活动构造与城市直下型地震

邓起东 徐锡伟

邓起东，中国科学院院士，地质学家，中国地震局地质研究所研究员，博士研究生导师，2003年当选中国科学院院士；长期从事活动构造、地震地质和工程地震研究,建立我国活动构造大比例尺填图技术，开创全国活动构造地质填图和研究工作，推动我国活动构造定量研究和古地震研究发展，系统编制了我国活动构造图，主编我国第一份经国家批准作为抗震设防标准的中国地震烈度区划图；先后出版专著13部，发表学术论文227篇，获国家科技进步二等奖2项，国家地震局科技进步一、二等奖5项，三等奖5项；1991年获第二届李四光地质科学奖，1992年被评为国家级有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。

活动构造的概念

我们居住的地球是一个不断运动的星球，在地球的运动过程中会产生各种变形，包括断层、褶皱、盆地、隆起和断块等，它们被统称为地震构造，断层是其中最重要的一类。这种变形发生在不同地质时期， 我们关心的是最新时期的变形，因为它们与地震和多种灾害的发生密切相关。

所谓活动构造是指现今正在活动， 未来一定时期内仍可能发生活动的构造。为了更全面地了解与现在构造活动密切相关的最新构造活动， 我们取有人类活动出现以来这一段时期作为活动构造的时限，即第四纪晚更新世（10～12万年）以来。因此， 活动构造就是在上述时间范围内正在发生活动的各类地质构造， 包括活动断层、活动褶皱、 活动盆地及活动地块等。

活动构造的类型

1.活动断层是指晚第四纪（10～12万年）以来有过活动的断层，它是活动构造中最重要的一种类型。断层在受力作用下发生错动，形成不同性质的断层。例如，由于拉张作用形成正断层，挤压作用形成逆断层，剪切作用形成走向滑动断层。不同性质的断层活动会产生不同类型的地震，即正断层型、逆断层型和走滑断层型地震（见图1）。根据断层是否出露地表，活动断层可以分为裸露活断层和隐伏活断层， 裸露活断层是切割地表面的断层，在地表常表现为断层陡坎等地貌现象。

2.活动褶皱是指晚第四纪以来有过活动的褶皱或现今正进行着的岩石弯曲变形。活动褶皱在现代挤压造山带和再生造山带，包括其前陆盆地、山间盆地内都十分常见。在这些构造带内，褶皱伴随断层运动过程而产生，因而被称为断层相关褶皱。断层相关褶皱的基本类型分为断弯褶皱、断展褶皱和滑脱褶皱。它们都可能伴随地震而孕育和发生。当它们发育于地下一定深度时，它们就是盲断裂、盲褶皱，大地震常与深部盲断裂、盲褶皱相关，这类地震被称为“褶皱地震”或“盲断裂型地震”。

图1 正断层（a）、逆断层（b）和走滑断层（c）模型

3.活动盆地是指晚第四纪以来有过活动或者继续发育的沉积盆地。可分为以张性构造为特征的地堑盆地和半地堑盆地，以挤压构造为特点的压陷盆地，以走滑构造为特点的拉分盆地。对张性盆地而言，地震孕育和发生与地壳上部断陷主断裂和深部垂直走滑断层的贯通相关，中地壳滑脱面在上、下地壳变形中起了重要作用。对压陷盆地而言，山前深部盲断层-滑脱面-前端断坡的组合对大地震的孕育起着关键作用，深部震源断层与地震地表破裂带是分离的，在前端断坡也可能发生中等强度地震。对拉分盆地（见图2）而言，在其演化的后期，两条剪切断层相贯通，在拉分盆地内产生盆地内部张剪切断层，阶区障碍点被突破，它与剪切断层一起共同控制大地震的发生。

4.活动断块是指被活动断层带、活动褶皱带或活动盆地带围陷的地壳和岩石圈块体。活动断块有两种类型：第一类断块整体性好，内部结构完整，块体内部不发生明显的构造变形和差异构造活动。第二类断块内部存在一定的构造变形和差异活动，完整性和整体性较差，内部构造带的活动速率小于断块边界活动构造带。

中国活动构造与地震

中国大陆位于欧亚板块东南端， 挟持于太平洋板块和印度洋板块之间， 其间为西太平洋板块边界构造带和地中海一喜马拉雅边界构造带， 西太平洋板块边界构造带通过我国台湾， 纵谷是主要的活动边界， 曾在1920年和1972年发生过两次8级地震。喜马拉雅主前缘断裂全新世缩短速率21±1.5 毫米 /年（Lave et al， 2000）， 带内已先后发生 9次8级地震，2015年尼泊尔博克拉8级地震是最新的一次。

