新一代地震區劃圖的地震活動性模型

潘華　李金臣

新一代地震區劃圖的地震活動性模型

潘華李金臣

潘華，生于1966年，中國地震局地球物理研究所，博士，研究員，博士、碩士研究生導師，國家地震安全性評定委員會委員，《中國地震動參數區劃圖》編委。1988年畢業于北京大學地質系。現主要研究領域：核工程等重大工程地震危險性評價中相關地震與地質問題、概率地震危險性評價理論與技術、地震活動性等方面的研究工作。

李金臣，男，1979年9月出生，先后于2002年和2005年獲得北京大學構造地質專業學士、碩士學位，國家一級地震安全性評價工程師。主要研究方向為地震構造。2005年以來，先后參與地震科研行業專項、國家科技支撐、大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項、中國地震局“十一五”重大專項-中國地震動參數區劃圖編制項目、基本科研業務費專項等課題。目前主要從事核電廠等重大工程地震安全性評價工作。

新一代《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015）（以下簡稱為“五代圖”）是具有概率含義的地震區劃圖，編制中采用了概率地震危險性分析方法。

任何地震危險性評價，都需要先了解工程場址周圍地震活動水平，確定未來地震的強弱，然后結合地震所能產生的地震動強度，得到工程場址的地震危險性。然而，在目前科學認識水平下，地震的發生及地震動特性都具有一定不可預見性，難以給出確定性的預測。概率地震危險性分析方法，以概率的方式來表達對未來地震活動及地震動的預測，通過概率分析，獲得場點特定超越概率下的地震動參數。五代圖采用了50年超越概率10%的地震動峰值加速度與反應譜特征周期作為編圖參數。

本文將重點介紹五代圖所采用的地震活動性模型，包括中國地震活動基本特征、地震活動性模型以及模型參數的確定。

中國地震活動基本特征

我國位于歐亞大陸東南部，處于西太平洋地震帶和地中海—喜馬拉雅地震帶之間，東部受到太平洋板塊、菲律賓海板塊、北美板塊運動的影響，西南部直接受到印度板塊運動的影響。這些板塊的運動及其相互作用，給我國地震的發生提供了動力條件，造就了我國大陸不同類型的地震活動環境，控制著中國大陸地震活動的空間格局。

地震活動的空間不均勻分布

中國地震活動在空間上表現出多個層次的不均勻性，在分區、成帶特征的基礎上，還表現出更深層次的空間差異。大尺度的地震活動的空間不均勻性，通常與大的地球動力學背景、大型構造系統或大型構造單元的性質相關，而局部的地震活動的差異性，通常取決于其所處的局部活動構造、新構造運動特征、深部構造等地震構造條件。

1.大陸東、西部地震活動水平差異

我國大陸最為醒目的地震活動不均勻性就是東西部地震活動水平顯著差異。大致以東經105°為界，西部地區地震活動強度大、頻度高，盡管自1900年以來地震記載才開始增多，但已記錄到7級以上強震達91次；而我國東部地區盡管歷史地震記載時間近3000年，但有史以來共記載發生7級以上地震27次（不包括我國臺灣地區地震和東北地區深源地震）。我國西部地震活動與世界上其他大陸地震區的地震活動相比，也是非常突出的，這與印度板塊與歐亞板塊在青藏高原的碰撞擠壓作用密切關聯。

2.地震活動分區性

無論是東部還是西部，地震活動還存在區域不均勻性分布。強地震活動區通常都有7 8級地震活動，破壞性地震密度大、頻度較高，如西部的青藏高原、天山地區、阿爾泰山脈、川滇地區等，東部的華北、臺灣、華南沿海地區等；而相對弱的地區通常只有7級以下中等強度地震活動，有些地區甚至5級地震也稀少，如西部的塔里木盆地、準噶爾盆地、阿拉善高原內部，東部的鄂爾多斯高原、內蒙古高原東部、東北平原、四川盆地、華南內陸等地區。

