美国加州活动断层探测及其成果应用

陈睿(R. Chen), Tim E. Dawson, Tim P. McCrink

陈睿，美国加州地质调查局（CGS）高级地震和工程地质学家，加州注册地质工程师，曾任加州州立大学奇口分校土木工程系兼职教授、西南研究院核废料监管分析中心高级研究工程师、RE/SPEC咨询公司工程师及中国地震局地壳应力研究所助理研究员，现负责CGS地面震动和断层错动危险评估工作；先后获得中国地质大学（武汉）地震地质学学士、中国地震局地质研究所地震构造学硕士和加拿大曼尼托巴大学土木与地质工程学博士学位，长期从事概率地面震动和地表断层错动危险性评估、概率分析方法研究及其在地震损失预算、关键性建筑（核电站、医院、学校等）抗震设计及其他防震减灾方面的应用工作。

引言

本文简要介绍美国，特别是加利福尼亚州，活动断层探测填图及其成果在抗震减灾中的应用。为避免由地震产生的地表破裂对建筑物造成的直接破坏，加州州政府在1972年颁布了《Alquist-Priolo地震断层区划法》（以下简称“AP法”）。此后开始对活动断层系统探测并填制大比例尺活动断层分布图。截至目前，美国积累了大量有关发震断层的空间分布、几何特征及活动参数的资料数据。随着探测技术日趋先进，对活动断层的探测和研究更深入和定量化。尽管迄今积累的数据资料仍然有限，但已经可以用来建立经验关系式和数值模型，并计算不同震级地震发生的概率，促进了地震危险性概率分析和地震损失预测方法的发展，为有效地减轻地震风险、提高社区抗震能力提供了科学依据。

加州活动断层探测和填图

在美国，以减轻地震风险为目标的活动断层探测始于20世纪60年代，当时主要为一些重要设施提供依据，如核电站选址等。1971年，南加州San Fernando发生6.6级地震，形成的地表破裂毁坏了许多房屋、大坝和桥梁（Bonilla等，1971；Youd和 Olsen，1971；Yerkes，1973），大地震地表破裂造成建筑物严重破坏的现象在其他国家和地区也普遍存在。地震后加州州政府颁布了AP法，禁止在活动断层之上建造供人类居住的建筑，使得活动断层探测得以推广。

AP法被编入加利福尼亚州公共资源法（CPRC）第2部分第7.5章，在公共资源法中，AP法定义活动断层为：有全新世（地质年代，距今约11700年）地表位错的断层，并明确三个部门或者相应人员负责AP法的管理和实施：加州首席地质学家（加州地质调查局局长）、州地质矿产委员会和市县等地方政府的主管机构（有权审批开发建设项目和发放许可证）。

AP法要求加州地质调查局（California Geological Survey，简称CGS）沿加州已知活动断层划分出地震断层区（Earthquake Fault Zones，简称EFZ），并公开发布EFZ图。受AP法影响最直接的是业主和开发商，业主和开发商（或其代理人）必须与主管机构合作，确定建设项目是否受到AP法的约束；如果是，则必须遵守法律，按法律要求雇用合格的、持有专业执照的地质人员进行详细的场点活动断层调查与探测，并向主管机构提交调查报告，作为审查和批准的依据。

AP法要求CGS不断收集和审查新的地质和地震资料，评估还未被纳入EFZ的活动断层和新发现的活动断层，并根据需要对已划分的EFZ加以调整和修改。纳入区划的活动断层需要满足两个条件：有足够的活动性证据（指沿主干断层或其分支有全新世位移）和明显位错迹象（在地表或近地表的错动能够被专业的地质人员识别）。

CGS的EFZ图以美国地质调 查 局（USGS） 的 1∶24000标准地形图为底图（见图1a）。地震断层区边界的确定标准是距离主要活动断层约500英尺（150米），距离有明显断错痕迹的小规模断层200～300英尺（60～90米），倾斜断层上盘区划范围要比下盘宽，局部构造复杂地段需要根据具体情况做决定。EFZ图的主要目的是促进场点活动断层探测。图上活动断层位置的精确程度取决于现有资料，断层迹线不一定能满足AP法场点活动断层探测的具体要求，图上没有未来地表位错危险程度相关信息。业主和开发商所雇用的地质咨询人员必须通过详实细致的实地探测确定断层位置，并在可能的情况下确定断层错动年代，以满足AP法的避让要求。

