強震破裂面上的不均勻體及其在地震危險性分析中的應用研究

李正芳

（中國地震局地質研究所，北京100029）

強震破裂面上的不均勻體及其在地震危險性分析中的應用研究

李正芳

（中國地震局地質研究所，北京100029）

不均勻體的概念最初是在地震學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雜成份、主震前破裂的成因以及主破裂之后的應力集中，因此，不均勻體被認為是斷層面上破裂的起始器、阻力器和集中器。根據不均勻體在地震破裂運動過程中發揮的作用，可分為凹凸體和障礙體2大類進行研究。凹凸體可理解為震前斷層面上存在的一些高強度的未發生破裂的區域，可為下次地震發生的起始點或破壞最嚴重的點。障礙體則被稱為強硬的應力集中區域，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終止破裂的作用。目前為止，國內外學者對破裂段上的不均勻體大多從強震動記錄和地震波反演的結果進行研究，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上，以國內研究程度較高的斷裂帶為實例，研究斷裂帶上不均勻體的識別方法及相關特性，并探討其在地震危險性分析中的應用。

1 斷裂帶上凹凸體的識別

凹凸體被定義為斷裂系統中應力積累的強硬閉鎖段，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，對已經發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模型資料聯合反演的方法確定其大小和位置，而未發生過地震且地震活動較活躍的斷裂帶，如何識別斷裂帶上的凹凸體至今為止仍是多數研究者一直討論的問題。本文將著重從地震活動性、同震位移分布等方面給出凹凸體的識別方法。

1．1 地震活動性分析

本文對龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶上1970年以來記錄的小震數據進行了收集、整理和分析，采用了基于matlab平臺的zmap軟件，去除了斷裂帶上的叢集數據和余震，劃定了有效地震數據的時間和震級范圍，通過最大似然法求取了斷裂帶所在區域的b值分布圖。基于b值大小與應力高低成反比的原理，通過斷裂帶上低b值區識別凹凸體的位置。在龍門山斷裂帶，通過低b值區識別出的現凹凸體的位置與汶川地震發生前所處的起始破裂位置和極震區的位置基本保持一致；而鮮水河斷裂帶由于受到小震數據的限制，部分段缺失b值分布，但整條斷裂帶仍可清晰識別出凹凸體位置，且1725年以來的歷史強震和1970年以來5級以上的歷史地震基本上都位于此區域。從斷裂帶的實例分析結果反映，利用小震數據通過最大似然法計算b值分布圖，其相對低b值區與歷年強震發生的位置存在較大的相關性，說明了利用低b值區識別凹凸體方法的可行性和實用性。

1．2 基于地表破裂同震位移數據建立了凹凸體模型

通過收集、整理和分析中國西部10條以走滑地震為主的破裂帶的同震位移數據，采用統計學的方法擬定了凹凸體模型，建立了地表破裂參數與凹凸體模型參數之間的關系，是目前國內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度或破裂面積的比值，但該模型受到建模時同震位移數據的限制，利用該模型計算斷裂帶上凹凸體的大小時，需滿足2個條件：一是斷裂帶上有較詳細的地表破裂位移數據；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，識別了該破裂帶上凹凸體的位置和大小，發現與前人地震波反演得到結果基本吻合。研究表明，本文建立的模型與前人的模型在識別斷裂帶上的凹凸體方面都具有實用性，區別在于，前人的模型是基于地震發生后，通過強震動反演得到的；而本模型是基于地表破裂位移的基礎擬合而成的，對于那些具有歷史地震和古地震破裂位移數據，而未有詳細地震動記錄的斷裂帶，本模型更具有實用性。尤其是隨著科學技術的發展，可利用地面LIDAR技術識別出高清晰度地表破裂位移數據，使得該模型在識別凹凸體方面具有更大的優勢。因此，本文擬合的模型為斷裂帶上凹凸體的識別提供了一種新途徑，為判定斷裂帶上的強震危險性提供了強有力的理論依據。

2 斷裂帶上障礙體的識別

地震發生時，巖層破裂并出現局部的滑動，但仍有未滑動即未受破壞的高應力強度區，震后該區域上的應力強度大于周圍斷層面上的應力強度，這種塊體部分稱為障礙體。當地震的破裂傳播遇到障礙體時，障礙體可能被破壞，也可能在破裂通過后未破壞，或當時雖未破壞，后期隨著周圍的動應力即構造應力與障礙體強度值比值的增加，最終發生破壞，而破裂通過時是否發生破壞，取決于障礙體區域的大小及其自身的抗應力強度。

文中以汶川地表破裂帶和東昆侖斷裂帶為例，研究斷裂帶幾何結構與障礙體的關系。認為破裂帶存在的拉分階區、擠壓階區、斷裂的交匯處、斷裂的急劇拐彎處等特殊構造部位及其同震位移趨勢呈現突然下降拐點或波谷的位置，都可視障礙體存在的地方，根據其是否完全阻止破裂擴展，進一步劃分為持久性障礙體和非持久性障礙體。

通過收集大量國內外的震例，利用統計分析的方法分震級檔給出了限制破裂傳播的障礙體的止裂尺度，當走滑地震的震級介于6．0～6．9之間，階區的最小止裂寬度為3 km；走滑地震的震級介于7．0～7．5之間，階區的最小止裂寬度為4 km；當震級介于7．5～8．0之間，階區的最小止裂寬度為6 km；當震級介于8．0～8．5之間時，階區的最小止裂寬度為8 km，且拉分階區比擠壓階區更容易被破裂所貫通。

