地震发生的主要原因是断层附近岩石发生破裂产生应力释放，从而引起强烈的地面运动，并沿活动断层产生地表同震位错和破裂^[1]。地震发生时，断裂附近的建筑物损毁和人员伤亡最为严重^[2]，因此在一定距离内避让活动断层是减轻或防止地震灾害最可行和有效的方法^[3]。2008年汶川地震后，人们越来越关注对活动断层的避让问题。现行工程选址中一般采用国家或行业标准规范对活动断裂进行避让，避让距离一般为百米不等。确定更为科学精细的活动断层避让距离，适当缩小活动断层避让范围，从而在有活动断层穿过的地区，特别是土地资源有限的城市，可以在最大限度利用国土资源的同时有效减小地震灾害风险。

太原市位于太原盆地北部，主城区西侧被全新世活动断裂交城断裂带穿越。该断裂曾发生M_S7.2强震^[4]，其地震危险性和灾害风险严重威胁着断裂沿线居民的生命和财产安全。开展交城断裂带北段地震地表破裂带研究，科学确定建筑物对断裂的避让范围，不仅可减少地震灾害风险，也可提高断裂带沿线土地规划利用率。本文采用地质探槽剖面法、经验统计法及数值模拟法，评估断裂带在发生最大潜在震级M_S7.2地震时的同震地表破裂带宽度，探讨不同方法确定同震地表破裂带宽度的精度和可靠性，并提出采用加权平均的方法确定交城断裂带北段同震地表破裂带范围，综合考虑断裂定位精度及断层上下盘效应影响，确定工程避让范围。本文结果对交城断裂带沿线国土规划利用和制定防灾减灾对策具有重要指导意义；该方法在确定同震破裂带宽度时，避免了采用单一方法带来的局限性，可为同类研究工作提供借鉴。

1 交城断裂带概况 1.1 区域地震构造背景

交城断裂带位于鄂尔多斯东缘汾渭地堑中部太原盆地西侧。汾渭地堑自形成以来发育一系列新生界断陷盆地及盆地间的横向隆起，整体呈NNE向雁阶排列，盆地走向多为NE-NNE向不对称地堑式结构，呈右行斜列。汾渭地堑断裂按走向可为EW、SN、NW和NE-NNE向4组，以NE-NNE为主，发育于中生代，构成纵贯山西且呈雁行排列的断裂系统。控制地堑内盆地的边界断裂多以铲式为主，无明显剪切性质，规模大，活动时代新，为汾渭地堑主要的发震断裂。

太原盆地位于汾渭地堑中部，北临石岭关隆起，南接灵石隆起，东、西两侧分别为太行山断块隆起区和鄂尔多斯断块隆起区，走向由南部的NE向转为北部的近SN向。盆地主要受西侧交城断裂带及东侧太谷断裂控制，内部隐伏断裂发育，构造复杂，为东浅西深的箕形地堑型盆地。

汾渭断陷带内地震活动强烈，各大盆地均发生过6级以上地震。南部临汾盆地曾发生1303年洪洞8级地震，北部忻定盆地曾发生5次7级以上地震。太原盆地虽无7级以上地震记录，但盆地内交城断裂带西部探槽却揭示多次7级以上古地震事件^[5]，充分说明太原盆地具有发生7级以上地震的构造背景。

1.2 交城断裂带概况

交城断裂带位于太原盆地西侧，北起阳曲县泥屯镇，沿线经柴村、晋祠镇、清徐县、交城县、至吕梁市汾阳一带，总长约150 km，总体走向NE，倾向SE，倾角40°~80°，为兼右旋走滑的倾滑正断层。断裂自形成以来活动主要集中在太原盆地与山岭交接的地段，制约着盆地的形成和发展，是太原盆地西界的主控边界断裂。断裂西盘(下盘)上升，东盘(上盘)沉积深厚的新生界地层，断层两侧升降幅度超5 000 m。交城断裂带由多条次级断裂组成，后缘断裂展布于基岩山前，前缘断裂位于黄土台地边缘。

