【摘要】：在印度板塊對(duì)歐亞板塊碰撞作用下,我國(guó)大陸是全球板內(nèi)地震災(zāi)害最為頻繁的地區(qū)之一,形成了包括青藏高原及其周緣地震帶、天山地震帶、山西地震帶、華北地震帶等多次發(fā)生8級(jí)強(qiáng)震的地震活動(dòng)區(qū)帶。這些地震帶頻繁活動(dòng),在歷史上發(fā)生了諸如1303年山西洪洞8級(jí)地震、1556年陜西華縣8.3級(jí)地震、1976年唐山7.8級(jí)地震、2008年汶川8級(jí)地震等特大災(zāi)害型地震,并造成了數(shù)以萬計(jì)的人員傷亡。近年來發(fā)生的2008年汶川8級(jí)地震、2010年玉樹7.1級(jí)地震、2013年蘆山7.0級(jí)地震、2014年魯?shù)?.5級(jí)地震等災(zāi)害性地震顯示中國(guó)大陸目前地震活動(dòng)水平仍然較高,亟需在中國(guó)大陸建立合理的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型來為防震減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。如何結(jié)合豐富的歷史地震目錄、活動(dòng)構(gòu)造及古地震研究資料、大地測(cè)量形變數(shù)據(jù)等相關(guān)資料來建立科學(xué)的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型,是目前建立中國(guó)大陸地震災(zāi)害模型時(shí)的突出問題。在地震斷層成因提出后,地震預(yù)測(cè)也隨之進(jìn)入了快速發(fā)展階段。地震預(yù)測(cè)也從特征地震模型等早期確定性預(yù)報(bào)到后期的概率性地震預(yù)測(cè)模擬,并發(fā)展成較為成熟的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型。這些地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型均可以分為震源區(qū)劃分、地震-頻度關(guān)系和分布特征、地震動(dòng)衰減關(guān)系、計(jì)算場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性等四個(gè)步驟,并可分為時(shí)間相依和時(shí)間獨(dú)立的兩種概率預(yù)測(cè)模型。地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型在全球陸續(xù)展開,并成為目前全球地震災(zāi)害防御中最為倚重的結(jié)果,而近年來包括汶川地震和日本Tohoku地震等特大災(zāi)難性地震的發(fā)生卻超出了這些地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的結(jié)果,也讓地震空區(qū)理論和準(zhǔn)周期模型的合理性受到質(zhì)疑;在低速率斷裂發(fā)生強(qiáng)震(如2008年汶川8級(jí)地震),以及區(qū)域發(fā)生超過歷史震級(jí)的強(qiáng)震等問題需要在新的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型中得到重視。2016年我國(guó)發(fā)布的第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖也在各個(gè)環(huán)節(jié)存在著很多突出的問題,其中包括了地震目錄主要以面波震級(jí)M_S為標(biāo)度,而與斷層破裂尺度聯(lián)系更為緊密的矩震級(jí)M_W未有使用;同樣在中國(guó)大陸震級(jí)與破裂參數(shù)之間的相互關(guān)系上也需要使用M_W震級(jí),斷層破裂長(zhǎng)度與震級(jí)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系是否合理也未在其出版的宣貫教材中進(jìn)行表述;地震發(fā)生率的計(jì)算上,第五代地震動(dòng)參數(shù)圖將震源區(qū)分為地震統(tǒng)計(jì)區(qū)、背景源和構(gòu)造源。對(duì)于中、強(qiáng)地震的分配上側(cè)重于主要斷裂的地震發(fā)生率,即詳細(xì)的潛在震源區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)性較高;而對(duì)于其它背景源地震發(fā)生率的分配上則以經(jīng)驗(yàn)為主,存在著很大的主觀性;分配潛在震源區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)時(shí),多采用歷史最大地震作為約束,并使用了代表性震級(jí)的方法,這一方法是否會(huì)對(duì)地震矩釋放率產(chǎn)生影響,以及未來是否會(huì)發(fā)生超過斷層破裂段長(zhǎng)度或者歷史地震最大震級(jí)的地震也是需要考慮的問題。