強(qiáng)震破裂面上的不均勻體及其在地震危險(xiǎn)性分析中的應(yīng)用研究

李正芳

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

強(qiáng)震破裂面上的不均勻體及其在地震危險(xiǎn)性分析中的應(yīng)用研究

李正芳

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

不均勻體的概念最初是在地震學(xué)中為了解釋地震波的高頻輻射成份提出來的，用來反映斷層面上應(yīng)力明顯高于周圍的部分。由不均勻體的研究引入的非均勻地震破裂模式，能較好地解釋地震波中的復(fù)雜成份、主震前破裂的成因以及主破裂之后的應(yīng)力集中，因此，不均勻體被認(rèn)為是斷層面上破裂的起始器、阻力器和集中器。根據(jù)不均勻體在地震破裂運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)揮的作用，可分為凹凸體和障礙體2大類進(jìn)行研究。凹凸體可理解為震前斷層面上存在的一些高強(qiáng)度的未發(fā)生破裂的區(qū)域，可為下次地震發(fā)生的起始點(diǎn)或破壞最嚴(yán)重的點(diǎn)。障礙體則被稱為強(qiáng)硬的應(yīng)力集中區(qū)域，可作為斷層破裂段的邊界，起到限制破裂，在極端的情況下還會(huì)終止破裂的作用。目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)破裂段上的不均勻體大多從強(qiáng)震動(dòng)記錄和地震波反演的結(jié)果進(jìn)行研究，從地表破裂方面的信息入手探討不均勻體的方法仍比較缺乏，出于這種角度考慮，本文將在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)研究程度較高的斷裂帶為實(shí)例，研究斷裂帶上不均勻體的識(shí)別方法及相關(guān)特性，并探討其在地震危險(xiǎn)性分析中的應(yīng)用。

1 斷裂帶上凹凸體的識(shí)別

凹凸體被定義為斷裂系統(tǒng)中應(yīng)力積累的強(qiáng)硬閉鎖段，最終以大震的形式釋放其主要能量，在地震破裂模型中被廣泛使用。一般來講，對(duì)已經(jīng)發(fā)生過大震的斷層面上的凹凸體可以由地震波分析和地表位錯(cuò)模型資料聯(lián)合反演的方法確定其大小和位置，而未發(fā)生過地震且地震活動(dòng)較活躍的斷裂帶，如何識(shí)別斷裂帶上的凹凸體至今為止仍是多數(shù)研究者一直討論的問題。本文將著重從地震活動(dòng)性、同震位移分布等方面給出凹凸體的識(shí)別方法。

1．1 地震活動(dòng)性分析

本文對(duì)龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶上1970年以來記錄的小震數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集、整理和分析，采用了基于matlab平臺(tái)的zmap軟件，去除了斷裂帶上的叢集數(shù)據(jù)和余震，劃定了有效地震數(shù)據(jù)的時(shí)間和震級(jí)范圍，通過最大似然法求取了斷裂帶所在區(qū)域的b值分布圖。基于b值大小與應(yīng)力高低成反比的原理，通過斷裂帶上低b值區(qū)識(shí)別凹凸體的位置。在龍門山斷裂帶，通過低b值區(qū)識(shí)別出的現(xiàn)凹凸體的位置與汶川地震發(fā)生前所處的起始破裂位置和極震區(qū)的位置基本保持一致；而鮮水河斷裂帶由于受到小震數(shù)據(jù)的限制，部分段缺失b值分布，但整條斷裂帶仍可清晰識(shí)別出凹凸體位置，且1725年以來的歷史強(qiáng)震和1970年以來5級(jí)以上的歷史地震基本上都位于此區(qū)域。從斷裂帶的實(shí)例分析結(jié)果反映，利用小震數(shù)據(jù)通過最大似然法計(jì)算b值分布圖，其相對(duì)低b值區(qū)與歷年強(qiáng)震發(fā)生的位置存在較大的相關(guān)性，說明了利用低b值區(qū)識(shí)別凹凸體方法的可行性和實(shí)用性。

