蒙古國地區(qū)背景地震危險(xiǎn)性分析①

徐偉進(jìn)，高孟潭

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

0 引言

蒙古國是一個(gè)地震活動(dòng)十分劇烈的國家，自1900年以來共發(fā)生了30余次7.0級以上地震，其中包括4次8.0級以上地震①Ulziibat M A Munkhsaikhan，D Mungunsuren.Seismicity and seismotectonic of Mongolia.2007，Presentation.。蒙古國地震科研工作者在地震危險(xiǎn)性分析方面做了一些重要的工作［1－4］，其研究區(qū)主要集中在蒙古國首都烏蘭巴托地區(qū)，采用的資料大都以地質(zhì)資料為主，對于以地震目錄為基礎(chǔ)的背景地震危險(xiǎn)性分析的工作比較少見。本文主要對蒙古國的背景地震危險(xiǎn)性做分析，將蒙古國震級小于6.0級的地震看作背景地震，這些地震往往發(fā)生在活動(dòng)斷裂未知的地區(qū)，在這些地區(qū)劃分潛在震源區(qū)具有較大的不確定性。對于那些發(fā)生過6.0級以上地震的地區(qū)，地震復(fù)發(fā)周期長達(dá)數(shù)百年甚至更長，需要用到地震學(xué)和大地測量等數(shù)據(jù)分析地震的復(fù)發(fā)周期，采用的地震危險(xiǎn)性分析方法一般為Cornell［5］提出的基于劃分點(diǎn)、線、面源的方法。

由于對地震構(gòu)造認(rèn)識的局限 性，F(xiàn)rankel［6－7］在美國中東部地震區(qū)劃中使用了空間光滑地震活動(dòng)性的方法，這一方法最顯著的特點(diǎn)是不根據(jù)地震構(gòu)造來劃分潛在震源區(qū)，而是直接將地震目錄資料進(jìn)行空間光滑，用光滑得到的地震活動(dòng)性模型進(jìn)行地震危險(xiǎn)性計(jì)算［8］。Frankel的方法對于那些地震地質(zhì)認(rèn)識較為局限或者地震活動(dòng)較弱的地區(qū)有很好的適用性。本文中我們采用這一方法計(jì)算了蒙古國及其周邊地區(qū)背景地震危險(xiǎn)性，給出了50年超越概率10%下的地震動(dòng)峰值加速度分布圖。

1 研究區(qū)域及資料

文中研究區(qū)域?yàn)槊晒艊捌渲苓叺貐^(qū)（圖1），采用中蒙兩國地震工作者共同收集整理的地震目錄數(shù)據(jù)。根據(jù)徐偉進(jìn)等［9］對蒙古國及周邊地區(qū)地震目錄的分析結(jié)果，我們選取了完整可靠的地震目錄來計(jì)算地震危險(xiǎn)性。選取的兩套地震目錄為1977年以來M≥3.5地震目錄和1945年以來M≥5.0地震目錄。文中采用Gardner和Knopoff［10］的方法進(jìn)行了余震刪除，使地震的發(fā)生在時(shí)間上盡量符合泊松模型。

根據(jù)謝卓娟的研究方法［11］，并結(jié)合蒙古國地震活動(dòng)性分布和地質(zhì)構(gòu)造，我們劃分了10個(gè)地震區(qū)（圖1中灰色陰影區(qū)，編號為An），分別計(jì)算了每個(gè)地震區(qū)內(nèi)的b值，深度、相關(guān)距離等參數(shù)（表1）。對于處在10個(gè)研究區(qū)外的地區(qū)A0的活動(dòng)性參數(shù)采用整個(gè)蒙古國地區(qū)的地震目錄計(jì)算求得。

圖1 蒙古國地震空間分布及地震區(qū)劃分Fig.1 Distribution of earthquakes（M≥3.5）reported in the Mongolia＇s seismic catalog and the study seismic zones（gray areas）

表1 各個(gè)地震區(qū)活動(dòng)性參數(shù)Table 1 The seismicity parameters for each seismic zone

