Late Quaternary Activity Characteristics of Tuoketuo Section of the Ordos Northern Fault
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摘要: 鄂尔多斯北缘断裂作为河套断陷带和鄂尔多斯地块的边界断裂，研究其晚第四纪活动特征，对于科学评价黄河流域内蒙古河套段的地震危险性具有重要意义。本文利用野外地质调查、微地貌测量、浅层人工地震勘探及钻孔联合剖面探测相结合的方法，综合地层年代样品测试结果，确定了该断裂托克托段的准确位置和最新活动特征。研究结果表明，鄂尔多斯北缘断裂托克托段沿线构造地貌不发育，推测断裂的最新活动可能尚未达到地表，地表的地貌陡坎应为河流侵蚀成因。断裂在深、浅地震反射剖面上表现为“Ｙ”字形的张性断裂系，主断裂倾向北，分支断裂倾向南，整体上陡下缓，具有多个地堑式分布的特点。跨断裂钻孔联合剖面上显示，单个分支断裂的同震垂直位移量为2～2.5 m，最新活动时代为43.5～70 ka。鄂尔多斯北缘断裂是一条晚更新世活动的深大断裂，具有一定的地震危险性。Abstract: As a large-scale boundary fault between Hetao fault zone and Ordos uplift, the Ordos northern fault is of great significance to scientifically evaluate the seismic risk of the Yellow River Basin nearby Hetao area by studying its late Quaternary activity characteristics. In this paper, the accurate location and the active characteristics of the fault are comprehensively analyzed and restricted by using the methods of field geological survey, micro geomorphic survey, geophysical exploration and borehole combined profile detection, combined with the test results of stratigraphic age. The results show that the tectonic landform along the fault in the northern edge of Ordos is not significant. It is speculated that the latest activity of the fault may not reach the surface, and the geomorphic scarps on the surface may caused by river erosion. The deep and shallow seismic reflection sections show a Y-shaped tensional fault system, and the main fault dip is North, the branch fault dip south, and the global feature is up steep and down slow, with the characteristics of multiple graben distribution. According to the borehole joint profile detection carried out according to the geophysical test results, the coseismic vertical displacement of a single branch fault is about 2~2.5 m, and the latest activity age is 43.5~70 ka. In a word, it is a deep and large boundary fault active in the late Pleistocene, which has a certain seismic risk.1) 2 内蒙古自治区地震局，国家地震局地壳应力研究所. 1992. 内蒙古自治区托克托电厂活动断层研究报告.