1．2 基于地表破裂同震位移數(shù)據(jù)建立了凹凸體模型

通過收集、整理和分析中國(guó)西部10條以走滑地震為主的破裂帶的同震位移數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法擬定了凹凸體模型，建立了地表破裂參數(shù)與凹凸體模型參數(shù)之間的關(guān)系，是目前國(guó)內(nèi)外利用地表破裂資料建立凹凸體模型的首次嘗試。本模型可據(jù)不同斷層的地表破裂位移值，給出其斷裂帶上最大凹凸體和所有凹凸體占斷層破裂長(zhǎng)度或破裂面積的比值，但該模型受到建模時(shí)同震位移數(shù)據(jù)的限制，利用該模型計(jì)算斷裂帶上凹凸體的大小時(shí)，需滿足2個(gè)條件：一是斷裂帶上有較詳細(xì)的地表破裂位移數(shù)據(jù)；二是該斷裂帶上地表破裂位移的最大值Dmax與地表破裂的平均位移值Dave的比值Dmax／Dave需小于等于3。

基于擬合的模型，以汶川地震和昆侖山地震為例，識(shí)別了該破裂帶上凹凸體的位置和大小，發(fā)現(xiàn)與前人地震波反演得到結(jié)果基本吻合。研究表明，本文建立的模型與前人的模型在識(shí)別斷裂帶上的凹凸體方面都具有實(shí)用性，區(qū)別在于，前人的模型是基于地震發(fā)生后，通過強(qiáng)震動(dòng)反演得到的；而本模型是基于地表破裂位移的基礎(chǔ)擬合而成的，對(duì)于那些具有歷史地震和古地震破裂位移數(shù)據(jù)，而未有詳細(xì)地震動(dòng)記錄的斷裂帶，本模型更具有實(shí)用性。尤其是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可利用地面LIDAR技術(shù)識(shí)別出高清晰度地表破裂位移數(shù)據(jù)，使得該模型在識(shí)別凹凸體方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，本文擬合的模型為斷裂帶上凹凸體的識(shí)別提供了一種新途徑，為判定斷裂帶上的強(qiáng)震危險(xiǎn)性提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

2 斷裂帶上障礙體的識(shí)別

地震發(fā)生時(shí)，巖層破裂并出現(xiàn)局部的滑動(dòng)，但仍有未滑動(dòng)即未受破壞的高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)，震后該區(qū)域上的應(yīng)力強(qiáng)度大于周圍斷層面上的應(yīng)力強(qiáng)度，這種塊體部分稱為障礙體。當(dāng)?shù)卣鸬钠屏褌鞑ビ龅秸系K體時(shí)，障礙體可能被破壞，也可能在破裂通過后未破壞，或當(dāng)時(shí)雖未破壞，后期隨著周圍的動(dòng)應(yīng)力即構(gòu)造應(yīng)力與障礙體強(qiáng)度值比值的增加，最終發(fā)生破壞，而破裂通過時(shí)是否發(fā)生破壞，取決于障礙體區(qū)域的大小及其自身的抗應(yīng)力強(qiáng)度。

文中以汶川地表破裂帶和東昆侖斷裂帶為例，研究斷裂帶幾何結(jié)構(gòu)與障礙體的關(guān)系。認(rèn)為破裂帶存在的拉分階區(qū)、擠壓階區(qū)、斷裂的交匯處、斷裂的急劇拐彎處等特殊構(gòu)造部位及其同震位移趨勢(shì)呈現(xiàn)突然下降拐點(diǎn)或波谷的位置，都可視障礙體存在的地方，根據(jù)其是否完全阻止破裂擴(kuò)展，進(jìn)一步劃分為持久性障礙體和非持久性障礙體。

通過收集大量國(guó)內(nèi)外的震例，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法分震級(jí)檔給出了限制破裂傳播的障礙體的止裂尺度，當(dāng)走滑地震的震級(jí)介于6．0～6．9之間，階區(qū)的最小止裂寬度為3 km；走滑地震的震級(jí)介于7．0～7．5之間，階區(qū)的最小止裂寬度為4 km；當(dāng)震級(jí)介于7．5～8．0之間，階區(qū)的最小止裂寬度為6 km；當(dāng)震級(jí)介于8．0～8．5之間時(shí)，階區(qū)的最小止裂寬度為8 km，且拉分階區(qū)比擠壓階區(qū)更容易被破裂所貫通。

