新一代地震区划图潜在震源区划分的技术进展

周本刚

新一代地震区划图潜在震源区划分的技术进展

周本刚

周本刚，1964年11月出生于安徽省宿松县，2002年于中国地震局地质研究所获博士学位,现任中国地震局地质研究所研究员。从事发震构造评估、潜在震源区划分以及重大工程场地地震安全性评价研究，并在中国科学院大学讲授研究生课程《工程地震学》中相关地震地质内容。曾获国家科技进步二等奖1项和省部级科技成果奖励多项。周本刚还参加了《核电厂工程地震调查与评价规范》、《工程场地地震安全性评价》和《中国地震动参数区划图》等标准的起草和编制工作。

作为连接地震、地质和地球物理基础数据与地震危险性分析之间的桥梁，潜在震源区划分工作是采用概率地震危险性分析方法编制地震区划图的关键技术环节，潜在震源区模型是形成GB 18306—2015第4章“技术要素”的重要基础，同时也可为今后开展重大工程场地地震安全性评价和地震小区划等工作提供参照方案。GB 18306—2001编制以来，中国大陆及邻区增加了大量的地震地质、发震构造、深浅部构造等方面的基础资料，2008年汶川8.0级地震、2003年巴林左旗5.9级地震等一系列地震的发生，促进了大地震以及中强地震发震构造条件的深入研究。在GB 18306—2015的编制过程中，基于区域地震构造背景分析，依据新增基础资料和发震构造模型的新认识，借鉴国际上潜在震源区划分的进展，对GB 18306—2001潜在震源区划分方案进行了修订。

GB 18306—2015编制工作中，为进一步考虑地震带内背景地震活动的不均一性，潜在震源区划分过程中增加了地震构造区划分，采用了潜在震源区三级划分模型，并深化了潜在震源划分技术。

潜在震源区三级划分

潜在震源区的三级划分模型是GB 18306—2015潜在震源区划分中最为突出的特色。

潜在震源三级划分的技术途径

我国引入概率地震危险性分析方法编制《中国地震烈度区划图（1990）》和GB 18306—2001的过程中，为合理考虑地震活动的时空不均一性，提出了潜在震源区两级划分模型，即首先划分地震区、带，称为一级源或地震统计区，用于地震活动性参数的统计,然后在地震区、带内划分潜在震源区，称为二级源或潜在震源区，用于联合地震带本底地震源进行场点地震危险性计算。由于地震带作为地震活动性参数的统计单元，需要一定的统计样本，地震带一般都划分得比较大，导致了地震统计区内可能包含了不同地震活动性的活动块体，这些活动块体包含了不同震级上限的发震构造，块体内与特定发震构造无关的背景地震震级比地震活动性参数统计区的本底地震震级要大，如华南沿海地震带的外带地区，背景地震为5.5级，高于带内其他地区。因此，为了区分出地震带内背景地震活动强度或频度不同的区域，更合理地反映潜在地震活动的不均一性和深化构造类比，采取三级划分的技术途径是必要的，即首先划分出用于地震活动性参数统计的地震带（地震统计区）；再在地震区带内划分出不同背景地震活动特征的地震构造区（背景源）；然后在地震构造区内划分潜在震源区（包括构造源和地震聚集源）（图1）。

图1　潜在震源区三级划分的技术途径

相对于GB 18306-2001，广义的潜在震源区的内涵又有所扩展，包括了地震区、带（一级源）、地震构造区（二级源）和潜在震源区（三级源），这三个级别的源均表示为面状源。

三个级别潜在震源区的相互关系

在三级潜在震源区划分模型中，三个级别源的空间关系明确，呈叠置关系：底层是地震带；中间层是地震构造区；上层为潜在震源区（图2）。

首先，根据地震活动、地质构造等环境的一致性，并考虑地震统计样本的充分性，划分出地震带（图2中的A）。地震带是地震活动性参数的统计单元，又称地震统计区，除划分出边界与范围，还需要确定其震级上限Muz、b值和4级以上的地震年平均发生率n4。

图2中A为地震带；A1、A2、A3为地震构造区；A11～A32为潜在震源区。

其次，在地震带内划分地震构造区，各地震构造区边界相互衔接，并覆盖整个地震带的区域（图1中的A1、A2、A3），它们主要反映了地震带内背景地震活动特征有差异的区域，因而又称背景地震源（或背景源），同时也反映了地震带内发震构造模型有差异的区域。背景源需要确定其背景地震大小Mb，并要分析背景地震及其以下各震级档地震活动频度关系。