如何使用一個(gè)更為科學(xué)且合理的計(jì)算步驟來進(jìn)行中國(guó)大陸地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè),而非對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)驗(yàn)性處理后進(jìn)行疊加,是目前亟需解決的問題,也為后續(xù)進(jìn)一步修改該模型和對(duì)區(qū)域地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的深入研究提供基礎(chǔ)�；谏鲜鲈诘卣鹞ｋU(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型中的諸多問題,本論文在中國(guó)大陸最新出版的構(gòu)造斷裂圖基礎(chǔ)上,綜合分析了中國(guó)大陸地震目錄、歷史地震破裂等資料;并以川滇地區(qū)為例,將使用全球地震模型(Global Earthquake Model,GEM)提供的開源軟件Open Quake及其主要工具箱HMTK,包括了目錄分析、地質(zhì)數(shù)據(jù)材料處理、構(gòu)造應(yīng)變率分析等對(duì)中國(guó)大陸地震災(zāi)害模型進(jìn)行分層建構(gòu)和計(jì)算結(jié)果分析。一、編譯中國(guó)大陸統(tǒng)一的M_W震級(jí)目錄我國(guó)擁有3,000年左右的歷史地震記錄,但在地震危險(xiǎn)性分析中需要與斷層破裂更為直觀的矩震級(jí)M_W目錄。如何將現(xiàn)有的各種以面波震級(jí)M_S為震級(jí)尺度的地震目錄編譯成一個(gè)統(tǒng)一的矩震級(jí)M_W目錄對(duì)于地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型至關(guān)重要。結(jié)合中國(guó)M_S地震目錄與全球M_W目錄(包括了全球質(zhì)心矩目錄:Global CMT目錄,和國(guó)際地震中心-全球地震模型目錄:ISC-GEM目錄)中的相同事件,本文提出了約束型正交回歸法分三個(gè)時(shí)間段(1900-1965、1966-1975和1976-2015)和震級(jí)大、小兩部分(M_S≥7.0和M_S7.0)來推導(dǎo)M_S-M_W之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,將無M_W震級(jí)值轉(zhuǎn)化為M_W值,并將目錄中未有的但卻出現(xiàn)在其它目錄中的地震,加入到本文最終給出的新M_W目錄中。最終統(tǒng)一的M_W目錄含有約15,700個(gè)4.0級(jí)以上地震,較中國(guó)M_S目錄中增加了4,000余個(gè)地震,并遠(yuǎn)多于全球M_W目錄的1,400次地震事件。為了進(jìn)一步分析目錄的完整程度,將中國(guó)大陸分為東、西部(以105°E為界)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析完整性震級(jí)和時(shí)間,認(rèn)為中國(guó)大陸東部的完整性震級(jí)的時(shí)間明顯早于大陸西部,這與我國(guó)東部人口聚集程度以及文明程度相對(duì)較高有關(guān)。從根據(jù)完整性震級(jí)和時(shí)間計(jì)算的震級(jí)-頻度關(guān)系看,中國(guó)大陸東部地區(qū)地震發(fā)生率明顯低于西部,而中國(guó)大陸東部0.88的b值較西部0.96的b值小。最終給出的M_W目錄以及這一完整性震級(jí)內(nèi)的地震和震級(jí)-頻度關(guān)系將被用于本論文中國(guó)地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型中。二、中國(guó)大陸震級(jí)與破裂尺度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系在地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的地震動(dòng)模擬時(shí),需要根據(jù)震級(jí)與破裂參數(shù)之間的相互關(guān)系得到斷層破裂參數(shù);而根據(jù)全球地震數(shù)據(jù)得到的統(tǒng)計(jì)關(guān)系是否適合于板內(nèi)地震構(gòu)造環(huán)境下的中國(guó)大陸需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。目前基于中國(guó)大陸破裂參數(shù)給出的震級(jí)與破裂參數(shù)間關(guān)系主要集中在地表破裂的參數(shù)與M_S震級(jí)上,需要建立適合于中國(guó)大陸的矩震級(jí)與破裂參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,以便用于后續(xù)的地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型。