考虑断层震源的南天山—帕米尔地区地震危险性模型协调统一研究①

李昌珑， 高孟潭

(1. 中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081)

地震强地面运动能够造成建筑物破坏，导致地震灾害。开展概率地震危险性分析(Probabilistic Seismic Hazard Assessment, PSHA)[1]研究，产出地震危险性区划图，可作为建筑抗震设防的依据，有效减轻地震灾害。南天山—帕米尔地区地处欧亚大陆中部，位于欧亚地震带上，是构造作用强烈的地区。该地区的地震危险性分析研究对提升抵御地震灾害的能力、降低地震风险有重要的意义。

图1 中亚地区50年超越概率10%的烈度分布图[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“中东地震模型(Earthquake Model of the Middle East, EMME)项目”对中东地区进行了PSHA研究，研究范围包括从土耳其到巴基斯坦的广大地区。该研究将断层震源模型和面源模型的计算结果进行加权平均，产出了该地区50年超越概率10%的峰值加速度(PGA)分布图(图2)。

图2 中东地区50年超越概率10%PGA的地震危险性图[8]Fig.2 Seismic hazard map of the Middle East of PGA with 10% probability of exceedance in 50 years[8]

中国2015年发布了第5代《中国地震动参数区划图》[9]，对全国开展了PSHA研究，给出了全国重现期475年的地震动峰值加速度区划图。

南天山—帕米尔地区位于以上3个研究区域的交界部，不同研究对该地区给出的地震危险性结果有所差异。因此，有必要对该地区的地震危险性模型进行协调统一。该地区发育众多大型的活动断层，有必要考虑大地震断层破裂面尺度对地震危险性的影响。针对上述问题，在已有研究的基础上给出南天山—帕米尔地区考虑断层震源模型的地震危险性结果。

1 南天山—帕米尔地区地震危险性模型协调统一研究

1.1 中亚、中东、中国的潜在震源区模型

中亚、中东和中国已有的地震危险性研究都对各自区域划分了面源潜在震源区。其中，中亚模型[7]采用2级潜源划分思路。将中亚地区划分为10个地震带，再在每个地震带内划分潜在震源区，共划分131个潜在震源区。考虑的震级范围从MS4.0～9.0。图3为中亚的潜在震源区划分(粗红线为地震带，细红线为潜在震源区)。

图3 中亚潜在震源区划分示意图Fig.3 Seismogenic sources of Central Asia

中东地震模型[8]将中东地区的潜在震源区划分为3个构造类型：活动浅层地壳(Active Shallow Crust, ASC)、稳定大陆地壳(Stable Continental Crust, SCC)、板内俯冲带(Subduction Intraslab, SI)。上述3个类型的震源区分别在中东地区划分了213个、11个和6个。EMME的模型示意图(图4，白色区域为ASC，浅灰色区域为SCC，深色区域为SI)。

图4 EMME模型示意图Fig.4 Seismogenic sources of EMME model

中国潜在震源区模型采用地震统计区、地震构造区、潜在震源区3级划分[10]，将全国划分为29个地震统计区(地震带)、444个背景源(SBG)和1 199个构造源(SST)。中国潜源模型如图5所示。

图5 中国潜在震源区划分图Fig.5 Seismogenic sources of China

1.2 潜源模型的协调统一

上述3个潜源划分方案在南天山—帕米尔地区的潜源分布见图6(图中蓝色边框为中国模型，红色边框为中亚模型，黑色边框为中东模型)。为了协调统一3个模型，采取以下方法：

在脱贫攻坚进程中，除了改善农民的经济条件外，基层村委会（社区）还应该引导树立以爱情为基础的择偶观。现阶段，农村女青年过分看重男方的经济条件，而忽略了婚姻缔结的重要纽带——爱情。在过于物化和商品化择偶观的冲击下，往往会因为婚姻双方缺乏同甘同苦的奋斗目标，以至于在婚姻生活中遇到一点挫折就会分手或者离婚。因此，建议采用讲座、板报、文娱节目等形式在各村（社区）宣传正确的择偶观和爱情观，树立社会主义农村婚姻新风尚。