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引言
包括地震灾害在内的自然灾害已成为影响全球经济和环境可持续发展的重要因素, 在世界经济论坛(World Economic Forum)近年来发布的《全球风险报告》(Global Risks Report)中, 已将重大自然灾害列为影响全球的5大重大风险之一。其中的重要因素包括地震灾害等自然灾害及其次生灾害, 往往造成严重人员伤亡、环境污染和经济损失(Showalter等, 1994；Young等, 2004；Krausmann等, 2011a, 2011b；Krausmann等, 2013)。
地震及其链生灾害包括由地震动直接造成的次生灾害(如滑坡和泥石流)及人为因素导致的衍生灾害(如2011年东日本9级大地震后炼油厂液化石油气储罐爆炸), 灾害对环境与生态的常见影响包括:摧毁控制疫情使用的消毒剂、工厂化学试剂等化危品和核废料生产、运输与存储设施, 造成持续的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害, 进而延长灾害链条, 从而导致对水、土壤、大气和固体废弃物的污染；导致土壤侵蚀、耕地退化、动物栖息地丧失、生态种群退化等生态灾难。近年来, 诸多重大地震灾害发生后, 对环境与生态破坏作用、机理的研究得到自然灾害防治、环境、生态等多领域学者普遍关注。在国内, 汲取2008年汶川地震造成的重大环境与生态破坏经验教训, 地震及其链生灾害引发的环境与生态问题已成为震后应急管理和恢复重建的重要考量。2019年6月17日四川长宁MS6.0地震发生后, 生态环境部立即对震区及其周边的饮用水水源地、垃圾填埋场、污水处理厂、页岩气开采平台及运输管线和周边核设施等重点风险源单位进行了风险排查, 以便更好地应对下次地震及其链生灾害风险。
当前我国经济社会正处于快速发展的过程中, 构建现代化自然灾害防抗救体系时, 需关注地震及其链生灾害对环境与生态的影响, 切实防范重大风险。为此, 本文基于国内外已发生的地震灾害影响环境与生态案例、影响机理、可能的解决方案与措施等多角度, 对国内外研究动态进行综述和讨论, 以期对明确存在的问题和进一步发展思路有所裨益。
1. 地震灾害对环境与生态的影响
1.1 环境污染
对于地震灾害造成的固体废弃物污染, 2011年东日本9.0级大地震及其激发的海啸造成18.7万多所房屋严重损坏或摧毁, 这些房屋和工厂残骸、废弃汽车、破碎的集装箱和油罐等形成约2300万吨固体废弃物和超过1200万立方米海啸沉积物, 巨量固体废弃物的清理需数年以上时间(Inui等, 2012)。实际上在不同类型的自然灾害和极端事件中, 固体废弃物污染造成的环境灾难比比皆是, 如2005年卡特里娜飓风和丽塔飓风、2001年9月11日美国世贸中心遇袭等(Cruz等, 2009)。固体废弃物的处理极大地受环境负载能力的限制(Tabata等, 2019), 对于环境技术欠发达的发展中国家, 类似规模的固体废弃物处理极为困难, 或产生延续性环境危害。
地震灾害造成土壤污染, 2011年东日本9.0级大地震海啸中被摧毁的福岛第一核电站事故造成地表土壤Sr-90和Cs-137等放射性污染(Sahoo等, 2016)及大量化工厂附近的有毒化学品局部泄漏污染, 核电站周边的放射性水平达400 mSv/h(Irisawa, 2012), 人们开始质疑在潜在地震危险区建立核电站的安全性, 并导致日本42个核电站处于关闭或暂时下线的状态(Kingston, 2012)。灾难后的几周内, 日本毒性物质观测网络(Toxic Watch Network)确定了灾区附近约130个潜在工业污染单元, 如岩手县海岸有许多渔业社区、水泥和胶合板制造商, 宫城县海岸线上估计有1000家工厂, 其中包括位于仙台市的1座日产量达14.5万桶的炼油厂。炼油厂火灾形成了空气污染, 下水道和煤气管道爆裂, 含有多氯联苯的旧电器设备被冲走。泄露的石油、城市下水道污水等形成的液体垃圾随着海(雨)水流动造成污染进一步扩散(Bird等, 2011；Krausmann等, 2013)。福岛第一核电站的核灾难被定为国际核事故级别中最高级别的第7级。自灾难发生以来, 福岛第一核电站每天用于冷却熔化的反应堆和燃料池产生的核污水达400吨。2011年4月经日本政府批准, 东京电力公司向太平洋倾倒了1.1万吨低放射性水。专家预计, 清除核电站熔化的核废料并清理受辐射污染的大片区域可能需要40年以上, 可能耗资2000亿美元(Chernov等, 2016)。
