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《中国地震局地质研究所》 2017年
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川滇地区地震危险性预测模型

程佳  
【摘要】:在印度板块对欧亚板块碰撞作用下,我国大陆是全球板内地震灾害最为频繁的地区之一,形成了包括青藏高原及其周缘地震带、天山地震带、山西地震带、华北地震带等多次发生8级强震的地震活动区带。这些地震带频繁活动,在历史上发生了诸如1303年山西洪洞8级地震、1556年陕西华县8.3级地震、1976年唐山7.8级地震、2008年汶川8级地震等特大灾害型地震,并造成了数以万计的人员伤亡。近年来发生的2008年汶川8级地震、2010年玉树7.1级地震、2013年芦山7.0级地震、2014年鲁甸6.5级地震等灾害性地震显示中国大陆目前地震活动水平仍然较高,亟需在中国大陆建立合理的地震危险性预测模型来为防震减灾提供科学依据。如何结合丰富的历史地震目录、活动构造及古地震研究资料、大地测量形变数据等相关资料来建立科学的地震危险性预测模型,是目前建立中国大陆地震灾害模型时的突出问题。在地震断层成因提出后,地震预测也随之进入了快速发展阶段。地震预测也从特征地震模型等早期确定性预报到后期的概率性地震预测模拟,并发展成较为成熟的地震危险性预测模型。这些地震危险性预测模型均可以分为震源区划分、地震-频度关系和分布特征、地震动衰减关系、计算场地地震危险性等四个步骤,并可分为时间相依和时间独立的两种概率预测模型。地震危险性预测模型在全球陆续展开,并成为目前全球地震灾害防御中最为倚重的结果,而近年来包括汶川地震和日本Tohoku地震等特大灾难性地震的发生却超出了这些地震危险性预测模型的结果,也让地震空区理论和准周期模型的合理性受到质疑;在低速率断裂发生强震(如2008年汶川8级地震),以及区域发生超过历史震级的强震等问题需要在新的地震危险性预测模型中得到重视。2016年我国发布的第五代地震动参数区划图也在各个环节存在着很多突出的问题,其中包括了地震目录主要以面波震级M_S为标度,而与断层破裂尺度联系更为紧密的矩震级M_W未有使用;同样在中国大陆震级与破裂参数之间的相互关系上也需要使用M_W震级,断层破裂长度与震级之间的统计关系是否合理也未在其出版的宣贯教材中进行表述;地震发生率的计算上,第五代地震动参数图将震源区分为地震统计区、背景源和构造源。对于中、强地震的分配上侧重于主要断裂的地震发生率,即详细的潜在震源区内地震活动性较高;而对于其它背景源地震发生率的分配上则以经验为主,存在着很大的主观性;分配潜在震源区内地震活动时,多采用历史最大地震作为约束,并使用了代表性震级的方法,这一方法是否会对地震矩释放率产生影响,以及未来是否会发生超过断层破裂段长度或者历史地震最大震级的地震也是需要考虑的问题。如何使用一个更为科学且合理的计算步骤来进行中国大陆地震危险性预测,而非对每个环节经验性处理后进行叠加,是目前亟需解决的问题,也为后续进一步修改该模型和对区域地震危险性预测的深入研究提供基础。基于上述在地震危险性预测模型中的诸多问题,本论文在中国大陆最新出版的构造断裂图基础上,综合分析了中国大陆地震目录、历史地震破裂等资料;并以川滇地区为例,将使用全球地震模型(Global Earthquake Model,GEM)提供的开源软件Open Quake及其主要工具箱HMTK,包括了目录分析、地质数据材料处理、构造应变率分析等对中国大陆地震灾害模型进行分层建构和计算结果分析。一、编译中国大陆统一的M_W震级目录我国拥有3,000年左右的历史地震记录,但在地震危险性分析中需要与断层破裂更为直观的矩震级M_W目录。如何将现有的各种以面波震级M_S为震级尺度的地震目录编译成一个统一的矩震级M_W目录对于地震危险性预测模型至关重要。结合中国M_S地震目录与全球M_W目录(包括了全球质心矩目录:Global CMT目录,和国际地震中心-全球地震模型目录:ISC-GEM目录)中的相同事件,本文提出了约束型正交回归法分三个时间段(1900-1965、1966-1975和1976-2015)和震级大、小两部分(M_S≥7.0和M_S7.0)来推导M_S-M_W之间的统计关系,将无M_W震级值转化为M_W值,并将目录中未有的但却出现在其它目录中的地震,加入到本文最终给出的新M_W目录中。