3 考慮不均勻性的潛在震源區強震復發行為的地震危險性分析

在目前的科學認識水平下，地震的發生及地震動特性都具有一定的不可預見性，必須以概率的方式來表達對未來地震及地震動的預測，即為概率地震危險性分析。潛在震源區作為概率地震危險性分析方法中一個十分重要的概念，其邊界、震級上限及其地震活動性參數是決定地震危險性分析結果的關鍵因素。最早提出潛在震源區概念時，有一個很重要的假定，就是潛在震源區內各處地震發生概率是均勻的。其后在國際上采用概率地震危險性方法編制的區劃圖一般均沿用了這一假設，而且我國國標“重大工程地震安全性評價技術規范”（GB17741-2005）中，也是采用均勻模型來描述潛在震源區地震的發生特征的。事實上，在地震危險性分析工作中，潛在震源區劃分的規模較大，可達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的劃分就是一個例子，該斷裂帶劃分為北段、中段和南東段，四代區劃圖編圖組將其劃分為3個MS8．0的潛在震源區，這種均勻的分布會造成地震危險性的“稀釋”，從而降低了對地震危險性的估計。

目前隨著對斷裂帶的強震復發行為定量研究的深入，在地震區劃與工程場地地震安全性評價工作中，考慮活動斷裂破裂的復發行為來劃分潛在震源區和確定地震活動性參數是當前國際上流行的趨勢。鑒于地震孕育和發生的復雜性，目前不可能有一個統一的模型來描述大陸內部強震的復發行為，在地震危險性分析中，需要在多活動斷裂段的復發行為研究的基礎上，建立具體的地震復發模型。本論文以具體斷裂帶為研究對象，建立適合研究區的發震概率模型，給出潛在震源區內地震年發生率的確定方法，并將斷裂帶上識別出的不均勻體融入到潛在震源區的劃分中，勾畫出潛在震源區中不均勻體的邊界并計算其震級上限，充分反映出潛在震源區內各處地震發生概率的不均勻性。

3．1 潛在震源區的強震復發概率模型

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據，擬定了該區的地震復發概率密度函數。根據此函數可計算出對區內斷裂帶未來百年內強震原地復發的條件概率。論文中將本文擬合的模型與目前通用的發震模型計算的概率值進行比較，發現通用模型的自變量t／R越接近1的時候，計算的復發概率值P增長的幅度不如本文擬合模型敏感。因此，對于古地震數據研究程度較高的斷裂帶，利用本文擬合的模型評價其未來大震的危險性可能更為準確，尤其是對平均復發間隔小，離逝時間長的段；而目前通用的復發模型針對那些古地震研究程度較低的斷裂帶，復發間隔較長的段落，可能更適用。

3．2 潛在震源區震級上限估算的不確定性

活動斷裂定量研究的資料在評價特定斷裂上的強震危險性方面發揮了較大的作用，但受種種條件的制約不是每一條活動斷裂上都可輕易獲取所需的定量數據，并且這些數據本身通常含有較大的不確定性。活動斷層長度作為活動斷層定量數據之一相比其他的數據較容易獲得，不確定性較小，因而，利用斷層破裂長度估算震級的統計關系被廣泛地應用于潛在震源區的震級上限的評估中。文中收集了青藏高原區7級以上以走滑為主的30個地震地表破裂參數資料，擬合出青藏高原區新的震級與破裂帶長度統計關系式，并結合前人的統計關系式，分別通過破裂帶長度估算震級，求出估算震級與儀器震級的差值，把差值為正值（即估算震級偏大）的歸為一類，差值為負值（估算震級偏小）的歸為一類作分析和對比。研究發現差值為正值的地震所處的走滑斷裂帶一般位于一級塊體或次級塊體的邊界斷裂帶上，差值為負值的地震所處的走滑斷裂帶大多位于一級塊體或次級塊體內部斷裂帶或斷裂帶的交匯處。基于上述分類的差異，作者對不同研究者擬合的回歸關系計算的差值數據進行了統計分析，分別給出了修正計算結果不確定性的參考值，為降低估算震級的不確定性提供了理論依據。

3．3 潛在震源區的劃分及危險性計算

文中以具體實例的形式給出鮮水河斷裂帶潛在震源區中凹凸體的位置和大小。四代區劃圖編圖組將鮮水河斷裂帶劃分為爐霍、道孚和康定3個MS8．0的潛在震源區，劃分的依據主要是鮮水河斷裂的發震構造標志、幾何分段特征及歷史地震和古地震數據來確定的。而論文中提供的基于不均勻性的潛在震源區劃分圖，對潛在震源區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范圍內通過識別其上的凹凸體，進一步細化潛在震源區內應力不均勻性。首先利用小震活動給出的應力分布圖，勾畫出邊界，然后按照論文中擬合的凹凸體模型，計算了相應各個潛在震源區中凹凸體的大小。爐霍潛在震源區中凹凸體A的長度為60．71 km，道孚潛在震源區中凹凸體B的長度為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不易識別，文中只按照應力的不均勻性，勾畫出邊界，長度約78 km。最后利用論文中建立的的凹凸體的長度L與震級MS的回歸關系式，同時考慮回歸擬合關系和鮮水河斷裂帶特殊的地質構造環境的不確定性，分別求出凹凸體A、B、C的對應的震級MS的震級上限分別為7．6級、7．3級、7．8級，并利用復發概率模型計算了相應的3個凹凸體未來百年的年發生率，分別為5．558E-03、1．6693E-02和5．91E-04。

不均勻體；凹凸體；障礙體；地震活動性分析；同震位移分布；地表破裂結構；強震原地復發模型；震級上限；發震概率；潛在震源區的劃分

（作者電子信箱，李正芳：lizhengfang07＠163．com）

P315．3；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．09．012