1.2 生态影响
汶川地震震中所在的岷山和邛崃山系具有丰富的生物资源(包维楷等, 2008), 地震对生态环境造成了严重影响, 使得灾区林、草地受损, 农田毁坏、野生动物生存坏境受到破坏, 生物多样性和生态服务功能失稳(欧阳志云等, 2008；徐新良等, 2008)。汶川地震诱发的崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生灾害在四川、山西、甘肃等造成至少1221km2的生态改变, 导致岩土裸露、河流断塞、地貌改观, 严重影响了灾区水源涵养功能、土壤保持功能、生物多样性维持功能(如导致大熊猫栖息地丧失655km2, 比例高达约6%)等, 并形成了汶川、彭州、绵竹等10余市县的生态破坏重灾区(欧阳志云等, 2008)。在森林植被生态方面, 此次地震在四川省造成林地损失约500万亩、草地损失约250万亩, 全省森林覆盖率因此下降0.5%, 其中45个林业重灾市县的森林覆盖率更是由震前的44.51%降为42.64%。由此测算森林蓄水能力损失约22亿立方米。森林绿地覆盖率的减少使得地质环境失去浅表层植被的保护, 由此导致的地质环境失稳形成了约5万个崩塌、滑坡, 以及数十亿立方米的松散岩石碎屑物。在动物生态方面, 震区附近为大熊猫、金丝猴等多种国家重点保护野生动物主要栖息地。据估计, 汶川灾区生态系统需十年左右才能恢复到震前水平。值得一提的是, 类似的生态破坏也发生在2004年12月26日苏门答腊9.0级大地震之后, 在安达曼群岛北部和中部沿海湿地出现了数平方千米的红树林死亡, 这是由于地震在该地区造成数十厘米的静态地面隆升, 进而潮汐水流入湿地通道, 造成湿地干燥和土壤盐度变化(Ray等, 2011)。
对于震后生态恢复, 李璞等(2017)对2008年汶川8.0级地震的研究表明, 震后灾区人均生态水平总体上呈下降趋势, 在灾害衍生效应的作用下恢复进度缓慢, 而恢复和重建过程中消耗大量资源建设的基础设施也造成了一定程度的生态演变和强势干预下的生态进化问题。对于高海拔的生态脆弱地区, 地震灾害后的恢复重建往往受可规划利用土地规模的局限(Yu等, 2019), 如2017年九寨沟7.0级地震后的恢复重建, 对大体量、高水平的重建带来较大困难, 如果缺乏对生态系统保护和环保型重建的考虑, 将对区域生态环境造成重大影响。1960年智利9.5级特大地震产生了最高达25米的海啸, 袭击了整个太平洋沿岸(Talley等, 1984), 海啸剥蚀土地, 并将大量岩块及珊瑚碎片堆积到太平洋沿岸诸多地区, 造成大量可种植土地沙化(Bourgeois, 2009)。
2. 地震灾害影响环境与生态的机理
除地震灾害对环境与生态产生的直接影响外, 地震灾害链生机制使得地震次生灾害和衍生灾害也同样严重影响环境与生态。高海拔和高坡度地区的地震灾害可能显著改变滑坡、泥石流、岩崩等灾害链, 造成区域内灾害环境变化和危险因素的增加(Han等, 2019)。地震产生的大量地表松散物极易引发泥石流, 也可造成堰塞湖和洪水等灾害链。2008年汶川8.0级地震直接或间接造成了约15000次滑坡、岩石崩塌和泥石流等地质灾害, 由于滑坡及泥石流堵塞河道, 导致了滑坡坝的形成, 进一步阻碍河水流通, 并对下游低海拔区域构成直接威胁(Yin等, 2009)。尤其需要注意的是, 地震引起的地质灾害往往具有长期效应, 汶川地震发生5年后的2013年7月10日, 都江堰地区发生灾难性滑坡泥石流, 造成166人死亡, 4个城镇共15000余人受到影响(Hu等, 2016；Gao等, 2017)。
事实上, 灾害链生机理往往具有较高的复杂性。从直接灾害、次生灾害和衍生灾害角度出发, 图 1所示为地震灾害及其灾害链影响环境与生态的示意图。由于链生机理和灾害作用形式的高度复杂性, 部分研究甚至采用了复杂的网络模型进行描述(Zheng等, 2017)。明确带有区域特征性或特定情境模式下的灾害网络(链), 可能是解决地震灾害和次生灾害对环境与生态影响的重要分析途径。
