政府在1972年頒布了《Alquist-Priolo地震斷層區劃法》（以下簡稱“AP法”）。此后開始對活動斷層系統探測并填制大比例尺活動斷層分布圖。截至目前，美國積累了大量有關發震斷層的空間分布、幾何特征及活動參數的資料數據。隨著探測技術日趨先進，對活動斷層的探測和研究更深入和定量化。盡管迄今積累的數據資料仍然有限，但已經可以用來建立經驗關系式和數值模型，并計算不同震級地震發生的概率，促進了地震危險性概率分析和地震損失預測方法的發展，為有效地減輕地震風險、提高社區抗震能力提供了科學依據。

加州活動斷層探測和填圖

在美國，以減輕地震風險為目標的活動斷層探測始于20世紀60年代，當時主要為一些重要設施提供依據，如核電站選址等。1971年，南加州San Fernando發生6.6級地震，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重破壞的現象在其他國家和地區也普遍存在。地震后加州州政府頒布了AP法，禁止在活動斷層之上建造供人類居住的建筑，使得活動斷層探測得以推廣。

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法定義活動斷層為：有全新世（地質年代，距今約11700年）地表位錯的斷層，并明確三個部門或者相應人員負責AP法的管理和實施：加州首席地質學家（加州地質調查局局長）、州地質礦產委員會和市縣等地方政府的主管機構（有權審批開發建設項目和發放許可證）。

AP法要求加州地質調查局（California Geological Survey，簡稱CGS）沿加州已知活動斷層劃分出地震斷層區（Earthquake Fault Zones，簡稱EFZ），并公開發布EFZ圖。受AP法影響最直接的是業主和開發商，業主和開發商（或其代理人）必須與主管機構合作，確定建設項目是否受到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、持有專業執照的地質人員進行詳細的場點活動斷層調查與探測，并向主管機構提交調查報告，作為審查和批準的依據。

AP法要求CGS不斷收集和審查新的地質和地震資料，評估還未被納入EFZ的活動斷層和新發現的活動斷層，并根據需要對已劃分的EFZ加以調整和修改。納入區劃的活動斷層需要滿足兩個條件：有足夠的活動性證據（指沿主干斷層或其分支有全新世位移）和明顯位錯跡象（在地表或近地表的錯動能夠被專業的地質人員識別）。

CGS的EFZ圖以美國地質調 查 局（USGS） 的 1∶24000標準地形圖為底圖（見圖1a）。地震斷層區邊界的確定標準是距離主要活動斷層約500英尺（150米），距離有明顯斷錯痕跡的小規模斷層200～300英尺（60～90米），傾斜斷層上盤區劃范圍要比下盤寬，局部構造復雜地段需要根據具體情況做決定。EFZ圖的主要目的是促進場點活動斷層探測。圖上活動斷層位置的精確程度取決于現有資料，斷層跡線不一定能滿足AP法場點活動斷層探測的具體要求，圖上沒有未來地表位錯危險程度相關信息。業主和開發商所雇用的地質咨詢人員必須通過詳實細致的實地探測確定斷層位置，并在可能的情況下確定斷層錯動年代，以滿足AP法的避讓要求。

地震斷層區是加州用來控制地震災害的法律管制區中的一類，其他還有砂土液化和地震誘發的山體滑坡危險區（見圖1b）。在這些管制區中新建和擴建工程都必須進行場點調查研究和分析計算。CGS發布的EFZ圖有Geo-PDF和地理信息系統（GIS）shapefile兩種文件格式。CGS還提供EFZ圖和全州范圍房產數據庫的交互式網絡應用，以便居民識別受EFZ影響的個人財產（https://maps.conservation.ca.gov/cgs/earthquakezones/app/），并向主管機構和其他部門提供EFZ圖的地理信息系統網絡服務（https://spatialservices.conservation.ca.gov/arcgis/rest/services/CGS_Earthquake_Hazard_Zones）。

圖 1 好萊塢7.5分幅地震斷層區圖（部分）（摘自 CGS, 2018）

CGS的活動斷層評估工作在很大程度上依賴于其他單位或部門的地質人員在活動斷層研究、工程建設、石油和天然氣勘探等方面積累的資料。CGS地質工作人員也在必要時進行野外考察、分析航空相關影像、以及利用其他探測技術評估活動斷層。CGS第42號專刊最新修改版（CGS，2018）詳細介紹了CGS使用和推薦的活動斷層調查技術方法，包括地表和地下觀測探測方法，如地表測繪技術、活動斷層地下探槽調查等。