強弱地震活動區在大地震發生頻次方面表現出明顯的差別。例如，西部的天山強地震活動區（包括南天山和北天山地區），地震活動強烈，區內發生8.0 8.4級地震2次，7.0 7.9級地震5次，6.0 6.9級地震55次，5.0 5.9級地震218次；與其面積大致相當的塔里木盆地弱地震活動區，包括整個塔里木盆地，為較為剛性的完整塊體，地殼厚度較薄，且地殼平坦，內部構造簡單，地震活動稀少，以5 6級左右中等地震活動為主，區內僅發生6.0 6.9級地震1次、5.0 5.9級地震8次。又如，東部的華北地區為強地震活動區，地震活動強烈，區內發生8.0 8.9級地震5次、7.0 7.9級地震20次、6.0 6.9級地震74次、5.0 5.9級地震299次；而與其面積大致相當的華南內陸地區為弱地震活動區，區內地震活動稀疏，以5 6級中等地震活動為主，區內僅發生6.0 6.9級地震8次、5.0 5.9級地震104次。

3.地震活動成帶分布

我國地震活動在一些強地震活動區內還表現出密集成帶分布的特點，反映出更局部的地震活動不均勻性。地震活動通常在一些地區沿大型構造帶、地塊邊界、差異構造活動強烈帶等構造背景下呈條帶狀相對密集分布，形成地震活動強度和頻度相對較高的地震活動帶，帶外地震活動明顯減弱。我國7級以上地震及大多數6級以上地震都發生在地震帶內，其他地區地震活動相對分散。

我國西部地區地震成帶活動特征顯著，地震帶內地震活動強烈，7級以上地震發生較頻繁，且大多發生過8級以上特大地震。在青藏高原周緣及其中部的大型斷裂系有多條大型地震帶分布，其西南緣有著名的喜馬拉雅地震帶，發生過如1950年察隅8.6級地震等多次8級以上大地震；東緣有規模巨大的南北地震帶，包含了龍門山地震帶等一系列地震活動帶，發生過如2008年汶川8級地震等多次8級地震，和數十次7級左右地震；北緣包含有阿爾金地震帶與祁連山地震帶，發生過如1920年海原8 ?級地震等數次8級左右地震和一系列7級左右地震；其中部還有巴顏喀拉山地震帶、藏中地震帶、鮮水河地震帶等，發生過2001年昆侖山口西8.2級地震等數次8級左右地震及一系列7級左右地震。此外，新疆地區的南天山、中天山、北天山地震帶，阿爾泰地震帶也是強震活動的重要場所，發生過如1931年富蘊8級地震等一系列大地震。

我國東部地區地震活動成帶分布的現象也較明顯。華北地區地震活動較強烈，分布有數條地震密集、活動強度頻度較大的地震帶，包括發生過我國大陸東部最大一次歷史地震——1668年郯城—莒縣8 ?級地震的郯廬地震帶、發生過華縣和洪洞兩次8級以上地震的汾渭地震帶、發生過1679年三河平谷8級地震和1978年唐山7.8級地震的華北平原地震帶等，這些地震帶均發生過多次7級以上地震和8級特大地震。華南地區大部分地域地震活動較弱，以中小地震活動為主，而較強地震活動主要局限在東南沿海和臺灣地區，東南沿海地震帶是華南大陸僅有的發生過7級以上地震的地震帶，臺灣地震帶則主要屬于板塊邊緣地震帶，是全球性的環太平洋地震帶的一部分，地震活動強烈。

4.地震帶內地震活動不均勻性

我國的地震活動在地震區、地震帶內，還存在地震活動性明顯差異的區塊或段落，這種局部的地震活動差異性對于地震危險性分析是更加重要的特征。例如我國華北地區郯廬地震帶上，其渤海段、沂沭段地震活動明顯強于其他的段落，顯示出明顯的分段特征。