2 模型

本研究中，根據(jù)蒙古國1977年以來M≥3.5和1945年以來M≥5.0的地震記錄，考慮不同震級地震對地震危險(xiǎn)性影響的差異，我們建立了2個(gè)地震活動(dòng)性模型。將研究區(qū)域劃分為0.1°×0.1°的網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格中大于等于起算震級m0的地震頻數(shù)ni，然后通過光滑函數(shù)將網(wǎng)格中的地震光滑到其它空間格點(diǎn)中，從而得到光滑后每個(gè)網(wǎng)格中的地震活動(dòng)率。

2.1 模型1

使用1977年以來M ≥3.5的地震記錄，采用Frankel高斯空間光滑法［6］：

圖2為采用上述光滑方法根據(jù)M≥3.5地震計(jì)算得到的地震活動(dòng)性模型。該模型反映了當(dāng)前蒙古國中小地震活動(dòng)的空間分布特征，地震活動(dòng)率較高的區(qū)域基本沿著目前地震活動(dòng)較為的活躍的斷層展布。然而對于歷史上曾經(jīng)發(fā)生過強(qiáng)震，目前小地震活動(dòng)較弱的地區(qū)來說，這一地震活動(dòng)性模型并不能反映這些地區(qū)的地震危險(xiǎn)性水平。如蒙古國的Bolnay和Tsetserleg地區(qū)在1905年分別發(fā)生8.7級和8.4級地震，然而這兩個(gè)地區(qū)目前地震活動(dòng)較弱，因此模型1中這兩個(gè)地區(qū)地震活動(dòng)率較低。強(qiáng)震的復(fù)發(fā)周期往往長達(dá)數(shù)百年或者更長，這類地震的地震危險(xiǎn)性分析需要用到地質(zhì)學(xué)及大地測量學(xué)等方面的資料去估計(jì)其復(fù)發(fā)周期。本文主要研究蒙古國背景地震的危險(xiǎn)性水平，對于大地震地震危險(xiǎn)性的研究不在本文的討論范圍之內(nèi)。

2.2 模型2

模型2為蒙古國地區(qū)1945年以來M≥5.0地震，同樣采用廣義高斯空間光滑函數(shù)。模型2中由于地震樣本較少，無法采用上文介紹的交叉驗(yàn)證法計(jì)算相關(guān)距離，故這一模型中相關(guān)距離統(tǒng)一取值為50km。

圖3為采用M≥5.0以上地震計(jì)算得到的地震活動(dòng)性模型，主要反映了1945年以來蒙古國及其周邊地區(qū)中強(qiáng)地震的空間分布特征。模型2與模型1相比，地震活動(dòng)率相對較高的區(qū)域具有一定的相似性，說明了在中小地震較活躍的地區(qū)中強(qiáng)地震也較多。但二者在空間幾何展布和空間強(qiáng)度分布上還是具有一定的差異。模型2中地震分布更為集中，地震活動(dòng)性模型主要反映了發(fā)生過中強(qiáng)地震地區(qū)的地震危險(xiǎn)性水平。這意味著在空間光滑地震活動(dòng)性模型研究中采用單一的地震活動(dòng)性模型是不能完全反映地震空間分布特征的。

圖2 根據(jù)M≥3.5地震目錄計(jì)算得到的蒙古國地震活動(dòng)性模型Fig.2 Seismicity model of Mongolia calculated from earthquakes with magnitude greater than or equal to M3.5

圖3 根據(jù)M≥5.0地震目錄計(jì)算得到的蒙古國地震活動(dòng)性模型Fig.3 Seismicity model of Mongolia calculated from earthquakes with magnitude greater than or equal to M5.0

3 地震危險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果分析

對于某一場點(diǎn)，計(jì)算場點(diǎn)處地震動(dòng)參數(shù)值u超過給定地震動(dòng)參數(shù)值u0的年發(fā)生率為［18］

其中m0為起算震級；ni（m0）為第i個(gè)潛源區(qū)m≥m0的地震年發(fā)生率；pi（m）為震級的概率密度函數(shù)；pi（r）為場點(diǎn)到潛源之間距離的概率密度函數(shù)；P（u＞為在距離場點(diǎn)r處，震級為m的地震產(chǎn)生的地震動(dòng)值u超過給定值u0的概率，P（u＞u0中的u值是根據(jù)衰減關(guān)系計(jì)算得到的。本文中使用的衰減關(guān)系為中國西部衰減關(guān)系模型［19］。

