城市隐伏活动断层避让典型案例分析——以新沂市郯庐断裂带沿线某场地为例

曹 筠 李彦宝 冉勇康 徐锡伟 马董伟 张志强

1)河北省地震局，石家庄 050021

2)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

3)应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085

4)上海申丰地质新技术应用研究所有限公司，上海 201411

0 引言

随着中国城市化进程的不断推进，建设城市公共安全体系的需求日益突出。城市活动断层失稳错动形成的“直下型地震”是危害城市公共安全的重要灾害源之一(邓起东，2002；邓起东等，2003)，且城市范围内活动断层大多处于隐伏状态，因此城市隐伏活动断层是诱发地震及其复合链生灾害的决定性因素。诱发地震灾害的2个主要因素是活动断层同震地表破裂和近断层强地面运动。依据国家相关技术标准提高建(构)筑物的抗震性能，可以有效减轻强地面运动对建(构)筑物所造成的地震灾害，但现有工程抗震措施还难以抵御活动断层错动对地表建(构)筑物的直接毁坏，只能在建设建(构)筑物时避开活动断层，以解决工程的抗断问题(徐锡伟等，2002，2016，2018)。

自“十五”中国城市活动断层探测项目启动以来，中国已完成几十个城市的活动断层探测工作，相关技术标准和方法也逐步完善(邓起东，2002；方盛明等，2002；刘保金等，2002，2008；邓起东等，2003，2007；汪一鹏，2004；徐锡伟等，2015，2018)。按照《活动断层探测》(GB/T 36072-2018)的技术要求，城市目标区地表有迹线出露的活动断层定位观测点间距应<500m，定位误差应不超过5m；隐伏活动断层的探测测线间距宜<2.5km，水平定位误差应不超过15m；探测出的单条活动断层分布图应标绘在比例尺为1︰25000～1︰10000的数字地形图上。这些成果的完成和技术标准的提出，奠定了城市地震灾害公共安全建设的基础，为城市整体规划设计和国土空间利用提供了基本安全保障。但随着城市化进程的加快，针对城市内已探明活动断层沿线的具体场地，仅依据城市活动断层探测成果精度是否能够既科学合理地规划设计场地内建(构)筑物、又能充分利用城市紧缺的土地资源，这是摆在城市公共安全与规划建设面前所必须解答的难题。

城市活动断层探测项目伊始，为解决建(构)筑物跨断层抗断和城市发展需求的问题，提出了活断层“避让带”的概念(徐锡伟等，2002)。随着研究的不断深入，活动断层避让相关理论研究已积累了丰硕成果(张建毅等，2012；郭婷婷，2013；雷启云等，2015；徐锡伟等，2016，2018；郭婷婷等，2017)，并根据实际工作中暴露的难题制定了相应的强制性国家标准《活动断层避让距离》(1)https：∥www.cea.gov.cn/cea/zwgk/tzgg/5501785/index.html。。国标要求将已探明的城市活动断层两侧一定范围内的区域划定为活动断层管制区，在开发和利用区域内场地之前需开展更加精确的活动断层定位，依据精定位活动断层结果划定活动断层变形带的边界范围，据此提出科学合理的活动断层避让距离。而针对已探明的城市活动断层是否还有必要进行更详细、精确的活动断层定位，且如何在具体场地内开展城市隐伏活动断层定位和后续活动断层避让距离计算等一系列细节难题，目前相关典型借鉴案例研究依然比较薄弱。本文以江苏省新沂市郯庐断裂带安丘-莒县断裂沿线某场地为实例，详细介绍如何基于城市活动断层探测结果并借鉴国标《活动断层避让距离》(送审稿)的规定，在具体场地开展城市隐伏活动断层精确定位和避让距离的计算方法。借助此案例回答为何要在已绘制1︰10000城市活动断层分布图沿线的具体场地开展更加精确的活动断层定位工作问题，并介绍开展活动断层避让工作的相关技术细节。希望本文能够为在其他城市开展相关类似工作提供参考借鉴。

