太原市活动断层探测工作及其在地方经济建设中的应用

李自红 曾金艳 史燕玲

李自红，博士，正研级高工，硕士生导师，山西省地震局预报中心主任、太原理工大学地震与地质灾害防治研究所副所长，山西省人大第一届智库专家。1993年获中南工业大学（现中南大学）勘查地球物理工学学士学位，2014 年获太原理工大学矿产普查与勘探工学博士学位。长期从事地震工程、活动构造、地震预测等方面的研究，主持和参与省部级项目 20 多项，主持完成了太原、临汾城市活动断层探测与地震危险性评价项目。 出版专著 3 本、在国内外中高级刊物上发表论文 40 余篇。参加编修了《中国地震活动断层探测技术系统技术规程》 《活动断层探测》等国家及行业规范。曾获中国地震局防震减灾优秀成果一等奖 1 项、三等奖 1 项，山西省科技进步二等奖 1 项，山西省地震局防震减灾优秀成果奖多项。

大量的震例研究表明，城市范围内活动断层突然错动产生的直下型大地震，是对城市破坏最大、危害最严重的突发性自然灾害，直接威胁着城市和人民生命财产的安全。为了有效减轻城市直下型地震产生的灾害，保障人民生命财产安全，保持社会稳定和经济建设可持续发展，二十世纪初中国地震局提出了“大城市活断层探测与地震危险性评价”项目计划。根据中国地震局的指示精神，山西省地震局组织有关科研人员编制了“太原市活断层探测与地震危险性评价项目”建议书、可研报告等材料，太原市有幸被列入首批20个开展“大城市活断层探测与地震危险性评价”的城市。

该项目实施历时4年，通过资料收集、分析与整理，区域地震构造环境研究，地震地质调查、浅层地震勘探、多道直流电法探测、钻孔联合剖面探测、槽探、年代样品测试、地质地貌填图等多种方法的活动断层综合定位和活动性鉴定，活动断层地震危险性评价，活动断层地震危害性评价，以及基础探测数据库和数据管理系统的建设等系统的科研工作，撰写了13本专题成果报告和总项目成果报告，绘制各类图件近百余幅，产出了一批具有重要价值的基础数据和基础图件，取得了重要成果。

通过探测，确定了太原市交城断层柴村段（柴村断层）、交城断层晋祠段、南堰断层、汾河西断层、汾河东断层、新城—亲贤断层以及东山山前断层7条断层的空间位置、延伸长度、几何特征、第四纪活动性和分段特征。综合评价了交城断层和东山山前断层的地震危险性，划分了未来发生地震的危险区段和最大潜在地震震级，评估了交城断层的地震危害性，并提出了防震减灾对策与措施，在太原市城市规划、国土利用、重大工程选址等方面得到了很好地应用。

地震环境与活动断层研究现状

（一）地震环境

太原市位于山西断陷带太原盆地北部，北与忻定盆地相邻，南接临汾盆地，东、西两侧为太行山、吕梁山断块隆起区。历史上是中强破坏性地震多发区，有史料记载以来在目标区范围内共发生M≥5级地震7次，最大地震是1102年太原6½级地震；1970年有台网记录以来，太原市是山西地震带小震活动相对频繁的地区，并发生过多次强有感地震，最大地震是2002年太原4.7级地震。

山西最大的河流汾河流经太原盆地并贯穿太原市区，市区的大部分坐落在汾河东、西两岸的阶地上。新生代以来市区一带长期处于断陷沉降状态，市区断陷幅度500米左右，向南至晋祠一带增至1000米，第四纪断陷幅度200～300米。目标区主要分布有NNE–NE、NEE、EW和NNW–NW向四组断层，共计18条（见图1）。其中交城断层柴村段、交城断层晋祠段、大虎峪地垒北侧断层、大虎峪地垒南侧断层、万柏林断层共5条断层为出露地表的盆地边界断层；其余13条为盆地内隐伏断层。

（二）活动断层研究现状

在实施活动断层探测以前，由于工程地震工作的逐渐开展，对太原市隐伏断层的大体位置已有所了解，但针对隐伏断层的详细探测工作由于各种原因始终没有开展。对太原市区隐伏断层的数量、规模、穿越市区的具体位置、错断地层情况、全新世活动状况均不甚清楚，研究程度较低，因此市区隐伏断层的活动将对太原的未来城市发展和建设构成潜在危害。

