湖南省抗倒塌地震區(qū)劃圖預編試驗的潛在震源區(qū)劃分原則1

肖和平 陳學良 高孟潭

1）湖南省地震局，長沙 410004

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

湖南省抗倒塌地震區(qū)劃圖預編試驗的潛在震源區(qū)劃分原則1

肖和平1）陳學良2）高孟潭2）

1）湖南省地震局，長沙 410004

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

基于“地震區(qū)劃概率水準確定與地震區(qū)劃圖預編試驗研究”的成果，本文廣泛收集了湖南省境內核電工程的安全性評價報告等有關資料，從地震活動性、地震構造、地球物理場及地震地質野外考察等室內、外分析工作的層面上，得出了湖南地區(qū)潛在震源區(qū)劃分的原則和依據(jù)，并對 7種劃分的方案進行了對比，最后提出了湖南省抗倒塌地震區(qū)劃預編原則。這一結果對相類似的中國大陸東部地區(qū)地震區(qū)劃工作具有一定的指導意義。

湖南 抗倒塌 地震區(qū)劃 潛在震源區(qū)

引言

第三代區(qū)劃圖和第四代區(qū)劃圖的編制工作均采用考慮時空非均勻性的地震危險性分析方法CPSHA（高孟潭，2006；時振梁等，2001；高孟潭，2003）。該方法是在Cornell（1968）提出的方法的基礎上發(fā)展起來的，其基本技術思路是考慮潛在震源區(qū)的二級劃分，即在地震帶劃分的基礎上劃分潛在震源區(qū)，并在地震帶內統(tǒng)計地震年平均發(fā)生率和b值，通過地震空間分布函數(shù)，將各震級檔的年平均發(fā)生率分配到各個潛在震源區(qū)（高孟潭，1988；時振梁等，1991；胡聿賢等，2006）。根據(jù)隨機場方法統(tǒng)計檢驗，采用CPSHA得到全國范圍地震區(qū)劃結果在統(tǒng)計上是可靠的（高孟潭等，1993），但是不排除在具體地區(qū)由于資料和具體處理方法的局限，區(qū)劃結果需要不斷改進和更新（Frankel A.，1995）。

CPSHA方法的核心技術是劃分潛在震源區(qū)和確定相應的地震活動性參數(shù)。近年來一些中強地震活動地區(qū)發(fā)生的地震表明，潛在震源區(qū)劃分及地震活動性確定方法確實需要不斷改進（高孟潭等，2008；李穎等，2007），地震區(qū)劃圖在一些中強地震活動地區(qū)的結果也存在明顯不合理的地方。

湖南省現(xiàn)今的地震活動性較弱，歷史上也只發(fā)生過21次43/4級以上地震。

因此，本文開展了第四紀活動斷裂野外考察研究，彌補了地震樣本較少的缺陷。在劃分不同“試驗潛源”時廣泛收集了前人的研究成果，特別是在收集了湖南省境內核電工程地震安全性評價報告的基礎上，開展了地震活動性、地震構造、地球物理場及地震地質野外考察等室內、外分析工作，并對湖南地區(qū)的潛在震源區(qū)7種劃分的方案進行了對比，得出了劃分原則和依據(jù)。

1 湖南省地震構造與地震活動性

湖南及鄰區(qū)橫跨揚子地臺和華南褶皺系2個大地構造單元，可進一步劃分為6個二級構造單元，即華南褶皺系的湘桂、贛粵褶皺帶；揚子地臺的江南臺隆、江漢-洞庭拗陷和上揚子臺褶帶、下?lián)P子臺褶帶（圖1）。