1 地震地质背景

新沂市位于华北平原东南部的华北地块与苏鲁造山带的结合部位，中国东部著名的郯庐断裂带穿城而过，区内主要沉积中、新生代陆相碎屑岩和火山岩。白垩纪早期受区域NW-SE向拉伸应力作用，郯庐断裂带鲁苏段形成由4条NNE向主干断层(F1—F4)组成的“两堑夹一垒”的构造样式(万天丰等，1996；张岳桥等，2008；Zhuetal.，2010)，4条主干断层自东向西依次为昌邑-大店断裂(F1)、白芬子-浮来山断裂(F2)、沂水-汤头断裂(F3)和鄌郚-葛沟断裂(F4)。全新世时期，郯庐断裂带的主要活动断层是东地堑内新发育的NNE向的安丘-莒县断裂(F5)(图1)。安丘-莒县断裂中南段(山东南部—江苏北部)正是1668年郯城8级地震的发震断层(晁洪太等，1994；李家灵等，1994)。郯庐断裂带中F1、F2、F3和F5的4条断层经过新沂市城区，尤其是全新世活动断层安丘-莒县断裂(F5)经过新沂市主城区且处于隐伏状态。

图1 新沂市及周边地质构造略图Fig.1 Geological map of Xinyi City and its surrounding area.a 中国活动构造图(邓起东等，2007)，黑框表示图b的范围；图b中断层信息源于新沂市城市活动断层探测结果。F1昌邑-大店断裂；F2白芬子-浮来山断裂；F3沂水-汤头断裂；F5安丘-莒县断裂

前人资料(晁洪太等，1994；曹筠等，2018)显示，安丘-莒县断裂中南段的运动性质以右旋走滑为主。新沂市以北安丘-莒县断裂出露在北马陵山西麓，新沂市以南安丘-莒县断裂出露在南马陵山东麓。安丘-莒县断裂右旋右阶，在南、北马陵山之间形成拉分盆地，新沂市恰好位于盆地之中，市区范围内的安丘-莒县断裂处于隐伏状态(图1)。城市活动断层探测结果显示安丘-莒县断裂(F5)在新沂主城区内由东、西2支断层组成，呈倒“八”字相对而立，构成局部典型断陷盆地(2)江苏省地震工程研究院，2020，新沂市活动断层探测与地震危险性评价报告。。

新沂城市活动断层探测期间，沿安丘-莒县断裂以不大于500m的间距布设了大量浅层地震勘探剖面和钻孔联合地质剖面，绘制了城区范围安丘-莒县断裂1︰10000的断层分布图。新沂市安丘-莒县断裂1︰10000分布图是否能够满足具体场地开展活动断层避让？目前尚无借鉴案例。因此，选择新沂市安丘-莒县断裂沿线拟开发场地，借鉴《活动断层避让距离》的相关要求，开展更精细地活动断层定位和避让距离计算工作，以期回答上述疑问。

2 隐伏活动断层的精确定位

实现城市隐伏活动断层避让的关键技术环节是对场地内活动断层进行精确定位和“避让带”宽度的严格界定，定位方法主要是浅层地震勘探和钻孔联合地质剖面探测(刘保金等，2008；雷启云等，2011；曹筠等，2015)。

2.1 浅层地震勘探

参考前期新沂市城市活动断层1︰10000分布图，在场地内近垂直于断层走向布设12条小间距浅层地震勘探测线，测线间距不大于50m，同时多条测线外延出场地以便探测清楚场地周边地质构造情况，至少外延50～100m。其间，对场地周边原城市活动断层期间所布设测线进行加密(小间距测线TL06与TL07间)或纵横波采集(TL12)(图2)。

12条浅层地震勘探测线揭示了20个断点，该场地浅层地震勘探剖面中断层表现为同相轴弯曲的特点，存在断层绕射波现象，断层两侧同相轴位错，个别浅层地震勘探剖面中同相轴位错明显，断错位移量大。场地中南部TL01—TL07测线的浅层地震勘探剖面表现出一致的浅部构造格架，剖面中存在2支断层。剖面西侧断点以西基岩埋深相对较深，基岩面和覆盖层内部的反射波清晰，同相轴呈平缓起伏状，该断点倾向W，高倾角，近直立，断层两侧基岩面T3的落差>100m，是剖面中的主断层(图3)；剖面东侧断点以东仅有基岩顶面反射波组T3发育，2个断点之间基岩发射波组隆起明显，反映出地层受构造运动影响发生了强烈的弯曲变形现象，浅层地震剖面显示西支断层的活动性明显强于东支。而场地中北部TL08—TL12测线的浅层地震勘探剖面显示一致的浅部构造格架，剖面中仅可见1支断层。断层附近反射波同相轴被明显断错，断层E倾，在剖面中表现为高角度正断性质，断层仅断错基岩发射界面T3，断层活动性有限。

图2 安丘-莒县断裂沿线某场地浅层地震勘探测线和钻孔布设位置图Fig.2 Location map of seismic surey line and composite drilling profile.

