2017, Vol. 60
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
4. 北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点试验室, 北京 100124
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
河北雄安新区位于京津冀地区核心腹地，由保定市所辖雄县、容城和安新3县组成.雄安新区周边曾发生1679年三河—平谷、1966年邢台和1976年唐山等严重破坏性地震.为给国家重大工程建设提供设计参数，减轻地震对人类生命及财产造成的损失，对雄安新区进行地震危险性评估具有重要意义.按照《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)(中国地震局，2015)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(中华人民共和国住房和城乡建设部，2016)，雄安新区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1 g.然而，鉴于传统地震危险性分析方法存在诸多缺陷(见下节)，上述抗震设防参数是否合理有待商榷.为此，本文基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论(秦四清等，2010；杨百存等，2017)，评估雄安新区及其周围的地震危险性，并复核未来50年内雄安新区的抗震设防烈度，为保障该区建设工程的长期安全性提供科学依据.
2 传统地震危险性分析方法评述地震危险性定义为某种大小的宏观烈度或地面运动参数(加速度、速度和位移)在给定地点、给定时间周期内被超越的概率(陈颙等，1999).目前有多种用于评估地震危险性的方法，其中广为应用的是确定性和概率地震危险性分析方法.确定性地震危险性分析方法，是假定第四纪或有近代地壳活动证据的断层为可能震源，根据与其位置有关的历史地震震级和断层规模(长度和面积)进行统计分析，评估其未来最可能的发震震级(胥广银，1995).根据秦四清等(2016a，b，c)对地震区标志性地震孕育规律的认识，该方法存在以下不足：
(1) 与历史地震相关的断层可能有多条，显然评价结果依赖于断层的选择，这将不可避免地带来多解性问题.
(2) 断层规模与历史地震震级的统计关系具有非确定性，实际应用时仅供参考.
Cornell(1968)是概率地震危险性分析方法的创立者，该方法基于某研究区地震地质情况，确定可能的震源区模式及其发震概率分布，根据地震动衰减规律计算给定场点地震动参数的超越概率.后经国内外诸多学者(Basham and Adams, 1989；沈建文等，1992；Lapajne, et al., 2003；Hagos, et al., 2006；高孟潭等，2008)的发展，该方法广泛应用至今.然而，该方法存在如下问题：
(1) 潜在震源区的划分及其地震活动空间分布形式的假定，科学依据不足，常因人而异.
(2) 易低估潜在震源区的最大地震强度(Wyss，2015).
(3) 该方法常涉及到余震序列的删除，但前人(Gardner and Knopoff, 1974；Wang, et al., 2010)提出的主震和余震判识方法与地震物理机制脱节，易误判地震事件类型.
无论采用上述哪种分析方法，地震复发周期均为地震危险性定量评估所需的重要参数之一(冉洪流和何宏林，2006).地震复发周期指沿特定断裂(段)上重复发生的、大小非常接近的地震事件时间间隔(Schwartz and Coppersmith, 1984)，其理论基础为地震复发模式.地震复发模式指沿着某条断裂带，地震在时、空、强三方面均具有一定的存储记忆性，即在地质历史上重复发生地震的特定构造部位，震级相当的大地震还按以往的复发规律在未来发生(张秋文和张培震，1999).基于此，相关学者提出了诸多地震复发模式.Bufe等(1977)提出了严格周期模式，假设断裂滑动速率、每次地震发生对应的极限应力值与震后应力降值均恒定不变，则相邻复发地震的震级和时间间隔相同.Shimazaki和Nakata(1980)提出了时间可预测模式和滑动(或震级)可预测模式，前者假设断裂滑动速率和每次地震发生对应的极限应力值恒定不变，但震后的应力降值不固定，则复发地震的时间间隔与上一次地震的震级大小成正比，但震级无法预测；后者指断裂滑动速率和每次地震后应力下降的终止应力值恒定不变，但导致每次大地震发生的极限应力值不固定，则复发地震的震级大小与其发生之前的应力积累时间呈正比，但发震时间无法预测.Savage和Cockerham(1987)提出了准周期复发模式，指某震源区或断裂段上每次地震发生对应的极限应力值与震后应力下降的终止应力值可在一定范围内波动，则复发地震的时间间隔与震级大小均在某一数值附近摆动，但摆动幅度不大.根据秦四清等(2016a，b，c)对地震区标志性地震孕育规律的认识，上述地震复发模式存在以下不足：
(1) 大地震孕育过程通常与地震区内多条断裂有关，利用经验或统计方法研究某区域或特定断裂带(段)地震的复发周期，可能得出错误结论.