交城断裂带具有分段特征，许多学者对此开展了大量研究工作^[6-8]。本文综合前人研究成果，按断裂的几何展布特征及活动时代将交城断裂带分为3段，如图 1所示。

北段(F₁)：该段起于泥屯镇，经上兰街道、柴村西、西铭乡、金胜镇冶峪至晋祠镇，断裂在柴村附近呈NW向，其余段落呈NE向，倾向SE，长约50 km。该段由2~3条规模较大的阶梯状分支断层组成，宽度为800~1 700 m。断裂以西部F₁¹断层和东部F₁²断层规模最大，连续性最好，中部F₁³断层仅展布于柴村段北部；前缘断层F₁²、F₁³一般呈隐伏状态，上断点埋深为2~100 m不等。断裂的活动时代主要集中在晚更新世晚期-全新世早期，以正倾滑为主，兼走滑特征。

中段(F₂)：该段展布于晋祠镇以南姚村镇至文水县马西乡一带，呈单条断裂状，走向NE50°，倾向SE，长约45 km，断裂沿线断层三角面发育，断层三角面高30~100 m。该段断裂错断全新世早-中期洪积扇，但未错断全新世晚期洪积扇及其组成地层，断裂以正倾滑为主。

南段(F₃)：该段展布于文水县安上村至汾阳市桑家庄乡附近，呈单条断裂状，走向NE45°，倾向SE，长约30 km。该段为隐伏断裂，属晚更新世活动断裂，以正倾滑为主。

1.3 交城断裂带的地震危险性

交城断裂带所在的太原盆地历史上未记载到7级以上地震，发生的最大地震为太原晋源附近6 1/2地震。但从汾渭地堑构造特征分析，北部忻定盆地曾发生3次7级以上地震，南部临汾盆地曾发生2次7级以上地震，根据构造类比，太原盆地存在发生7级以上地震的可能。通过对交城断裂带开挖的探槽进行分析，揭示多期古地震事件^{[7, 9]}，因此推测交城断裂带具有发生强震的潜在危险。

江娃利等^[6]研究认为，交城断裂带在晚更新世以前以晋祠附近的姚村镇为转折点，沿现今田庄断裂呈NE向破裂，晚更新世以来沿现今交城断裂带北段呈NNE向破裂^[8]。通过分析交城断裂带的分段活动特征可知，交城断裂带北段(F₁)与中段(F₂)及南段(F₃)的活动特征存在差异。综合认为，交城断裂带中段在姚村镇附近的转弯易成为破裂扩展的障碍体，将其作为中段(F₂)与北段(F₁)的分界点。考虑到北段与中段对第四系控制的差异性，认为交城断裂带北段(F₁)50 km长的段落未来存在联合破裂的可能性，为相对危险段。

根据交城断裂带北段(F₁)分支断裂F₁¹、F₁²和F₁³在第四纪晚期表现出的不同活动性，只有F₁¹、F₁²断裂剖面揭示了全新世以来的古地震事件。虽不能排除F₁³断裂未来发生断错地表事件的可能性，但未来地震地表破裂带最有可能沿交城断裂带F₁²断裂分布。根据震级-地表破裂长度、震级-震源破裂长度、震级-断层破裂面积及震级-地震矩的经验关系等多种方法综合评估，交城断裂带北段潜在地震的最大震级为M_S7.2^[4]，后续分析以此结果为前提假设。

2 交城断裂带地表破裂带分析

确定活动断裂同震地表破裂带宽度的方法以地质调查、经验公式、地质探槽剖面法等为主。为减少活动断裂同震地表破裂带宽度评估结果的不确定性，本文采用地质探槽剖面法、经验公式法和数值模拟法进行评估，考虑3种方法的精度和结果的可靠程度，采取加权平均的方法对评估结果进行综合确定。

