遵循天津特色工作思路有序开展活动断层探测

陈宇坤 闫成国

陈宇坤，博士、正研级高级工程师，天津市地震局副局长，主要从事地震地质、活动构造、工程地震、地震灾害风险等方面的研究与管理工作，先后主持十多项国家级和省部级科研项目，获省部级科技奖一等奖1项、二等奖2项，三等奖2项，局级一等奖4项；发表学术论文20多篇，编著出版专著2部。参加中国地震局昆仑山口西8.1级地震综合科学考察并被授予科考先进个人；第一批入选中国地震局“新世纪优秀人才百人计划”；获全国地震系统优秀个人称号和天津市科技系统五一劳动奖章。

天津市位于华北地区东北部，构造上处于北东向河北平原断裂带和北西向张家口—渤海断裂带交汇部位，地下隐伏断层纵横交错，活动性强，具备发生破坏性地震的构造条件。有记载以来，天津境内曾发生5.0级以上地震18次，最大地震为1976年宁河6.9级地震。

活动断层的存在，一方面加大了破坏性地震发生的危险性，另一方面也大大加重了地震灾害损失。天津市受邻区强震波及并造成破坏的地震有6次，其中1679年三河—平谷8级地震和1976年唐山7.8地震对天津市的破坏最为严重，唐山地震造成天津市境内死亡人数达2.4万，直接经济损失达50多亿元，从而使天津成为新中国唯一遭受Ⅷ度地震烈度破坏的省会级城市。在唐山地震期间，沿着海河断裂和蓟运河断裂等造成的震灾十分严重，形成了海河震害带和蓟运河震害带。

地震活动断层探测是利用地质学和地球物理、地球化学等方法查明隐伏断裂的准确空间位置、几何结构、活动特征和深部构造背景，评价断层的地震危险性和危害性。通过城市隐伏断层探测与评价，识别城市潜在地震风险源，甄别城市及周边活动断层与不活动断层，为城市建设规划、国土资源开发和重大项目建设中采取相应的避让和防范措施提供科学依据，是减轻城市地震灾害风险，提升城市地震安全水平的主要途径。

中国地震局和天津市政府高度重视活动断层探测工作，从“九五”开始，20余年天津地震局先后完成海河断裂、天津断裂、沧东断裂、汉沽断裂、蓟运河断裂和渤海近海海域断裂等9条断裂的探测与评价，探测断裂长度600余千米。积累了大量的活动断层探测成果资料和图件，为天津市城市规划建设、滨海新区城市总体规划、海洋功能区划、重大工程选址提供了基础资料和科学依据，为天津市城市建设和经济社会发展做出了重要贡献。

天津市开展活动断层探测的技术难点

活动断层探测是一项系统科学工程。除了所有城市活动断层探测面临的共同困难，如施工条件差，背景干扰大等问题外，天津市活动断层探测还存在以下几大技术难点。

1.天津市位于滨海沉积平原区，软土覆盖层厚，断层处于完全深隐伏状态，没有露头，不具备槽探条件，无法直接进行断层空间定位和活动性研究。

2.天津地区的沉积物巨厚且松散，含水量大，物性差异小，地下水位埋藏浅，且多为高矿化度的咸水，给地球物理探测带来了很大困难。

3.天津地区九河下梢，河流纵横，坑、塘、洼地多，给野外探测测线布置工作带来极大的考验。

4.天津市地处华北平原区，地震孕育背景和条件与我国西部地区完全不同，断层地震危险性评价能够借鉴的经验和方法很少，探索适应于本地区的断层地震危险性综合评价方法，进行断层地震风险源判别和划分，是天津市活动断层探测与评价的一大科学难题。

天津市活动断层探测工作的总体思路

针对天津市境内活动断层分布状况、经济社会发展需求和探测工作存在的技术难点，确定天津市活动断层探测按计划、分步骤，按照先中心市区、再滨海新区、后远郊区的次序，分期分批开展的原则，遵循由粗到细，先整体、再局部、后综合，重点突出的工作流程，以及探测一条断层，做精做细，不留盲区的管理理念，逐步对天津市境内规模较大的9条断裂开展系统探测和危险性评价。自“九五”起，到“十二五”末，先后对海河断裂、天津北、天津南断裂、沧东断裂，汉沽断裂、天津渤海近海海域隐伏断裂及蓟运河断裂开展了探测与地震危险性评价。“十三五”期间，将对位于京津冀交界部位并指向雄安新区的河西务—牛东断裂开展探测与评价（见表1）。