由于本研究直接使用空間格點(diǎn)計(jì)算地震危險(xiǎn)性，則上式可簡寫為

其中ri為空間格點(diǎn)到計(jì)算場點(diǎn)的距離。

圖4為根據(jù)地震活動(dòng)性模型1計(jì)算得到的蒙古國及其周邊地區(qū)50年超越概率10%的PGA分布圖（簡稱PGA1）。從圖中可以看出蒙古國境內(nèi)絕大部分地區(qū)背景地震危險(xiǎn)性處在0.05g水平。地震危險(xiǎn)性水平大于等于0.1g的地區(qū)大都分布在中部及西部地區(qū)，沿目前地震活動(dòng)相對較強(qiáng)的活動(dòng)斷裂展布。事實(shí)上在地震危險(xiǎn)性水平較高的地區(qū)往往發(fā)育有出露地表的活動(dòng)斷裂，采用地質(zhì)學(xué)方法原則劃分潛在震源區(qū)以分析這些地區(qū)的地震危險(xiǎn)性水平往往具有較大的不確定性，此法更為合適。在那些活動(dòng)斷層未知或者少有活動(dòng)斷層發(fā)育的地區(qū)，根據(jù)地質(zhì)學(xué)時(shí)采用地震目錄進(jìn)行空間光滑的方法具有很大的優(yōu)勢。

圖4 根據(jù)地震活動(dòng)性模型1計(jì)算得到的峰值加速度分布圖Fig.4 Peak ground acceleration map form seismicity model 1

圖5為根據(jù)模型2計(jì)算得到的蒙古國及其周邊地區(qū)50年超越概率10%的PGA分布圖（簡稱PGA2）。與PGA1相比，PGA2中PGA為0.15g的地區(qū)顯著增加。這意味在發(fā)生過中強(qiáng)地震的地區(qū)其地震危險(xiǎn)性水平要高于小震頻發(fā)的地區(qū)，符合地震科研工作者對地震危險(xiǎn)性的認(rèn)識。此外PGA2中PGA為0.05g的地區(qū)較PGA1有所減少，這是由于地震活動(dòng)性模型2中采用的地震目錄起始震級更高，地震分布更為集中。PGA2主要反映了蒙古國地區(qū)中強(qiáng)地震的地震危險(xiǎn)性水平。

圖5 根據(jù)地震活動(dòng)性模型2計(jì)算得到的峰值加速度分布圖Fig.5 Peak ground acceleration map form seismicity model 2

4 結(jié)論與討論

本文采用Frankel的方法［6］，根據(jù)蒙古國及其周邊的地震目錄，對蒙古國地區(qū)背景地震危險(xiǎn)性水平做了研究。結(jié)果表明蒙古國大部分地區(qū)的背景地震危險(xiǎn)性水平為0.05g（50年超越概率為10%），局部地區(qū)為高達(dá)0.1g甚至0.15g。這表明蒙古國地區(qū)的背景地震危險(xiǎn)性水平較高，在對蒙古國地區(qū)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析時(shí)應(yīng)充分考慮背景地震活動(dòng)對地震危險(xiǎn)性水平的貢獻(xiàn)。

本文研究結(jié)果表明在采用空間光滑活動(dòng)性模型進(jìn)行背景地震危險(xiǎn)性分析時(shí)，不同起始震級的地震活動(dòng)性模型得到的地震危險(xiǎn)性水平具有較大的空間差異。因此在采用這一方法時(shí)應(yīng)采用多個(gè)地震活動(dòng)性模型進(jìn)行加權(quán)平均的方法，平衡考慮地震數(shù)目和地震震級的關(guān)系。

研究表明，對于那些遠(yuǎn)離活動(dòng)斷裂或者活動(dòng)斷裂未知的地區(qū)，若具有良好的地震記錄，那么采用空間光滑地震目錄進(jìn)行地震危險(xiǎn)性計(jì)算是一種簡單可行的方法，避免了因潛在震源區(qū)劃分的不確定性對地震危險(xiǎn)性結(jié)果的影響。這對于蒙古國中東部地區(qū)尤其適用。即使對于那些活動(dòng)斷裂已知的地區(qū)，采用該方法也可以極大簡化地震危險(xiǎn)性分析的步驟。

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