考慮斷層震源的南天山—帕米爾地區(qū)地震危險(xiǎn)性模型協(xié)調(diào)統(tǒng)一研究①

李昌瓏， 高孟潭

(1. 中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)能夠造成建筑物破壞，導(dǎo)致地震災(zāi)害。開展概率地震危險(xiǎn)性分析(Probabilistic Seismic Hazard Assessment, PSHA)[1]研究，產(chǎn)出地震危險(xiǎn)性區(qū)劃圖，可作為建筑抗震設(shè)防的依據(jù)，有效減輕地震災(zāi)害。南天山—帕米爾地區(qū)地處歐亞大陸中部，位于歐亞地震帶上，是構(gòu)造作用強(qiáng)烈的地區(qū)。該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性分析研究對(duì)提升抵御地震災(zāi)害的能力、降低地震風(fēng)險(xiǎn)有重要的意義。

圖1 中亞地區(qū)50年超越概率10%的烈度分布圖[7]Fig.1 Seismic hazard map of Central Asia of intensity with 10% probability of exceedance in 50 years[7]

Danciu et al.[8]依托“中東地震模型(Earthquake Model of the Middle East, EMME)項(xiàng)目”對(duì)中東地區(qū)進(jìn)行了PSHA研究，研究范圍包括從土耳其到巴基斯坦的廣大地區(qū)。該研究將斷層震源模型和面源模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，產(chǎn)出了該地區(qū)50年超越概率10%的峰值加速度(PGA)分布圖(圖2)。

圖2 中東地區(qū)50年超越概率10%PGA的地震危險(xiǎn)性圖[8]Fig.2 Seismic hazard map of the Middle East of PGA with 10% probability of exceedance in 50 years[8]

中國2015年發(fā)布了第5代《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[9]，對(duì)全國開展了PSHA研究，給出了全國重現(xiàn)期475年的地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖。

南天山—帕米爾地區(qū)位于以上3個(gè)研究區(qū)域的交界部，不同研究對(duì)該地區(qū)給出的地震危險(xiǎn)性結(jié)果有所差異。因此，有必要對(duì)該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性模型進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一。該地區(qū)發(fā)育眾多大型的活動(dòng)斷層，有必要考慮大地震斷層破裂面尺度對(duì)地震危險(xiǎn)性的影響。針對(duì)上述問題，在已有研究的基礎(chǔ)上給出南天山—帕米爾地區(qū)考慮斷層震源模型的地震危險(xiǎn)性結(jié)果。

1 南天山—帕米爾地區(qū)地震危險(xiǎn)性模型協(xié)調(diào)統(tǒng)一研究

1.1 中亞、中東、中國的潛在震源區(qū)模型

中亞、中東和中國已有的地震危險(xiǎn)性研究都對(duì)各自區(qū)域劃分了面源潛在震源區(qū)。其中，中亞模型[7]采用2級(jí)潛源劃分思路。將中亞地區(qū)劃分為10個(gè)地震帶，再在每個(gè)地震帶內(nèi)劃分潛在震源區(qū)，共劃分131個(gè)潛在震源區(qū)。考慮的震級(jí)范圍從MS4.0～9.0。圖3為中亞的潛在震源區(qū)劃分(粗紅線為地震帶，細(xì)紅線為潛在震源區(qū))。

圖3 中亞潛在震源區(qū)劃分示意圖Fig.3 Seismogenic sources of Central Asia

中東地震模型[8]將中東地區(qū)的潛在震源區(qū)劃分為3個(gè)構(gòu)造類型：活動(dòng)淺層地殼(Active Shallow Crust, ASC)、穩(wěn)定大陸地殼(Stable Continental Crust, SCC)、板內(nèi)俯沖帶(Subduction Intraslab, SI)。上述3個(gè)類型的震源區(qū)分別在中東地區(qū)劃分了213個(gè)、11個(gè)和6個(gè)。EMME的模型示意圖(圖4，白色區(qū)域?yàn)锳SC，淺灰色區(qū)域?yàn)镾CC，深色區(qū)域?yàn)镾I)。