对盆地边界出露地表断层的研究程度也有差别。交城断层晋祠段和交城断层柴村段研究程度较高，前者为全新世活动断层，但至今未发现古地震遗迹；后者为晚更新世活动断层，断层在全新世的活动状况不清楚，也未发现古地震遗迹。东山山前断层因断层带广泛被黄土覆盖，不易从天然剖面上观察，因此断层的活动时代缺乏可靠的地质依据。

探测目标与主要工作内容

根据太原市城市发展和防震减灾的需要，以及主要断层的研究现状，确定太原市目标区南北长约38千米，东西宽约24千米，面积约912平方千米。地理坐标：北纬37°40′～ 38°00′，东经 112°24′～ 112°40′。本项目拟通过地质地貌、地球物理等探测手段重点对交城断层柴村段、交城断层晋祠段、南堰断层、汾河西断层、汾河东断层、新城—亲贤断层以及东山山前断层7条断层开展以下主要工作内容。

（一）初查与目标区主要活动断层鉴定

通过对已有地震、地质与地球物理等资料收集、汇编、整理，结合遥感图像的处理与解译等，初步给出主要活动断层的空间分布和活动时代；继而开展控制性浅层地震探测、多道直流电法探测、地震地质调查、控制性钻孔探测和第四纪地层划分等工作，确定目标区活动断层分布概况、初步估计其活动性及需进行地震危险性评价的主要活动断层数量和位置。

（二）地震活动断层鉴定与危险性评价

在目标区主要活动断层鉴定基础上，通过断层两侧钻孔探测及其岩芯样品分析或探槽工程开挖、年龄样品的系统测试、现代构造应力场分析与测量，以及现有地震台网、形变测量网资料的整理等，确定目标区主要活动断层的现今运动状态，综合评价各主要活动断层的地震危险性，确定目标区的主要地震活动断层。

（三）地震活动断层详细探测

通过选择浅层地震和多道直流电法等有效探测手段，对太原盆地呈隐伏状态的南堰断层、新城—亲贤断层、汾河西断层、汾河东断层、东山山前断层进行详细探测；对交城断层柴村段、交城断层晋祠段除补充一定数量的地球物理探测剖面外，主要对其进行高精度的地质地貌填图；在此基础上，综合编制1∶10000主要活动断层分布图，确定太原盆地主要活动断层的空间位置。

（四）地震活动断层危害性评价

在主要活动断层地震危险性评价基础上，综合地球物理探测成果，建立活动断层的三维结构模型，评定有发震危险的主要活动断层近场强地面运动的分布特征，针对活动断层类型以及城市环境特点，提出城市经济建设中活动断层危害防范的对策。

（五）城市活动断层数据库和地理信息管理系统建设

建立太原市主要活动断层基础数据库和用于活动断层地震危险分析、近断层强地面运动计算和危害性对策咨询的地理信息系统。建立太原市活动断层数据库和地理信息管理系统，提供针对地震活动断层危害的国土规划和防灾对策及其相关资料、图件，为太原市城市建设规划和防震减灾工作服务。

图1 太原市目标区活动断层分布图

取得的主要成果

（一）主要断层活动性鉴定

基于大量野外地震地质调查结果，同时结合浅层地震探测、多道直流电法探测、槽探和钻孔联合剖面探测等工作，从构造地质学、地层年代学、构造地貌学、地球物理探测等多方面综合研究了太原市目标区主要活断层的展布（见图1）及新活动特征和准确定位等，其主要结论及创新之处表现在。

志愿服务精神是推动志愿服务活动长期深入开展的内在动力和有力支撑。因此，应重视普及志愿服务理念，在全社会营造一种参与志愿服务的风尚和文化。一是增加学校关于志愿服务精神、理念、知识等内容的教育，同时推动在校学生参与志愿服务实践。二是加大志愿服务精神的宣传，组织开展各种形式的志愿服务宣传活动，发掘志愿服务先进典型，以榜样的力量增强公众对志愿服务的认同和参与，吸引更多的人参与志愿服务。四是积极推广志愿组织统一CI标志、徽章、色彩、服装等使用，增强组织识别感。五是鼓励学者加强志愿服务重难点问题的研究，形成一批理论成果；开展志愿服务文化研讨会、论坛等活动。