图 1 地震灾害对环境与生态影响的灾害链Figure 1. Disaster chain of impacts from earthquakes and their aftermath disasters on environment and ecology地震及其链生灾害对环境与生态的影响受多种因素的共同作用。地震作为自然干扰过程中的原生灾害, 是生态环境改变的重要驱动力, 而震区地质地貌条件、气候特点和工业发展水平等为生态环境改变的重要条件。生态和环境在这种改变过程中受原生灾害及次生灾害(如滑坡、泥石流、堰塞湖等地质灾害和污染源、放射源外泄等技术事故)发生强度、频率、持续时间等因素影响。目前部分学者将生态和环境的这种改变视为一种间歇性突变(包维楷等, 2008), 认为突变过程是诸多地震地质灾害突变过程在某一具体区域的叠加整合, 表现出强度不同、区域差异的特点。正因如此, 分析地震及其链生灾害对环境与生态的影响时, 往往需考虑不同地域特点和经济社会发展阶段, 区域性和时变性影响因素的研究正成为相关课题研究热点。
3. 遏制地震灾害对环境与生态影响的解决方案与措施
开展科学的城市和土地规划、充足的灾害风险准备, 灾前采取针对性的风险防治措施:减少地震灾害对生态和环境的影响, 避免因化学品、放射源、城市污水等泄漏造成的技术事故导致衍生灾害, 需有完整充分的风险准备、评估及应对策略；对即将规划为新工业基地的土地进行生态风险分析, 对已存在的工业基地进行改造, 以确保相应的防范措施足以应对潜在的工业风险, 制定和完善相应的风险应对应急计划等(Krausmann等, 2013)。然而实际情况存在一定局限性, 由于自然灾害的偶发性, 对高危化学品生产存储、核电站等重点设施的规划和灾害风险准备, 往往面临着可用于危险事故和关键设备损坏模式分析的数据稀缺问题。为解决此类问题, 目前已逐渐探索出不同的技术途径, 如Renni等(2010)通过制定评估此类风险的一般框架、收集过去事故和设备预期损坏数据, 确定由地震等自然灾害引起的设备失效模式和损坏状态, 获得预期的遏制损失强度值。
为在震后恢复重建过程中有效减少环境污染和生态灾害风险, 一方面需做好恢复重建中的环境与生态规划, 另一方面需做好对环境与生态风险的动态监控和评价。对于震后恢复重建的规划, 需科学有效地规划和分析技术支持, 如可进行地震灾害的社会脆弱性分析, 尤其是考虑灾害的进程突变和空间区域差异等(Zhang等, 2017)。另外, 可采用类似于以地震烈度衡量某一地区受灾害的影响程度, 建立地震灾害对环境影响程度的评价方法, 如基于环境的地震烈度表(Environmental Seismic Intensity scale, ESI)。同时, 生态关的生态足迹(Ecological Footprint, EF)和生态承载力(Ecological Carrying Capacity, ECC)也可为震后区域的可持续发展和灾后恢复程度、未来发展水平提供评估依据。在震后清理及恢复重建过程中, 对垃圾特别是潜在污染源的处理需要应对部门给予足够关注(Bird等, 2011), 需对大量从临时储存地转移到永久储存地的垃圾进行检测, 以确保污染源和受污染的材料不被简单回收或不当处置。对于靠近工业园区的人类居住区和生态保护区, 则需建立长效规范的土壤、地表水和地下水污染监测机制。
强化管理措施同样是切实减少地震灾害对环境与生态影响的重要方面, 尽可能地减少甚至避免人为管理或操作失误, 对于遏制地震灾害对环境与生态的影响同样有效。Chernov等(2016)调查表明, 2011年东日本9.0级地震造成的福岛核危机中, 由于初期未采取果断有效的应急处置办法、核电站运行状况信息传递失真等问题, 导致未能及时采取足够的危机应对措施。同样在此次地震中, Krausmann等(2013)发现由于人为失误导致地震引发的大火摧毁了千叶炼油厂17个液化石油气储罐, 爆炸造成的碎片损坏了附近沥青储罐, 并导致沥青渗漏到海洋中。这些人为因素在一定程度上导致了严重危机的发生, 最终对环境与生态造成不可逆的影响。福岛核事故独立调查委员会给出的结论是:“福岛第一核电站的事故不能被视为自然灾害, 这是一场深刻的人为灾难, 是本可以而且应该被预见和预防的”。对灾害客观预判的失误、事件初期对小事故的忽视甚至隐瞒、政府内部及外部风险沟通的失败都是导致福岛核危机发生并最终影响生态和环境的重要人为因素。
4. 讨论