(2) 除严格周期模式外，其它模式仍无法实现地震的准确预测(包括时间、空间和强度)，而统计分析表明(冉勇康，1997)严格周期模式不具有普适性.
(3) 上述方法的理论基础为Reid(1910)提出的“弹性回跳假说”，但该假说不能用于描述大地震的孕育过程(吴晓娲等，2016).
(4) 地震发生对应的极限应力值和震后应力下降的终止应力值大小，与地震区地震事件类型、锁固段强度与尺度特性有关，并非严格不变或近似不变.
上述方法不仅理论依据不足，震例分析亦表明(秦四清等, 2016a, b, c)，截至目前尚未发现可支撑大地震复发周期的案例.基于岩石变形破坏力学行为，地震事件类型可划分为预震(preshock)、前震(foreshock)、标志性地震、主震及余震等(吴晓娲等，2016).基于对全球62个地震区的震例分析(秦四清等, 2016a, b, c)，这些事件的时空演化特征可分别归纳为：
(1) 预震或前震(除下述标志性预震外)为地震区标志性地震孕育过程中的随机事件，即使在某地可能发生多次震级相近的地震，但其时间间隔并非为定值或准定值.如San Andreas断层带上的Parkfield段(Bakun et al., 2005)，在1857、1881、1901、1922、1934、1966和2004年，即时间间隔分别约为24、20、21、12、32和38年，曾发生震级约为M6.0的地震，可看出其时间间隔并非具有约22年的周期特征.秦四清等(2016a)的研究表明，Parkfield段位于旧金山地震区，这些地震均为预震，属于随机事件，不是以前认为的特征地震.
(2) 目前尚未发现发生在同一条断裂、震级相差较小且时间间隔相近的标志性地震.
(3) 仅有澜沧、丽江和灵山等少数地震区，上一轮孕育周期发生了1次主震，但当前周期主震均未发生，故无法确定是否存在主震复发周期.
2008年汶川大地震前，龙门山断裂带历史地震活动频度与强度较低，仅有5次MS≥6.0地震记录，分别为1327年9月天全MS≥6.0、1657年4月21日汶川—茂县一带MS6.5、1941年6月12日泸定—天全一带MS6.0、1958年2月8日茂汶—北川一带MS6.2和1970年2月24日大邑MS6.2地震(吴海波等，2015).按传统分析方法，茂县—汶川和北川—太平分别被划分为7.0级和6.5级潜在震源区(胡先明，2007)，而汶川大地震的发生说明，用其评估某一区域的地震危险性，其可靠性差.
综上所述，由于传统分析方法存在诸多缺陷，用其评估特定区域的地震危险性，易得出错误结论，故亟需探索新方法.鉴于秦四清等(2010)提出的孕震断层多锁固段脆性破裂理论，与大地震物理机制(吴晓娲等，2016)密切相关，已得到诸多震例的支持(秦四清等, 2016a, b, c)，具有广泛的适用性，故本文采用该理论，首先建立地震危险性评估新方法，然后据此分析雄安新区及其周围的地震危险性.