用于區域和場點活動斷層調查的地表測繪技術近幾年發展迅速，傳統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如SFM（structure from motion）即通過分析物體的運動得到三維結構信息的過程，更易于進行地震災害前后影像對比。許多城市有了基于激光雷達的高分辨率高程測量圖像，而且因為傳統彩色攝像機和激光雷達傳感器都可以安裝在無人機系統上進行測繪，這些新的攝像測量技術越來越經濟、應用面也越來越廣。

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

盡管與AP法相關的活動斷層探測工作主要目的是確定活動斷層位置和斷錯的時間問題，但從這些調查工作中積累的知識和大量的數據資料有助于進一步加深對活動斷層發震機制及發震潛力的認識和理解。目前在加州和美國其他地區對活動斷層的探測研究既包括對斷層活動時空特征的全面了解，也包括利用古地震和歷史地震資料及斷層滑動速率等運動學參數建立模型，用來表征地震震級和發震頻率的關系，以期逐步完善對地震危險性(包括地面震動危險性和地表斷裂錯動危險性)進行綜合分析的概率方法。

概率地震危險性分析在活動斷層探測中的應用

大部分美國人生活在有潛在強烈地面震動危害的地區（Jaiswal等，2015a）。為提高公眾安全和震后社區恢復能力，需要對地震危險性做可信的、有科學依據的估算。目前對未來地面震動強度做定量估算最好的方法是概率地震危險性分析（Probabilistic Seismic Hazard Analysis，以下簡稱“PSHA”）。PSHA計算在給定的時間段內地面震動將超過各種量值的可能性（Cornell，1968）。在美國用PSHA計算的各種結果已在很多方面得到有效應用，包括土地使用規劃、建筑規范的制定和修改、防災減災、應急響應、生命線和關鍵設施設計以及相關的科普宣傳教育等（National Research Council，2011）。

USGS在20世紀90年代開始使用PSHA方法在全國范圍內對地面震動危險做概率分析，并繪制了全國地震危險性圖（National Seismic Hazard Maps，以下簡稱“NSHM”）。NSHM是一套旨在改善抗震建筑的產品。NSHM及其基本計算模式每六年更新一次，以便將最新和最準確的有關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震源模式的一個主要資料來源是USGS的第四紀斷層和褶皺數據庫（https ：//earthquake.usgs.gov/hazards/qfaults/）。該數據庫匯編了第四紀以來發生過6級以上地震的約2000條斷層資料：包括地質背景、斷層走向、斷錯類型、滑動方向和速率、地震重復周期以及最近一次地震發生的時間。

2014年版NSHM（最新版，Petersen，et al.，2015）的PSHA計算采納了幾個相對過去版本有顯著改進的震源模式，值得一提的有：基于加利福尼亞統一地震斷裂預算第三版（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）中有詳細介紹。

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

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

2014年版NSHM（及其計算模式）的應用例子包括全國及加州地震風險評估和損失預算（Jaiswalet al.，2015a，b；Chenet al.，2016）。CGS通常用最新版的NSHM及其計算模式為編制加州砂土液化圖和地震誘發的山體滑坡危險區圖提供地面震動參數（Chen，2018）。

斷層地表位錯危險性的概率分析

研究表明，加州的AP法有效地減輕了與地表破裂有關的地震風險（Reitherman and Leeds，1991）。通過避讓降低風險本質上是一種確定性（deterministic）的方法，這一方法不用考慮未來地震在地表產生錯動的可能性有多大，也不必通過工程設計來降低風險。但有學者認為一概避讓的要求太苛刻，他們認為工程師們有能力設計建筑結構使其能夠承受地表斷裂錯動（Bray，2001）。AP法的減災理念與目前已經得到廣泛應用的risk-informed performancebased的設計也不兼容。Risk-informed performancebased的設計是指在對風險有了充分的定量估算之后，基于建筑物的應用性能來設計。此外，避開活動斷層對一些重要的基礎設施來說是不實際的，如水渠，電纜，油氣管道，交通運輸系統等。