新沂城市活动断层探测期间在场地周边布设过GX38和GX402条浅层地震勘探测线，浅层地震剖面显示基岩顶面发射波组T3在剖面东侧抬升明显；断层附近发射波组同相轴被断错，发育绕射波。但城市活断层探测期间GX40测线未解译出断层F2，而将GX38测线西侧断点识别为主要活动断层F1。

在该场地内经小间距浅层地震勘探获得场地范围内安丘-莒县断裂的地表迹线较原城市活动断层探测成果更加精准，且有所不同。本次通过密集浅层地震勘探剖面确定场地内安丘-莒县断裂存在东、西2支，均为高倾角断层，西支断层倾向W，东支断层倾向E。

图3 典型浅层地震勘探剖面图Fig.3 Typical profile of shallow seismic sounding.

2.2 钻孔联合地质剖面

综合考虑场地内各浅层地震勘探剖面所显示的断层信息特点，以及场地南北构造格架差异，同时为进一步验证和约束场地内活动断层，并获取场地中部几支断层之间构造关系，选取其中有代表性的浅层地震勘探剖面TL02、TL03、TL06、TL08和TL11测线开展跨断层钻孔联合地质剖面探测(图2)。本文以TL06和TL11测线跨断点钻孔联合剖面为典型代表，分析场地南北部断层活动性差异及断层延伸情况。

2.2.1 沿TL06测线的钻孔联合地质剖面

使用对折定位法(雷启云等，2011；曹筠等，2015)，沿TL06测线跨整个场地布设16个钻孔，钻孔剖面长520m，图4 展示钻孔联合地质剖面中受断层影响的段落。钻孔剖面较好地揭露了场地中南部第四纪地层构造格架及剖面中2支活动断层的断错特征(图4)。钻孔剖面揭露了第四系、上新统宿迁组和晚白垩系王氏组。钻孔剖面显示整个场地存在2支断层，其中西支断层断错至近地表，断层上部只有层①和层②未被断错；而剖面东侧多个钻孔(3#和4#)揭露了王氏组与宿迁组间的东支断层，但该断层断错地层有限，仅断错宿迁组之上的层⑩。钻孔剖面显示最新活动的西支断层并未造成9#和10#以外钻孔地层的构造变形，断层构造运动引起的地层变形范围有限，表现出地层变化局部化特征。

依据各钻孔岩性地层对比结果，西支断层限定在9#和10#之间5m的范围，上断点限定在层③中；东支断层由2个小分支断层组成，上断点限定在3#至4#之间。

图4 沿测线TL06的跨断层钻孔联合剖面Fig.4 Composite drilling section crossing the Fault F5 along the survey line TL06.① 地表耕作土及近地表灰黑色粉砂质黏土；② 棕黄色粉砂质黏土；③ 棕黄色中细砂；④ 灰黄色黏土；⑤ 中细砂，以浅灰色为主，略泛红；⑥ 棕红色黏土；⑦ 棕红色中细砂，松散；⑧ 棕红色，偶见灰白色黏土；⑨ 棕黄色中砂，松散；⑩ 灰白色砂 黏土； 棕红色中砂，松散，偶见砾石； 宿迁组灰白色粗砂； 王氏组砂岩

图5 沿测线TL11的跨断层钻孔联合剖面Fig.5 Composite drilling section crossing the Fault F5 along the line TL11.① 近地表耕作土及下伏灰黑色黏土，较软；② 灰黄-棕黄色粉砂质黏土，偶见白色钙质结核和黑色铁锰质结核，结核直径<1cm；③ 浅灰红色中细砂；④ 浅灰红色砂黏土；⑤ 灰黄色并略泛红粗砂；⑥ 土黄色中砂；⑦ 土黄-棕黄色中粗砂；⑧ 以土黄-棕黄为主，局部夹灰黑色、灰白色中砂，局部具明显加厚现象；⑨ 棕黄色粗砂，含有砾石；⑩ 宿迁组 灰白色中粗砂； 王氏组砂岩