圖4 EMME模型示意圖Fig.4 Seismogenic sources of EMME model

中國潛在震源區(qū)模型采用地震統(tǒng)計(jì)區(qū)、地震構(gòu)造區(qū)、潛在震源區(qū)3級(jí)劃分[10]，將全國劃分為29個(gè)地震統(tǒng)計(jì)區(qū)(地震帶)、444個(gè)背景源(SBG)和1 199個(gè)構(gòu)造源(SST)。中國潛源模型如圖5所示。

圖5 中國潛在震源區(qū)劃分圖Fig.5 Seismogenic sources of China

1.2 潛源模型的協(xié)調(diào)統(tǒng)一

上述3個(gè)潛源劃分方案在南天山—帕米爾地區(qū)的潛源分布見圖6(圖中藍(lán)色邊框?yàn)橹袊Ｐ?，紅色邊框?yàn)橹衼喣Ｐ?，黑色邊框?yàn)橹袞|模型)。為了協(xié)調(diào)統(tǒng)一3個(gè)模型，采取以下方法：

在脫貧攻堅(jiān)進(jìn)程中，除了改善農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)條件外，基層村委會(huì)（社區(qū)）還應(yīng)該引導(dǎo)樹立以愛情為基礎(chǔ)的擇偶觀。現(xiàn)階段，農(nóng)村女青年過分看重男方的經(jīng)濟(jì)條件，而忽略了婚姻締結(jié)的重要紐帶——愛情。在過于物化和商品化擇偶觀的沖擊下，往往會(huì)因?yàn)榛橐鲭p方缺乏同甘同苦的奮斗目標(biāo)，以至于在婚姻生活中遇到一點(diǎn)挫折就會(huì)分手或者離婚。因此，建議采用講座、板報(bào)、文娛節(jié)目等形式在各村（社區(qū)）宣傳正確的擇偶觀和愛情觀，樹立社會(huì)主義農(nóng)村婚姻新風(fēng)尚。

圖6 3個(gè)潛源劃分方案在南天山—帕米爾地區(qū)的潛源分布示意圖Fig.6 Seismogenic sources of the three models in South Tienshan—Pamir Area

(1) 刪除重疊潛源

在潛源重疊區(qū)域僅保留1家模型的潛源劃分。根據(jù)數(shù)據(jù)來源豐富優(yōu)先原則，保留潛源數(shù)據(jù)最詳細(xì)、劃分依據(jù)最充分的潛源。刪除重疊后的研究區(qū)域潛源劃分(圖7)。

圖7 刪除重疊后的潛源劃分示意圖Fig.7 Seimogenic sources after deleting overlapped ones

(2) 拼合形狀

刪除整塊重疊的潛在震源區(qū)后，繼續(xù)微調(diào)部分潛源的邊界，消除各潛源之間的縫隙和局部重疊，使各潛源無重疊、無縫隙地拼合于地表(圖8，黑色框?yàn)槟咸焐健撩谞柕貐^(qū))。

圖8 拼合形狀后的潛源劃分示意圖Fig.8 Seimogenic sources after sewing edges

(3) 調(diào)整地震活動(dòng)性參數(shù)

EMCA和EMME模型中各震源區(qū)的地震活動(dòng)性參數(shù)為G-R關(guān)系[11]中的a值和b值。拼合形狀使一些震源區(qū)的面積發(fā)生了變化。對(duì)于這些震源區(qū)，調(diào)整后的a值a′按照(1)式計(jì)算：

(1)

式中，a為調(diào)整前的a值，S和S′分別為調(diào)整前后的面積。對(duì)于面積變化的潛源，調(diào)整后的地震發(fā)生率p′，

(2)

式中，p為調(diào)整前地震發(fā)生率，S和S′分別為調(diào)整前后的面積。

圖9 協(xié)調(diào)統(tǒng)一后的研究區(qū)域潛源劃分圖Fig.9 Seimogenic sources after harmonization in the study area

1.3 協(xié)調(diào)統(tǒng)一模型的地震危險(xiǎn)性計(jì)算

使用協(xié)調(diào)統(tǒng)一后的潛源模型計(jì)算南天山—帕米爾地區(qū)的概率地震危險(xiǎn)性。其中面源使用的地震動(dòng)衰減關(guān)系模型為俞言祥等[12]提出的5代圖新疆分區(qū)衰減關(guān)系模型，衰減關(guān)系，

lgY=A+BM+Clg(R+DeEM).