概率斷層位錯危險性分析（probabilistic fault displacement hazard assessment，以下簡稱“PFDHA”）計算在給定時間段內伴隨地震而產生的地表位錯超過各種量值的可能性，包括沿主干或主要地震斷層的錯動位移，以及出現在主干斷層兩側一些小規模次級斷裂和裂隙上的位錯。美國政府曾為計劃建于美國內華達州尤卡山的高放射性核廢料地質處置庫做了大量安全性評估，包括分析計算地表和近地表斷層錯動危險性。為此Youngs等人（2003）初次使用了適用于伸展構造環境的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，其適用范圍擴展到其他構造環境。用PFDHA計算方法繪制的斷層位錯危險性圖（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的風險。

近年來，PFDHA在美國和其他國家的應用不斷增多（Amec Geomatrix，2010；U.S. Nuclear Regulatory Commission，2012；Takao et al.，2013；Japan Nuclear Safety Institute，2013；Rizzo，2013）。 美 國 核 學 會（American Nuclear Society，2015）發表了針對核設施的評估斷層地表位錯和構造變形危險性的國家標準。國際原子能機構（TheInternational Atomic Energy Agency，簡稱“IAEA”）要求其成員國對核設施地表斷層錯動危險性進行概率計算（IAEA，2016）。IAEA目前正在撰寫一份有關PFDHA的技術文件，旨在為其成員國提供技術指導。

相對PSHA而言，PFDHA還很不成熟。PFDHA仍舊主要使用少數學者的估算方法（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數據，經回歸分析，得到經驗公式，來預測未來地震可能產生的地表位錯量。需要指出的是，現有的數據不包括2000年以后發生的地震，并且用于不同類型地震和不同地區的數據結構不統一。為改進斷層位錯危險性的估算，在IAEA和國際第四紀科學聯盟的支持下，Baize等（2017）發起了一個旨在建立全球統一的地震斷層地表位錯數據庫（SUrface Rupture of Earthquakes Database，簡稱“SURE數據庫”）的國際合作項目。

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

用于PFDHA的活動斷層調查包括對地震地表破裂帶作高精度填圖、詳細描述斷錯特征、仔細測量位移量、并記錄各觀測點的地理位置（經緯度）。調查必須在地震發生后即時進行，因為地震造成的地表破壞證據可能會因自然風化或人為因素很快消失。出現在主干斷層兩側支系和小規模斷裂、裂隙上的位錯常被地震地質人員忽略，而這些位錯的分布在工程應用中非常重要。現代技術，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識別同震變形，獲得精確的、系統的及大批量的位移測量數據，這樣的數據對于估算未來地表斷層錯動量和錯動位置至關重要。

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、跡象相對復雜和走向突然改變段等)的仔細描繪。地震斷層幾何特征的復雜性和斷裂位置的誤差是PFDHA方法需要面對的問題（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，比斷層跡線復雜、甚至出現在沒有斷層跡線的地方。可見

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，對這一可變性是可以做定量估計并在PFDHA計算中做相應處理的（Chen等，2013）。

圖3 加州第四紀以來有過錯動的斷層分布圖

結束語

過去幾十年美國在活動斷層探測方面取得了很大成果，所積累的知識、資料和數據的直接應用（如通過AP法）或間接應用（如通過用PSHA和PFDHA對地面震動程度和地表斷裂錯動量作定量估算并將結果用于工程設計等）有效地提高了許多城市和社區的防震抗災能力。CGS將繼續評估加州境內很多可能有全新世位錯但還沒被區劃為AP地震斷層區的活動斷層（見圖3），必要時也會更改已劃出的AP地震斷層區，并繼續進行理論研究和數據收集以進一步改善PFDHA。USGS將不斷更新NSHM，以納入最新數據、理論和模式。這些持續不斷的工作要求活動斷層的探測越來越精確和定量化。PSHA和PFDHA都需要很多以數據為基礎的經驗模式，對這些模式的改進需要更多能夠反應場點和斷層具體特性的數據，包括過去地震事件的時間、震級和每次地震的地表位錯量等。這些有關活動斷層的地震歷史數據對于推進最近新建立的與時間相關（time dependent）的地震預測和災害評估方法也是必不可少的（Field等，2015；Biasi和 Thompson，2017）。