2.1 地质探槽剖面法揭示断层未来地震破裂带

本文选用交城断裂带北段冶峪探槽的资料来分析断层的同震破裂情况。冶峪探槽位于太原市晋源区金胜镇，揭示了交城断裂带后缘断裂F₁¹的活动性及地层变形情况(图 2)。探槽底部出露位于二叠系砂岩及泥岩之间、砂岩与碎石、碎石与黄土之间的5条断面，由西往东依次标注为f₁~f₅。依据各断面之间错断的不同地层，该探槽揭示晚更新世以来的4次活动事件，其中最新的活动事件断错距今10.7 ka(全新世早期)。该探槽揭示的多数断面，断层产状为NE20°/SE，∠60°~73°。此外，断面之间夹持的崩积楔被后期断层活动错断，保留宽度小，如f₂与f₃及f₄与f₅之间的黄色砂岩碎石楔及粘土含砂岩风化团块崩积楔的宽度均不足2 m；断层下降盘的地层年代早于上升盘。这些断面特征显示了断层走滑活动的特征，与地表冲沟的右旋扭曲现象相吻合。

冶峪探槽揭示的断裂活动与古地震研究表明，最新一次地震地表破裂之前，原地发生过多次破裂事件。一般情况下，活动断裂一旦形成并存在，则为地壳的力学弱面，在地质构造力学环境没有转变的条件下，断裂带仍是地壳首先破坏之处。因此未来地震时，沿f₁~f₅任何一条或多条古地震破裂面都有可能成为未来地震断裂时的破裂面。根据韩竹军等^[10]的研究成果，隐伏正断层未来地表破裂发生于断层地表投影线和地表延伸线之间且偏向地表投影线的位置。因此，利用探槽揭示的特征来确定地震地表破裂带时，将f₅在地表投影线处至f₁延伸至地表处的位置确定为断层发生地震时的地表破裂带，宽度约为24.0 m。

根据太原市活动断层探测的浅层地震勘探剖面和石油地震勘探剖面结果可知，交城断裂带分支断裂在下部是连通的。F₁²为未来主要的发震断裂，下次地震的地表破裂将沿该分支断裂向地表延续，其破裂特征与位于同一位置的阶梯状断裂F₁¹相同。由此认为，F₁²地震时的地表破裂宽度与探槽中揭示的F₁¹断层破裂带宽度相同。

2.2 经验公式法估算地震破裂带

黄静宜^[11]将logistic回归分析方法引入到地震地表破裂评价中，利用震级、震源深度、断层性质和覆盖层厚度与地表破裂的统计关系，结合蒙特卡罗方法对震级和地表破裂宽度进行拟合回归，建立适用于中国大陆地区的震级与地表破裂参数关系式(式(1)和式(2))。本文利用这一成果，对交城断裂带F₁²断层地表破裂情况进行预测：

$ \begin{gathered} P\{Y=1 \mid X\}= \\ \frac{\mathrm{e}^{-4.019+1.726 X_1-0.738 X_2+0.379 X_3-0.106 X_4}}{1+\mathrm{e}^{-4.019+1.726 X_1-0.738 X_2+0.379 X_3-0.106 X_4}} \end{gathered} $

(1)

$ \lg W=-2.9522+0.5809 M_{\mathrm{S}} $

(3)

式中，X₁为震级分级值，X₂为震源深度分级值，X₃为断层性质分级值，X₄为覆盖层厚度分级值，W为破裂带宽度(单位m)，M_S为震级。

2.2.1 地表破裂的危险概率

采用式(1)预测交城断裂带北段发生7.2级地震时是否会产生地表破裂。震源深度取山西省中南部平均震源深度16.0 km；断层以正断为主，伴有走滑特征，本文按正断层考虑；覆盖层厚度采用浅层地震测线揭示的北段隐伏段最浅上断点埋深53.0 m。具体参数见表 1，表中*取值参考文献[11]，括号中值为分级值对应的分类标准。