（1）交城断层柴村段作为太原盆地的西部边界断层，经地震地质调查、浅层地震勘探、地质地貌填图、槽探验证，该断层由3条平行的断层组成。从后缘到前缘3条断层的活动时代分别为：晚更新世、晚更新世晚期—全新世早期、全新世。通过大型探槽的开挖和古地震事件的分析，有力地推翻了前人认为该断层是晚更新世活动断层的观点。

（2）交城断层晋祠段为太原盆地的西部边界断层，经地震地质调查、浅层地震勘探、地质地貌填图以及槽探验证，该段由2条平行的断层组成，后缘断层的活动时代为晚更新世晚期—全新世早期、前缘断裂的活动时代为全新世，获取了新的古地震事件证据，进一步证明了前人的看法。

（3）南堰断层为太原市区西部的隐伏断层，前人认为它是交城断层的次级断层，为全新世活断层。本次工作通过浅层地震探测证实，该断层上断点埋深很深，断层是存在的，但其活动时代应为早更新世。

（4）汾河东断层、汾河西断层是太原市区基本沿汾河展布的2条隐伏断层，前人认为是晚更新世活动断层。本次工作通过浅层地震勘探、多道直流电法探测、钻孔联合剖面探测，认为汾河东断层、汾河西断层是存在的，但其活动时代应为中更新世。

（5）新城—亲贤断层是太原市区纵贯南北展布的1条隐伏断层，前人认为是晚更新世活动断层。本次工作通过浅层地震勘探、钻孔联合剖面探测，认为新城—亲贤断层是存在的，但其活动时代应为中更新世。

（6）东山山前断层是太原盆地东边界的1条隐伏断层，前人认为是晚更新世活动断层。本次工作通过地震地质调查、浅层地震勘探、多道直流电法探测、钻孔联合剖面探测，认为东山山前断层是存在的，但其活动时代应为中更新世。

（二）交城断层地震危险性评价

图2 交城断层7.2级设定地震加速度峰值分布图（单位：gal）

（三）交城断层地震危害性评价

除了前述的地震危险性概率评价方法外，在详细研究的基础上，设定交城断层为发震断层。采用确定性方法评估了该断层发生7.2级地震对目标区可能的影响。一方面本项目设定的发震断层交城断层地震活动强烈，发震震级强度大（设定为7.2级），且震源体埋深浅（深度在20千米范围内），震源体规模相对较小造成能量密度大，在断层的破裂过程中，地震辐射能量集中于地表浅层。另一方面，目标区与交城断层的距离较近，太原市区大部处于交城断层东侧20千米范围内，因此地震辐射能量衰减较少，在目标区产生了强烈的地震动效应。

根据危害性评价结果，目标区城区部分地区处于加速度峰值大于400gal的区域，城区大部分地区处于加速度峰值大于200gal的区域（见图2）。单就此次设定地震对目标区造成的加速度峰值而言，靠近断层的太原市相当大范围的地区受设定地震的影响已经超过GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》所确定的当地的抗震设防要求，大约相当于通常所说的大震的地震动水平；而随着距断层距离的加大、地震动衰减，目标区的部分地区处在小于200gal的分区内，对于这部分地区大约相当于通常所说的中震的地震动水平。

我国抗震设计实行“大震不倒、中震可修、小震不坏”的三级设防水准，若严格遵循抗震设计规范进行设计，施工质量良好，这样的建筑在目标区遭遇本次设定地震的袭击，在部分地区应能达到中震可修的目标，可能会出现可修复的破坏；而对于部分地震动强烈的地区，尽管可以做到“大震不倒”，但可能发生难以修复的严重破坏，出现较大损失。而对于未按抗震设计规范进行设计和建造施工的老旧建筑，根据目标区地震动强度计算结果结合历史地震经验分析，肯定会发生较严重的破坏。

未来最大潜在地震最有可能沿着交城断层前缘断裂发生，根据探槽剖面观测到的断层位移以及特征地震模型的基本假设，可以合理推断交城断层柴村段和晋祠段在未来地震事件中的同震垂直位移约为2.9米和2.0米，地震地表破裂带宽度最大不会超过70米。

做好主动服务，不断加强成果应用

太原市活动断层探测与地震危险性评价项目取得了重大突破，为实现太原市建设规划“立足当前，着眼未来，科学规划，合理布局”的理念和城市综合实力的提升提供了扎实可靠的科学依据。对位于市区的汾河西断层、汾河东断层和新城—亲贤断层以及市区东边的东山山前断层4条活动断层的否定，为太原市可持续发展提供更广阔的空间，新增的土地由于其地理位置、开发实效以及土地综合使用等因素所形成的长效经济价值和社会意义是无法估计的。