3 地震危险性评估新方法我们认为，欲实现对某特定区域可靠的地震危险性评估，必须在掌握大地震孕育机制及其规律的前提下，以坚实的物理预测为基础.秦四清等(2010a, 2016a, b, c)的研究表明，地震区标志性地震的发生遵循确定性规律，可对其进行物理预测.在标志性地震发生前，还将发生诸多预震，因其为随机事件，通常无法被预测，故需另辟蹊径探索预测较大预震的新方法.为此，基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，我们首先提出预测研究区标志性预震的方法，进而创立一种以物理预测为基础的地震危险性评估新方法.
3.1 标志性预震的预测方法研究表明(Hirata，1987；Smalley et al., 1987；郑捷，1992)，不同尺度的岩石破裂均呈现自相似性特征，具有普适性质.秦四清等(2016b)、李培(2016)与杨百存等(2017)指出，若某地震区存在次级锁固段，则主次锁固段的破裂行为具有自相似性，且遵循相同的演化规律.因此，可在特定地震区内以断层为约束条件，划分小区作为研究区，揭示其预震活动特征，以充分把握其地震趋势.定义研究区内次级锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的地震为标志性预震，其间发生的系列破裂事件为子预震，临近峰值强度点的子预震为子前震.尽管地震区的标志性地震和研究区的标志性预震皆遵循相同演化规律，但基于地震区提出的地震事件量级匹配原则(秦四清等，2016c)是否适用于研究区，需开展进一步研究.
以《中国及其周边地震区划分图》3.5版(秦四清等，2015)中邢台和菏泽—濮阳地震区(图 1)为例，这两个地震区均隶属于唐山地震区(3.6版)，可视为研究区，以下将分析研究区地震事件量级匹配关系.邢台研究区曾发生3次标志性预震(图 2)，分别为777年河北邢台宁晋东北MS6.0、1966年3月8日隆尧东MS6.8和1966年3月22日宁晋东南MS7.2地震.需指出的是，1882年12月2日深县MS6.0地震是1966年MS6.8地震前的1次显著子预震，1966年3月22日宁晋东南MS6.7地震是1966年MS7.2地震前的1次显著子前震.菏泽—濮阳研究区曾发生3次标志性预震(图 3)，分别为1502年10月27日河南濮城MS6.5、1830年6月12日河北磁县MS7.5和1937年8月1日山东菏泽MS7.0/MS6.75双震.令Mpc和Mpf分别表示次级锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的标志性预震震级，Mpp表示子预震震级，基于上述分析及以前震例研究(秦四清等，2015)，在统一震级标度情况下，可给出研究区地震的震级约束关系为：
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图 1 唐山和运城地震区地震构造图(3.6版) Fig. 1 Seismotectonic map of the Tangshan and Yuncheng seismic zones (Version 3.6) |
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图 2 邢台研究区377—2015.11.21之间CBS值与时间关系 数据分析时选取MS≥5.0地震；误差修正已被考虑. Fig. 2 Temporal distribution of CBS in the period from 377 to 21 November 2015 for the Xingtai research zone The earthquakes with MS≥5.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
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图 3 菏泽—濮阳研究区344.12—2015.11.21之间CBS值与时间关系 数据分析时选取MS≥4.75地震；误差修正已被考虑. Fig. 3 Temporal distribution of CBS in the period from December 344 to 21 November 2015 for the Heze-Puyang research zone The earthquakes with MS≥4.75 are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
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(1) |
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应用式(1)和式(2)，可预测未来标志性预震的震级范围和子预震的震级上限.
3.2 评估方法我们建议按如下方法和步骤，评估某一特定区域的地震危险性：
(1) 明确该区域所涉及的一个或多个地震区，研判各地震区的地震趋势，给出未来将发生的标志性地震震级范围与预震震级上限；分析各地震区活动断层的发震潜力与地震活动性特征，预判标志性地震发生的可能地点.