最后，在各地震构造区内根据地震活动与构造活动特征划分出不同的潜在震源区，潜在震源区无需覆盖整个地震构造区，在该划分层次内有两种类型的潜在震源区：一种为主要依据地质构造特性，结合历史地震活动划分出的潜在震源区，又称构造源，如图2中的A21～A32；另一种为主要依据地震活动密集带（如大兴安岭地区的二七柴河6.5级潜在震源区）或中强地震活动条带（如大兴安岭地区的雅鲁河6.0级潜在震源区）划分出的潜在震源区，又称地震聚集源，如图2中的A11，这类潜在震源区构造标志不清晰或缺乏深入研究，数量也不多，震级上限一般相对低一些。划分出的潜在震源区除要给出位置、方向与边界外，更主要的是评估其震级上限Mu，同时还需要分析高震级档的地震发生模型，为确定高震级档地震活动性参数提供依据。

地震统计区的震级上限Muz应为其所包括的所有潜在震源区震级上限Mu的最大值，背景源的背景地震Mb一般小于其所包括的所有潜在震源区震级上限Mu的最小值，在一些特殊情况下，Mb可能等于背景源中所有Mu的最小值。

地震构造区的涵义、划分原则与方法

地震构造区划分是本次潜在震源区划分工作中的新增环节，有必要对其涵义给予辨析，并简要介绍其划分原则与方法。

地震构造区的涵义

地震构造区是指在现今地球动力学环境下，地震构造环境和发震构造模型一致的地区。地震构造环境一致是指在统一的现今地球动力学环境、新构造活动特点、构造应力场及深部地球物理场等条件下，发震构造模型具有一致性或相似性的特点。地震构造区内与发震构造模型不相关、随机发生的地震为背景性地震。

地震构造区通过边界、背景地震震级、背景地震频度及其大小地震的比例关系来描述，其中背景地震是指地震构造区内与已鉴定出的发震构造不相关的最大潜在地震。确定背景地震震级时既要考虑地震构造区内与发震构造不相关的历史地震大小，也要结合构造活动环境与地震活动特点，采用构造类比的方法综合评定。因而，背景地震震级一般大于区内与发震构造不相关的最大历史地震震级，二者也有相等的情况。

地震构造区的划分原则

划分地震构造区时一般考虑以下原则：

（1）区别出地震带内发震构造模型不同的地区，以利于构造类比判定潜在震源区，如龙门山地震带内甘东南地震构造的发震构造模型与其他地震构造区有明显的区别（图3）。

（2）区别出地震带内背景地震不同的地区，如龙门山地震带内陇中盆地、甘东南、龙门山和成都盆地地震构造区的背景地震分别为6级、6.5级、6.5级和5.5级。

（3）同一地震带内背景地震相同的地区，如果其背景地震年发生频度（或年发生率）有差别。例如，北天山地震带内巴里坤和依连哈比尔尕地震构造区的背景地震震级均为6.0级，但后者背景地震活动性明显低于后者，划分为两个不同地震构造区。

（4）划分地震构造区需要考虑构造活动性与研究程度的差异，对于研究程度较低的西部地区，尤其是资料缺乏地区，地震构造区的范围可大一些，相应背景地震应考虑不确定性评定得偏高一些，如位于板块边界且资料较缺乏的喜马拉雅地震构造区的背景地震震级确定为7.0级。

地震构造区的划分方法

背景地震活动强度与频度与新构造以来的地质构造活动性相关，发震构造模型（包括构造样式与强度）与第四纪以来尤其是晚第四纪以来的地质构造活动性密切相关，同时历史地震分布是地震构造区划分的较为直接的参考因素。因此，地震构造区主要依据以下资料或分析结果来划分。

（1）通过区域新构造运动特征研究，依据不同地区新构造整体特征差异，结合布格重力异常、均衡重力异常等地球物理场差异，划分出不同特征的新构造分区，作为划分地震构造区的基础。

（2）通过区域第四纪以来构造活动带，特别是第四纪主要断裂活动性的分析研究，结合地震活动资料，进行第四纪构造活动分区，作为划分地震构造区最为直接的依据。

（3）通过分析第四纪以来尤其是晚第四纪以来构造变形样式，区分出不同构造变形样式的地区，作为进一步划分地震构造区的依据。

（4）分析强震及其以上（地震活动性较强地区）或中强地震及其以上（地震活动性较低地区）的发震构造条件，甄别出发震构造带及其与发震构造相关的最低地震震级，作为评价地震构造区背景地震的构造排除法依据。

