活动断层避让问题探讨与建议

时间：2024-08-31

徐锡伟陈桂华

徐锡伟，中国地震局地壳应力研究所所长，二级研究员，博士研究生导师，国家重大科学工程项目《中国地震活断层探测技术系统—城市活断层探测与地震危险性评价》首席科学家，历任中国地震局地质研究所研究室主任、副所长等职。自1989 年获国家地震局地质研究所构造地质专业博士学位以来，长期从事活动构造与减轻地震灾害风险应用研究，曾赴日本东京大学做博士后研究、美国哈佛大学做高级访问学者；先后发表中英文学术论文200 余篇，其中被SCI 收录50 余篇、被EI 收录30 余篇，出版著作和技术标准5部；1994 年获中国地质学会金锤奖，1999 年入选国家百千万人才工程第一、第二人选，先后2 次获中国地震局科考勇士称号，2001 年获中共中央组织部、人事部、中国科学技术协会第七届中国青年科技奖，2008 年被中国科协授予抗震救灾先进个人，2009 年被国家科技部授予野外科技工作先进个人，2010 年被中国科协授予全国优秀科技工作者，2014 年入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才（万人计划）。

引言

人类的历史，就是发展与灾难共存的历史，地震灾害是人类面临的主要自然灾害之一。地震是活动断层错动的直接结果，造成地震灾害的两个主要因素是近断层强地面运动和活动断层地表断错，前者是由于积累在活动断层附近岩石中的弹性应变能，通过断层突发性滑动释放引起的。

根据大量地震现场调查、断层扩展实验和地震破裂机制研究表明，震级大于6.5级的地震通常会在地表形成数千米至数百千米长的地表破裂带，产生数十厘米至数米的地表错动。例如，1999年台湾集集7.6级地震，发震断层为车笼埔断层，形成一系列地表破裂和陡坎，其地表破裂带长度达100千米，断层上盘抬升了数十厘米至十米不等，横跨车笼埔断层的所有道路、房屋、工程设施均被严重损毁（见图1）。

我国地处欧亚板块、印度板块、菲律宾海板块和太平洋板块相互作用的交接部位，是世界地震多发国家和地震灾害十分严重的国家之一，已知的活动断层超过495条，主要分布在青藏高原、天山地区、阿尔泰地区、华北地区和台湾地区，东北地区和华南沿海也存在少量活动断层。

目前的工程抗震措施还难以抵御断层错动对地面建(构)筑物的直接毁坏，吸收和总结国内外活动断层避让的经验和教训，避开活动断层则可避免因断层活动造成的损失，有效地解决建设工程的抗断问题。

图1 台湾集集地震中损毁的铁路

活动断层避让的理论依据

震后地震断层考察、地震破裂机制研究与实验结果表明，在大多数情况下地震是沿地壳中已有的活动断层破裂成核、滑动扩展和终止的产物；在某些特殊情况下则是地壳岩石受力沿应变集中带破裂成核、滑动扩展形成新生断层的结果。其中，已有断层面闭锁引起弹性应变能或应力的积累，并达到摩擦强度时发生突然滑动是地壳内发生地震的主流观点。

活动断层避让是基于上述地质构造原理来确定避让对象。从上述原理衍生的重要假设是，未来的地震地表破裂最有可能沿以前发生过地震破裂的活动断层发生。古地震以及不同时期断错地貌累积位移有规律地增加等现象，肯定了这一假设的可靠性和合理性（见图2）。因此，需要实施避让的活动断层可以通过地质、地球物理等手段进行确定。

图2 圣安德列斯断层华莱士溪累积地震位移和历史地震位移分布图（照片由R. Wallace拍摄）

活动断层破裂局部化特性

地震发生时，活动断层在地表产生的破裂具有局部化特征，破裂宽度取决于活动断层的构造变形特性，如位移大小和破裂方式。在活动构造研究的时间域内，区域构造应力场一般不会发生显著的变化，活动断层的性质具有相对稳定的特征。古地震研究也表明，在百年至千年时间尺度，地表可见明显迹线的活动断层会以规则或不规则的复发间隔和位移不断地重复发生地震地表破裂，且地震破裂具有局部化特征。因此，避让活动断层的首要任务是进行断层活动性鉴定，确定是否属于活动断层，进而确定活动性质及其破裂局部化特性，并据此制定避让方案。