将地表破裂的影响因素分级数值代入式(1)，得到交城断裂带F₁²在发生M_S7.2地震时产生地表破裂的概率为：

$ P\{Y=1 \mid X\}=38.49 \% $

断层极可能产生地表破裂，场地具备极易产生地表破裂的震级、震源深度、断层性质等基本条件。

2.2.2 地表破裂带宽度估计

交城断裂带位于中国东部地区，其断层性质为以倾滑为主、兼走滑性质的正断层，震级上限为M_S7.2。将其地震参数代入式(2)，得到破裂带宽度W=17.0 m。

2.3 数值模拟法预测地震破裂带

F₁²断层在柴村以南呈隐伏状态，在太原市活动断层浅层地震详勘中，有多条浅层地震测线揭示了该断层的空间特征。本文采用交城断裂带北段(F₁)柴化路浅层地震测线剖面结果(图 3)进行分析计算。

测线剖面特征呈似背斜构造，各波组在剖面东段均具有较清晰的反射特征。根据剖面波组特征揭示了交城断裂带F₁³和F₁²的存在，F₁²断点位于剖面桩号1 557 m处，对应T₀₂界面的上断点埋深约53 m，垂直断距约3.0 m。

2.3.1 方法和介质模型的选取

采用Okada方法建立分析模型进行模拟计算^[12]。模拟参数选取为：断裂长度取交城断裂带北段(F₁)长度50.0 km；断层隐伏深度取浅层地震勘探结果中F₁²上断点埋深53.0 m；断距取垂直断距3.0 m为一次突发事件中的平均位错量；断层倾角取70°；地壳速度采用《晋中市活断层探测深部地震构造环境分析》中密集台阵研究的太原盆地速度结构的结果，上地壳平均纵波速度取6.0 km/s，横波速度取3.0 km/s。计算剖面垂直于断层走向并横跨断层，剖面长度为400.0 m，计算点距取1.0 m。

2.3.2 地震地表破裂带宽度模拟结果

结合韩竹军等^[10]对隐伏断裂地表破裂临界值确定的研究，将隐伏断裂在地表的位移分布满足水平距离5 m时出现0.1 m的位移差，作为判断地表破裂是否出现的临界值，即每1.0 m位移超过0.02 m位移差时，判断为地表变形破裂，计算剖面地表相对变形量分布见图 4。可以看出，在计算点172~216之间，各计算点的相对变形量都大于0.02 m。集中带宽度为44.0 m，断层地表投影线下盘一侧带宽为7.0 m，投影迹线上盘一侧带宽37.0 m。

2.4 断层地表破裂带宽度综合确定

采用3种方法分析得到的F₁²断层地表破裂带宽为17~37 m，与历史资料统计的地表破裂带相当^[13]，但3种方法获得的结果存在一定的差异。现对3种方法获得的同震地表破裂带宽度结果的可靠程度进行分析。

1) 经验公式法(统计法)是在收集大量震例数据进行总结、分析研究的基础上得到的，具有可靠的数据基础，但由于震例数据来源不同，构造环境和第四系覆盖条件存在差异，虽然统计结果较为科学，但仍具有一定的不确定性，结果的可靠程度一般。

2) 地质探槽剖面分析法主要依据断层地震错动位置的原地重复性特征，根据探槽揭示断层地表强变形方式、变形类型及变形强度来确定破裂带宽度。该方法可弥补统计法引起的偏差，同时降低活断层所在地区覆盖层条件、活断层本身几何结构等因素的影响，所得到的破裂带宽度最接近实际，但不是所有断裂分段都能通过探槽获得地震地表破裂带宽度结果。

3) 数值模拟法是通过建立断层地震模型，模拟设定地震时断层附近地层的形变情况，从而确定地表破裂带宽度。该方法较为成熟，在工程中也有一定的应用，但由于其采用的模型和部分参数来源于经验值，对于断层破裂方式的设定具有主观性，其结果也存在一定的不确定性，结果的可靠程度一般。

为降低单一预测方法带来的局限性，本文将3种方法得到的结果通过综合加权，来确定交城断裂带北段F₁²的地表破裂带宽度。根据不同方法得到的地表破裂带宽度的可靠程度，分别取不同的权重值，各方法权重取值和综合分析结果见表 2。