(2) 在上述分析的基础上，考虑断层展布情况及其与该区域的位置关系，以断层为约束条件，在各地震区内划分一个或多个研究区.根据上述标志性预震的预测方法，给出研究区未来将发生的标志性预震与子预震震级上限；结合研究区活动断层的发震潜力评估和地震活动习性，预判标志性预震发生的可能地点.
(3) 评判在给定时间范围内各研究区及其周围的发震潜力，根据有关地震烈度经验公式，计算在最不利情况下(如考虑震级上限和距离最近的情况)的该区域地震烈度.
(4) 综合分析研究结果，给出该区域的抗震设防烈度建议值.
4 唐山与运城地震区地震趋势雄安新区位于唐山地震区内且近邻运城地震区(图 1).显然，欲科学评估雄安新区地震危险性，需准确把握唐山和运城地震区地震趋势.
4.1 唐山地震区如表 1所示，公元前70年6月1日至今，唐山地震区曾发生MS≥7.0地震12次(数据源自国家地震科学数据共享中心(http://data.earthquake.cn/)，获取日期为2015年11月21日)，秦四清等(2016b)修订了其中某些震级参数.
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表 1 唐山地震区MS≥7.0地震 Table 1 Earthquakes with MS≥7.0 in the Tangshan seismic zone |
基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，可建立唐山地震区当前孕育周期经误差修正后标志性地震之间的力学联系.从图 4可看出，根据1597年10月6日渤海MS7.5地震发生前的CBS值，可较准确地连续预测到1668年7月25日山东郯城MS8.0地震、1679年9月2日河北三河—平谷MS7.8地震、1888年6月13日渤海湾MS7.8地震与1976年7月27日(UTC)河北唐山MS7.8地震的临界CBS值.根据吴晓娲等(2016)提出的主震事件判识原则，判断该区当前孕育周期存在第5锁固段，当其被加载至峰值强度点时，应发生标志性地震.截止到2015年11月21日，该地震区CBS监测值约为2.83×109J1/2，远离临界值3.48×109J1/2.对该地震区未来震情预测结果如下：震级为MS7.8~8.3；震中位置为北纬38.9°，东经117.2°；震源深度为10~20 km；发震时间窗口为长期.预计向临界状态演化过程中，该区MS7.0左右预震频发，但震级上限不应超过MS7.6.
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图 4 唐山地震区公元前1767—2015.11.21之间CBS值与时间关系 数据分析时选取MS≥5.0地震；误差修正已被考虑. Fig. 4 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 1767 to 21 November 2015 for the Tangshan seismic zone The earthquakes with MS≥5.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
如表 2所示，公元前2300年至今，运城地震区曾发生MS≥7.0地震10次(数据源自国家地震科学数据共享中心(http://data.earthquake.cn/)，获取日期为2015年11月21日)，秦四清等(2016b)修订了其中某些震级参数.
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表 2 运城地震区MS≥7.0地震 Table 2 Earthquakes with MS≥7.0 in the Yuncheng seismic zone |
基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，可建立运城地震区当前孕育周期经误差修正后标志性地震之间的力学联系.从图 5可看出，根据1303年9月25日山西洪洞MS8.0地震发生前的CBS值，可较准确地连续预测到1556年2月2日陕西华县MS8.2地震与1695年5月18日山西临汾MS8.0地震的临界CBS值.根据吴晓娲等(2016)提出的主震事件判识原则，判断该区当前孕育周期存在第3锁固段，当其被加载至峰值强度点时，应发生标志性地震.截止到2015年11月21日，该地震区CBS监测值约为2.37×109J1/2，远离临界值2.81×109J1/2.对该地震区未来震情预测结果如下：震级为MS8.0~8.5；震中位置为北纬35.3°，东经110.3°；震源深度为5~20 km；发震时间窗口为长期.预计向临界状态演化过程中，该区还将发生不超过MS7.8的预震.