本文从地震及其链生灾害对环境与生态的影响角度出发, 总结了近年来国内外发生的重大地震灾害造成的环境与生态影响案例。在这些案例中, 除地震直接造成的重大人员伤亡和经济损失外, 地震及其链生灾害还造成水、土壤、大气和固体废弃物的严重环境污染, 也可导致土壤侵蚀、耕地退化、动物栖息地丧失、生物多样性退化等生态灾难。由于环境与生态对人类经济社会的可持续发展极为关键, 地震及其链生灾害对环境与生态的影响应引起足够重视。由地震灾害影响环境与生态的机理分析可知, 地震灾害链引起的次生灾害和衍生灾害是影响环境与生态的重要因素。地震灾害链生机制的复杂性也造成了对环境与生态影响的复杂性。地震及其链生灾害对环境与生态的影响受多种因素调控, 自然地理条件和人类活动的调控作用均较为显著。在遏制地震及其链生灾害对环境与生态影响的措施及震前土地规划利用中, 均需做好化危品等环境污染高风险源的规划、选址、监控, 且需尽量规避生态核心区和江河水域沿线化危品工业布局。在震后恢复重建中, 需同时做好环境与生态规划, 并对环境与生态风险进行动态监控与跟踪评价。
我国经济社会正处于高速发展阶段, 快速的城市化和经济增长导致资产价值和暴露于地震灾害的GDP出现大规模时空变化, 即向地震高危险区快速集中。这种集中造就了地震自身的高风险态势, 也造成了对环境与生态影响的高风险。Wu等(2017)研究表明, 2010年中国资产价值的15.4%和中国国内生产总值的14.1%位于地震高风险区, 分别为15.9、6.2万亿元人民币, 1990—2010年, 这种集中的年均增长率分别高达14.4%和11.3%。其中, 暴露度增长率最快的为华北地区和地震发生率较高的青藏高原地区, 这两个地区的代表性特征分别为经济规模和人口密集程度大、生态环境脆弱。因此, 有效减轻地震灾害对环境与生态的影响, 将成为今后我国经济社会可持续发展中不得不面临的重要课题。
地震及其链生灾害对环境与生态的影响机理具有高度复杂性。Sapountzaki(2007)通过系统分析社会自身对环境灾害的适应力后提出, 环境风险、自然风险及社会经济风险应是一个有组织、互相联系且相互制约的整体, 任何部分对风险承受力的降低都会加大其他部分的压力。对于关键环节问题, 尤其是对人为因素的研究目前尚未引起广泛重视, 震区特有地质地貌产生的环境与生态灾害放大效应的研究尚存在机理不明、致灾因素不确定等诸多问题。减轻地震灾害, 除开展地震孕育发生机理、监测预测预警技术、地震灾害风险评估(价)、技术装备研发和减灾管理研究外, 还需正确处理人与自然的关系, 在自然科学与社会科学之间搭建桥梁, 同时关注多学科领域的交叉融合, 更深层次地依赖社会管理和科技发展。可以预见的是, 深刻地认识地震灾害尤其是特大地震对环境与生态的破坏作用和链生机制, 并科学地采取监控、评价、规划、断链等措施, 对于经济社会的可持续发展极为关键。
致谢: 本研究得到韩立波研究员、尹凤玲博士、张盛峰博士等的帮助, 研究思路得到高孟潭研究员等专家的指导和启发, 在此一并表示感谢！ -
图 2 浅层人工地震勘探测线与钻孔位置平面图
Figure 2. Position diagram of the shallow seismic exploration lines and the drill holes
图 3 浅层人工地震勘探线、地质调查、地貌测量及钻孔位置平面图
Figure 3. Position diagram of the shallow seismic exploration lines, geological survey, geomorphologic survey, and the drill holes
图 4 跨陡坎的微地貌测量及地质调查结果
Figure 4. The result of micro geomorphic survey across scarp and geological survey
图 5 呼包盆地的沉积层反射图像（酆少英等，2015）
Figure 5. The deposit layer reflection image in Hu-bao basin（Feng et al., 2015）
图 6 兴旺庄浅层人工地震勘探剖面图
Figure 6. Profile of the shallow artificial seismic at Xingwangzhuang village
图 7 苏家湾浅层人工地震反射波叠加时间剖面图
Figure 7. Reflection stacked time profile of the shallow artificial seismic at the Sujiawan village
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