地球物理学报  2018, Vol. 61 Issue (6): 2344-2357   PDF    
引用本文
李昌珑, 吴健, 徐伟进, 等. 2018. 基于断层活动资料的鄂尔多斯块体周缘未来30年大地震危险性研究. 地球物理学报, 61(6): 2344-2357, doi: 10.6038/cjg2018K0761.  
Li C L, Wu J, Xu W J, et al. 2018. Study on seismic hazard of major earthquakes around Ordos Block in the next 30 years based on fault activity data. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 61(6): 2344-2357, doi: 10.6038/cjg2018K0761.  
基于断层活动资料的鄂尔多斯块体周缘未来30年大地震危险性研究
李昌珑1,2, 吴健1,2, 徐伟进1,2, 高孟潭1,2     
1. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081;
2. 中国地震风险与保险实验室, 北京 100081
收稿日期 2016-12-30, 2018-04-10 收修定稿
基金项目: 国家重点研发计划（2017YFC1500405），中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项（DQJB17T04，DQJB16B19）资助
第一作者简介: 李昌珑, 男, 1989年生, 中国地震局地球物理研究所助理研究员, 从事地震构造和地震区划研究.E-mail:changlongli@163.com
摘要：鄂尔多斯块体周缘历史上多次发生大地震，同时该地区人口稠密，城市群集中，有必要分析该地区未来30年的大地震危险性，为该地区的应急备灾工作提供参考.本文利用块体周缘活动断层的滑动速率、历史地震古地震等资料，建立了考虑大地震发生率的时间非平稳性质和大地震危险性近断层分布特征的地震危险性模型.计算了块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布图，并同《中国地震动参数区划图》的地震危险性模型进行了比较.本文研究认为，由断层滑动速率估算的断层地震活动性与基于地震目录统计的地震活动性总体差别不大，但断层源的地震危险性在沿断层破裂面地区增大明显.结果认为，鄂尔多斯块体周缘未来30年地震危险性最高的地区在块体西南缘，六盘山东麓断裂和会宁—义岗断裂及周边地区是未来30年地震危险性较高的地区.
关键词: 鄂尔多斯块体      断层源      断层滑动速率      特征地震     
Study on seismic hazard of major earthquakes around Ordos Block in the next 30 years based on fault activity data
LI ChangLong1,2, WU Jian1,2, XU WeiJin1,2, GAO MengTan1,2     
1. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
2. China Earthquake Risk and Insurance Laboratory, Beijing 100081, China
Abstract: Surrounding the Ordos block, major earthquakes occurred many times in the history. At the same time, this area is now densely populated with big cities concentrated. It is necessary to assess its seismic hazard in the next 30 years and provide a reference for emergency preparedness in the area. This paper uses the data of fault slip rates, and historic and paleoseismic earthquakes to build a seismic hazard model considering the time nonstationarity surrounding Ordos Block. The characteristics of seismic hazard along the fault rupture surface and the time-dependent seismicity is considered in this model. We calculate the distribution of the probability of exceedance of intensity Ⅷ in the next 30 years, and make a comparison with the results by the model of the China Seismic Zoning Map. This paper suggests that the seismicity calculated by fault slip rates is largely similar to that by earthquake catalogs, but the seismic hazard calculated by the fault source model is dramatically enhanced in near fault areas. This study concludes that the areas with the highest seismic hazard in the future 30 years surrounding the Ordos Block include the southwestern margin of the block. The Liupanshandonglu fautl and Huining-Yigang fault and adjacent areas are the places with high seismic risk in the next 30 years.
Key words: Ordos Block    Fault source    Fault slip rate    Characteristic earthquake    
0 引言

鄂尔多斯块体(图 1)位于中国北部，块体内部为较稳定的盆地构造，地震活动性较弱；块体周缘为一系列活动构造所包围，历史上多次发生大地震(7级以上历史地震如图 1所示).同时，块体周缘人口密集，山西城市群、关中城市群、呼包城市群、宁夏平原城市群等围绕块体呈环带状分布，形成了环绕鄂尔多斯块体的高地震风险区域.自从1920年海原M8.5地震和1927年古浪M8.0地震后，块体周缘未发生过M6.5以上地震，至今已有近100年的平静期.块体周缘未来30年的大地震活动性如何，是值得关注的问题.因此，考虑到大地震的复发规律，为筹划应急备灾工作，鄂尔多斯块体周缘未来30年的地震危险性值得深入研究.