地震活動時間分布特征

地震活動性研究表明，我國地震活動在許多地區都存在時間上的起伏變化，不同時段地震活動的強度和頻度存在較大差異。

1.大陸范圍內總體地震活動隨時間的起伏

受資料的完備情況所限，只能觀察自1900年以來100多年的大陸地區地震資料。我國1900年以來的6級左右地震活動較為平穩；而7級以上地震活動起伏明顯，密集分布的活躍時段與稀疏分布的平靜時段相間分布，平靜時段往往不足10年，活躍時段多能達到10年以上；7.5級以上地震的起伏變化更加顯著，大致存在25年左右的起伏期。

2.我國東部地區地震活動隨時間的起伏

與西部地區相比我國東部地區歷史地震資料完整時段要長，約有500年，為觀察更長時間地震活動隨時間的起伏變化，可以1500年以來東部地區為研究對象。我國東部1500年以來6級以上地震活動起伏變化較為明顯，密集分布的活躍時段與稀疏分布的平靜時段相間分布，平靜時段較短，往往數十年，而活躍時段多能達到100年左右。1515—1609年（94年）大致為一個活躍時段，發生過10次M 7以上地震，其中5次7.5級以上地震，1次華縣1556年8?級地震；1654—1739年（85年）為第二個活躍時段，發生過11次M 7以上地震，其中7次7.5級以上地震，3次8級以上地震，包括郯城1668年8?級地震；1786—1888年（102年）為第三個活躍時段，發生過18次M 7以上地震，其中10次7.5級以上地震，3次8級以上地震。

3.地震區帶內地震活動隨時間的起伏

在歷史地震資料相對豐富的東部地區地震帶內，地震活動呈現出較為明顯的活躍與相對平靜相互交替轉化的現象。在地震相對平靜期，地震活動少而且強度弱，在這一時期內一般沒有或很少發生7級以上地震，6.0 6.9級地震也很少發生。而在顯著活躍期，地震多且強，往往發生大量6級以上地震，并有若干7.0 7.9級地震發生，有些地震帶則有8級地震發生。

以華北平原地震帶為例，該地震帶1450年以來經歷有兩個地震活躍期，第一活躍期大致為公元1485—1679年，發生過1次8級、8次6.0～6.9級地震；第二活躍期大致始于1791年，目前處于其尾聲，發生過5次7.0～7.9級、14次6.0～6.9級地震。兩者之間的平靜時段地震活動較弱。

地震帶的地震活動期的歷時在不同地區也存在差異。華北、華南、青藏高原北部等地震區，地震活動期為300～400年；新疆中部和青藏高原中部地震區，地震活動期約100年；中國臺灣東部和青藏高原南部地震區，地震活動期約幾十年（國家地震局，1981）。

地震活動性模型

三代圖、四代圖采用的地震活動性模型

概率地震危險性分析的首要任務是表述場點周圍未來地震活動的概率分布特征，包括未來地震源可能分布的區域，以及這些區域內發生地震的強度和頻度概率分布。

地震震源在地震學上是一個較為復雜的概念，但在概率地震危險性分析中，將地震源近似簡化為地震動傳播并衰減的起點，以方便采用地震動預測方程（如地震動參數衰減關系）計算地震動大小。未來地震的地震源可稱為潛在震源，潛在震源能夠發生其孕震能力上限以下各個震級地震。潛在震源可以采用線形斷層段（稱為斷層源），也可以采用點狀震中（點源），分別適應于不同的地震動衰減關系模型。由于地震活動本身具有的隨機性，以及人們對地震構造位置等方面認識的不完備性，預測發震構造或構造背景未來地震的震源位置具有較大的不確定性，只能圍繞這些發震構造或構造背景大致圈定出潛在震源可能的分布范圍。與特定發震構造或構造背景相關的潛在震源的分布通常構成一個連續的空間區域，我國概率地震危險性分析方法中稱這樣的地區為“潛在震源區”，國際文獻中常直接稱為“地震源”（seismic source）或“地震源區”（seismic source zone）。潛在地震源區通常可采用點、線、面等幾何形態表示。