最终统一的M_W目录含有约15,700个4.0级以上地震,较中国M_S目录中增加了4,000余个地震,并远多于全球M_W目录的1,400次地震事件。为了进一步分析目录的完整程度,将中国大陆分为东、西部(以105°E为界)进行统计分析完整性震级和时间,认为中国大陆东部的完整性震级的时间明显早于大陆西部,这与我国东部人口聚集程度以及文明程度相对较高有关。从根据完整性震级和时间计算的震级-频度关系看,中国大陆东部地区地震发生率明显低于西部,而中国大陆东部0.88的b值较西部0.96的b值小。最终给出的M_W目录以及这一完整性震级内的地震和震级-频度关系将被用于本论文中国地震危险性预测模型中。二、中国大陆震级与破裂尺度的统计关系在地震危险性预测模型的地震动模拟时,需要根据震级与破裂参数之间的相互关系得到断层破裂参数;而根据全球地震数据得到的统计关系是否适合于板内地震构造环境下的中国大陆需要进行统计检验。目前基于中国大陆破裂参数给出的震级与破裂参数间关系主要集中在地表破裂的参数与M_S震级上,需要建立适合于中国大陆的矩震级与破裂参数之间的统计关系,以便用于后续的地震危险性预测模型。本文使用了正交回归方法分析了中国大陆90次中、强震的破裂参数,给出了中国大陆东、西部(以105°E为界)各自的震级与破裂参数间统计关系。本文的结果显示中国东部和西部的震级与破裂长度之间的统计关系存在着显著不同。对于中国大陆西部的地震,本文的回归结果与全球数据的回归结果没有明显的统计学差异。中国大陆东部地区走滑型地震占绝大多数,本文给出的中国大陆东部走滑型地震的回归直线斜率明显较西部小。这种差异主要是因为中国大陆西部地震发生在具有较低应力降的弥散板块边界,而中国东部地震发生在具有较高应力降的板内构造环境中。从给出的破裂面积与M_W之间的统计关系看,中国大陆西部走滑型地震M_W≤6.70的M_W与RA间统计关系同样适用于中国大陆东部。三、川滇地区震源模型的建立在对川滇地区的地震灾害模型建立过程中,根据区域构造特征、断裂活动习性和地震分布以及震源机制解特征,将川滇地区及其周边大致分为了11个主要震源分区,即缅甸俯冲带分区、滇西南震源分区、川滇震源分区、东南沿海震源分区、华南震源分区、龙门山震源分区、喜马拉雅震源分区、巴颜喀拉震源分区、羌塘震源分区、西秦岭震源分区、汾渭震源分区。在对地震目录除余震后得到各震源分区的G-R关系,并根据应变率模型计算出各震源分区衰减型G-R关系中的拐角震级m_c。结果显示川滇震源分区、滇西南震源分区和龙门山震源分区的b值分别为0.76、0.87和0.83,显示各震源分区的地震活动性也存在着差异。根据这些G-R关系中的参数,可将每个震源分区的应变率积累量根据衰减型G-R关系转换为各震级档积累频次;并与断层滑动速率根据截断型G-R关系转换成的结果进行对比分析,通过调节震源分区发震层深度与耦合系数乘积,以及断裂滑动速率进行分析,从而对区域应变率所对应的各震级档地震频次进行总量控制;区域应变率给出的G-R关系与震源分区内所有断裂滑动速率给出的G-R关系的差值即为震源分区的背景地震活动性;并根据地震活动性平滑分析结果分配到背景地震发生率上。这一方法与其它模型相比,不仅可以合理地将地震分配到断层活动和背景地震发生率上,还允许震源分区内发生超过历史最大地震的特大地震的小概率事件;而这些特大地震需要被分配到较长地断层上,因此在本文断层模型中仍然保留了大型断裂或其主要部分,没有对断层进行详细分段。四、OpenQuake计算结果的分析与讨论基于所建立的震源模型,利用逻辑树模型中的多个地震动预测方程和OpenQuake计算引擎,并结合了泊松分布的条件概率分布特征,计算了川滇地区未来地震发生所引起的PGA分布特征,其中包括了断层运动引起的PGA预测分布图和背景地震发生率所引起的PGA预测分布图。断层引起的PGA预测分布显示高值主要集中在大型高速断裂带上,如鲜水河-小江断裂带,其周边的PGA值一般均大于0.4 g。