地震断层区是加州用来控制地震灾害的法律管制区中的一类，其他还有砂土液化和地震诱发的山体滑坡危险区（见图1b）。在这些管制区中新建和扩建工程都必须进行场点调查研究和分析计算。CGS发布的EFZ图有Geo-PDF和地理信息系统（GIS）shapefile两种文件格式。CGS还提供EFZ图和全州范围房产数据库的交互式网络应用，以便居民识别受EFZ影响的个人财产（https://maps.conservation.ca.gov/cgs/earthquakezones/app/），并向主管机构和其他部门提供EFZ图的地理信息系统网络服务（https://spatialservices.conservation.ca.gov/arcgis/rest/services/CGS_Earthquake_Hazard_Zones）。

图 1 好莱坞7.5分幅地震断层区图（部分）（摘自 CGS, 2018）

CGS的活动断层评估工作在很大程度上依赖于其他单位或部门的地质人员在活动断层研究、工程建设、石油和天然气勘探等方面积累的资料。CGS地质工作人员也在必要时进行野外考察、分析航空相关影像、以及利用其他探测技术评估活动断层。CGS第42号专刊最新修改版（CGS，2018）详细介绍了CGS使用和推荐的活动断层调查技术方法，包括地表和地下观测探测方法，如地表测绘技术、活动断层地下探槽调查等。

用于区域和场点活动断层调查的地表测绘技术近几年发展迅速，传统的立体成像航空照片解译仍然重要，但更新的摄像测量技术如SFM（structure from motion）即通过分析物体的运动得到三维结构信息的过程，更易于进行地震灾害前后影像对比。许多城市有了基于激光雷达的高分辨率高程测量图像，而且因为传统彩色摄像机和激光雷达传感器都可以安装在无人机系统上进行测绘，这些新的摄像测量技术越来越经济、应用面也越来越广。

由于开挖探槽可以直接观察地下地层间的关系，可很方便地选择和采集岩土样品进行年代测定等原因，探槽仍然是活动断层地下调查中最有效的方法。而钻孔和地球物理方法通常用于不能开挖探槽的区域，或作为辅助性的探测手段。

尽管与AP法相关的活动断层探测工作主要目的是确定活动断层位置和断错的时间问题，但从这些调查工作中积累的知识和大量的数据资料有助于进一步加深对活动断层发震机制及发震潜力的认识和理解。目前在加州和美国其他地区对活动断层的探测研究既包括对断层活动时空特征的全面了解，也包括利用古地震和历史地震资料及断层滑动速率等运动学参数建立模型，用来表征地震震级和发震频率的关系，以期逐步完善对地震危险性(包括地面震动危险性和地表断裂错动危险性)进行综合分析的概率方法。

概率地震危险性分析在活动断层探测中的应用

大部分美国人生活在有潜在强烈地面震动危害的地区（Jaiswal等，2015a）。为提高公众安全和震后社区恢复能力，需要对地震危险性做可信的、有科学依据的估算。目前对未来地面震动强度做定量估算最好的方法是概率地震危险性分析（Probabilistic Seismic Hazard Analysis，以下简称“PSHA”）。PSHA计算在给定的时间段内地面震动将超过各种量值的可能性（Cornell，1968）。在美国用PSHA计算的各种结果已在很多方面得到有效应用，包括土地使用规划、建筑规范的制定和修改、防灾减灾、应急响应、生命线和关键设施设计以及相关的科普宣传教育等（National Research Council，2011）。

USGS在20世纪90年代开始使用PSHA方法在全国范围内对地面震动危险做概率分析，并绘制了全国地震危险性图（National Seismic Hazard Maps，以下简称“NSHM”）。NSHM是一套旨在改善抗震建筑的产品。NSHM及其基本计算模式每六年更新一次，以便将最新和最准确的有关破坏性地震的信息和研究成果纳入其中。