图6 3个潜源划分方案在南天山—帕米尔地区的潜源分布示意图Fig.6 Seismogenic sources of the three models in South Tienshan—Pamir Area

(1) 删除重叠潜源

在潜源重叠区域仅保留1家模型的潜源划分。根据数据来源丰富优先原则，保留潜源数据最详细、划分依据最充分的潜源。删除重叠后的研究区域潜源划分(图7)。

图7 删除重叠后的潜源划分示意图Fig.7 Seimogenic sources after deleting overlapped ones

(2) 拼合形状

删除整块重叠的潜在震源区后，继续微调部分潜源的边界，消除各潜源之间的缝隙和局部重叠，使各潜源无重叠、无缝隙地拼合于地表(图8，黑色框为南天山—帕米尔地区)。

图8 拼合形状后的潜源划分示意图Fig.8 Seimogenic sources after sewing edges

(3) 调整地震活动性参数

EMCA和EMME模型中各震源区的地震活动性参数为G-R关系[11]中的a值和b值。拼合形状使一些震源区的面积发生了变化。对于这些震源区，调整后的a值a′按照(1)式计算：

(1)

式中，a为调整前的a值，S和S′分别为调整前后的面积。对于面积变化的潜源，调整后的地震发生率p′，

(2)

式中，p为调整前地震发生率，S和S′分别为调整前后的面积。

图9 协调统一后的研究区域潜源划分图Fig.9 Seimogenic sources after harmonization in the study area

1.3 协调统一模型的地震危险性计算

使用协调统一后的潜源模型计算南天山—帕米尔地区的概率地震危险性。其中面源使用的地震动衰减关系模型为俞言祥等[12]提出的5代图新疆分区衰减关系模型，衰减关系，

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

(3)

式中，Y为地震动参数，M为震级，R为震中距，A、B、C、D、E为衰减系数。

对帕米尔中深源使用的地震动衰减关系参照EMME模型[8]，使用Zhao et al.[13]、Youngs et al.[14]、Atkinson and Boore[15]和Akkar et al.[16]4种衰减关系各取25%权重的地震动衰减关系方案。

使用上述衰减关系计算南天山—帕米尔地区50年超越概率10%的PGA分布(图10)，由图10可见，南天山西段是研究区域内地震危险性较高的地区。

2 南天山—帕米尔断层潜在震源区模型的建立

2.1 断层源模型结构和参数的确定

南天山—帕米尔地区的主要活动断层分布如图11所示。本文中建立的断层潜在震源区模型基于断层线的位置，参数包括倾角、震源深度范围、破裂长宽比、震级上限、b值、滑动速率等。国内部分的断层及其结构参数、滑动速率等数据来自《新疆及邻区地震构造图》[17]，国外部分来自中东地震模型[8]。在研究区域内共建立了165个断层潜在震源区。由于有明确发震断层的地震通常MS≥6.5，本文中设定断层源的起算震级为MS6.5。MS6.5以下的地震仍计入面源的地震活动性参数。

图11 南天山—帕米尔断层分布示意图Fig.11 Faults distribution in South Tianshan—Pamir area

断层面的范围根据断层线、倾角和震源深度范围确定。断层源的b值选取断层所在地震带的b值。使用Anderson and Luco[18]提出的断层滑动速率和地震发生率的关系式计算断层源的地震活动性,

(4)

式中，M为震级上限，d为滑动速率，b为G-R关系[16]中的b值，μ为剪切模量，S为断层面面积，M0为M级地震的地震矩。用该式可得到M级地震的复发周期T，进一步可计算得到G-R关系中的a值，

(5)