(3)

式中，Y為地震動(dòng)參數(shù)，M為震級(jí)，R為震中距，A、B、C、D、E為衰減系數(shù)。

對(duì)帕米爾中深源使用的地震動(dòng)衰減關(guān)系參照EMME模型[8]，使用Zhao et al.[13]、Youngs et al.[14]、Atkinson and Boore[15]和Akkar et al.[16]4種衰減關(guān)系各取25%權(quán)重的地震動(dòng)衰減關(guān)系方案。

使用上述衰減關(guān)系計(jì)算南天山—帕米爾地區(qū)50年超越概率10%的PGA分布(圖10)，由圖10可見，南天山西段是研究區(qū)域內(nèi)地震危險(xiǎn)性較高的地區(qū)。

2 南天山—帕米爾斷層潛在震源區(qū)模型的建立

2.1 斷層源模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定

南天山—帕米爾地區(qū)的主要活動(dòng)斷層分布如圖11所示。本文中建立的斷層潛在震源區(qū)模型基于斷層線的位置，參數(shù)包括傾角、震源深度范圍、破裂長寬比、震級(jí)上限、b值、滑動(dòng)速率等。國內(nèi)部分的斷層及其結(jié)構(gòu)參數(shù)、滑動(dòng)速率等數(shù)據(jù)來自《新疆及鄰區(qū)地震構(gòu)造圖》[17]，國外部分來自中東地震模型[8]。在研究區(qū)域內(nèi)共建立了165個(gè)斷層潛在震源區(qū)。由于有明確發(fā)震斷層的地震通常MS≥6.5，本文中設(shè)定斷層源的起算震級(jí)為MS6.5。MS6.5以下的地震仍計(jì)入面源的地震活動(dòng)性參數(shù)。

圖11 南天山—帕米爾斷層分布示意圖Fig.11 Faults distribution in South Tianshan—Pamir area

斷層面的范圍根據(jù)斷層線、傾角和震源深度范圍確定。斷層源的b值選取斷層所在地震帶的b值。使用Anderson and Luco[18]提出的斷層滑動(dòng)速率和地震發(fā)生率的關(guān)系式計(jì)算斷層源的地震活動(dòng)性,

(4)

式中，M為震級(jí)上限，d為滑動(dòng)速率，b為G-R關(guān)系[16]中的b值，μ為剪切模量，S為斷層面面積，M0為M級(jí)地震的地震矩。用該式可得到M級(jí)地震的復(fù)發(fā)周期T，進(jìn)一步可計(jì)算得到G-R關(guān)系中的a值，

(5)

2.2 斷層源模型地震危險(xiǎn)性算法

斷層源模型的地震危險(xiǎn)性算法與面源算法類似，也包括潛源離散化、讀取場(chǎng)點(diǎn)距離參數(shù)、根據(jù)衰減關(guān)系計(jì)算地震動(dòng)、積分計(jì)算概率地震危險(xiǎn)性等步驟[19]。與面源模型不同的是，讀取場(chǎng)點(diǎn)距離參數(shù)為斷層破裂距Rrup，即場(chǎng)點(diǎn)到斷層破裂面的最短距離[20]。為讀取Rrup，需要對(duì)離散化后的每個(gè)子源根據(jù)所計(jì)算的震級(jí)生成地震破裂面。

關(guān)于破裂面面積的確定，耿冠世和俞言祥[21]對(duì)中國西部大地震的震級(jí)和破裂面尺度的關(guān)系進(jìn)行了研究，選取的地震包括2003年中俄蒙交界的MS7.9地震、2001年昆侖山口西MS8.1地震等。該研究表明中國西部大地震的震級(jí)-破裂面尺度的關(guān)系與Wells and Coppersmith[22]提出的震級(jí)-破裂面尺度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系接近。因此，本文中使用Wells and Coppersmith經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算破裂面面積，再進(jìn)一步根據(jù)破裂面長寬比計(jì)算破裂面的長和寬。