PSHA的基本模式之一是震源模式。NSHM震源模式的一个主要资料来源是USGS的第四纪断层和褶皱数据库（https ：//earthquake.usgs.gov/hazards/qfaults/）。该数据库汇编了第四纪以来发生过6级以上地震的约2000条断层资料：包括地质背景、断层走向、断错类型、滑动方向和速率、地震重复周期以及最近一次地震发生的时间。

2014年版NSHM（最新版，Petersen，et al.，2015）的PSHA计算采纳了几个相对过去版本有显著改进的震源模式，值得一提的有：基于加利福尼亚统一地震断裂预算第三版（Uniform California Earthquake Rupture Forecast，version3， 以 下 简 称“UCERF3”）（Field et al.，2014）的震源模式和Cascadia俯冲带界面震源模式（Frankel et al.，2015）。其他震源模式在Moschetti et al.（2015年）中有详细介绍。

UCERF3放宽了过去震源模式中断层分段发生地震的假设，并且在条件满足的情况下，允许多条断层在同一地震中错动。这些改进的科学性及必要性被近年来发生的多例地震证实：如2011年日本Tohoku的9级地震不局限在断层分段内；2010年的墨西哥El Mayor-Cucapah7.2级和2012年印度尼西亚Sumatra 8.6级地震都由多条断层错动所致。UCERF3的另一个创新之处是把所有可能发生地震的断层作为一个整体系统来预估各条断层的地震发生概率。

Cascadia俯冲带界面震源模式包括两种类型的地震：一种是由整个俯冲带界面错动产生的特大地震，另一种是俯冲带界面部分错动产生的地震。两种地震的发生及其发生的频率是根据断层探测和古地震研究得到的有关资料来确定的，包括陆地古地震证据、海岸沉降、海啸沉积、砂土液化，以及在深海岩芯中发现的近期海底混浊堆积物。

2014年版NSHM（及其计算模式）的应用例子包括全国及加州地震风险评估和损失预算（Jaiswalet al.，2015a，b；Chenet al.，2016）。CGS通常用最新版的NSHM及其计算模式为编制加州砂土液化图和地震诱发的山体滑坡危险区图提供地面震动参数（Chen，2018）。

断层地表位错危险性的概率分析

研究表明，加州的AP法有效地减轻了与地表破裂有关的地震风险（Reitherman and Leeds，1991）。通过避让降低风险本质上是一种确定性（deterministic）的方法，这一方法不用考虑未来地震在地表产生错动的可能性有多大，也不必通过工程设计来降低风险。但有学者认为一概避让的要求太苛刻，他们认为工程师们有能力设计建筑结构使其能够承受地表断裂错动（Bray，2001）。AP法的减灾理念与目前已经得到广泛应用的risk-informed performancebased的设计也不兼容。Risk-informed performancebased的设计是指在对风险有了充分的定量估算之后，基于建筑物的应用性能来设计。此外，避开活动断层对一些重要的基础设施来说是不实际的，如水渠，电缆，油气管道，交通运输系统等。

概率断层位错危险性分析（probabilistic fault displacement hazard assessment，以下简称“PFDHA”）计算在给定时间段内伴随地震而产生的地表位错超过各种量值的可能性，包括沿主干或主要地震断层的错动位移，以及出现在主干断层两侧一些小规模次级断裂和裂隙上的位错。美国政府曾为计划建于美国内华达州尤卡山的高放射性核废料地质处置库做了大量安全性评估，包括分析计算地表和近地表断层错动危险性。为此Youngs等人（2003）初次使用了适用于伸展构造环境的PFDHA。之后通过Petersen等人（2011）以及Moss和Ross（2011）的研究，PFDHA方法得以改进，其适用范围扩展到其他构造环境。用PFDHA计算方法绘制的断层位错危险性图（见图2）(Chen和Petersen，2011）有可能在将来成为AP法的辅助工具，从而更有效地减轻与地表破裂有关的风险。