在2008年汶川地震之前，龙门山断裂带内的北川—映秀断层和安县—灌县断层沿走向多处发育断层活动形成的断坎，汶川地震时又形成了一系列新的地表破裂，并且表现形式多种多样，常见有正断层型陡坎、逆断层型陡坎、走滑型陡坎、褶皱型陡坎、推覆型陡坎、上盘垮塌型陡坎、斜列张裂缝、鼓包状隆起等。

由于汶川地震的地表破裂带以垂直差异运动为主，断层沿线建（构）筑物受损状况最直接的影响因素是地表变形梯度，即垂直变形量与对应地表变形带宽度之比，各种变形梯度值与建筑物破坏状况的对应关系见表1。

表1 地表变形梯度值与建筑物破坏状况对应关系

从表1可以看出，当地表变形梯度＞0.1时，建筑物完全倒塌，功能完全丧失；地表变形梯度为0.07～0.1时，建筑物遭受严重损坏，产生倾斜及强烈变形；当地表变形梯度为0.03～0.07时，建筑物受到中度损坏或产生倾斜，具有抗震设防能力的建筑物一般不会倒塌；当地表变形梯度＜0.03时，具有抗震设防能力的建（构）筑物一般只会受到轻度损伤或基本完好（见图3）。

活动断层破裂带位置的确定

活动断层的空间展布位置和几何结构是土地规划、建筑设计和避让活动断层相关灾害带的前提和基础。如果确定在工程建设场地或周边存在活动断层，可通过探槽和大比例尺填图等方法，确定活动断层及其分支断层的平面展布位置和几何学结构（如走向、倾向和倾角等），划定包含主断层、分支或次级断层、明显变形区的变形带边界（见图4）。需要注意的是，通常活动断层变形带也称为断层破坏带（fault damage zone），变形带宽度一般为几米至数十米，代表了活动断层变形最强烈的范围和未来地震地表破裂带的出露范围，也是建（构）筑物严重毁坏的带状区域，该区段是建设工程避让的主要对象。

图3 北川—映秀地表破裂带断层陡坎与建筑物破坏关系

隐伏活动断层的同震破裂是由地下向地表扩展，这是一个复杂过程，其与断层上覆松散沉积层厚度、岩土力学性质、断层倾角和位移量等参数密切相关，因此断层破裂的扩展方向、地表出现的位置、破裂样式、变形或错动幅度等方方面面具有很大的不确定性。正是由于存在这样的不确定性，我们无法判断同震错动是否延伸至地表及其出露位置，使得隐伏活动断层在地表难以有效地避让。

图4 阿尔金断裂带阿克塞东探槽变形带

活动断层鉴定和位置确定是一项专业性十分强的工作，须遵循活动断层探测相关技术标准，由具有良好专业能力、丰富经验的地质专家或地质工程师做专门的调查与研究，其中确定活动断层位置最有效的方法是槽探法，通过开挖探槽，可以划定主断层两侧变形带的宽度及其边界，为建设工程避让活动断层提供科学依据。

活动断层破裂带宽度的确定

地震活动断层破裂带和变形带宽度的确定取决于断层地表破裂的局部化特征。通常震级M≥6.5的地震沿发震活动断层形成呈条带状展布的地表破裂带，宽度在数米至数十米不等（见图5），某些地段受断层几何结构的影响，地表破裂带宽度可超过百米，表现出变形和破裂局部化的典型特征。

1.走滑断层

走滑断层指断层面近于直立、两盘块体做水平运动的断层，包括右旋走滑断层、左旋走滑断层和带有少量倾滑分量的斜滑断层。典型的例子有美国加利福尼亚州右旋走滑的圣安德烈斯断裂、我国青藏高原左旋走滑的阿尔金断裂、东昆仑断裂、鲜水河断裂等。