潛在震源區及其強度分布、頻度分布，構成潛在震源區地震活動性模型，是概率地震危險性分析的基礎。

在Cornell（1968年）最初提出概率地震危險性分析方法基本理論框架時，采用的潛在震源區為簡單的線和面，表征對發生地震的斷裂構造位置認識的不確定性大小，且假定潛在震源區地震活動性模型滿足三個基本假定：潛在震源區地震震級分布滿足截斷的G-R關系；潛在震源區內各點地震分布滿足均勻分布；潛在震源區的地震發生滿足泊松分布。上述概率地震地震危險性分析的理論框架，在國際上得到非常廣泛的應用，也是我國地震區劃圖概率地震危險性分析的理論基礎，但是其關于地震活動性模型的基本假定，并不適合我國地震活動特征。如前文所述，中國地震活動在空間上表現出顯著的不均勻性，既有地震成帶分布的較大尺度不均勻性，也有地震帶內與局部地震構造條件相關的次級地震活動不均勻性，而后者更是不同地區地震危險性的主要控制因素，然而局部構造上發生的地震往往震級范圍較窄，難以滿足G-R分布、泊松分布等統計假定，而在地震區或地震帶內，地震活動能夠在一定程度上符合G-R分布、泊松分布等統計假定，但在空間分布上不滿足均勻分布。

我國在編制具有概率含義的三代圖（1990版）時，提出了具有中國特色的概率地震危險性分析方法，對地震活動性模型進行了較大的改進。其主要思想是分層次構建地震活動性模型，以地震區、地震帶為基礎，劃分地震統計區，表述較大尺度層次上的地震活動不均勻性，并以地震活動統計特征差異來表征；在地震統計區內部依局部構造條件差異劃分潛在震源區，并以潛在震源區地震活動水平的差異，來表征局部的地震活動不均勻性。通過地震統計區和潛在震源區的二級劃分，形成能夠反映我國地震活動空間不均勻性的分層潛在震源區模型，其中的潛在震源區僅指兩級劃分中的二級源，與原始概念相比內涵有所狹義化。分層潛在震源區模型需滿足以下三個地震活動性的基本假定：地震統計區內地震震級分布滿足截斷的G-R關系；地震統計區內地震發生滿足泊松分布；地震統計區內各潛在震源區間地震發生概率滿足不均勻分布，而潛在震源區內各點地震發生概率則滿足均勻分布。

郯城麥坡地震遺址

上述地震活動性模型，通過采用二級劃分的潛在震源區模型（地震統計區和潛在震源區），使得概率地震危險性分析方法能夠更好地、同時也更加靈活地刻畫和表征地震活動的空間不均勻性，因而也更加適合我國地震區劃應用。在1990年版的三代圖和2001年版的四代圖編制中，均采用了這一地震活動性模型。

五代圖的地震活動性模型

通過三代圖、四代圖近20年的應用，在充分領略二級潛在震源區模型優勢的同時，也認識到其存在一些缺陷。由于二級潛源劃分比較強調局部構造條件，如活動斷層等對潛在震源區的控制，對一些地震構造背景不清晰或認識較為模糊的地震活動，尤其是中等強度地震活動，難以劃分出相應的潛在震源區，概率地震危險性評價中往往對這部分地震活動的地震危險性估計不足。在一些活動構造不發育地區或中強地震活動區，這一問題表現得更加突出。此外，我國地震活動在地震帶內部不同的段落和部位，中小地震活動水平和強度還表現出分區、分段的差異，反映出介于地震區帶和局部構造相關地震活動性之間的一種地震活動不均勻性，這類地震活動的影響，在地震活動性模型中也沒有得到充分的反映。針對上述不足，為更加合理地反映不同震級段地震活動在空間分布不均勻性表現上的差異，并充分考慮中強地震活動的地震危險性影響，五代圖對以往采用的二級劃分的潛在震源區模型進行了擴展，提出三級劃分的潛在震源區模型。

三級劃分的潛在震源區模型由地震統計區、背景地震活動潛在震源區（簡稱“背景源”）和構造潛在震源區（簡稱“構造源”）構成。該潛在震源區模型依然采用地震統計區表述地震活動的宏觀統計特征，而地震活動性的空間分布不均勻性，由構造源上的中強地震活動性和背景源上中小地震活動性共同表達，更加細致地對各震級段地震活動不均勻性分布特征進行表征。