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图 5 运城地震区公元前2300—2015.11.21之间CBS值与时间关系 数据分析时选取MS≥6.0地震；误差修正已被考虑. Fig. 5 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 2300 to 21 November 2015 for the Yuncheng seismic zone The earthquakes with MS≥6.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
参考《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)(中华人民共和国建设部，2002)，普通房屋和构筑物的设计使用年限为50年.基于上述唐山与运城地震区地震趋势分析结果及主要断裂展布与雄安新区位置关系，在这两个地震区内分别划分研究区，评价研究区及其周围未来发震潜力，可估算雄安新区未来50年内的地震烈度参数.
5.1 唐山地震区发生标志性地震的评估结果参考唐山地震区标志性地震之间的时间间隔，可知未来50年内该区发生MS7.8~8.3标志性地震的可能性较大，预测震中在天津—沧州一带.根据某些学者提出的烈度(I)、震中距(R)与震级(M)经验公式(表 3)，可估算该震发生时雄安新区地震烈度.由上述唐山地震区未来震情分析结果知，该标志性地震很可能发生于沧东断裂(下述保定研究区周围，预测震中距雄安新区最近距离约99 km)，根据表 3中公式4~6，该标志性地震发生时，雄安新区的地震烈度约为7.4~8.3度.
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表 3 地震烈度经验公式 Table 3 Empirical formulas of seismic intensity |
由上述唐山地震区震情分析结果知，未来标志性地震发生前，该区还将发生多次预震，但震级上限不超过MS7.6.以太行山山前断裂、宝坻断裂、廊坊—武清断裂、海河断裂、沧东断裂和衡水断裂为主控边界，在唐山地震区内划分了保定研究区(图 6).以下将分两种情况，分别评估保定研究区及其周围的地震危险性，以及对雄安新区地震烈度的影响.
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图 6 保定、行唐和十渡研究区地震构造图 Fig. 6 Seismotectonic map of the Baoding, Xingtang and Shidu research zones |
基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，可建立该研究区经误差修正后标志性预震之间的力学联系.从图 7可看出，河北河间1068年8月20日MS6.5(Mpc)地震与1967年3月27日MS6.3(Mpf)地震，分别是第1次级锁固段在体积膨胀点和峰值强度点的标志性预震.根据以前震例研究(秦四清等，2015)，并考虑到Mpf小于Mpc，判断该区当前孕育周期存在第2次级锁固段，当其被加载至峰值强度点时，应发生标志性预震.根据式(1)可确定第2次级锁固段发生宏观破裂时标志性预震震级不超过MS7.3，考虑该研究区历史地震活动特征与断裂展布情况，判断该震发生在大城断裂一带的可能性大.由于目前保定研究区远离临界状态，估计未来50年内发生标志性预震的可能性较小.尽管如此，为工程安全起见，考虑最不利因素，即未来50年内MS7.3地震发生在大城断裂距雄安新区距离最近处(约48 km)，根据表 3中公式4~6，该震发生时雄安新区的地震烈度不超过8度.由式(2)知，未来标志性预震发生前子预震的震级不超过MS6.3.因子预震为随机事件，具有随时发生的可能性.考虑最不利因素，即MS6.3地震发生在雄安新区内，据表 3中公式1~3，该震发生时雄安新区的震中烈度(I0)约为8.0~8.3度.