圖1 湖南地區(qū)的大地構造單元圖Fig. 1 Map of tectonic units of the study region

1.1 活動盆地

湖南境內有沅陵－麻陽拗陷、洞庭湖拗陷、長壽街－平江斷陷、湘鄉(xiāng)拗陷、衡陽拗陷、醴陵－攸縣斷陷、茶陵－永興斷陷等盆地。這些構造均在斷陷區(qū)與隆起區(qū)的邊界上，斷塊差異運動和構造地貌反差強烈地區(qū)，地震活動頻度、強度亦較大。總體上看，緩慢上升區(qū)和斷塊差異運動不明顯的地區(qū)，地震活動的頻度和強度皆低。第四紀活動的洞庭湖斷陷盆地的南西緣及西緣的中強地震強度、頻度都較強。現(xiàn)代小震在常德－石門一帶較為密集。

湖南中強地震活動與斷塊隆起和斷陷盆地的交接部位有關。在白堊－古近紀盆地構造的邊緣上，歷史曾有中強地震活動,如長沙－平江、新化等盆地。在沅麻、衡陽、長沙－平江及洞庭湖等盆地的邊緣、盆地內中更新世活動的斷裂帶在歷史上均發(fā)生過有感地震（M≥3.0級）。這些盆地邊緣和內部第四紀活動斷裂上，現(xiàn)代均有小震發(fā)生。據(jù)向宏發(fā)等（2008）的研究，中強地震的發(fā)生均與第四紀斷陷盆地發(fā)育和分布有關。

1.2 第四紀活動斷裂

第四紀活動的斷裂主要以北東向為主，其次為北北東和北西向。湖南省境內第四紀活動斷裂有14條（圖2、表1），即澧縣-石首斷裂帶、慈利-張家界斷裂帶、沅江斷裂帶、新晃-懷化斷裂帶、溆浦-洪江斷裂帶（溆浦-低莊段、岳溪-安化段）、太陽山斷裂帶、新化斷裂帶（老王沖-梅城段、羅家沖-新化段、新化-城步段）、邵陽-新寧斷裂帶（崇陽-望城段、望城-新寧段）、湘潭-邵東斷裂帶、岳陽-湘陰斷裂帶（北段、中段、南段）、瀏陽-衡陽-永州斷裂帶、茶陵-臨武斷裂帶、常德-益陽-長沙斷裂帶（北西段、中段、南東段）、郴州斷裂帶。這些斷裂活動時代為早更新世、早－中更新世、中更新世、中更新世晚期和中更新世－晚更新世等。

其中衡陽-永州斷裂先后在江西九江、靖安、銅鼓；湖南道縣、雙牌、江華；廣西昭平等地引發(fā)破壞性地震，并存在斷錯中更新世地層（中更新統(tǒng)）的現(xiàn)象。湘潭-邵東斷裂和常德-益陽-長沙斷裂帶不但具有中更新世活動表跡，并沿帶存在中強地震的活動。因此，考慮上述因素及不確定因素，特別是那些斷裂在地貌表現(xiàn)清楚，斷錯相應時代地層（中更新統(tǒng)）的現(xiàn)象，綜合社會和經濟發(fā)展的需求等因素,判定上述斷裂與地震潛在震源有一定的相關性（肖和平等，2009；2010）。

表1 湖南省第四紀斷層（段）參數(shù)一覽表Table 1 Parameters of the Quaternary faults (section) in Hunan Province 單位：度

續(xù)表

圖2 湖南省地震構造圖Fig. 2 Seismo-tectonic map of Hunan Province

1.3 新構造特征

湖南省新構造活動以垂直差異活動為主。由于間歇性不均衡升隆、拗陷和掀斜運動使山地遭受侵蝕，形成多級剝夷面，河流兩岸階地。

根據(jù)湖南境內河流階地和夷平面的相對平均時代，即第四紀晚更新世（Q3）平均距今12.05萬年；第四紀中更新世（Q2）平均距今45.35萬年；第四紀下更新世（Q1）平均距今129.35萬年；新近紀上新世（N2）平均距今356.9萬年；新近紀下新世（N1）平均距今368.1萬年。

根據(jù)河流階地計算出的參考抬升速率為：第四紀晚更新世（Q3）=0.19mm/a；第四紀中更新世（Q2）=0.04mm/a。此外，根據(jù)第四紀中更新世（Q2）抬升的相對高差計算的參考平均速率為Q2=0.83mm/a。