大量的震例研究表明，走滑断层的同震地表破裂及其引起的建（构）筑物毁坏带主要沿其地表迹线对称分布，宽度统计平均值为30米( 见图6a)。

由于陡倾角走滑断层由不连续的次级剪切断层斜列而成，使得走滑断层的内部斜列阶区( 挤压隆起或拉分盆地)和端部出现复杂的破裂特征（阶区的破裂特征），特别是宽度取决于阶区本身的宽度和次级走滑断层的重叠量，当阶区宽度在数十米宽度时，可把阶区整体作为变形带进行避让；但当阶区规模在千米量级时，且土地资源较为紧缺的条件下，需要利用探槽确定阶区内部各次级断层的准确位置和地质变形带的边界，分别考虑避让距离。

图5 不同类型断层地震地表破裂带宽度实测图

2.倾滑断层

倾滑断层，包括逆断层和正断层两种类型。由于逆断层和正断层上盘变形量比下盘大，无论是地震地表破裂，还是地面同震错动对地面建( 构) 筑物的直接毁坏等均出现明显的上盘效应，即上盘严重灾害带宽度是下盘的2～3 倍。因此，在避让逆断层和正断层时需要考虑上盘效应，即下盘最小避让距离为地质变形带边界向外15米，而上盘应为地质变形带边界向外30～45米。

鉴于正断层近地表倾角一般为50°～60°，建议上盘最小避让距离为从地质变形带边界向外30米( 见图6b)；而逆断层倾角一般较缓，通常在30°左右，建议上盘最小避让距离为从地质变形带边界向外45米( 见图6c) 。

建设工程抗断与避让距离建议

活动断层避让旨在通过避开活动断层来解决建（构）筑物的“抗断问题”，达到有效减轻地震灾害风险的目标，是目前世界范围内普遍接受并相继实施的一项减灾措施。

图6 不同类型活动断层避让方案

1994 年美国北岭地震后，活动断层沿线的灾情尤为严重，为此，加州州政府颁布了《地震断层划定法案》（Earthquake Fault Zoning Act），明确规定活动断层两侧各避让15米，才能够建设居住的建筑物，这个避让距离实际上主要是针对包括圣安德烈斯断裂带在内的陡倾角走滑断层。

随着我国城镇化进程的加快，大量农村人口转移到城市，城市规模越来越大，土地资源越来越稀缺，城市规划、国土等部门对城市活动断层避让距离提出了更高要求，希望避让距离更加精准。下面从活动断层破裂带影响宽度统计和科学研究的角度，就各类建设工程的避让距离提出相关建议。

1.一般建设工程

对位于走滑断层附近的一般建设工程，建议最小避让距离为地质变形带边界向外各15米；对位于正断层附近的一般建设工程，则需要考虑断层的上盘效应，即下盘最小避让距离为地质变形带边界向外15米，建议上盘最小避让距离为从地质变形带边界向外30米；对位于逆断层附近的一般建设工程，同样需要考虑断层的上盘效应，下盘最小避让距离为地质变形带边界向外15米，建议上盘最小避让距离为从地质变形带边界向外45米。

2.重要建设工程

重要建设工程，无论是工程的重要性还是建设规模，都有别于一般工程，有些还可能引发严重的次生灾害，因此，重要建设工程的避让要视工程的重要性进行合理调整。由于倾滑断层，特别是逆断层的同震地表破裂及其建（构）筑物毁坏带远较走滑断层复杂，也为了安全起见，对位于倾滑断层附近的重要建设工程，避让距离建议大于3千米，如应急指挥、生命线工程枢纽等功能不能中断的机构或设施所在的建（构）筑物；而用于生产、测试、存储易燃易爆等容易产生严重次生灾害或精密仪器设备的建设工程，其避让距离建议大于5千米，这一避让距离也与核电站厂址要求相一致。

此外，地震现场不仅观察到了包括活动断层同震破裂和错动对房屋、桥梁等地面建（构）筑物的直接毁坏现象，也看到了坐落在同震地表破裂带上的一些“抗断”建筑实例。针对走滑断层和倾滑断层的同震地表破裂特征和差异，通过强化地基和结构“抗断”性能设计，实现分散、吸收或降低同震地表破裂和错动对地面建（构）筑物的影响。