除上述板块边界构造带外， 中国板内一级活动构造区（见图3）有青藏断块区， 新疆断块区， 华北断块区， 东北断块区，华南断块区和南海断块区。 其中华北断块区、青藏断块区和新疆断块区是最主要的活动构造区和地震活动区。

图2 海原活动断层干盐池拉分盆地影像（a）和地质图（b）（国家地震局地质研究所等，1990）

图4 鄂尔多斯断块的构造（a）和小震分布图（b）（邓起东，周庆，2015）

华北断块区可分为东西两部分。西部鄂尔多斯断块整体稳定，断块内无明显的差异活动， 断块四周则均为活动断陷盆地， 断陷带内多发6～8 级地震（见图4），如山西断陷带1303年洪洞8级地震、渭河断陷带1556年华县8¼级地震和银川盆地1739年平罗8级地震等。东部华北平原内部表现出多拗、多隆、多凹、多凸的复杂格局， 也是一个大震多发区， 区内多发7～8级地震，如1679年三河平谷8级地震、 1668年山东郯城8½级地震和1976河北唐山7.8级地震等。

青藏断块区内构造复杂， 区内除了次级断块边缘为构造活动的边界构造带外， 高原主体部分自南而北分布有拉萨、羌塘、巴颜喀喇、东昆仑一柴达木和祁连山断块等5个Ⅱ级断块。 青藏断块区及其次级断块的最新构造活动均表现出向南东方向滑动， 其滑动速率由北向南依次增大， 直到断块区中部羌塘—川滇断块运动速率最大， 川滇断块东北缘鲜水河断层走滑速率最大可达13～15毫米/年。青藏断块区地震活动强烈， 1900年以来已发生多次8级强震， 三个地震系列的主体活动区为20世纪20～30年代的海原—古浪地震系列， 20世纪50～70年代的察隅—当雄地震系列和巴颜喀拉块体为中心的昆仑—汶川地震系列， 该地震系列自1997年以来已先后发生8次≥7级以上的地震，其中包括2001年昆仑山口西8.1级和2008年汶川8级地震（见图5）。

图5 青藏高原活动构造分区与大地震(邓起东等，2014)

新疆断块区的活动构造以挤压断块型盆地为特征， 天山是—个典型的新生代再生造山带， 天山两侧多排逆断层由天山向外发展， 形成活动构造带， 并有多个山间盆地发育。天山两侧7～8级地震不时发生。在阿尔泰再生造山带发育有阿尔泰山和科不多地震带分布。

此外， 东北断块区， 华南断块区和南海断块区均为构造活动和地震活动较弱地区， 但东南沿海地区由于台湾动力触角的影响发生过多次7级地震。

总的来说， 中国活动构造格局控制了中国强震的分布。我们的研究结果表明，我国全部8级，绝大部分7～7.9级地震均发生在活动断块边界活动构造带内， 对内部有次级活动构造的块体而言， 少数7～7.9级地震和部分6～6.9级地震也可能发生在块体内部的活动构造带上。大地震与活动断层、活动褶皱和活动盆地的紧密关系还可以从全国70多次7级以上地震的同震破裂带与活动构造展布的一致得到证明。

城市直下型活动断层与直下型地震

1.直下型活动断层及其危害

城市范围内发育的活动断层被称为直下型活动断层， 受它控制的地震被称为直下型地震。城市地震灾害主要是由位于城市之下的活动断层突发快速错动导致直下型地震发生， 产生地表破裂使断层线上的建（构）筑物造成严重破怀。7级及7级以上的地震可能形成同震地表破裂带。随着现代社会城市人口和财富高度集中， 城市范围内活动断层孕育和引发的直下型地震的破坏和危害也越來越大。

城市， 尤其是大中型城市，是当代政治、经济和文化中心，是人口集中、建（构）筑物集中、工业生产、多种市政设施集中的场所， 一旦发生大地震将可能造成极其巨大的灾害后果。城市的生命线基础是城市功能极其重要的一部分， 其功能网络常呈立体交织结构， 且许多管线深埋地下， 纵横交错，一旦网络遭到破坏， 修复难度极大。城市灾害具有连锁性，直接灾害、 次生灾害和间接灾害连锁， 形成灾害链， 更会加剧对城市的破坏。

面对大中型城市遭受直下型地震灾害越来越严重， 一些国家和政府越来越重视城市地震的危害， 认识到城市防震减灾的重要性， 认识到需要开展城市活动断层探测工作， 查明城市内是否存在活动断层， 对活动断层的定位、活动性及其地震危险性——做出鉴定，制定相应对策， 特别是制定直下型地震和引发地表破裂带的预防对策， 在此基础上加强抗震设防管理， 提高抗震设防标准， 强化防震减灾意识， 建立突发公共安全事件应急处置预案。