根據(jù)夷平面計算出的參考抬升速率為：第四紀下更新世（Q1）=0.17mm/a；新近紀上新世（N2）=0.10mm/a；新近紀下新世（N1）=0.08mm/a。

在長江及其湘、資、沅、澧等主要支流河谷中，階地相當發(fā)育。湖南北部主要河流階地發(fā)育的總趨勢是比較穩(wěn)定且較一致，階地越老，相對高程越大；不同地區(qū)同級階地的分布高程存在一定的差異，似乎有從西北（澧水）向東南（湘江）階地分布高程逐漸降低的趨勢。

1.4 地震活動與新構造特征

湖南省地震活動的標志可歸納為：地震發(fā)生在新構造一、二級構造單元分區(qū)的邊界斷裂帶，這些分區(qū)邊界與不同級別的斷塊隆起或凹陷交切或匯聚的地段；在斷塊差異運動和構造地貌反差強烈地區(qū)，地震活動頻度、強度亦較大；有兩組或多組第四紀活動斷裂交匯區(qū)，或與背景弧形、環(huán)狀等構造交匯或匯而不交形成的閉鎖區(qū)；區(qū)域性北北東向第四紀活動斷裂或北西西向第四紀活動斷裂成組出現(xiàn)，同向排列相間組合的斷塊結構，第四紀活動斷裂收斂、拐折或與其它方向第四紀活動斷裂相交的結點處；第四紀活動的斷陷盆地、斷陷谷，特別是斷塊隆起與斷陷盆地的交接部位。

2 湖南省地球物理場

地震是活動斷裂激烈運動的結果，然而，活動斷裂與深部構造之間具有密切的內在聯(lián)系。湖南省內幾條主要第四紀活動斷裂與重力、地磁異常有以下相關性（圖3、圖4）：

圖3 湖南省地區(qū)重力異常圖Fig. 3 Regional gravity anomaly map of Hunan Province

圖4 湖南省地區(qū)航磁異常圖Fig. 4 Regional aeromagnetic anomaly map of Hunan Province

花垣-慈利斷裂表現(xiàn)為重力梯度帶，均衡異常圖表現(xiàn)出弱梯度帶，在磁場上斷裂帶反映不明顯；汩羅-寧鄉(xiāng)-新寧斷裂帶表現(xiàn)為重力梯度帶和等值同向扭曲，在布格重力異常圖上的反映為等值線同向扭曲；祁東-衡山-株洲斷裂帶表現(xiàn)為重力局部異常呈“串珠”狀展布；桃江-新化-城步斷裂表現(xiàn)為西側殼內低速層出現(xiàn)在19－22km，而東側殼內低速層在11－15km。沿斷裂帶為重力低。在大陸磁衛(wèi)星△T異常圖反映出斷裂帶北西側為2－-4nT的北東向區(qū)域正異常，南東側為0－-4nT的區(qū)域異常；常德-益陽-長沙斷裂帶表現(xiàn)為一條重力梯度帶，沿帶分布一系列“串珠”狀重力低值區(qū)。

綜上所述，區(qū)域內地球物理場與深部構造之間有一定的內在聯(lián)系。總體來說，地殼起伏較為平穩(wěn)，地殼厚度變化不大，地震活動呈低水平；布格重力場梯度較大的常德太陽山是湖南省歷史地震和近代小震多發(fā)區(qū)；地殼等厚線（圖5）顯示湖南省境

內的莫霍界面一般都在15－30km，地震基本上都發(fā)生在莫霍界面以上的地殼內；地下熱泉的分布與地質構造和地震有一定聯(lián)系，三者在趨勢和位置上往往是一致的。湖南省地下熱泉的分布與地震活動存在明顯的相關性，湘西北、湘東南、湘中和湘東是地下熱泉集中點和密集區(qū)。

3 潛在震源區(qū)劃分的原則和依據(jù)