海河断裂直接穿过天津中心市区，与天津海河下游工业区及滨海新区关系密切，涉及天津工业东移和新的经济增长及布局，同时海河断裂又是研究资料最少、最不清楚的断裂，因此决定在“九五”期间首先调查穿越市区和滨海新区的海河断裂。“十五”期间，国家做出了在大城市积极开展地震活动断层探测工作的重要决策，天津活动断层探测项目纳入了首批国家“十五”重点科学工程计划，并确立了中央与地方共同投资实施的模式，以穿越中心城区的天津北、天津南断裂和穿越滨海新区的沧东断裂为目标断层，开展科学探测和评价。“十一五”期间，伴随天津滨海新区的持续开发开放，天津渤海近海海域隐伏断裂对滨海新区东疆港区、临港产业区、南港工业区等围海造陆地区的土地规划、产业布局及功能区划造成了重大影响和制约，因此“十一五”期间主要对天津渤海近海海域隐伏断裂进行了探测和评价。“十二五”期间，对穿越宝坻、宁河等远郊区的蓟运河断裂开展探测与评价，并研究探讨该目标断裂与1976年宁河6.9级地震的关系。“十三五”期间，依托《京津冀协同发展防震减灾专项规划》，将重点探测北东向河西务断裂，该断裂位于京津冀交界部位，向南延伸与牛东断裂相接，并且指向雄安新区，因此查明其准确空间位置及最新活动，研究建立区域地球动力学模型、强震发震构造模型，判定未来强震风险源和灾害影响范围，对京津冀协同发展、产业转移承接和天津市的长远发展将具有重要意义。

表1 天津地区城市活动断层探测与地震危险性评价工作表

天津市活动断层探测与评价的主要方法和工作内容

如前所述，天津地区特殊的地质地理条件决定天津市活动断层探测必须立足于本地区特点，考虑技术难点，充分利用自身优势，广泛搜集利用前人研究资料，采取适宜的地质地球物理方法，有针对性地开展探测与评价工作。

1.广泛资料收集与深入分析

资料的系统整理与分析是活动断层探测开展的基础和前提。多年来，天津地区积累了丰富的地质、地球物理资料，这些资料对于天津地区的隐伏断层均有不同程度的研究。通过对石油、地矿、国土、地调等部门掌握的地震地质、水文地质、石油勘探、钻探、地热、地震勘探等资料的综合系统整理与分析，掌握了本地区断层研究的现状及存在问题、区域地震构造背景，为断层探测工作奠定了基础。

2.断层综合探测与定位

天津地区位于滨海沉积平原区，第四系覆盖层厚，断层属于完全深隐伏状态，没有任何露头，必须采用综合探测方法进行断层定位研究。首先通过早期卫星遥感影像解译、地球化学探测、电阻率CT法探测（见图1）等手段初步查明断层的空间位置。这些方法方便、高效、快捷，在隐伏断层初步定位中具有独到作用。在详细勘查阶段，主要通过浅层地震勘探及钻孔探测来确定目标断层的准确空间位置、展布特征及活动性。断层定位以浅层人工地震勘探为主（见图2）。针对天津市内陆河道多和断层分布在海域的特点，主要采用水上声学地层探测方法（见图3），该手段具有施工便利、分辨率高等优点，在揭示河流、湖泊、海洋等水体底部地质构造，研究第四纪地层层序及断层活动性等方面，有着不可比拟的优势。

图1 电阻率CT法探测现场

图2 浅层人工地震勘探现场

图3 水上声学地层探测现场工作

3.断层活动性鉴定

由于天津地区断层上断点埋藏较深，地下水位浅，不适宜开展大型探槽，断层活动性鉴定主要依据钻孔联合剖面探测与地层对比方法（见图4）。在钻孔地层对比分析中，高度重视年代地层学的研究，综合利用14C、光释光和古地磁等测年技术，结合岩性地层学和生物地层学方法，建立天津地区不同构造单元的第四纪年代地层剖面，为评价断层活动性提供年代地层标尺；天津地区海相地层发育且比较稳定，通过微体古生物样品鉴定和海相地层划分，为钻孔地层对比提供标志层。

图4 钻孔联合剖面勘探现场

4.深部构造探测

深部构造探测与研究对于揭示断层的深部构造特征和孕震条件，开展断层地震危险性评价具有重要意义。通过采用重力测量、航磁资料联合反演与解译、大地电磁测深、深地震宽角度折/反射及深地震反射等深部探测手段，开展地壳上地幔精细结构综合探测，研究本区地壳高导层、低速体及上地幔隆起等的基本特征，分析深部地球物理场异常变化与强震活动的关系，从而揭示断层的深部孕震构造条件与背景。