（一）为太原市“五大”标志性建筑提供主动服务

在项目实施期间，山西省委、省政府为了提升山西省社会公益类基础设施服务能力，在太原市长风商务区文化岛上建设山西大剧院、山西省图书馆、山西省科技馆、山西体育中心、中国太原煤炭交易中心等“五大”标志性建筑。这五大标志性建筑均为人员密集活动性场所，一旦发生城市直下型破坏地震，将会造成大量的人员伤亡和财产损失。而这些项目的选址正好位于汾河东断层、汾河西断层穿过的地区，虽然项目前期对这2条断裂进行了勘察，但因采用的探测方法单一，技术不够先进，只是初步给出了断裂的位置，并认为是活动断裂需要避让。

为主动服务于省城重大工程建设，在项目实施期间积极与建设方进行联系，优先开展该区域的探测工作，不但获得更准确的断裂位置，而且否定了这2条活动断裂，为省城“五大”标志性建筑的抗震设防节省大量建设投资。

（二）把活动断层成果纳入城市“五规合一”

为解决现行规划体制下各种规划各自为政、目标抵触、内容重叠、项目重复建设以及管理分割、指导混乱等系列问题。太原市于2016年11月启动了“五规合一”试点工作。决定将国民经济和社会发展规划、城镇规划、国土规划、产业规划、环保规划的核心要素进行重组和整合，即“五规合一”。太原市防震减灾局作为成员单位之一，为了使太原市活动断层探测成果得到更好地应用，拟将活动断层等相关内容纳入全市“五规合一”信息及数据处理平台。

为此，太原市防震减灾局与太原市规划局进行了多次沟通，并邀请项目技术负责人山西省地震局李自红研究员对全市规划系统开展了题为“防震减灾与城市规划”的专题讲座。讲座内容将防震减灾三大体系建设与城市国土规划利用结合起来，重点从建设工程选址对地震监测设施及地震观测环境干扰的避让与保护、国土规划利用应避让地震活动断层与不良地质条件、建设工程抗震设防要求设计参数的选取等方面进行了全面讲解，使规划部门对太原市城区活动断层的分布以及可能带来的危害有了深入的了解。

体会与认识

太原市活动断层探测与地震危险性评价项目自申请立项以来已将近20年，不但在探测中取得了突破性成果，而且在成果推广应用上也取得可喜的成绩。回顾这么多年历程，有以下几点体会与认识。

（一）政府重视、群众理解是顺利探测的保障

在城市地区开展工作，基础资料收集、野外施工及交通管制等方面都需要地方各级政府、有关部门和单位的支持和通力协作。根据野外施工的环境条件复杂的情况，山西省人民政府和太原市人民政府都发文通知各级政府、有关部门和单位协助开展太原市活动断层探测工作。太原市人民政府还专门组织协调会，要求各级单位大力配合。这些都为项目的各种野外施工创造了良好的外部环境，在争取人民群众的理解，在涉及场地的占用、对城市设施与交通的影响、城郊种养殖物的损坏和现场施工安全的保护等方面，获得重要支持。

（二）尊重科学、解放思想方能求得真解

把项目真正当作一项严肃的系统科学工程去做，项目采用的探测手段和所要解决的问题就是实际地震科学研究和防震减灾工作中必须面对和切实需要解决的关键科学问题。不迷信所谓“定论”，辩证地看待前人的一些认识和结论，认真细致地分析各种地质要素及其内在联系，发现问题追根朔源，求得真解。

（三）勤于宣传、主动服务是成果应用的抓手

在项目实施期间，项目组就主动联系有关部门，为太原市“五大”标志性建筑提供主动服务，使规划、建设等部门对活动断层探测和使用的重要性有了深刻的认识。并且在总验收时，请这些部门的同志参加，为活动断层探测成果的推广起到了很好的示范作用。在得知太原市启动“五规合一”试点的消息后，积极与太原市规划局进行沟通，并邀请项目技术负责人对全市规划系统开展了题为“防震减灾与城市规划”的专题讲座，使规划部门对太原市城区活动断层的分布以及可能带来的危害有了深入的了解，使他们有了主动使用活动断层探测成果的理念。