近年来，PFDHA在美国和其他国家的应用不断增多（Amec Geomatrix，2010；U.S. Nuclear Regulatory Commission，2012；Takao et al.，2013；Japan Nuclear Safety Institute，2013；Rizzo，2013）。 美 国 核 学 会（American Nuclear Society，2015）发表了针对核设施的评估断层地表位错和构造变形危险性的国家标准。国际原子能机构（TheInternational Atomic Energy Agency，简称“IAEA”）要求其成员国对核设施地表断层错动危险性进行概率计算（IAEA，2016）。IAEA目前正在撰写一份有关PFDHA的技术文件，旨在为其成员国提供技术指导。

相对PSHA而言，PFDHA还很不成熟。PFDHA仍旧主要使用少数学者的估算方法（如Youngs等，2003；Petersen等，2011），这些方法从有限的历史地震地表破裂收集断错数据，经回归分析，得到经验公式，来预测未来地震可能产生的地表位错量。需要指出的是，现有的数据不包括2000年以后发生的地震，并且用于不同类型地震和不同地区的数据结构不统一。为改进断层位错危险性的估算，在IAEA和国际第四纪科学联盟的支持下，Baize等（2017）发起了一个旨在建立全球统一的地震断层地表位错数据库（SUrface Rupture of Earthquakes Database，简称“SURE数据库”）的国际合作项目。

图2 沿南圣安德列斯断裂带小区域范围50年超越概率10%的断层位错危险性图（据 Chen和Petersen，2011年）

用于PFDHA的活动断层调查包括对地震地表破裂带作高精度填图、详细描述断错特征、仔细测量位移量、并记录各观测点的地理位置（经纬度）。调查必须在地震发生后即时进行，因为地震造成的地表破坏证据可能会因自然风化或人为因素很快消失。出现在主干断层两侧支系和小规模断裂、裂隙上的位错常被地震地质人员忽略，而这些位错的分布在工程应用中非常重要。现代技术，如SAR干涉测量和LiDAR或SFM地形测量，已可以在更广泛的空间范围内识别同震变形，获得精确的、系统的及大批量的位移测量数据，这样的数据对于估算未来地表断层错动量和错动位置至关重要。

PSHA只需要地震断层的大概位置，而PFDHA需要断层的确切位置，定位误差，和断层支系和一些特殊段落(如弯曲段、断层末端、迹象相对复杂和走向突然改变段等)的仔细描绘。地震断层几何特征的复杂性和断裂位置的误差是PFDHA方法需要面对的问题（详见Petersen等，2011年）。历史地震表明，地表破裂可能偏离此次地震之前绘制的断层迹线，比断层迹线复杂、甚至出现在没有断层迹线的地方。可见

未来地震地表破裂的位置有一定的偶然性或者说存在可变性。如果有足够的、显示多次古地震的探槽资料，对这一可变性是可以做定量估计并在PFDHA计算中做相应处理的（Chen等，2013）。

图3 加州第四纪以来有过错动的断层分布图

结束语

过去几十年美国在活动断层探测方面取得了很大成果，所积累的知识、资料和数据的直接应用（如通过AP法）或间接应用（如通过用PSHA和PFDHA对地面震动程度和地表断裂错动量作定量估算并将结果用于工程设计等）有效地提高了许多城市和社区的防震抗灾能力。CGS将继续评估加州境内很多可能有全新世位错但还没被区划为AP地震断层区的活动断层（见图3），必要时也会更改已划出的AP地震断层区，并继续进行理论研究和数据收集以进一步改善PFDHA。USGS将不断更新NSHM，以纳入最新数据、理论和模式。这些持续不断的工作要求活动断层的探测越来越精确和定量化。PSHA和PFDHA都需要很多以数据为基础的经验模式，对这些模式的改进需要更多能够反应场点和断层具体特性的数据，包括过去地震事件的时间、震级和每次地震的地表位错量等。这些有关活动断层的地震历史数据对于推进最近新建立的与时间相关（time dependent）的地震预测和灾害评估方法也是必不可少的（Field等，2015；Biasi和 Thompson，2017）。