3 交城断裂带北段工程避让带范围讨论

国家及行业标准对工程选址时对于全新世发震断裂的避让距离分别给出不同范围的数值，该避让距离考虑了断层位置的误差，可用于未作精细探测但位置相对准确的断层。但对于开展过活动断层精细探测的断裂，避让带的范围可根据实际探测结果来综合确定，以利于对国土资源的充分利用。

确定避让距离的原则是有效避开活动断层同震错动对地面建(构)筑设施的直接破坏。对于交城断裂带北段避让范围的确定，考虑以下3个方面的因素：

1) 定位误差。不同探测方法对于断层的定位误差存在差别。对于采用地质调查的断层及槽探定位误差一般在5.0 m以内，采用钻孔联合剖面和地球物理勘探控制的段落误差在15.0 m以内^[14]。交城断裂带的宽度根据地质调查、槽探及浅层地震勘探综合确定，其中西侧分支F₁¹确定的主要依据为地质调查和槽探，认为现有断层迹线的位置为实际断层的位置；东侧F₁²位置确定主要依据浅层地震勘探，定位误差最大按15.0 m考虑，即断裂位于断裂迹线附近15.0 m范围内。当活断层由多条次级断层斜列或平行状排列组成时，将斜列阶区、平行断层围限区的宽度也计入活断层需要避让的宽度^[15]，故在确定交城断裂带避让范围时考虑主断层分支断层和次级断层组成的断裂带范围，以减少未来地震主断层滑动面的不确定性。交城断裂带北段F₁各分支断裂形成的宽度约0.8~1.7 km，考虑定位误差，交城断裂带北段F₁的宽度取断裂带分支断裂的宽度加上定位误差，即0.8~1.7 km±15 m。

2) 地震。交城断裂带北段的避让带包括F₁¹和F₁²同震地表破裂，西侧F₁¹的破裂带范围位于断裂带分支F₁¹和F₁²之间，因此只需考虑F₁²地表破裂带对交城断裂带避让范围的影响。根据表 2，取综合加权获得的结果26.9 m作为断层地表破裂带宽度。

3) 上盘效应。正断层上盘变形量比下盘大，无论是地震地表破裂，还是地面同震错动对地面建(构)筑物的直接毁坏等，均出现明显的上盘效应。因此，在针对正断层避让时需考虑上盘效应，即下盘最小避让距离为地质变形带边界向外15 m，而上盘应为地质变形带边界向外30~45 m^[16-18]。由此可知，交城断裂带下盘最小避让距离为地质变形带边界向外15 m，而上盘为地质变形带边界向外取较大值45 m。

综上所述，确定交城断裂带工程选址的避让范围为西侧F₁¹下盘外侧15.0 m至东侧F₁²上盘外延86.9 m，具体见图 5。

4 结语

交城断裂带作为一条太原盆地的边界断裂，具有活动时代新、活动性强的特点，未来在地震作用下具有地表破裂的可能。通过研究，得出以下结论：

1) 交城断裂带北段具有发生M_S7.2地震的可能，在此震级地震作用下，综合确定交城断裂带北段的避让带范围宽度为F₁¹迹线西侧外延15.0 m至F₁²迹线东侧外延86.9 m。由于交城断裂带在不同位置的分支断裂条数和宽度都不同，迎泽大街以北由3条分支断裂组成，迎泽大街以南由2条分支断裂组成，考虑到断裂带宽度在不同段落的差异，在确定避让带范围时，断裂带的宽度取最西侧F₁¹和前缘F₁²之间的距离。该结果综合考虑了断裂带北段不同段落的宽度差异，对太原市中心北城区城市规划和各种生命线工程、建(构)筑物的跨断层设防具有一定的参考价值。

2) 数值模拟断层的地震破裂带宽度基于断裂带北段柴化路浅层地震勘探结果，该测线上断点埋深与断裂带上其他浅层地震测线的结果存在差别，模拟结果可能对综合研究结果产生一定影响。但由于采用此方法的结果权重较低，模拟计算时采用的是隐伏分支最浅的上断点，结果应该是偏安全的。

3) 采用不同方法综合确定活动断层地表同震破裂带宽度可减少单一方法带来的局限性影响，对实际工程探测具有一定的借鉴意义。