这些大型高速断裂带并没有进行详细分段,震源区内的特大强震被分配到这些断裂上,因此这些断裂周边的PGA值较大。断层给出的结果主要反映了长期构造应力加载下,区域主要强震发生的概率,这一过程可能需要较长的时间。因为特大地震的年发生率可能仅为万年一遇或者更低,如龙门山震源区给出的M_(W )8.0地震的发生率仅为6×10~(-5),即1.7万年1次,而与汶川M_(W )7.9同级别地震则约为5000年一遇。通过平滑分析地震活动性所得到的背景地震发生率主要是对历史地震目录的一个反映,也基本上与小区域的复杂构造有着密切的联系。从这一结果看,在川滇地区其结果也基本与断层引起的PGA分布相似,在龙门山断裂带中段、红河断裂带北端附近、滇西南的盈江地区等附近存在高值区,显示地震的弥散分布和小区域的构造复杂性;而在鲜水河断裂带这样的大型走滑断裂带附近,由于断裂单一且清晰,该地区背景地震发生率所引起的PGA值则一般较小。综合两者引起的预测重现期为475年的总PGA分布特征,其结果与背景地震发生率引起的PGA分布相似,预测高值区也基本位于断裂附近,如甘孜-玉树断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带、小江断裂带和红河断裂带等。这一结果与我国第五代地震动参数图比较,本文结果在断裂带附近明显高于第五代地震动参数图给出的结果,分析其主要原因有:(1)着眼于地震模型中对于特大强震的预测,本论文没有利用较小的断层间的分段标志来将断裂划分为多个断层段,而是根据TGR关系和区域应变率模型计算出的最大可能地震以及各震级档的地震发生率来分配,并将这些地震分配到大型断裂上。相较于第五代地震动参数图根据断层分段并根据经验统计关系来给出最大震级,或者依据历史地震最大震级来给出相应值;本论文预测的最大震级、断层破裂长度所能承载的最大震级均较大,因此计算结果明显较大,所引起了断层周边预测PGA值也较大。从地震频次看,川滇震源分区、滇西南震源分区在强震发生率上也较第五代地震动区划图高,而龙门山震源分区则较第五代地震动区划图低,因此在川滇震源分区和滇西南震源分区,本文结果较第五代地震动区划图的PGA预测高值更为明显。另外第五代地震动参数图在分析潜在震源区地震空间分布时,采用了代表性震级的方法。这一方法也将降低第五代地震动参数区划图中总的地震矩释放量;尤其是在大震级档时;本文以0.1为震级档,相应地模拟出的地震矩释放率更接近现实情况。从PGA预测值的形状看,本文的结果基于断裂错动和背景地震发生率的叠加而得到,这样其形状在很多地区并不与小区域内主要断层呈现较高的吻合;而第五代地震动参数图主要基于潜在震源区展开,几乎所有的强震都被分配到潜在震源区内,因此其结果与断层的吻合程度更高。与全球地震灾害评估项目(Global Seismic Hazard Assessment Program,GSHAP)结果相比,本文结果与GSHAP给出的结果相似程度高,但也存在着很大的差异。GSHAP过度强调了高速滑动断裂及其强震活动性的影响,而对于一些低速或者次要活动断裂带的作用有所弱化,如龙门山断裂带、红河断裂带、马边断裂带、虎牙断裂带等地区。由于同样采用了潜在震源区的方式,GSHAP与第五代地震动参数图一样,与断裂带的吻合程度较本文结果要高。从上述结果看,本文结合断层滑动速率以及背景地震发生率来研究地震危险性预测模型的方法,既考虑到断裂的滑动在区域地震中的支配作用,也照顾到板内地震发生的弥散性,区域块体内部断裂的复杂性等特点,相较于第五代地震动参数图的结果,与实际的地震分布符合程度更高。综合上述结果,本论文给出的结果较前面的模型在方法上进行了改进。在这一过程中仍然存在着诸多不确定性和不可避免的误差。本结果在前期资料准备、地震灾害模拟的标准化处理和科学计算过程、以及计算结果与现有第五代地震动参数区划图和全球地震灾害图的对比方面都具有较大的合理性,也为后期逐渐改善现有的模型提供了基础。
【学位授予单位】:中国地震局地质研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P315

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