5.断层地震危险性综合评价

基于目标断层的几何结构、构造特征、现今地震活动、地球物理场、深部构造条件、深浅构造关系、构造应力场与形变场特征的研究，采用构造类比法和历史地震分析法，确定目标断层未来的潜在地震危险区段，从地质学的角度对未来地震的强度（大小）和发震危险程度进行研究。然后，进行工作区和各断层的地震活动性鉴定，建立区域和各断层的震级—频度关系模型，进行断层地震危险性的定量评价，确定断层发震的危险性、潜在地震最大震级以及发震概率。

6.断层地震危害性评价

在断层地震危险性评价基础上，建立研究区三维地下速度结构模型；对具有发震危险的地震活动断层，进行近断层强地面运动预测以及宽频带强地震动合成，对研究区活动断层的危害性进行综合评价，为城市规划和工程建设提供科学依据。

7.断层探测基础数据库和地理信息系统

断层探测基础数据库和地理信息系统是断层探测与地震危险性评价项目的重要部分，可实现活断层探测成果信息的查询显示、数据管理与分析处理、咨询服务等功能。数据库包含了活断层探测过程中所获得的全部探测和评价资料、数据和成果，是一个综合数据库，能够反映活断层几何学、运动学及动力学特征，记载城市范围内断裂定位、定年、定性、深部背景、地震危险性和危害性等方面各类原始探测记录及综合分析结果信息。地理信息系统实现了活动断层探测与评价数据的动态查询、展示和更新，可供国土规划、重大工程选址、城市建设和防灾减灾等使用。

天津市活动断层探测与评价的主要创新成果

1.查明天津地区主要隐伏断层的空间展布及活动特征

在资料搜集分析解译基础上，通过综合探测方法，明确了天津地区主要隐伏断裂的准确空间展布、几何结构特征，编制完成天津地区1∶250000区域地震构造图（见图5）和1∶50000天津主要隐伏活动断层分布图；以标准钻孔剖面为时间标尺，依据浅层人工地震探测、钻孔勘探等探测结果，查明了主要隐伏断层的上断点埋深、最新活动时代及活动强度。

2.建立天津地区新的第四纪标准地层剖面

通过钻孔勘探和高精度古地磁测定、多种年代学测量、微体古生物等综合性研究，建立天津地区新的第四纪标准剖面（见图6），改变了对本地区第四纪地层的传统认识，为更深入开展本地区的第四纪地层学研究和断层活动性鉴定奠定了坚实的基础。

3.应用声学探测技术开展内陆淡水河道隐伏断层探测

根据天津滨海平原区内河道纵横，且与断层多次相交的特点，攻克了内陆淡水河道内开展探测的诸多技术难题，首次成功采用水上高分辨率声学地层探测技术，获得区内高分辨率连续地层剖面（见图7），对目标断层的晚第四纪活动特征进行深入研究，为滨海平原区隐伏断层活动性探测提供了新途径。

图5 天津市1∶250000区域地震构造图

4.探索滨海平原区完全深隐伏断层的探测与评价方法

华北地区的强震孕震机制不同于中国西部地区的断层滑动模式，往往具有更为复杂的深部孕震构造背景，用断层滑动和特征地震的模型很难进行科学评价。如何综合利用各种探测手段，结合本地区地质与地理环境特点，摸索出一套行之有效的滨海平原区完全深隐伏断层的探测与评价方法，是天津市隐伏活动断层探测研究的关键技术，也是重大科学难题。

图6 黄骅坳陷（BZ1孔）第四纪年代地层剖面

图7 海河河道葛沽－邓善沽声学地层剖面

我们通过地球化学、电法、浅层地震、钻探、声纳、综合测年等多种方法，确定了目标隐伏断层准确位置及最新活动时代；采用深地震宽角度反射/折射、远参考大地电磁测深、天然地震层析成像、航磁、重力解译等多种方法，对深部孕震构造条件和深浅构造关系进行了探测研究；通过地震活动性与隐伏断层的关系研究，现代形变、应变场与构造应力场研究，运用构造类比等方法，划分了潜在地震危险区段，对其最大潜在震级和发震的危险性做出了评估（见图8）；在震源三维构造模型分析的基础上，计算了近断层强地面运动参数和地震时的场地效应。从陆地、水上及空间对隐伏断层进行多手段综合探测与评价，是滨海平原区完全深隐伏断层探测的必要手段和成功的保证。

地震活动断层探测成果应用

活动断层探测成果的有效应用是断层探测工作的出发点和落脚点。通过多种途径广泛宣传推广天津市活动断层探测成果，积极推动规划、住建、国土等部门，在城乡规划、国土利用、海洋功能区划、重大建设工程选址、断层避让等方面应用断层探测成果，为天津市城市发展规划、城市空间和重大项目布局，提供了重要的基础性资料。