斷層震源模型地震危險(xiǎn)性計(jì)算使用地震動(dòng)衰減關(guān)系應(yīng)為以Rrup為距離參數(shù)的衰減關(guān)系。參照中東地震模型的斷層源計(jì)算方法，選取Akkar et al.[16]、Akkar and Cagnan[23]、Chiou and Youngs[24]、Zhao et al.[13]4種衰減關(guān)系各25%權(quán)重。

研究區(qū)面源和斷層源的潛源分布(圖12)。在進(jìn)行面源和斷層源結(jié)合地震危險(xiǎn)性計(jì)算時(shí)，對(duì)內(nèi)部有斷層源分布的構(gòu)造類面源(SST)，其震級(jí)上限調(diào)整為MS6.5。即MS≤6.5的地震發(fā)生率不變，MS≥6.5的地震只存在于斷層源，地震活動(dòng)性參數(shù)根據(jù)(4)式和(5)式計(jì)算。

圖12 面源和斷層源疊加的潛源分布示意圖Fig.12 Seismoginic sources with both areas and fault sources

2.3 斷層源結(jié)合面源模型的地震危險(xiǎn)性計(jì)算

使用面源和斷層源疊加的模型繪制研究區(qū)50年10%超越概率的PGA分布圖(圖13)，使用斷層源模型后，研究區(qū)內(nèi)地震危險(xiǎn)性最高的地區(qū)為吉爾吉斯—烏茲別克斯坦交界地區(qū)。

圖13 面源和斷層源疊加模型的50年10%超越概率PGA分布圖Fig.13 Seismic hazard map of PGA with 10% probability of exceedance in 50 years using area andfault source model

3 斷層源模型與面源模型的比較

為比較圖10和圖13的地震危險(xiǎn)性結(jié)果，繪制出斷層源面源疊加模型-面源模型(圖14，顯示圖10和圖13地震危險(xiǎn)性結(jié)果的差值)。由圖14可見，使用斷層源模型后，帕米爾和帕米爾高原幾條主要斷裂附近的地震危險(xiǎn)性有所降低。喜馬拉雅地震帶、南天山北坡和中亞地區(qū)的地震危險(xiǎn)性有所升高。其余地區(qū)的2種模型計(jì)算結(jié)果接近。

圖14 斷層源面源疊加模型—面源模型Fig.14 Fault source surface superposition model—surface source model

4 結(jié)論和討論

分析中亞—中東地震危險(xiǎn)性模型和中國模型在南天山—帕米爾地區(qū)的模型特點(diǎn)，重新劃分了面源潛在震源區(qū)并重新確定了新潛源的地震活動(dòng)性參數(shù)。使用南天山—帕米爾地區(qū)的斷層資料建立了斷層震源模型，計(jì)算了斷層震源的地震活動(dòng)性參數(shù)。將面源和斷層源結(jié)合，使用協(xié)調(diào)后的模型計(jì)算了該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性。得出如下結(jié)論：

(1) 使用面源模型時(shí)，南天山西段是南天山—帕米爾地震危險(xiǎn)性較高的地區(qū)。

(2) 使用斷層源疊加面源模型時(shí)，吉爾吉斯—烏茲別克斯坦交界地區(qū)是研究區(qū)內(nèi)地震危險(xiǎn)性最高的地區(qū)。

(3) 使用斷層源模型后，帕米爾和帕米爾高原幾條主要斷裂附近的地震危險(xiǎn)性有所降低。喜馬拉雅地震帶、南天山北坡和中亞地區(qū)的地震危險(xiǎn)性有所升高。其余地區(qū)的2種模型計(jì)算結(jié)果接近。

(4) 使用面源和斷層源的地震危險(xiǎn)性計(jì)算比較結(jié)果表明，使用斷層震源的地震危險(xiǎn)性分析能夠表現(xiàn)大地震在近斷層處地震動(dòng)顯著增大的特征。

本文中使用斷層源和面源疊加模型計(jì)算的地震危險(xiǎn)性結(jié)果在帕米爾—帕米爾地區(qū)比單純使用面源模型的結(jié)果偏小，說明使用斷層滑動(dòng)速率估算的地震活動(dòng)性同真實(shí)的地震活動(dòng)性之間仍存在差異。斷層滑動(dòng)速率與地震活動(dòng)性之間的更精確的內(nèi)在聯(lián)系還需進(jìn)一步研究。