本文使用了正交回歸方法分析了中國(guó)大陸90次中、強(qiáng)震的破裂參數(shù),給出了中國(guó)大陸東、西部(以105°E為界)各自的震級(jí)與破裂參數(shù)間統(tǒng)計(jì)關(guān)系。本文的結(jié)果顯示中國(guó)東部和西部的震級(jí)與破裂長(zhǎng)度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系存在著顯著不同。對(duì)于中國(guó)大陸西部的地震,本文的回歸結(jié)果與全球數(shù)據(jù)的回歸結(jié)果沒有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。中國(guó)大陸東部地區(qū)走滑型地震占絕大多數(shù),本文給出的中國(guó)大陸東部走滑型地震的回歸直線斜率明顯較西部小。這種差異主要是因?yàn)橹袊?guó)大陸西部地震發(fā)生在具有較低應(yīng)力降的彌散板塊邊界,而中國(guó)東部地震發(fā)生在具有較高應(yīng)力降的板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境中。從給出的破裂面積與M_W之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系看,中國(guó)大陸西部走滑型地震M_W≤6.70的M_W與RA間統(tǒng)計(jì)關(guān)系同樣適用于中國(guó)大陸東部。三、川滇地區(qū)震源模型的建立在對(duì)川滇地區(qū)的地震災(zāi)害模型建立過程中,根據(jù)區(qū)域構(gòu)造特征、斷裂活動(dòng)習(xí)性和地震分布以及震源機(jī)制解特征,將川滇地區(qū)及其周邊大致分為了11個(gè)主要震源分區(qū),即緬甸俯沖帶分區(qū)、滇西南震源分區(qū)、川滇震源分區(qū)、東南沿海震源分區(qū)、華南震源分區(qū)、龍門山震源分區(qū)、喜馬拉雅震源分區(qū)、巴顏喀拉震源分區(qū)、羌塘震源分區(qū)、西秦嶺震源分區(qū)、汾渭震源分區(qū)。在對(duì)地震目錄除余震后得到各震源分區(qū)的G-R關(guān)系,并根據(jù)應(yīng)變率模型計(jì)算出各震源分區(qū)衰減型G-R關(guān)系中的拐角震級(jí)m_c。結(jié)果顯示川滇震源分區(qū)、滇西南震源分區(qū)和龍門山震源分區(qū)的b值分別為0.76、0.87和0.83,顯示各震源分區(qū)的地震活動(dòng)性也存在著差異。根據(jù)這些G-R關(guān)系中的參數(shù),可將每個(gè)震源分區(qū)的應(yīng)變率積累量根據(jù)衰減型G-R關(guān)系轉(zhuǎn)換為各震級(jí)檔積累頻次;并與斷層滑動(dòng)速率根據(jù)截?cái)嘈虶-R關(guān)系轉(zhuǎn)換成的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,通過調(diào)節(jié)震源分區(qū)發(fā)震層深度與耦合系數(shù)乘積,以及斷裂滑動(dòng)速率進(jìn)行分析,從而對(duì)區(qū)域應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的各震級(jí)檔地震頻次進(jìn)行總量控制;區(qū)域應(yīng)變率給出的G-R關(guān)系與震源分區(qū)內(nèi)所有斷裂滑動(dòng)速率給出的G-R關(guān)系的差值即為震源分區(qū)的背景地震活動(dòng)性;并根據(jù)地震活動(dòng)性平滑分析結(jié)果分配到背景地震發(fā)生率上。這一方法與其它模型相比,不僅可以合理地將地震分配到斷層活動(dòng)和背景地震發(fā)生率上,還允許震源分區(qū)內(nèi)發(fā)生超過歷史最大地震的特大地震的小概率事件;而這些特大地震需要被分配到較長(zhǎng)地?cái)鄬由?因此在本文斷層模型中仍然保留了大型斷裂或其主要部分,沒有對(duì)斷層進(jìn)行詳細(xì)分段。四、OpenQuake計(jì)算結(jié)果的分析與討論基于所建立的震源模型,利用邏輯樹模型中的多個(gè)地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程和OpenQuake計(jì)算引擎,并結(jié)合了泊松分布的條件概率分布特征,計(jì)算了川滇地區(qū)未來地震發(fā)生所引起的PGA分布特征,其中包括了斷層運(yùn)動(dòng)引起的PGA預(yù)測(cè)分布圖和背景地震發(fā)生率所引起的PGA預(yù)測(cè)分布圖。斷層引起的PGA預(yù)測(cè)分布顯示高值主要集中在大型高速斷裂帶上,如鮮水河-小江斷裂帶,其周邊的PGA值一般均大于0.4 g。