图 1 鄂尔多斯块体及周缘地区 Fig. 1 Ordos Block and surrounding areas

鄂尔多斯块体周缘的地震学、地质学研究一直受到地震学界的高度关注.邓起东等(1999)研究了鄂尔多斯块体的新生代构造活动和动力学机制，给出了块体周缘主要断裂的产状、年代、活动特征等资料.高立新等(2012)研究了块体周缘地震活动特征，给出了块体北缘的低b值区和对应的大地震危险区.鄂尔多斯块体西缘属于南北地震带北段的一部分，邵志刚和张浪平(2013)研究了南北地震带北段近期强震趋势，认为需要关注甘东南、西秦岭地区发生7级地震的可能.

另外，对块体周缘主要活动断裂的活动特征的研究也广泛开展，如对华山北麓断裂(杨源源，2013)、六盘山东麓断裂(向宏发等，1999)、罗云山山前断裂(孙昌斌等，2013)、渭河断裂(师亚芹等，2007)、口泉断裂(谢新生等，2003)、西秦岭北缘断裂(曹娟娟等，2003)等的研究，获得了各断裂的构造参数、古地震资料、滑动速率等数据，为本文的研究提供了参考.

在应急备灾所考虑的10—30年时间尺度的地震危险性研究方面，国内外其他区域有了一些研究进展.美国、日本等地震灾害严重的国家都重视十年尺度的地震灾害评估或预测，作为国家减灾工作的重要内容(CEESS, 1992; NLAJ, 1997).2007年，美国的USGS、加州地质调查局(California Geological Survey, CGS)、EQECAT公司(美国一家灾难风险模型软件和咨询公司)等机构合作，分别建立了加州地区时间独立和时间相依的地震破裂预测模型(Petersen et al., 2007).该研究分别使用三种时间独立模型和三种时间相依模型，将各模型加权平均，分别计算了时间独立和时间相依模型下，加州地区从2006年起未来30年10%超越概率的峰值加速度图.2016年6月，日本出版了最新的《全国地震动预测地图 2016年版》(EIRPC and SSC, 2016).该地图在2014年版地图的基础上加入了近两年对活断层的最新研究成果，对低频度的大地震采取了新的考虑方法，绘出了全日本未来30年地震动分别超越5度弱、5度强、6度弱、6度强的概率分布图.

本文在以上研究的基础上，采用鄂尔多斯块体周缘断层滑动速率资料和历史地震古地震资料，建立了块体周缘的面源断层源组合模型，计算了块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布图，并且同《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2015)的地震危险性模型进行了比较，为确定块体周缘未来30年大地震应急备灾工作重点地区提供参考.

1 震源模型的建立 1.1 鄂尔多斯块体周缘的潜在震源区面源模型

第五代《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015，以下简称《五代图》)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2015)在传统的概率地震危险性分析(PSHA)方法(Cornell, 1968)基础上，采用了能够反映中国地震活动时空不均匀特征的CPSHA(Chinese PSHA)方法(潘华等，2013).采用地震统计区-地震构造区-潜在震源区三级震源划分思想，其中潜在震源区又分为背景源和构造源(周本刚等，2013).起算震级为M4.0.鄂尔多斯块体周缘地区的潜在震源区分布如图 2所示.

图 2 《五代图》中划分的鄂尔多斯块体周缘潜在震源区示意图 Fig. 2 Source model surrounding Ordos Block built by the fifth China Seismic Zoning Map
1.2 本文的震源模型 1.2.1 震源模型的组成

潜在震源区面源模型的局限性在于，大地震会产生大面积的断层破裂，面源模型使用的椭圆衰减关系有时可能无法精确反映特大地震特殊的破裂面形态产生的地震动分布情况.因此，本文对大地震考虑断层破裂的空间结构.

断层源模型(Fault source model)是当前国际上普遍使用的震源模型，如在欧洲的地震危险性分析工作(Giardini et al., 2013)和中东的地震危险性分析工作(Danciu et al., 2017)中都使用了断层震源模型.

由于我国当前的地震危险性分析思想通常假定M4.0~5.0的地震可能发生在任何位置，因此如果只使用断层源，可能会遗漏背景地区的地震活动性.Danciu等(2015)的震源模型使用将面源模型和断层源模型分别取0.4和0.6的权重，再求和的方法.这种方法的问题在于，由于断层源不包含背景地区的地震活动性，因此求和后背景地区的地震活动性只相当于原面源模型的40%，可能会低估或遗漏背景的地震活动性.

为了真实、完整地描述震源的地震活动性，本文考虑建立面源和断层震源的组合模型，包括面源、一般断层源、特征断层源.

1.2.2 断层源的起算震级

震源模型中，面源、一般断层源、特征断层源分别描述低震级、中强震、大地震的地震活动性.考虑到M6.5以上的地震通常破裂尺度较大，本文假设4~6.5级地震的活动性分布与《五代图》相同，6.5级以上的地震仅能发生在大型断层的断层面上.因此，设定一般断层源的起算震级为6.5级.面源的划分采用《五代图》的潜在震源区，将面源的地震活动性在6.5级处截断，仅保留M4~6.5的地震活动性.为了描述大地震周期复发的时间非平稳性质，本文考虑将特征断层源的起算震级设为Mμ-0.5，Mμ为该断层源的震级上限.依据震级和大地震复发特征划分的震源模型如图 3所示.