2.城市活动断层探测的核心问题

开展城市活动断层探测， 评价其地震危险性和危害性，其核心是要解决城市范围内的断层定位， 断层的最新活动和深部背景， 断层的地震危险性和地表错动的危险性及减灾对策。2001年我们曾用6句话对这些科学问题加以概括。这6句话是“有没有，活不活，深不深，震不震，错不错，好对策”。以下是对它们的简单的解释。

“有没有”是要解决城市范围内有无直下型断层及其定位问题。首先是要汇总已有的资料， 包括已有的地质、地貌、遥感、钻探、地球化学和地球物理勘探等各种资料，研究城市范围和区域范围内的断层活动情况， 对断层分布做出判断，辅以控制性地球化学和地球物理勘探; 其次， 是利用不同方法的综合剖面探测， 对城市范围内的直下型断层进行初步定位; 最后， 在详细探查中加大探测深度，逐步做到精确定位。

“活不活”是指对直下型断层的活动性进行评价。只有晚更新世（10～12万年）以来仍然活动的断层才考虑具有发生中强地震的危险， 因此， 必须评价城市范围内直下型断层的活动性。更确切地说，调查断层切割的地层、地貌与断层的相互关系是活动断层研究的核心。特别值得注意的是断层活动面的转移和最新活动面的确定， 如在盆地和平原边缘，断层最新活动面常由山区向盆地（或平原）转移。

“深不深”是要解决直下型断层的切割深度或直下型断层深浅构造关系问题， 地壳浅表的断层不可能发生大的破坏性地震， 板内地震一般震源深度可达10千米以上或接近10千米， 因此， 活动断层探测必须从浅部、中深部和深部等不同层次的探测查明活动断层的深浅构造特征， 是否可能形成具有一定特征的震源构造， 最好应探测到莫霍面。

“震不震”是指在直下型断层定位、活动性和深部构造解决以后， 对那些晚更新世以来仍在活动， 且具有一定深部活动背景的断层是否可能发生大地震做出评价， 这涉及要查明断层的活动方式、运动特征和断层的活动历史， 如断层活动的突发性和粘滑特性， 突发错动的历史和重复模型， 古地震及古地震重复间隔， 高精度探槽和高密度钻探， 最后一次事件发生至今的时间（即离逝时间）， 活动断层的规模或活动断层的分段长度则与震级大小相关。在这一工作的基础上，对未来一定时期内是否会发生直下型地震及其发震概率做出评价。

“错不错”是指直下型地震发生后发震断层是否会出露地表， 在城市范围内的地表是否出现同震地表破裂带， 若出现，则评价其规模， 即地表破裂带长度、宽度、位移、性质及水平和垂直位移量， 确定避让带的范围， 向政府提出防御措施，供城市规划建设使用，并做好宣传工作。

3.我国城市活动断层探测进展

1999年，全球相继发生了土耳其伊兹米特、我国台湾地区集集和美国赫克特曼（Hector Mine）等3次大地震，地震现场考察认识到活动断层同震错动对地面建构筑物直接毁坏带宽度是有限的， 是可以避开的， 这是一个非常重要的结论。基于我国许多城区存在活动断层的迹象， 还有许多城市历史上遭受过破坏性地震的现实， 为有效减轻我国可能遭遇的地震灾害损失， 推动实现我国2020年以前减轻地震灾害的目标， 中国地震局在2000年年初提出了城市活动断层探测与地震危险性评价项目， 在国家发展与改革委员会的资助下， 2002年我们首先对福州市进行了试验探测， 在获得成功后， “十五”期间由中央和地方政府共同投资， 选取了位于地震基本烈度≥Ⅶ或破坏性地震多发区（带）的18座省会城市和2座计划单列市进行了活动断层探测， 在北京、天津、太原、银川等城市鉴定出具有发生破坏性地震能力的26条活动断层， 给出了它们的准确定位和发震危险性， 初步划定避让带宽度，为城市建设提供了科学基础。

由于“十五”期间开展过活动断层探测的城市显著提升了震灾预防能力， 取得了很好的社会效益， 国务院和各级地方政府加快推进了城市活动断层探测工作， 不仅研发了城市活动断层探测的技术方法， 还扩大了活动断层探测的覆盖面。截至2017年12月底，我国已开展城市活动断层探测的地级及以上城市合计97座， 其中已经完成活动断层探测和鉴定的城市81座， 正在开展探测的城市16座。此外， 我们还组织完成了雄安新区核心区地震活动断层探测、排查，为雄安新区的可持续发展起到保驾护航的作用。