三級劃分潛在震源區模型地震活動性依然滿足三個基本假定：地震統計區內地震震級分布滿足截斷的G-R關系；地震統計區內各潛在震源區（包括背景源和構造源）間地震發生概率滿足不均勻分布，而潛在震源區（包括背景源和構造源）內各點地震發生概率則滿足均勻分布；地震統計區內地震發生滿足泊松分布。

三級劃分的潛在震源區模型以及上述假定，構成五代圖概率地震危險性分析的地震活動性模型，是五代圖的基本技術要素之一。

地震活動性參數確定

依據五代圖地震活動性模型，在實際編圖工作中，需要依據地震資料確定模型中相關的地震活動性參數，主要包括：地震統計區震級頻度關系（G-R關系）的系數b值，它決定了地震統計區地震震級的概率分布；地震統計區M 4以上地震年平均發生率n4，它決定了地震統計區地震頻次的泊松分布。潛在震源區空間分布函數fi,Mj，表示地震統計區內的第i個潛在震源區Mj檔地震發生概率，是潛在震源區以震級為條件的地震發生概率，表征潛在震源區之間各震級地震活動空間分布不均勻性。

地震統計區地震活動性參數確定

五代圖在地震統計區地震活動性參數的確定中，遵循了三個重要原則。

1.充分認識歷史地震資料不完備性和地震活動認識的不確定性

我國地震記載歷史長達四千多年，然而，不同時段、不同地域歷史地震記載的完整情況差別較大，真正可用于統計分析的地震資料時間跨度并不長。我國東部華北、華南等地區，大致有500年的地震資料較為可靠，而西部及東北地區，可用資料的時間長度只有100年左右。在這樣的地震資料基礎上，對地震活動特征和活動水平的認識、對未來地震活動趨勢評價、對未來地震活動年平均發生率的統計等，都存在較大的不確定性，因此，在地震活動性參數確定中，需要基于我國地震資料不充分、不完備的現狀，充分發掘對地震活動性認識的不確定性并加以綜合分析和處理。

2.客觀反映各時段地震活動水平與地震活動特征

我國地震資料盡管存在各種局限，但是，千百年來的地震記載，還是從宏觀上勾畫出我國地震活動空間分布格局、時間起伏特征、強活動區域分布等基本輪廓，對地震活動水平的評價具有重要的參考價值。為此，應充分重視和利用我國歷史地震資料所反映出的地震活動客觀特點，重點在于兩個方面：已表現出的地震活動特征應反映；已表現出的地震活動水平不能低估。例如，地震帶地震活動在時間上的起伏特征，地震帶地震活動的強度分布特征，歷史已經發生過的最大地震，大震的復發特征，可信時段地震頻度特征，現代儀器記錄的4級以上地震活動水平，1970年以來地震年頻數的分布特征，等等。本次五代圖編制工作中，對現代儀器記錄的4級以上地震資料給予了充分的重視，這部分資料已積累近半個世紀，是現有可利用的具有最高完整性、可靠性和精度的地震資料，是地震活動性特征統計分析最可靠的樣本集。

3.統計基礎上的綜合分析

以往地震統計區地震活動性參數確定時，比較依賴于統計方法，關心統計相關性多過關心樣本的代表性。實際上統計擬合方法采用的樣本點大多數集中在歷史上記錄比較多的較大震級段，統計結果受部分歷史地震樣本控制，導致b值普遍偏小，對中小地震水平估計不足。歷史地震資料情況表明，大多數震級段的地震資料是不完整的，且歷史地震震級的分辨率也不能滿足統計樣本的震級間隔劃分，所以，過分依賴統計方法，大多數情況下并不能獲得合理的能夠反映地震活動特征和水平的地震活動性參數。基于此，編制五代圖工作中強調在多方案統計計算的基礎上，依地震活動特征、有限的可靠樣本點分布，綜合分析并修正統計結果，得出相對合理的參數值。