图 3 震源模型划分示意图 Fig. 3 The segmentation of source model
1.2.3 一般断层源地震活动性参数的确定

1.2.2节已经提到，震源模型中的面源模型包含所有4~6.5级地震的地震活动性，参数与《五代图》中4~6.5级地震的活动性参数相同.因此，还须确定一般断层源和特征断层源的地震活动性参数.由于断层源与构造源的分布不完全重合，断层源无法直接使用构造源的活动性参数.本文使用Anderson和Luco(1983)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：

(1)

其中，M为震级上限，d为滑动速率，b为G-R关系(Gutenberg and Richter, 1944)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：

(2)

1.2.4 特征断层源地震活动性参数的确定

根据前文的设定，特征断层源的震级档宽度为0.5级.该震级档内，考虑大地震发生率的时间非平稳性特征，地震活动性不再满足G-R关系，采用时间相依的地震活动性模型.根据李昌珑等(2015)的研究，对于准周期复发的，有(n+1)次历史地震和古地震资料(复发间隔分别为T1, …, Ti, …, Tn)的断层，特征地震复发间隔的概率密度函数为(对数正态分布，NB模型，Nishenko and Buland, 1987)：

(3)

式中，为复发间隔的中位数，σlnTi为固有标准差，σlnTi满足

(4)

对于有断层滑动速率资料的断层，可采用布朗过程时间(Brownian Passage-Time, BPT)模型(Matthews, 2002)计算特征地震的概率密度函数：

(5)

其中，T为大地震平均复发周期，α为大地震复发的不确定性，表示为

(6)

σ表示中强震和特征地震地震矩的比值，λ为断层滑动速率.

根据概率密度函数的定义，特征地震在未来时间段Te-(Te+ΔT)内的发生率P为

(7)

2 鄂尔多斯块体周缘的断层源模型

鄂尔多斯块体周缘集中分布有多组雁列式或级联式活动断裂(图 1).根据邓起东等(1999, 2003)的研究，本文整理了块体周缘主要活动断层的断层结构和地震活动性参数，如表 1所示.

表 1 鄂尔多斯块体周缘主要断层及参数 Table 1 Main faults and their parameters surrounding Ordos Block

表中，断层的b值使用断层所处的《五代图》中地震带的b值.使用(1)、(2)式计算各断层的a值，结果也列在表 1中.

对以上断层，本文根据收集到的历史地震和古地震资料，筛选出了各特征断层源，如图 4所示.各特征断层源的地震活动性参数如表 2所示.

图 4 鄂尔多斯块体周缘特征断层源分布示意图(各数字表示的特征断层源见表 2) Fig. 4 Characteristic fault sources surrounding Ordos Block (parameters of every source is in Table 2)
表 2 特征断层源参数 Table 2 Parameters of characteristic fault sources

使用NB模型或BPT模型计算各特征断层源未来30年的特征地震发生率，也列在表 2中.

3 鄂尔多斯块体周缘未来30年地震危险性计算及与先前模型的比较 3.1 一般断层源与面源模型的比较

为了比较断层源与面源的差异，先将特征地震也考虑为泊松分布的，不考虑其时间相依性质，使用表 1建立的一般断层源模型计算块体周缘未来30年的地震危险性.根据《中国地震烈度表》(2008)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会, 2008)的规定，当烈度超过Ⅷ度时，地表可能遭受中等以上破坏，建筑物可能会受到损坏，即Ⅷ度地震动对于中等以上破坏具有指示意义.因此本文计算块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布图.

由于震源中包含断层源，选用的地震动预测方程(Ground Motion Prediction Equation, GMPE)的距离参数应为断层破裂距Rrup(场点到断层破裂面的最短距离).由于中国尚无适用于全国的基于Rrup的GMPE，本文选用NGA的GMPE中的Chiou和Youngs(2014).方程表达式为

(8)

(9)

其中，fSource为震源影响项，包括震级影响和断裂破裂形式影响：

(10)

其中，FRV为逆断层影响因子，滑动角(rake angle)在30°~150°之间时为1，其余情况为0；FNM为正断层影响因子，滑动角(rake angle)在-120°~-60°之间时为1，其余情况为0；ZTOR为断层破裂面顶点的埋深(单位km).带角标的c都为常数.

fPath为路径影响项，表达式为

(11)

其中RRUP为场点到断层破裂面的最近距离(单位km).

fHW为上下盘效应影响项，表达式为

(12)

其中，ZTOR为发震断层破裂面顶部埋深(单位km)，RJB为Joyner-Boore距离(场点距发震断层同震破裂面在地面投影的最近距离，单位km)，δ为断层破裂面倾角(单位°)，W为断层破裂面宽度.

fSite为场地条件影响项，表达式为

(13)

使用一般断层源模型和上述GMPE模型计算鄂尔多斯块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率，如图 5所示.