潛在震源區(qū)劃分主要依據(jù)特定地段的地質、地震和地球物理場等，根據(jù)不同震級檔地震發(fā)生條件來綜合判別。

湖南區(qū)域內地震活動主要以中強地震為主，第四紀以來的構造活動總體上較弱，因此中強地震潛在震源區(qū)的劃分十分重要。在具體劃分中遵循以下原則：

圖5 湖南省地區(qū)地殼等厚線圖Fig. 5 Crustal thickness isopach map of Hunan Province

潛在震源區(qū)劃分主要以《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（2001）》中潛在震源區(qū)綜合劃分方案為基礎，參考通過審查的相關地震安全性評價報告中的劃分結果，根據(jù)新資料與認識對一些潛在震源區(qū)做適當?shù)男薷摹?/p>

潛在震源區(qū)劃分仍采用“地震重復”和“構造類比”兩條基本原則。此外，據(jù)以下原則劃分潛源區(qū)，即新構造特別是晚第四紀差異性活動顯著的地段，應考慮劃分潛在震源區(qū)，一般劃分為震級稍高一些的潛在震源區(qū)；對明顯斷錯早、中更新世地層的斷層，一般需考慮劃分為中等震級的潛在震源區(qū)；對于僅有斷層物質測年顯示的早-中更新世有活動的斷裂，但新構造運動時期差異性運動不明顯，對第四紀地層分布沒有控制作用，無斷錯早-中更新世地層證據(jù)的斷裂，亦無地震活動證據(jù)，則不勾劃潛在震源區(qū)；中小地震活動呈帶密集發(fā)育的條帶，顯示了深部有差異性活動，盡管尚未發(fā)生中強地震，也應考慮為震級上限低一些的潛在震源區(qū)。潛在震源區(qū)的范圍參考中小地震密集條帶分布范圍劃分；確定潛在震源區(qū)的范圍和方向時主要依據(jù)斷裂延伸方向、斷裂帶的規(guī)模以及中小地震的分布范圍。同時還考慮斷層分段和斷層交匯等因素。

4 潛在震源區(qū)劃分方案

中強地震活動地區(qū)應以地質構造類比為主，為此，對提出的7種潛在震源區(qū)劃分方案（圖6）進行了對比。

（1）潛在震源區(qū)劃分方案1原則及論證

該方案主要是依據(jù)第四代地震動參數(shù)的劃分方案，其參數(shù)也是利用原有地震區(qū)和地震帶的參數(shù)。

圖6 湖南省地區(qū)7種潛在震源區(qū)劃分方案Fig. 6 Seven zonation programs of potential seismic sources of Hunan Province

（2）潛在震源區(qū)劃分方案2原則及論證

地震與地質資料是劃分潛在震源區(qū)的重要依據(jù)。根據(jù)湘東地區(qū)中強地震分布與斷裂早第四紀活動特征，劃分潛在震源區(qū)（表2）根據(jù)以下原則：

① 對于第四紀差異活動盆地，在發(fā)震構造不清楚，也無其他反映活動構造的線索的情況下，若是張陷盆地，潛在震源區(qū)寬度需包括整個盆地的寬度；如是壓陷盆地，潛在震源區(qū)的寬度應比盆地寬度稍大（周本剛等，1997），如衡陽盆地潛在震源勾劃；

② 在北西與北東向斷裂復合部位，斷裂中更新世活動幅度較大，且歷史上有中強地震活動的地區(qū)勾劃為6.0級地震潛在震源區(qū)，如長沙－湘潭－湘鄉(xiāng)一帶潛在震源勾劃；

③ 在第四紀盆地內，伴隨盆地的活動必然引起沉降中心及周緣附近斷裂構造的活動，存在中更新世斷裂活動形跡的地區(qū)勾劃為潛在震源區(qū)，如衡陽盆地潛在震源區(qū)；

④ 在向西突出的祁陽弧形構造頂部，即北西與北東構造皆發(fā)育地段，存在較弱中更新世活動構造形跡，則勾劃為震級稍低的潛在震源區(qū)，如祁陽－永州潛在震源區(qū)。