3 考慮不均勻性的潛在震源區(qū)強(qiáng)震復(fù)發(fā)行為的地震危險(xiǎn)性分析

在目前的科學(xué)認(rèn)識(shí)水平下，地震的發(fā)生及地震動(dòng)特性都具有一定的不可預(yù)見性，必須以概率的方式來表達(dá)對(duì)未來地震及地震動(dòng)的預(yù)測(cè)，即為概率地震危險(xiǎn)性分析。潛在震源區(qū)作為概率地震危險(xiǎn)性分析方法中一個(gè)十分重要的概念，其邊界、震級(jí)上限及其地震活動(dòng)性參數(shù)是決定地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果的關(guān)鍵因素。最早提出潛在震源區(qū)概念時(shí)，有一個(gè)很重要的假定，就是潛在震源區(qū)內(nèi)各處地震發(fā)生概率是均勻的。其后在國(guó)際上采用概率地震危險(xiǎn)性方法編制的區(qū)劃圖一般均沿用了這一假設(shè)，而且我國(guó)國(guó)標(biāo)“重大工程地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范”（GB17741-2005）中，也是采用均勻模型來描述潛在震源區(qū)地震的發(fā)生特征的。事實(shí)上，在地震危險(xiǎn)性分析工作中，潛在震源區(qū)劃分的規(guī)模較大，可達(dá)幾百乃至幾千平方千米，比如鮮水河斷裂帶中的潛在震源區(qū)的劃分就是一個(gè)例子，該斷裂帶劃分為北段、中段和南東段，四代區(qū)劃圖編圖組將其劃分為3個(gè)MS8．0的潛在震源區(qū)，這種均勻的分布會(huì)造成地震危險(xiǎn)性的“稀釋”，從而降低了對(duì)地震危險(xiǎn)性的估計(jì)。

目前隨著對(duì)斷裂帶的強(qiáng)震復(fù)發(fā)行為定量研究的深入，在地震區(qū)劃與工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作中，考慮活動(dòng)斷裂破裂的復(fù)發(fā)行為來劃分潛在震源區(qū)和確定地震活動(dòng)性參數(shù)是當(dāng)前國(guó)際上流行的趨勢(shì)。鑒于地震孕育和發(fā)生的復(fù)雜性，目前不可能有一個(gè)統(tǒng)一的模型來描述大陸內(nèi)部強(qiáng)震的復(fù)發(fā)行為，在地震危險(xiǎn)性分析中，需要在多活動(dòng)斷裂段的復(fù)發(fā)行為研究的基礎(chǔ)上，建立具體的地震復(fù)發(fā)模型。本論文以具體斷裂帶為研究對(duì)象，建立適合研究區(qū)的發(fā)震概率模型，給出潛在震源區(qū)內(nèi)地震年發(fā)生率的確定方法，并將斷裂帶上識(shí)別出的不均勻體融入到潛在震源區(qū)的劃分中，勾畫出潛在震源區(qū)中不均勻體的邊界并計(jì)算其震級(jí)上限，充分反映出潛在震源區(qū)內(nèi)各處地震發(fā)生概率的不均勻性。

3．1 潛在震源區(qū)的強(qiáng)震復(fù)發(fā)概率模型

通過收集、整理和分析青藏高原東北部22條斷裂帶上古地震數(shù)據(jù)，擬定了該區(qū)的地震復(fù)發(fā)概率密度函數(shù)。根據(jù)此函數(shù)可計(jì)算出對(duì)區(qū)內(nèi)斷裂帶未來百年內(nèi)強(qiáng)震原地復(fù)發(fā)的條件概率。論文中將本文擬合的模型與目前通用的發(fā)震模型計(jì)算的概率值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)通用模型的自變量t／R越接近1的時(shí)候，計(jì)算的復(fù)發(fā)概率值P增長(zhǎng)的幅度不如本文擬合模型敏感。因此，對(duì)于古地震數(shù)據(jù)研究程度較高的斷裂帶，利用本文擬合的模型評(píng)價(jià)其未來大震的危險(xiǎn)性可能更為準(zhǔn)確，尤其是對(duì)平均復(fù)發(fā)間隔小，離逝時(shí)間長(zhǎng)的段；而目前通用的復(fù)發(fā)模型針對(duì)那些古地震研究程度較低的斷裂帶，復(fù)發(fā)間隔較長(zhǎng)的段落，可能更適用。