图 5 使用一般断层源计算的鄂尔多斯块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布 Fig. 5 Probability of exceedance of Intensity Ⅷ by general fault source surrounding Ordos Block

使用《五代图》的面源模型计算的块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布图如图 6所示.绘出图 5与图 6的比值(图 5/图 6)，如图 7所示.

图 6 使用面源模型计算的块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布 Fig. 6 Probability of exceedance of Intensity Ⅷ by area source surrounding Ordos Block
图 7 图 5与图 6的比值 Fig. 7 Ratio of Fig. 5 and Fig. 6

由图 5—7可看出，使用本文方法建立的一般断层源模型的地震危险性与面源模型相比，地震危险性的极大值差别不大.在沿断层破裂面处，断层源的危险性多大于面源.但在海原断裂，断层源的危险性小于面源.这可能是由于面源统计地震活动性的地震目录中包含1920年的8.5级特大地震，使8.5级地震的发生率增大；而断层源模型考虑断层的长期平均危险性而导致.

3.2 特征断层源与一般断层源的比较

使用本文震源模型计算块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布图，如图 8所示.计算图 8与图 5的比值，如图 9所示.由图 8、9可见，时间相依的特征源模型展示出特征地震的危险性.临近特征地震复发周期的断层，地震危险性高.未来30年块体周缘地震危险性较高的断层有六盘山东麓断裂、会宁—义岗断裂、狼山山前断裂、恒山北簏断裂、交城断裂等.

图 8 使用本文震源模型计算的块体周缘未来30年Ⅷ度地震动的超越概率分布 Fig. 8 Probability of exceedance of Intensity Ⅷ by our source model surrounding Ordos Block
图 9 图 8与图 5的比值 Fig. 9 Ratio of Fig. 8 and Fig. 5
3.3 本文震源与面源的比较

将本文建立的震源模型与《五代图》的面源模型比较，绘出图 8与图 6的比值，如图 10所示.由图 10可看出，采用本文的震源模型后，块体周缘多数断裂带未来30年的地震危险性有所增加，其中汾渭地震带地震危险性增加较明显；地震危险性减小的地区有海原断裂、香山—天景山断裂、大青山山前断裂等.由图 8可看出，块体西南缘是未来30年地震危险性较高的地区.固原和定西是块体周缘未来30年地震危险性较高的城市.

图 10 图 8与图 6的比值 Fig. 10 Ratio of Fig. 8 and Fig. 6
4 结论和讨论

本文建立了面源和断层震源组合模型，并使用鄂尔多斯块体周缘断层活动资料，分析了块体周缘未来30年的大地震危险性.得出的主要结论有：

(1) 由断层滑动速率估算的断层地震活动性与基于地震目录统计的地震活动性总体差别不大，但断层源模型的地震危险性在断层破裂面处增大明显.

(2) 使用特征震源模型，临近大地震复发周期的断层地震危险性高.

(3) 鄂尔多斯块体周缘未来30a地震危险性较高的地区主要在块体西南缘，固原和定西是未来30年块体周缘地震危险性较高的城市.

本文的地震危险性分析结果同《五代图》的结果进行了比较，在此需要讨论以下几点：

(1) 《五代图》给出长期地震危险性，适合于一般建设工程抗震设防.

(2) 时间相依的地震危险性模型给出的是中期地震危险性，对于应急备灾工作具有参考价值(李昌珑，2016).

(3) 时间相依模型存在资料不完整、断裂参数误差带来的不确定性问题，在今后需要更多地研究不确定性对时间相依的地震危险性分析的影响.

(4) 本文将特征断层源的大地震活动性假设为准周期复发行为.本文在收集块体周缘历史地震的工作中发现，块体周缘多数断层都仅有一次历史大地震记载，而古地震记录的发震时间和震级的不确定性都较大.因此，各特征断层源是否符合大地震准周期复发的性质，还需要更多研究.

(5) 在震源模型的建立方法上面，本文建立了面源、一般断层源和特征断层源的组合模型.这一模型不同于五代图中的震源模型，其适用性还需要更多的研究加以分析.

(6) 本文得出的时间相依的地震危险性的结论基于各断层的大地震复发周期，假设各断层间的活动规律互不相关.实际中的大地震相互作用机制可能更为复杂，还需要更多工作加以研究.巴颜喀拉块体的东北向运动趋势是否会增加鄂尔多斯块体周缘的地震危险性，也是今后需要继续研究的问题.

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