重大工程地震安全性评价中活动断裂分段的准则

第20卷　第4期1998年12月地震地质SEIS MO LOGY AND GEO LOGYV ol.20　N o.4Dec.1998重大工程地震安全性评价中活动断裂分段的准则3张培震　毛凤英(中国地震局地质研究所,　北京　100029)常向东(国家核安全局北京核安全中心,　北京　100037)摘　要 活动断裂分段在重大工程地震安全性评价中具有特别重要的意义,但无论是方法本身还是实际应用都存在着有待于进一步研究和解决的问题,这些问题不解决,可能造成不良的后果。

利用国际上公认的分段研究工作最深入、段落划分最可靠的3条活动断裂的分段依据,分析和评价了所使用的方法和标志以及它们的不确定性,结合中国活动断裂的特殊性和重大工程地震安全性评价对活动断裂的特殊要求,提出4个分段准则。

主题词:　活断层　综合判断　分段准则　安全性评价1　前言活动断裂分段是80年代地震地质研究领域中的一项新成果,至今仍然是十分活跃的前缘领域(Sibs on ,1987;Schwartz ,1988;Zhang et al.,1991;丁国瑜,1992;丁国瑜等,1993;邓起东等,1995;张培震等,1995)。

断裂分段的含义是指一条大的活动断裂带往往可以分成若干个大的段落,每一段落都作为一个独立的震源而发生地震破裂,并且每一段落发生的地震破裂不受相邻段落的制约而有着自己独特的活动历史(Schwartz et al.,1984,1986)。

活动断裂分段最基本的观测事实是在一次地震事件中往往不是整个断裂带而是断裂带的某一部分发生破裂,同时活动断裂带结构的不均一也间接地证明了断裂的分段活动性(丁国瑜,1992;Zhang et al.,1991)。

活动断裂分段研究在理论上有助于认识地震破裂的起始与终止过程及地壳的破裂强度和习性,在实际应用上能够用来判定未来地震可能发生的地区并预测未来地震的最大震级,这些在重大工程地震安全性评价中具有特别重要的意义。

虽然断裂分段在地震危险性预测中有广泛应用前景,但无论是方法本身还是实际应用都存在着有待于进一步研究和解决的问题。

首先,断裂分段的方法目前仍然处于正在发展的初期阶段,还没有形成一套完整可靠并且能够普遍应用的系统方法(Schwartz ,1988;Zhang et al.,1991)。

特别是在应用上存在着比较混乱的3　中国地震局地质研究所论著97B0037。

状态,主要表现在做段落划分时人为性较大,不注重多种方法和多种证据的综合应用,没有考虑到各种断裂分段方法在应用上的局限性、制约条件和不确定性(Schwartz,1988;Depolo et al.,1991;Zhang et al.,1991;丁国瑜等,1993)。

上述问题恰恰是重大工程地震安全性评价中非常关心的问题,如果解决不好,可能造成不良的后果。

本文试图利用国际上公认分段研究工作最深入、段落划分最可靠的3条活动断裂,分析和评价这些活动断裂分段研究所使用的方法和标志以及它们的不确定性,从中归纳出几条基本的和便于应用的活动断裂分段准则。

这3条断裂带分别是美国盆地山脉省的Wasatch断裂带(Machette,et al.,1991;Schwartz,1989),Lost River断裂带(Crone et al.,1991)和Dixie Valley断裂带(Zhang et al.,1991;Casky et al.,1996)。

这3条断裂带不仅都做过专门的分段性研究工作,研究结果已在国际权威杂志上发表,而且国际上许多活动断裂研究专家都专门对这些断裂的分段性进行过考察,一致认为这3条断裂带的分段是最可靠的。

尽管这3条断裂带都不在中国境内,但它们位于活动大陆内部,与中国的许多活动断裂具有同样的大地构造背景,所使用的方法和标志基本适用于中国大陆内部。

2　常用活动断裂分段方法和标志的简介与评价通常活动断裂的分段有两种最基本的方法。

一种是直接方法,即在断裂带上直接识别分段界限区(segmentation boundary)而划分段落。

所谓分段界限区是指相邻断裂段落的交接部位,图1　6种分段方法被使用的次数Fig.1　Number of times that each segmentation method is used during the segmentation studiesalong the three fault z ones.1地质构造变异方法;2地球物理方法;3地貌形态变异方法;4断裂几何形态方法;5断裂活动习性方法;6古地震方法它通常由复杂形态的地质构造所组成,并在地貌上显示出异常区,段落上发生的破裂一般不穿过这一部位(Machette et al.,1991;Zhang et al.,1991);另一种是间接方法,即通过比较断裂带不同部位的活动习性而确定不同的段落。

以往对圣安德烈斯断裂和Wasatch断裂的分段都是从断裂不同地段的活动习性入手、使用间接方法进行的(Allen,1968;Schwartz et al., 1984)。

在Wasatch断裂带、Lost River断裂带和Dixie Valley断裂带分段研究的基础上,可以将活动断裂分段的实用方法归纳为6种:古地震方法、断裂活动习性方法、断裂几何形态方法、地貌形态变异方法、地球物理方法和地质构造变异方法。