（5）通过地震活动的统计分析，结合构造活动强度的类比，作为确定背景地震大小的地震活动性依据。

图3　龙门山地震带地震构造区划分简图

潜在震源区划分的主要进展

潜在震源区的涵义

地震活动在空间上不是完全随机分布的，而是有一定的空间范围。这里所说的一定的空间范围，就是指潜在震源区，未来的地震将发生在这些潜在震源区内。潜在震源区是指未来可能发生破坏性地震的震源所在地区，“未来”一词不一定指几十年或几百年，可能是几千年或更长的时段。“可能”具有概率的含义，一般来说，时间段愈短发生地震的可能性愈小，相反，则愈大。“震源所在地区”有两层含义，一是这一范围内各处的地震发生的可能性相同，二是可能的地震震中集合范围。 “破坏性地震”可以理解为高于地震构造区背景地震震级的地震。

潜在震源区划分需要确定其边界位置和震级上限，震级上限是指潜在震源区内可能发生的最大地震震级上限值。由于震级上限评估与对发震构造潜在发震能力的认识相关，存在认识的不确定性，还具有随机的不确定性。美国2014版地震区划图编制中，采用多方案加权的方法处理上述两种不确定性（U.S. Geological Survey，2014）。GB 18306—2015编制中，震级上限采取基于历史地震、古地震、发震构造模型及其参数、构造类比等，并经专家讨论形成共识的评定方法。限于评估的精度，震级分档为0.5级。

潜在震源区的范围为可能发生最大潜在地震的地区，主要依据构造展布特征或地震活动特征勾画，以面源表示。

潜在震源区划分技术进展

在传统的基于构造活动性、规模与强震活动关系分析，考虑强震分布及中小地震条带展布、深部地球物理场分布等因素的潜在震源区划分技术的基础上，本次在潜在震源区划分的技术上有如下进展：

1.区别构造活动背景强弱差异，采取相应的划分原则和依据，潜在震源区划分更具针对性。

考虑到东西部地区构造活动背景的差异，西部强震区及东部中强地震区潜在震源区划分方法与依据的侧重点有所区别。在西部地区重视不同级别活动块体边界对高震级潜在震源区划分的控制作用，建立不同类型发震构造模型，并在发震构造模型框架下充分运用构造类比原则，力求划分出潜在的新区和不低估高震级潜在震源区的发震能力。在东部地区加强中强地震构造带的判识，充实中强地震潜在震源区划分的依据。

2.重视不同级别活动块体边界带对高震级潜在震源区划分的控制，有效减少了高震级潜在震源区的漏判。

GB 18306—2001采用中震（50年超越概率10%）作为编图基准，而本次区划图同时还考虑了以大震（50年超越概率2%）为基准的控制，因而高震级潜在震源区划分及其震级上限确定是其中关键技术之一（高孟潭等，2006），也是本次潜在震源区划分工作中十分注重的内容。

活动块体之间的差异运动是大陆强震孕育和发生的直接控制因素（张培震等，2003），我国主要强震构造带也与活动块体边界带密切相关。在潜在震源区划分工作中，考虑到基础地质资料的不平衡性和历史地震记载资料的不完备性，加强了同一活动块体边界带上构造类比原则的应用，特别注意了不同级别活动块体边界动力学与运动学特征对潜在震源区震级上限确定与边界划分的控制，甄别出高震级发震构造带，并根据该发震构造带不同段落的活动性差异，划分不同震级上限的潜在震源区。例如，沿喜马拉雅碰撞带的主边界断裂带上所有潜在震源区的震级上限均大于或等于8级，最高达9级。

3.强调了基于发震构造模型的潜在震源区划分，既有利于加强对高震级潜在震源区控制，也能增强同一地震构造单元内潜在震源区分布的合理性。

发震构造模型是指在地震构造单元现今构造活动的动力学与运动学背景条件下，基于构造（或断裂带）深浅部展布、变形方式与强度，解析区内构造变形模式，同时结合古地震与历史地震分析，给出的反映不同部位潜在发震能力的构造变形模式（体系）。发震构造模型不是指单一的断层的发震模型，而是区内多个发震构造组成的发震构造集合体。

发震构造模型由地震构造单元内发震构造平面组合样式和发震构造深浅部结构模型组成，同一地震构造单元内不同部位发震构造的潜在发震能力存在差异，完善的发震构造模型能更好地控制同一地震构造单元内潜在震源区的分布。

在基于发震构造模型分析强震发生的构造条件基础上，采用潜在震源区系统划分法，具体考虑以下因素：①发震构造模型体系中不同构造带潜在发震能力的差异；②同一构造带中的一些特殊构造部位潜在发震能力相对增强，如大型断裂带的弧形拐折部位附近，可能也是构造变形较强烈的地段，划分潜在震源区时，应在考虑断裂活动规模与位移的基础上适当提高震级上限；③相似发震构造模型变形规模与强度有差异时，对整个模型体系内的潜在震源区潜在发震能力有控制作用，评定潜在震源区震级上限时需要考虑这一因素。例如，发生1906年玛纳斯7.7级地震的北天山活动推覆褶皱系潜源组震级上限整体低于发生1902年阿图什8¼级地震的西南天山活动推覆褶皱系潜源组的震级上限。