表2 湖南及鄰區(qū)潛在震源劃分表Table 2 Potential source division of Hunan and its adjacent region

續(xù)表

⑤ 沿斷裂現(xiàn)代中小地震具有明顯的第四紀特征，可以勾劃為潛在震源區(qū)，如邵東潛在震源區(qū)。

（3）潛在震源區(qū)劃分方案3原則及論證

根據(jù)周本剛在湖南及湖北兩省工作經驗劃分。同時根據(jù)周本剛在湖南及湖北參加核電安評的研究1中國地震局地質研究所，湖南省防震減災工程研究中心，2006. 大唐華銀核電項目初可研階段地震安全性評價報告.,2中國地震局地質研究所，湖南省防震減災工程研究中心，2006. 湖南小墨山核電廠可行性研究階段地震安全性評價報告.,3中國地震局地質研究所，湖南省防震減災工程研究中心，2006. 湖南桃花江核電廠候選廠址初可階段地震調查與評價報告.,4中國地震局地質研究所，湖南省防震減災工程研究中心，2007. 湖南桃花江核電廠可行性研究階段地震安全性評價報告.，并在課題階段討論會上交流，形成此方案。

（4）潛在震源區(qū)劃分方案4－7原則及論證

根據(jù)衡陽核電報告資料，綜合第四代地震動參數(shù)區(qū)劃圖的結果以及在方案 2—3的基礎上增加了衡陽、湘潭潛在震源區(qū)，即劃分出方案4－7。

現(xiàn)就衡陽、湘潭潛在震源區(qū)的特征簡述如下：

① 衡陽潛源特征

該潛在震源區(qū)沿著衡陽斷裂帶劃分。在泉溪鎮(zhèn)西約2km處蔡家沖公路邊，可見耒水中更新世河流相礫石層被斷錯現(xiàn)象。在該套礫石層與棕紅色粘土層之間，存在一組破劈理面，并且斷面具有切過礫石層頂面繼續(xù)向上延伸的跡象。沿著斷面，礫石略顯定向排列，并有寬約15—20cm的構造混雜帶。采集斷錯地層的年代樣品（E-CZ-3），測試結果為距今（468±46）ka。根據(jù)構造類比原則，該潛在震源區(qū)震級上限為5.5級。

② 湘潭潛源特征

該潛在震源區(qū)沿著湘鄉(xiāng)斷裂劃分。湘鄉(xiāng)斷裂地貌表現(xiàn)清楚，沿帶發(fā)育斷崖及斷層三角面，是湘鄉(xiāng)紅盆地的邊界斷裂。第四紀時期，該斷裂對中更新統(tǒng)下段的新開鋪組分布有明顯控制作用。在廟灣里，可見直接斷錯中更新世地層的構造現(xiàn)象，為一條中更新世斷裂。根據(jù)構造類比原則，震級上限為5.5級。

5 潛在震源區(qū)震級評定因素及結論

潛在震源區(qū)劃分的合理性和可靠性在很大程度上取決于強震發(fā)生條件的識別，不同地區(qū)發(fā)生同級地震的構造標志是不同的（張裕明等，1992；1994）。

湖南區(qū)域北部屬華南地震區(qū)的長江中游地震帶與東南沿海地震帶。長江中游地震帶為華南地震區(qū)最北的一條地震帶，包括四川、湖南、湖北、貴州、廣西、江西、浙江和福建大部或部分地區(qū)。北鄰華北地震區(qū)，南鄰東南沿海地震帶。東南沿海地震帶包括東南沿海、東海南部、臺灣海峽及南海北部海域。本地震帶位于華南加里東褶皺帶，地殼厚度從海域向大陸逐漸增厚。