這些大型高速斷裂帶并沒有進(jìn)行詳細(xì)分段,震源區(qū)內(nèi)的特大強(qiáng)震被分配到這些斷裂上,因此這些斷裂周邊的PGA值較大。斷層給出的結(jié)果主要反映了長(zhǎng)期構(gòu)造應(yīng)力加載下,區(qū)域主要強(qiáng)震發(fā)生的概率,這一過程可能需要較長(zhǎng)的時(shí)間。因?yàn)樘卮蟮卣鸬哪臧l(fā)生率可能僅為萬年一遇或者更低,如龍門山震源區(qū)給出的M_(W )8.0地震的發(fā)生率僅為6×10~(-5),即1.7萬年1次,而與汶川M_(W )7.9同級(jí)別地震則約為5000年一遇。通過平滑分析地震活動(dòng)性所得到的背景地震發(fā)生率主要是對(duì)歷史地震目錄的一個(gè)反映,也基本上與小區(qū)域的復(fù)雜構(gòu)造有著密切的聯(lián)系。從這一結(jié)果看,在川滇地區(qū)其結(jié)果也基本與斷層引起的PGA分布相似,在龍門山斷裂帶中段、紅河斷裂帶北端附近、滇西南的盈江地區(qū)等附近存在高值區(qū),顯示地震的彌散分布和小區(qū)域的構(gòu)造復(fù)雜性;而在鮮水河斷裂帶這樣的大型走滑斷裂帶附近,由于斷裂單一且清晰,該地區(qū)背景地震發(fā)生率所引起的PGA值則一般較小。綜合兩者引起的預(yù)測(cè)重現(xiàn)期為475年的總PGA分布特征,其結(jié)果與背景地震發(fā)生率引起的PGA分布相似,預(yù)測(cè)高值區(qū)也基本位于斷裂附近,如甘孜-玉樹斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶、小江斷裂帶和紅河斷裂帶等。這一結(jié)果與我國(guó)第五代地震動(dòng)參數(shù)圖比較,本文結(jié)果在斷裂帶附近明顯高于第五代地震動(dòng)參數(shù)圖給出的結(jié)果,分析其主要原因有:(1)著眼于地震模型中對(duì)于特大強(qiáng)震的預(yù)測(cè),本論文沒有利用較小的斷層間的分段標(biāo)志來將斷裂劃分為多個(gè)斷層段,而是根據(jù)TGR關(guān)系和區(qū)域應(yīng)變率模型計(jì)算出的最大可能地震以及各震級(jí)檔的地震發(fā)生率來分配,并將這些地震分配到大型斷裂上。相較于第五代地震動(dòng)參數(shù)圖根據(jù)斷層分段并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系來給出最大震級(jí),或者依據(jù)歷史地震最大震級(jí)來給出相應(yīng)值;本論文預(yù)測(cè)的最大震級(jí)、斷層破裂長(zhǎng)度所能承載的最大震級(jí)均較大,因此計(jì)算結(jié)果明顯較大,所引起了斷層周邊預(yù)測(cè)PGA值也較大。從地震頻次看,川滇震源分區(qū)、滇西南震源分區(qū)在強(qiáng)震發(fā)生率上也較第五代地震動(dòng)區(qū)劃圖高,而龍門山震源分區(qū)則較第五代地震動(dòng)區(qū)劃圖低,因此在川滇震源分區(qū)和滇西南震源分區(qū),本文結(jié)果較第五代地震動(dòng)區(qū)劃圖的PGA預(yù)測(cè)高值更為明顯。另外第五代地震動(dòng)參數(shù)圖在分析潛在震源區(qū)地震空間分布時(shí),采用了代表性震級(jí)的方法。這一方法也將降低第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中總的地震矩釋放量;尤其是在大震級(jí)檔時(shí);本文以0.1為震級(jí)檔,相應(yīng)地模擬出的地震矩釋放率更接近現(xiàn)實(shí)情況。從PGA預(yù)測(cè)值的形狀看,本文的結(jié)果基于斷裂錯(cuò)動(dòng)和背景地震發(fā)生率的疊加而得到,這樣其形狀在很多地區(qū)并不與小區(qū)域內(nèi)主要斷層呈現(xiàn)較高的吻合;而第五代地震動(dòng)參數(shù)圖主要基于潛在震源區(qū)展開,幾乎所有的強(qiáng)震都被分配到潛在震源區(qū)內(nèi),因此其結(jié)果與斷層的吻合程度更高。與全球地震災(zāi)害評(píng)估項(xiàng)目(Global Seismic Hazard Assessment Program,GSHAP)結(jié)果相比,本文結(jié)果與GSHAP給出的結(jié)果相似程度高,但也存在著很大的差異。GSHAP過度強(qiáng)調(diào)了高速滑動(dòng)斷裂及其強(qiáng)震活動(dòng)性的影響,而對(duì)于一些低速或者次要活動(dòng)斷裂帶的作用有所弱化,如龍門山斷裂帶、紅河斷裂帶、馬邊斷裂帶、虎牙斷裂帶等地區(qū)。由于同樣采用了潛在震源區(qū)的方式,GSHAP與第五代地震動(dòng)參數(shù)圖一樣,與斷裂帶的吻合程度較本文結(jié)果要高。