天津市的活断层成果在天津经济技术开发区、天津市滨海新区城市总体规划、中新生态城等发展规划、未来科技城、空客A320、长征五号大火箭、大众汽车华北整车生产基地等重大工程选址、招商引资中得到广泛应用，为天津经济社会发展做出了重要贡献，取得了显著的经济社会效益，得到了天津市委市政府的高度肯定和评价。

天津市活动断层探测工作的思考

对于城市活动断层探测工作，我们从探测目标、探测方法、技术路线、工作模式、成果应用等方面经历了从完全不了解，到逐步了解，再到比较熟悉的不断摸索过程。各城市的地质地理条件千差万别，城市布局、勘探施工条件各不相同，开展活断层探测工作的模式和思路也不相同。总结天津市二十年来的活动断层探测工作，有以下几个方面值得思考和总结。

图8 天津、沧东断裂地震危险性评价结果图

1.分期分步实施，注重成果的应用和效益发挥

天津市采用分批分期分步持续实施的思路，从“九五”到“十三五”一直将活动断层探测纳入全市防震减灾规划重点项目，持续二十年未间断，从中心市区到滨海新区，再到近海海域和远郊区，我们先后完成了9条600多千米的断裂探测工作。通过持续不断的活断层工作，加深了各级各部门领导的印象，使他们逐步认识到活断层工作的重要性和实际意义，主动配合地震部门做好项目立项、实施和成果应用工作。同时，我们高度重视活断层成果的应用，让各级领导看到活断层工作在城市规划，在空客A320飞机总装项目、长征五号大火箭项目、大众汽车整车生产基地等重大项目建设、招商引资中发挥的巨大作用和效益，从而更加关注，主动宣传和强调这项工作。比如，在天津市滨海新区城市总体规划中，原本准备沿沧东断裂北段设置长30千米,断层两侧各200米宽的绿化避让带，通过活动断层探测查明沧东断裂北段不是活动断裂，无须设置避让带，客观上相当于增加了1200万平方米的土地，并使滨海新区城市规划更具有整体性，为天津市城市建设和经济社会发展做出了重要贡献。

2.加强沟通交流，开展多部门联合探测与研究

地震活动断层探测是防震减灾的基础性工作，但其他行业对此了解甚少，如何使该项工作得到本地区地质、地矿系统和行业的认可，并最终得到广泛应用是一个难题。我们通过加强与地质、地矿、地勘等部门的沟通与交流，获取了大量的基础地质与地球物理资料，使活动断层探测的基础更扎实，探测成果更可靠，精度更高；同时通过积极申请“天津市矿产资源补偿费地质项目”及“天津市科技兴海项目”，得到了天津市国土资源和房屋管理局、天津市地调中心、天津市海洋局、天津市地调院、华北地质勘查局等单位的高度认可，在此基础上，通过开展深度合作，共同承担了国土资源部与天津市的部市合作项目，使活动断层探测成果在各建设、规划行业部门间被广泛关注和应用。此外通过多部门联合，合作攻关，使活动断层探测成果被市国土房管、矿产、规划、海洋、地勘等相关单位和部门接受，逐步融入本地区的地质调查规划和项目计划，逐步形成了全市的活动断层探测研究中心。

3.加强合作，不断推进探测成果共享与应用

通过加强部门间的合作，打破信息壁垒，推进成果公开和共享，促进探测成果的生成和应用。市地质资料馆面向地震部门等权限开放，而地震部门的探测成果则完全提供给国土规划部门，并与他们联合召开成果发布会（见图9），面向滨海新区，邀请规划局、设计院、建交委、国土局、海洋局等委办局，以及地矿、地调、地勘等单位人员与媒体记者参加，共享活动断层探测成果，不仅能使活动断层数据更好地服务于社会，应用更广泛，同时能使地震局同地方各委办局及行业兄弟单位建立一种合作交流机制，为以后开展更深度的交流合作打下基础。

图9 天津市滨海新区地质成果联合发布会

4.及时总结经验，不断提升活动断层探测工作水平

活动断层探测是一项系统的科学工程，涉及年代学、地层学、构造地质学、地球物理学、地球化学、地震学、遥感、形变与GNSS等多个学科，综合运用遥感影像解译、地质地貌填图、浅层地震勘探、钻孔勘探、年代测试、古生物鉴定、断层槽探、深地震反射、大地电磁测深、地理信息系统、危险性分析建模、危害性评价等方法和手段，需要我们及时总结活动断层探测评价的方法与经验，向经验更丰富的单位和专家学者学习，不断关注国内外活动断层理论研究动向，掌握最新的理念和方法，及时与开展相关工作的单位交流，立足于本地区地质地球物理条件和自身工作实际，不断探索活动断层探测的先进理论和方法，提升活动断层探测技术水平，促进防震减灾事业的发展。