根據(jù)湖南省及鄰區(qū)的地震活動性、地震構造、地球物理等特征，在潛源劃分中震級上限評定主要考慮以下因素：區(qū)域地震活動的總體水平，從區(qū)域地震活動強度對潛在震源區(qū)的震級上限進行宏觀控制；潛在震源區(qū)的震級上限應等于或大于歷史地震震級；新構造位置及活動性類似地段，如果沒有資料說明它們在晚第四紀以來構造活動存在差異，應通過構造類比劃分為相同震級上限的潛在震源區(qū)；對于在地表發(fā)現(xiàn)斷錯晚更新世或全新世地層的斷層，需要考慮劃分為震級上限6.5級或6.5級級以上潛在震源區(qū)的可能性，在這種情況下需要考慮斷層活動幅度或活動速率的大小；對于斷錯早、中更新世的斷層，且位于重要的新構造分區(qū)邊界，需要考慮劃分為震級上限6級或6級以上潛在震源區(qū)的可能性；對于規(guī)模較大的斷層帶，有地質地貌證據(jù)顯示中更新世有過活動，一般可劃分為低震級潛在震源區(qū)，如5.5級潛在震源區(qū)。

中強地震活動地區(qū)具有危險性低而風險性高的特點。我國約三分之一地區(qū)位于中強地震活動地區(qū)，科學合理地確定這些地區(qū)的抗震設防要求，對這些地區(qū)的地震安全，特別是農村地區(qū)的地震安全是至關重要的，地震區(qū)劃是制定抗震設防要求的基礎。中強地震活動地區(qū)的地震活動性分析方法、潛在震源區(qū)劃分及其震級上限的確定和地震動衰減關系的研究，仍然是制約地震區(qū)劃科學性和合理性的關鍵因素，應該進一步加強研究。應結合國內外中強地震地區(qū)潛在震源區(qū)劃分及地震活動性參數(shù)確定的最新研究進展，發(fā)展一種以新構造運動特征為加權因素的活動性空間光滑方法，加強地震資料、地質資料和地球物理場資料的融合使用，加強經驗判斷與數(shù)理統(tǒng)計方法的結合，提高潛在震源區(qū)劃分的科學性。

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Principles of Potential Seismic Source Division on Pre-programmed Test of Anti-collapsed Seismic Zonation Map of Hunan Province

Xiao Heping1), Chen Xueliang2)and Gao Mengtan2)
1) Earthquake administration of Hunan Province, Changsha 410004, China.
2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration. Beijing 100081, China.

Based on the results of "determination of probability standard of seismic zonation and pre-programmed test of seismic zonation map", seismic safety evaluation report of nuclear power project of Hunan Province and other relevant information are extensively collected. From theoretical and practical analysis of seismic activity,seismic structure, geophysics, geological field and seismic geological fieldwork etc., the pre-code principles and methods of the division of potential seismic sources are put forward, and seven kinds of division program of potential seismic sources are compared with each other. Our results are significant for the eastern Chinese mainland zonation, since Hunan Province is a typical representative seismically in this region.

Hunan; Anti-collapse; Seismic zonation; Potential source area

肖和平，陳學良，高孟潭，2012. 湖南省抗倒塌地震區(qū)劃圖預編試驗的潛在震源區(qū)劃分原則. 震災防御技術，7（1）：12—25.

科技部科技支撐項目2006BA13B01“強震危險區(qū)劃關鍵技術研究”；自然科學基金（50808162；90915012）

2011-11-15

肖和平，男，生于1952年。湖南省地震局高級工程師。主要從事防震減災研究。E-mail: 381751240@qq.com

陳學良，男，生于1976年。副研，碩導。主要從事工程地震研究。E-mail：cxl@cea-igp.ac.cn

致謝:“湖南中強地震活動地區(qū)抗倒塌地震區(qū)劃圖示范編制（2006BAC13B01-0605-1）”是科技部2006年設立的國家科技支撐計劃課題——“強震危險區(qū)劃關鍵技術研究(2006BAC13B01)”的第六專題“地震區(qū)劃概率水準確定與地震區(qū)劃圖預編試驗研究”中的第五個子專題，本文的研究工作是以此為基礎的，在此，對該項目的所有專家、同仁，以及對本文研究成果有貢獻的所有專家、同仁表示誠摯地感謝。