依據上述原則，五代圖編制工作中對全國29個地震統計區地震資料滿足統計分析需求的25個地震統計區進行了參數確定，其他資料缺失的地震統計區，如鄂爾多斯、東海、南海、阿拉善等，采用了類比方法進行確定。

根據確定的地震活動性參數b值和n4結果估算全國范圍M≥4.0地震年平均400多個，符合根據1970年以來實際地震資料統計得到的每年M≥4.0地震420個的結果。分區域估算平均每年M≥4.0地震，東部約36個、西部約309個、中國臺灣約129個，與實際統計得到的1970年以來我國平均每年M≥4.0地震，東部約40個、西部約260個、中國臺灣約80個的結果也非常接近。潛在震源區地震活動性參數確定

潛在震源區空間分布函數fi,Mj，是潛在震源區以震級為條件的地震發生概率。三級劃分的潛在震源區模型中的二級背景源、三級構造源均通過其各自的空間分布函數來表征不同震級檔地震活動水平。理論上可由地震樣本統計來確定潛在震源區的空間分布函數，然而地震樣本的現狀導致不可能得到有意義的統計結果。首先，大多數潛在震源區內地震樣本數不足，在中強震級段地震樣本更加缺乏，而且更有許多潛在震源區是根據構造類比原則劃分出來的，這樣的潛在震源區也不可能有地震樣本進行統計。

潛在震源區發生某檔地震的可能性大小，取決于潛在震源區所具有的地震構造條件，然而目前還沒有哪種構造條件可以明確為地震的成因，也沒有哪種構造條件可以非常理想地表達不同震級檔的地震危險性，因此只能以不同地震構造條件，從不同側面反映地震危險性，如斷裂構造特征、地震活動特征等。因此，在三代圖編制時，提出了多因子綜合評價方法來確定潛在震源區空間分布函數的思路，即采用多個因子來描述潛在震源區的地震構造條件，并量化評價不同因子在潛在震源區內的表現對其地震活動的貢獻，從而確定潛在震源區的空間分布函數，該方法盡可能地利用地質構造特征、地震活動特征等方面的認識和知識，來獲取地震發生可能性的信息，克服了樣本不足所帶來的困境。四代圖編制中，在對地震構造條件因子進行調整的基礎上，沿用了該方法。新版五代圖繼續采用多因子綜合評判方法，但對地震構造因子進行了調整，對綜合評判的方法進行了完善。

五代圖編制中，從地質構造條件、地震活動特征以及綜合性認識等方面，選擇了8個地震構造條件因子，分別為地震活動特征因子、區劃圖發生率因子、地震構造條件因子、地震活動度因子、網格活動性因子、大震發生率因子、中長期危險性因子、離逝時間因子。這8個因子代表了評價地震危險性空間分布的8個方面，其中地震構造條件因子、地震活動度因子、網格活動性因子等3個因子由于所代表的評價因素本身的復雜性和多樣性，每個因子又細分為數個子因子，共同構成一個因子的完整表述。

臺灣921地震

空間分布函數實質上是用于表述不同震級地震的危險性，較小的震級檔有利于在計算中充分反映不同震級地震造成的地震動影響差異，尤其在五代圖抗倒塌目標較為關注的高震級段，影響更加顯著，但小的震級檔卻超出了地震構造條件因子的分辨能力。為解決這一兩難問題，五代圖編制中采用了兩級震級檔評判和綜合，逐步得到各震級的空間分布函數綜合評判方法，即先采用較寬的震級檔（震級間隔1.0 ～1.5震級單位）進行因子的綜合評判，然后在潛在震源區內根據地震活動的重復特征、地震活動平均震級、最大歷史地震活動、特征地震等，將寬震級檔的因子評分結果分配給較窄的震級檔（震級間隔0.2 ～0.3震級單位），從而最終確定空間分布函數。寬震級檔能夠基本滿足因子分辨率要求，而窄震級檔能夠基本滿足地震危險性評價的精度需要。