每一种方法内又包括许多种标志,用来识别分段界限区和进行段落划分。

表1给出了6种常用的方法及其所包含的30种标志。

这些方法和标志不是活动断裂分段的全部依据,但却是主要的而且非常实用的方法和标志。

所研究的这3条断裂带总共被划分成30段,我们统计了每一段落所使用的分段方法和标志。

表2列出了各段落划分时所使用的标志,标志代号见表1。

图1是这6种常用分段方法被092地　震　地　质20卷使用的次数,图2是这30种分段标志中21个标志被使用的次数。

下面简单介绍和评价这些方法和标志,并分析它们的适用性和不确定性。

2.1　古地震方法古地震方法是活动断裂分段中的一种可靠方法,通过对断裂带不同部位古地震活动历史的比较将断裂带划分为具有独立破裂历史的段落。

活动断裂分段的目的就是为了寻找独立的破裂单元,并且估计它在未来破裂事件中可能产生的最大震级(Schwartz et al.,1984)。

如果能够证明断裂带中不同的段落具有不同的破裂历史,就可以有把握地推测在未来的时间段内它们也将作为独立的破裂单元而发生地震。

这就是古地震方法的理论基础。

图2　30种分段标志被使用的次数Fig.2　Number of times that each segmentation featureis used during the segmentation studiesalong the three fault z ones.分段标志的代号见表1虽然古地震是Schwartz 等(1984)提出特征地震和活动断裂分段概念的主要依据,但以后的研究表明,仅仅使用古地震方法对活动断裂进行分段是不够的。

首先,古地震研究本身具有很大的不确定性,并且受许多因素的制约(毛凤英等,1995)。

其次,这种方法无法应用到没有条件进行古地震研究的断裂上。

利用古地震研究方法进行断裂分段主要依靠探槽所确定的古地震标志和断裂陡坎形态所确定的古地震标志。

依靠探槽所确定的古地震标志进行分段比较可靠,在所研究的30个段落中,利用探槽所确定的古地震标志被用了8次(图2)。

如果沿断裂带开挖了大量探槽、发现了大量古地震事件,能够确定不同的段落具有不同的古地震历史,这一标志就可以单独用来进行段落划分。

但是这种情况很少,大多数情况下都是同其它标志一起使用。

因为探槽中的古地震事件是根据保存在地质记录中的古位错遗迹来推测的,这些遗迹只能在特定的地貌条件下才保留下来,只有当探槽位置合适或足够多时才能将事件揭露出来,否则容易漏掉古地震事件,得出错误的古破裂历史。

另外古地震年代的确定往往包含较大的误差,误差不仅来源于测年技术本身,更多的是断代所给出的上下限时间段太长,由此产生的误差可达数百到上千年。

这么大的误差完全有可能将相同的破裂历史混淆为不同的破裂历史。

所以古地震作为活动断裂分段的一种较可靠标志,在大多数情况下不能用来做为分段的唯一标志,需要与其它标志一起使用。

断裂陡坎(断层崖)是断裂沿倾向发生快速错动在地表形成的陡坎。

一般说来,老的断裂陡坎受侵蚀时间长,坡角较缓,新的断裂陡坎受侵蚀时间短,坡角较陡,因而一定时间范围内同一断层陡坎坡角变化形成的坡折现象反映了断裂错动的次数、幅度和年代,从而得出对应古地震事件的次数、强度和年代(Wallace ,1977;Bucknam ,1979;Hanks et al.,1984;邓起东等,1985)。

这种方法在美国盆地山脉省的一些活动正断裂分段研究中也得到了多次应用(Crone et al.,1991)。

但这一方法本身也受到多种因素的限制。

如果地震原地重复的周期很长,大于1924期 张培震等:重大工程地震安全性评价中活动断裂分段的准则 表1　活动断裂分段常用方法、标志与代号T able1　Lists of fault segmentation method,feature,and representation marks方　法标 志代号类型被用次数古地震探槽古地震陡坎形态古地震TRSCAB81断裂活动习性活动历史不同最后一次活动时代不同活动速率不同活动方式不同HST MRTSTABBB19断裂几何形态断裂分叉断裂空缺断裂阶区断裂终止断裂弯曲断裂数量变化断裂复杂程度变化断裂走向变化断裂交汇BFABFSFEF BNICIOCFIABABABBAA2414338713地貌形态变异山前凸出和山嘴山前凹入横向基岩脊山脊高度变化谷地高度变化山前阶区山脊终止MCMET VM VVVRSREABABBAB46719114地球物理重力异常地磁异常地震活动异常大地热流异常G AM AS AHAABBB20地质构造变异主要活动区边界主要块体边界山要岩性边界主要横向构造带MFMPMRMTABBA2陡坎被侵蚀殆尽的时间,就无法在同一断裂陡坎上获得反映多次错动的坡折现象,也就无法获得断裂古位错历史。

另外这一方法对古地震年龄的估算也存在着较大的误差。

2.2　断裂活动习性方法断裂活动习性是指断裂的活动历史、最后一次活动时代、活动速率和活动方式。

正是这些活动习性的差异控制着地震发生的强度、频度和空间上的差异,构成了断裂活动和地震破裂的分段活动图象。

从理论上来说,了解了断裂带不同部位活动习性的差异就可以有把握地进行段落划分,但在实际上往往很难做到。

因为了解断裂带不同段落的活动习性同样需要对地质292地　震　地　质20卷年代进行测定,需要确定被断错的不同时代的地层或地貌面,这对许多断裂是不容易做到的。