2.2 断层源模型地震危险性算法

断层源模型的地震危险性算法与面源算法类似，也包括潜源离散化、读取场点距离参数、根据衰减关系计算地震动、积分计算概率地震危险性等步骤[19]。与面源模型不同的是，读取场点距离参数为断层破裂距Rrup，即场点到断层破裂面的最短距离[20]。为读取Rrup，需要对离散化后的每个子源根据所计算的震级生成地震破裂面。

关于破裂面面积的确定，耿冠世和俞言祥[21]对中国西部大地震的震级和破裂面尺度的关系进行了研究，选取的地震包括2003年中俄蒙交界的MS7.9地震、2001年昆仑山口西MS8.1地震等。该研究表明中国西部大地震的震级-破裂面尺度的关系与Wells and Coppersmith[22]提出的震级-破裂面尺度经验关系接近。因此，本文中使用Wells and Coppersmith经验关系计算破裂面面积，再进一步根据破裂面长宽比计算破裂面的长和宽。

断层震源模型地震危险性计算使用地震动衰减关系应为以Rrup为距离参数的衰减关系。参照中东地震模型的断层源计算方法，选取Akkar et al.[16]、Akkar and Cagnan[23]、Chiou and Youngs[24]、Zhao et al.[13]4种衰减关系各25%权重。

研究区面源和断层源的潜源分布(图12)。在进行面源和断层源结合地震危险性计算时，对内部有断层源分布的构造类面源(SST)，其震级上限调整为MS6.5。即MS≤6.5的地震发生率不变，MS≥6.5的地震只存在于断层源，地震活动性参数根据(4)式和(5)式计算。

图12 面源和断层源叠加的潜源分布示意图Fig.12 Seismoginic sources with both areas and fault sources

2.3 断层源结合面源模型的地震危险性计算

使用面源和断层源叠加的模型绘制研究区50年10%超越概率的PGA分布图(图13)，使用断层源模型后，研究区内地震危险性最高的地区为吉尔吉斯—乌兹别克斯坦交界地区。

图13 面源和断层源叠加模型的50年10%超越概率PGA分布图Fig.13 Seismic hazard map of PGA with 10% probability of exceedance in 50 years using area andfault source model

3 断层源模型与面源模型的比较

为比较图10和图13的地震危险性结果，绘制出断层源面源叠加模型-面源模型(图14，显示图10和图13地震危险性结果的差值)。由图14可见，使用断层源模型后，帕米尔和帕米尔高原几条主要断裂附近的地震危险性有所降低。喜马拉雅地震带、南天山北坡和中亚地区的地震危险性有所升高。其余地区的2种模型计算结果接近。

图14 断层源面源叠加模型—面源模型Fig.14 Fault source surface superposition model—surface source model

4 结论和讨论

分析中亚—中东地震危险性模型和中国模型在南天山—帕米尔地区的模型特点，重新划分了面源潜在震源区并重新确定了新潜源的地震活动性参数。使用南天山—帕米尔地区的断层资料建立了断层震源模型，计算了断层震源的地震活动性参数。将面源和断层源结合，使用协调后的模型计算了该地区的地震危险性。得出如下结论：

(1) 使用面源模型时，南天山西段是南天山—帕米尔地震危险性较高的地区。

(2) 使用断层源叠加面源模型时，吉尔吉斯—乌兹别克斯坦交界地区是研究区内地震危险性最高的地区。

(3) 使用断层源模型后，帕米尔和帕米尔高原几条主要断裂附近的地震危险性有所降低。喜马拉雅地震带、南天山北坡和中亚地区的地震危险性有所升高。其余地区的2种模型计算结果接近。

(4) 使用面源和断层源的地震危险性计算比较结果表明，使用断层震源的地震危险性分析能够表现大地震在近断层处地震动显著增大的特征。

本文中使用断层源和面源叠加模型计算的地震危险性结果在帕米尔—帕米尔地区比单纯使用面源模型的结果偏小，说明使用断层滑动速率估算的地震活动性同真实的地震活动性之间仍存在差异。断层滑动速率与地震活动性之间的更精确的内在联系还需进一步研究。