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图 7 保定研究区949.5.9 —2015.11.21之间CBS值与时间关系 数据分析时选取MS≥5.0地震；误差修正已被考虑. Fig. 7 Temporal distribution of CBS in the period from 9 May 949 to 21 November 2015 for the Baoding research zone The earthquakes with MS≥5.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered. |
若预震发生在唐山地震区内的保定研究区外，仅估算最大预震(MS7.6)发生导致的雄安新区最大地震烈度，即可为该区工程建设提供安全合理的抗震设防参数.夏垫断裂近邻保定研究区，为1536年11月1日通州(县)MS6.0地震和1679年三河—平谷MS7.8地震的发震断裂，若按传统地震危险性分析方法，绝无可能在1679年前能预判该断裂会发生MS7.8地震，严重低估该断裂的发震潜力实属必然.我们再次强调，即使评价某一具体断裂(带)的地震危险性，也必须从地震区或研究区的角度出发才能得出可靠结果.根据地震震级与断层长度经验关系(Wells and Coppersmith, 1994；龙锋等，2006)，宝坻和大兴—通县断裂均具有MS7.6发震潜力且距雄安新区较近，最近距离均约为50 km.考虑最不利因素，即在距离最近处且在未来50年内发震，根据表 3中公式4~6，这两条断裂分别发生MS7.6地震时，雄安新区的地震烈度约为8.0~8.1度.
5.3 运城地震区发生预震的评估结果目前运城地震区远离临界状态(图 5)，且在1695年临汾MS8.0地震后的强震活动较弱，估计50年内不会发生MS8.0~8.5标志性地震，但会发生多次不超过MS7.8的预震.根据断裂展布情况及其与雄安新区的位置关系，在运城地震区内划分行唐和十渡两个研究区，以下将分三种情况，分别评估行唐与十渡研究区及其周围的地震危险性，以及对雄安新区地震烈度的影响.
5.3.1 行唐研究区行唐研究区曾发生1次标志性预震，即1658年2月3日河北涞水MS6.0地震.由式(1)知，该区未来标志性预震震级不超过MS7.0.根据地震震级与断层长度经验关系(Wells and Coppersmith, 1994；龙锋等，2006)，该研究区内仅太行山山前断裂具有MS7.0发震潜力.考虑最不利因素，即MS7.0地震发生在该断裂距雄安新区距离最近处(约20 km)且在未来50年内发震，根据表 3中公式4~6，该震发生时雄安新区的地震烈度约为7.9~8.2度.
5.3.2 十渡研究区十渡研究区曾发生1次标志性预震，即1730年9月30日北京MS6.5地震.由式(1)知，该区未来标志性预震震级不超过MS7.5.根据地震震级与断层长度经验关系(Wells and Coppersmith, 1994；龙锋等，2006)，该研究区内顺义—良乡断裂具有MS7.5发震潜力且距雄安新区较近.考虑最不利因素，即MS7.5地震发生在该断裂距雄安新区距离最近处(约50 km)且在未来50年内发震，根据表 3中公式4~6，该震发生时雄安新区的地震烈度不超过8度.
5.3.3 行唐和十渡研究区周围若预震发生在运城地震区内的行唐和十渡研究区外，仅估算最大预震(MS7.8)发生导致的雄安新区最大地震烈度，即可为该区工程建设提供安全合理的抗震设防参数.根据地震震级与断层长度经验关系(Wells and Coppersmith, 1994；龙锋等，2006)，孙庄子—乌龙沟断裂具有MS7.8发震潜力且距雄安新区较近.考虑最不利因素，即MS7.8地震发生在该断裂距雄安新区距离最近处(约106 km)且在未来50年内发震，根据表 3中公式4~6，该断裂发生MS7.8地震时，雄安新区的地震烈度不超过8度.
上述分析表明，不同情况下估算的雄安新区地震烈度均不超过8.3度，建议抗震设防按8度考虑.鉴于雄安新区定位为“千年大计、国家大事”，为切实保障该区建设工程的抗震安全性，建议有关部门参考本文研究结果，将该区原设防烈度(7度)修订为8度.
6 结论(1) 基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，提出了利用岩石破裂自相似性预测研究区标志性预震的方法，并进而创立了一种以地震物理预测为基础的地震危险性评估新方法.
(2) 未来50年内，雄安新区抗震设防烈度从原7度调整为8度为宜.
致谢感谢国家自然科学基金资助项目(编号：41572311；41302233)对研究工作的资金支持.
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