從上述結(jié)果看,本文結(jié)合斷層滑動(dòng)速率以及背景地震發(fā)生率來研究地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型的方法,既考慮到斷裂的滑動(dòng)在區(qū)域地震中的支配作用,也照顧到板內(nèi)地震發(fā)生的彌散性,區(qū)域塊體內(nèi)部斷裂的復(fù)雜性等特點(diǎn),相較于第五代地震動(dòng)參數(shù)圖的結(jié)果,與實(shí)際的地震分布符合程度更高。綜合上述結(jié)果,本論文給出的結(jié)果較前面的模型在方法上進(jìn)行了改進(jìn)。在這一過程中仍然存在著諸多不確定性和不可避免的誤差。本結(jié)果在前期資料準(zhǔn)備、地震災(zāi)害模擬的標(biāo)準(zhǔn)化處理和科學(xué)計(jì)算過程、以及計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖和全球地震災(zāi)害圖的對(duì)比方面都具有較大的合理性,也為后期逐漸改善現(xiàn)有的模型提供了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地震局地質(zhì)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P315
【圖文】：

險(xiǎn)性概率預(yù)測(cè)模型（PSHA）預(yù)報(bào)（forecast）方面，主要應(yīng)用活動(dòng)斷裂、斷裂上發(fā)生的古地震和歷史地震資對(duì)斷裂乃至區(qū)域地震危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。其最核心資料為活動(dòng)斷裂中的古地震古地震和歷史地震資料的多少和完備程度都決定了其計(jì)算概率的優(yōu)劣。 Cornell 使用泊松分布模型來預(yù)測(cè)地震，認(rèn)為地震在斷裂或某個(gè)區(qū)域內(nèi)，在時(shí)，且地震次數(shù)與震級(jí)關(guān)系服從 G-R 關(guān)系，地震發(fā)生遵循泊松隨機(jī)發(fā)生的假設(shè)法也在其后被 Cornell 加入了場(chǎng)地條件等參數(shù)來分析地震動(dòng)的變化（Cornell, 1標(biāo)準(zhǔn)的 PSHA 步驟（McGuire, 1976; 1977; 1996），即震源區(qū)劃分、地震-頻度關(guān)震衰減關(guān)系、計(jì)算場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性（圖 1.1），而相應(yīng)地 PSHA 也被稱為法（公式 1.1）。GSHAP 在中東亞地區(qū)地震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型即采用這一方法進(jìn)et al., 1999）。

震級(jí)-頻度之間的G-R關(guān)系（Gutenberg and Richter, 1944），是目前地震學(xué)中使用最頻繁的統(tǒng)計(jì)關(guān)系之一。G-R關(guān)系認(rèn)為某區(qū)域發(fā)生大于某震級(jí)（M）的次數(shù)（N）與該震級(jí)（M）之間存在著對(duì)數(shù)關(guān)系（圖1.2a），即：即： = t (1.3)其中a值反映了區(qū)域某時(shí)間段的地震活動(dòng)水平；而b值是地震危險(xiǎn)性分析的重要參數(shù)，反映了大、小地震之間的比例關(guān)系；其中b值可以通過最大似然估計(jì)求�。ˋki, 1965）。由于地震觀測(cè)歷史時(shí)間有限，且歷史地震震級(jí)存在著較大的誤差，在計(jì)算G-R關(guān)系時(shí)缺少對(duì)較大震級(jí)地震發(fā)生率的控制，使得這一部分存在著較大誤差。Schwartz和Coppersmith（1984）在對(duì)San Andreas斷層（板間大型高速走滑斷裂）和Wasatch斷層（板內(nèi)低速斷裂）上特征地震研究時(shí)，認(rèn)為斷層上中等地震活躍程度不高，呈現(xiàn)低b值現(xiàn)象（0.2-0.4）；小地震則服從泊松分布特征，震級(jí)分布服從G-R關(guān)系

(a) (b)圖 2.2 ANCOVA 給出的 1900 - 1965 年（紅色直線）和 1966 - 1975年（藍(lán)色直線）對(duì) MS<7.0 事件的震級(jí)回歸進(jìn)行分析； （a）回歸斜率比較; （b）假設(shè)相同的斜率比較回歸直線的截距。(a) (b)圖 2.3 ANCOVA 給出的 1900 - 1965 年（紅色直線）和 1966 - 1975 年（藍(lán)色直線）對(duì) MS≥7.0 事件的震級(jí)回歸進(jìn)行分析；(a) 回歸斜率比較；(b) 假設(shè)相同的斜率比較回歸直線的截距。

本文編號(hào)：2781750