2.2.2 沿TL11测线钻孔联合剖面

沿TL11测线的钻孔剖面既为约束场地北部断层位置，也为验证场地南部2支断层向N延伸情况。该钻孔剖面布设了13个钻孔，剖面长460m，图5 展示钻孔联合地质剖面中断层影响段落。剖面中9#揭露了宿迁组和王氏组之间的断层，而断层向上断错的层位有限，仅断错层⑦且影响层⑥的底界，断层活动性有限，与场地中南部的东支断层活动性一致。该钻孔剖面显示场地北部晚第四纪以来地层并未受该断层影响，地层厚度稳定，起伏不大。

对比区域岩性地层特点和各钻孔揭露岩性情况，沿测线TL06的剖面层⑩和层、沿测线TL11的剖面层⑥—⑨以砂、砂中含砾石为主，为下更新统，由此判断场地内东支断层为早更新世断层。西支断层断错至近地表的全新世黑色黏土层之下，综合新沂市活动断层探测成果，判定场地内西支断层为全新世活动断层。

综合场地内所有浅层地震勘探和各钻孔联合地质剖面结果，场地内存在2支断层，其中西支断层从场地南部延伸至场地中部，为全新世活动断层；东支断层自南向北贯穿场地，并在场地中部形成阶区，为早第四纪断层，而非场地内的活动断层(图6)。

图6 安丘-莒县断裂沿线某场地活动断层精准定位断层的位置图Fig.6 Precise loaction map of active fault.

对比本次通过小间距密集浅层地震测线和多排钻孔联合地质剖面所确定场地内活动断层的地表迹线与城市活动断层探测期间所确定活动断层的结果发现，有些浅层地震剖面结果与城市活动断层项目期间所解释断点位置误差不大，如GX40测线解译断点位置与本次所确定的活动断层的平面误差只有21m，说明城市活动断层探测成果准确可靠。但由于当时没有布设钻孔联合地质剖面来确定断层活动性和更密集的浅层地震剖面进行相互对比，因此仍存在解译不足，如GX40测线在城市活动断层期间并未解译场地内次级断层(F2)，且将GX38测线所确定的断点误认为是场地内主断层(F1)。通过加密浅层地震剖面及布设钻孔联合地质剖面可区分出局部范围(场地)内活动断层和非活动断层，同时揭示了场地内断层更精细的几何结构，如确定了场地内活动断层(F1)的延伸范围。次级断层(F2)由2条分支断层组成，在场地中部呈右阶斜列，同时也证明场地内不存在原城市活动断层项目确定的东支断层，这是由于城市活动断层探测期间，浅层地震测线间距相对较大，仅通过相邻测线断点连线来确定断层迹线，有可能造成控制点之间段落的断层误差。

由此可知，在对城市内具体场地进行开发时，即使如新沂城市活动断层项目所采取的密集浅层地震勘探测线依然不能完全满足具体场地内活动断层展布信息。因此，在利用具体场地之初，应严格参照国标《活动断层避让距离》的要求，基于城市活动断层项目成果开展以不大于50m的间距布设浅层地震勘探测线，并结合一定数量的钻孔联合地质剖面来准确定位场地内隐伏活动断层的活动性和地表展布等信息。

钻孔剖面所揭露地层格架均显示断层构造运动影响的地层变形范围有限，表现出同震变形局部化特征。综合浅层地震勘探剖面和钻孔联合地质剖面所限定场地内活动断层上断点已达到近地表，上断点距地表约4m，该结果不符合《建筑抗震设计规范》(2016版)(GB 50011-2010)的相关规定、活动断层避让研究成果(郭婷婷，2013；徐锡伟等，2016)和《活动断层避让距离》(送审稿)中无需避让活动断层的前提条件，因此必须对场地内活动断层加以避让。

3 隐伏活动断层避让及相关问题讨论

由于任何技术手段都无法解决建(构)筑物跨断层的抗断问题，因此只能有效避让场地区内活动断层以有效减轻建(构)筑物可能遭遇的地震及其链生灾害。在已精确定位场地活动断层的基础之上，如何计算断层两侧有效避让距离能够既科学避让活动断层又能推动城市安全现代化发展是最关键的技术问题。