4.考虑断裂带地震破裂分段性，更强调不忽视其级联可能性，有利于有效降低漏判大地震的潜在震源区。

大型活动断裂带的分段与级联破裂是其两个重要的属性，在以前的潜在震源区划分实践中，比较注重大型活动断裂带的分段问题，但对段落的稳定性问题重视不够，容易导致低估这些断裂带上潜在发震能力。2001年昆仑山8.1级地震和2011年日本东北海域9.0级地震显示的级联破裂特性，揭示了考虑破裂级联问题的必要性。在本次潜在震源区划分中，加强了对该问题的分析与应用。对于不具备级联条件的各断层段，潜源沿相应断层段划分，通过利用断层段规模、潜在破裂面的面积、同震位移等参数与震级的关系式，结合历史地震大小评估震级上限；当不同段落之间可能存在级联破裂时，潜在震源区包括最大级联破裂的两个或多个断层段，考虑发生更大潜在地震的可能性，震级上限根据最大级联破裂规模评估。例如，鲜水河断裂带中的道孚段和乾宁段之间为道孚拉分盆地，盆地长约17 km，宽1 km～3.5 km，为一狭长河谷盆地，分析认为该盆地可能不构成永久的分段边界，两段具有发生级联破裂的可能性较大，将这两段划分在一个潜在震源区内，震级上限为8.0级。

5.采用基于新构造以来地震构造环境样式与强弱的总体分析与定位、发震构造条带识别与分段、不同段落潜在发震能力的判别、历史地震与仪器记录中小地震活动特征分析等途径来划分潜在震源区的方法，更有利于中强地震区对区域性潜在震源区分布带的合理把握。

图4　中国及邻区地震区、带划分图

图5　中国及邻区地震构造区划分图

图6　中国及邻区潜在震源区划分图

中国及邻区潜在震源区划分结果

GB 18306—2015对地震带的划分进行了调整。共划分出5个地震区、24个地震带。鄂尔多斯、阿拉善两个地块属性为地震统计区。东北地震区、南海地震区及东海地震区未进一步划分出地震带（高孟潭，2015）（图4）。

中国及邻区共计划分出77个地震构造区（图5）。其中东部及邻区共划分了36个地震构造区，其中有3个地震带未进一步划分出地震构造区，共计相当于39个地震构造区；西部及邻区共划分了38个地震构造区（高孟潭，2015）。

本次共划分出1199个潜在震源区，其中东部地区629个，西部地区570个（高孟潭，2015）（图6）潜在震源区个数比GB 18306—2001（四代图）的潜在震源区综合方案划分出的潜在震源区个数多（表1），尤其是侧重了高震级潜在震源区的判识研究，加之7.0级以上的潜在震源区面积明显增加（表2）。

表1　各级震级上限对应的潜在震源区个数

表2　高震级上限潜在震源区面积对比（面积单位：km2）

图7　北京地区第四纪以来主要断裂与地震分布

北京地区潜在震源区结果

北京地区地处华北构造区北部，位于华北北部北西向张家口-蓬莱断裂带与北东向山西地堑带北东端、华北平原北东向一系列北东向断裂带交汇地区。区内山西地堑带北东端、华北平原北部晚第四纪以来断裂活动强烈，而北部山区差异性活动较弱，晚第四纪以来断裂活动不明显。盆地区发生过一系列强震，最大地震为1679年三河8级地震（图7）。表现出具有强震的地震构造背景及发震构造分布不均一的特点。

在该地区潜在震源区划分中，考虑了地震活动、第四纪断陷分布与幅度、断裂活动性及深部构造变形等因素的差异。除东北山区背景地震为5级外，其余地区背景地震为5.5级。区内山西地堑带北端主要划分为7.5级和7级的潜源；区内华北平原北部沿北东向断陷带与北西向断陷带交汇部位划分的潜在震源区震级上限高一些，如三河8级潜源、北京断陷北部7.5级潜源等，北京断陷南部震级相对低一些，如大兴7级潜源（图8）。潜源分布不仅与断裂活动性与地震活动强度具有一致性，也与深部构造变形有一定的协调性，例如，根据深地震探测结果（徐锡伟等，2015），第四纪构造变形北部测线（图7中BJ1）通过部位明显强于南部测线通过部位（图7中BJ2）。

图8　北京地区潜在震源区分布