3．2 潛在震源區(qū)震級(jí)上限估算的不確定性

活動(dòng)斷裂定量研究的資料在評(píng)價(jià)特定斷裂上的強(qiáng)震危險(xiǎn)性方面發(fā)揮了較大的作用，但受種種條件的制約不是每一條活動(dòng)斷裂上都可輕易獲取所需的定量數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)本身通常含有較大的不確定性?；顒?dòng)斷層長(zhǎng)度作為活動(dòng)斷層定量數(shù)據(jù)之一相比其他的數(shù)據(jù)較容易獲得，不確定性較小，因而，利用斷層破裂長(zhǎng)度估算震級(jí)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系被廣泛地應(yīng)用于潛在震源區(qū)的震級(jí)上限的評(píng)估中。文中收集了青藏高原區(qū)7級(jí)以上以走滑為主的30個(gè)地震地表破裂參數(shù)資料，擬合出青藏高原區(qū)新的震級(jí)與破裂帶長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，并結(jié)合前人的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，分別通過破裂帶長(zhǎng)度估算震級(jí)，求出估算震級(jí)與儀器震級(jí)的差值，把差值為正值（即估算震級(jí)偏大）的歸為一類，差值為負(fù)值（估算震級(jí)偏小）的歸為一類作分析和對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)差值為正值的地震所處的走滑斷裂帶一般位于一級(jí)塊體或次級(jí)塊體的邊界斷裂帶上，差值為負(fù)值的地震所處的走滑斷裂帶大多位于一級(jí)塊體或次級(jí)塊體內(nèi)部斷裂帶或斷裂帶的交匯處?；谏鲜龇诸惖牟町悾髡邔?duì)不同研究者擬合的回歸關(guān)系計(jì)算的差值數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分別給出了修正計(jì)算結(jié)果不確定性的參考值，為降低估算震級(jí)的不確定性提供了理論依據(jù)。

3．3 潛在震源區(qū)的劃分及危險(xiǎn)性計(jì)算

文中以具體實(shí)例的形式給出鮮水河斷裂帶潛在震源區(qū)中凹凸體的位置和大小。四代區(qū)劃圖編圖組將鮮水河斷裂帶劃分為爐霍、道孚和康定3個(gè)MS8．0的潛在震源區(qū)，劃分的依據(jù)主要是鮮水河斷裂的發(fā)震構(gòu)造標(biāo)志、幾何分段特征及歷史地震和古地震數(shù)據(jù)來確定的。而論文中提供的基于不均勻性的潛在震源區(qū)劃分圖，對(duì)潛在震源區(qū)的邊界范圍的確定仍按以前研究者提供的原則和方法，只是在其已有的潛在震源區(qū)范圍內(nèi)通過識(shí)別其上的凹凸體，進(jìn)一步細(xì)化潛在震源區(qū)內(nèi)應(yīng)力不均勻性。首先利用小震活動(dòng)給出的應(yīng)力分布圖，勾畫出邊界，然后按照論文中擬合的凹凸體模型，計(jì)算了相應(yīng)各個(gè)潛在震源區(qū)中凹凸體的大小。爐霍潛在震源區(qū)中凹凸體A的長(zhǎng)度為60．71 km，道孚潛在震源區(qū)中凹凸體B的長(zhǎng)度為38．13 km，由于康定潛源中凹凸體C所在的斷裂帶的同震位移分布形態(tài)不易識(shí)別，文中只按照應(yīng)力的不均勻性，勾畫出邊界，長(zhǎng)度約78 km。最后利用論文中建立的的凹凸體的長(zhǎng)度L與震級(jí)MS的回歸關(guān)系式，同時(shí)考慮回歸擬合關(guān)系和鮮水河斷裂帶特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的不確定性，分別求出凹凸體A、B、C的對(duì)應(yīng)的震級(jí)MS的震級(jí)上限分別為7．6級(jí)、7．3級(jí)、7．8級(jí)，并利用復(fù)發(fā)概率模型計(jì)算了相應(yīng)的3個(gè)凹凸體未來百年的年發(fā)生率，分別為5．558E-03、1．6693E-02和5．91E-04。

不均勻體；凹凸體；障礙體；地震活動(dòng)性分析；同震位移分布；地表破裂結(jié)構(gòu)；強(qiáng)震原地復(fù)發(fā)模型；震級(jí)上限；發(fā)震概率；潛在震源區(qū)的劃分

（作者電子信箱，李正芳：lizhengfang07＠163．com）

P315．3；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．09．012