大量震例调查(Xuetal.，2006，2008，2009，2013，2015；Yuetal.，2010；Zhouetal.，2010；孙鑫喆等，2012)、岩石力学实验结果(代树红等，2006，2008)和地震破裂机制(Scholz，2002)研究表明，同震地表变形带沿发震断层呈带状展布，个别地点因断层几何结构因素导致破裂或变形宽度变大，但总体表现出变形局部化特征。本文中场地内钻孔剖面所揭露地层变形信息验证了这一现象，即变形只发生在限定断层两侧2个钻孔之间。鉴于同震地表变形局部化的特点及大量建(构)筑物震害调查统计结果，国标《活动断层避让距离》规定活动断层避让距离是指建(构)筑物与活动断层变形带边界之间应分隔开的安全距离，全新世走滑活动断层避让距离基本值为15m，该基础值为主断层在内地质变形带边界线外延15m，具有倾滑分量的断层上盘变形量大于下盘，因此上盘避让距离根据场地拟开发建筑物地基深度做出相应调整(徐锡伟等，2002，2016，2018)。

根据钻孔剖面所揭露场地内活动断层为近直立的高倾角断层(图4)。前人对安丘-莒县断裂的研究表明，该断裂以走滑为主(晁洪太等，1994；李家灵等，1994；张鹏等，2015；曹筠等，2018)。因此，综合判定场地内隐伏活动断层为高倾角、走滑为主具有倾滑分量的全新世隐伏活动断层，断层倾向W。通过对比场地内钻孔剖面所约束断层与同一浅层地震勘探剖面所确定断点，矫正该场地浅层地震勘探的系统误差(刘保金等，2008)，综合考虑浅层地震勘探的系统误差和限定断层最近2个钻孔的孔间距划定活动断层变形带，综合确定场地隐伏活动断层变形带宽度(图7)。依据国标《活动断层避让距离》中公式计算得到断层下盘避让距离为15m，上盘避让距离为16m，避让带以外建(构)筑物根据其地基深度换算相应的避让距离。综合多方面因素，确定场地活动断层避让距离(图7)。

图7 郯庐断裂带沿线某场地隐伏活动断层避让图Fig.7 Map of setback distance for hidden active fault.

4 小结

基于城市活动断层探测结果初步判定本文所述场地内隐伏全新世活动断层——安丘-莒县断裂大致走向NE；以间距不大于50m且外延场地至少50m的原则布设了12条密集浅层地震勘探测线，浅层地震剖面显示场地中南部存在2支断层，而场地中北部存在1支断层；钻孔联合地质剖面进一步约束西支断层为全新世活动断层，东支断层为第四纪早期断层。综合浅层地震勘探和钻孔联合地质剖面探测结果，东支断层贯穿场地，由2个分支断层右阶斜列组成，在场地中部形成阶区，为第四纪早期断层；西支断层从场地南部延伸至场地中部，为全新世活动断层。钻孔联合地质剖面显示断层构造运动影响地层变形范围有限，表现出变形局部化特征。将浅层地震勘探所确定断层上断点处断层带宽度加上浅层地震勘探的系统误差及钻孔联合地质剖面所限定断层上断点两侧相邻钻孔孔间距等均作为断层地表变形带范围；由于场地内活动断层为高角度全新世走滑活动断层，参照即将颁布的国标《活动断层避让距离》规定，划定场地活动断层避让距离，达到既科学避让场地内活动断层又利用有限土地资源的目的。

本文案例的探测过程证实城市活动断层探测成果仍难以满足具体场地开发所需断层定位精度，必须依据国标《活动断层避让距离》所规定隐伏活动断层精确定位方法确定场地内活动断层变形带范围。《建筑物抗震设计规范》(2016版)只规定了不同抗震设防烈度下活动断层避让距离，但对活动断层定位精度并未做任何明确定义，因此很难在实际工作中加以界定所需活动断层的定位程度和活动断层变形带边界范围。通过本文实际案例分析发现，《建筑物抗震设计规范》(2016版)中不同断层定位精度都设定同一避让距离显然不能满足实际工作需求。而国标《活动断层避让距离》明确定义了各类活动断层的探测定位方法、确定活动断层变形带范围以及不同情况下活动断层避让的准确距离。本文案例正是在实践中严格参照标准方法依据场地实际情况进行具体应用的成功范本，达到了既科学避让活动断层提高城市灾害防治安全度又有效利用城市土地资源的目的。鉴于实际典型案例的情况，有关部门应加快国标《活动断层避让距离》的颁布和实施进度。

致谢野外工作期间江苏省地震局许汉刚研究员在现场指导；项目顺利实施得益于新沂市锡沂高新区管委会、住房和城乡建设局等领导的多方协调；审稿专家提出了宝贵修改意见。在此一并表示感谢！