新一代地震区划图的地震活动性模型

潘华　李金臣

新一代地震区划图的地震活动性模型

潘华李金臣

潘华，生于1966年，中国地震局地球物理研究所，博士，研究员，博士、硕士研究生导师，国家地震安全性评定委员会委员，《中国地震动参数区划图》编委。1988年毕业于北京大学地质系。现主要研究领域：核工程等重大工程地震危险性评价中相关地震与地质问题、概率地震危险性评价理论与技术、地震活动性等方面的研究工作。

李金臣，男，1979年9月出生，先后于2002年和2005年获得北京大学构造地质专业学士、硕士学位，国家一级地震安全性评价工程师。主要研究方向为地震构造。2005年以来，先后参与地震科研行业专项、国家科技支撑、大型先进压水堆核电站国家科技重大专项、中国地震局“十一五”重大专项-中国地震动参数区划图编制项目、基本科研业务费专项等课题。目前主要从事核电厂等重大工程地震安全性评价工作。

新一代《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）（以下简称为“五代图”）是具有概率含义的地震区划图，编制中采用了概率地震危险性分析方法。

任何地震危险性评价，都需要先了解工程场址周围地震活动水平，确定未来地震的强弱，然后结合地震所能产生的地震动强度，得到工程场址的地震危险性。然而，在目前科学认识水平下，地震的发生及地震动特性都具有一定不可预见性，难以给出确定性的预测。概率地震危险性分析方法，以概率的方式来表达对未来地震活动及地震动的预测，通过概率分析，获得场点特定超越概率下的地震动参数。五代图采用了50年超越概率10%的地震动峰值加速度与反应谱特征周期作为编图参数。

本文将重点介绍五代图所采用的地震活动性模型，包括中国地震活动基本特征、地震活动性模型以及模型参数的确定。

中国地震活动基本特征

我国位于欧亚大陆东南部，处于西太平洋地震带和地中海—喜马拉雅地震带之间，东部受到太平洋板块、菲律宾海板块、北美板块运动的影响，西南部直接受到印度板块运动的影响。这些板块的运动及其相互作用，给我国地震的发生提供了动力条件，造就了我国大陆不同类型的地震活动环境，控制着中国大陆地震活动的空间格局。

地震活动的空间不均匀分布

中国地震活动在空间上表现出多个层次的不均匀性，在分区、成带特征的基础上，还表现出更深层次的空间差异。大尺度的地震活动的空间不均匀性，通常与大的地球动力学背景、大型构造系统或大型构造单元的性质相关，而局部的地震活动的差异性，通常取决于其所处的局部活动构造、新构造运动特征、深部构造等地震构造条件。

1.大陆东、西部地震活动水平差异

我国大陆最为醒目的地震活动不均匀性就是东西部地震活动水平显著差异。大致以东经105°为界，西部地区地震活动强度大、频度高，尽管自1900年以来地震记载才开始增多，但已记录到7级以上强震达91次；而我国东部地区尽管历史地震记载时间近3000年，但有史以来共记载发生7级以上地震27次（不包括我国台湾地区地震和东北地区深源地震）。我国西部地震活动与世界上其他大陆地震区的地震活动相比，也是非常突出的，这与印度板块与欧亚板块在青藏高原的碰撞挤压作用密切关联。

2.地震活动分区性

无论是东部还是西部，地震活动还存在区域不均匀性分布。强地震活动区通常都有7 8级地震活动，破坏性地震密度大、频度较高，如西部的青藏高原、天山地区、阿尔泰山脉、川滇地区等，东部的华北、台湾、华南沿海地区等；而相对弱的地区通常只有7级以下中等强度地震活动，有些地区甚至5级地震也稀少，如西部的塔里木盆地、准噶尔盆地、阿拉善高原内部，东部的鄂尔多斯高原、内蒙古高原东部、东北平原、四川盆地、华南内陆等地区。

强弱地震活动区在大地震发生频次方面表现出明显的差别。例如，西部的天山强地震活动区（包括南天山和北天山地区），地震活动强烈，区内发生8.0 8.4级地震2次，7.0 7.9级地震5次，6.0 6.9级地震55次，5.0 5.9级地震218次；与其面积大致相当的塔里木盆地弱地震活动区，包括整个塔里木盆地，为较为刚性的完整块体，地壳厚度较薄，且地壳平坦，内部构造简单，地震活动稀少，以5 6级左右中等地震活动为主，区内仅发生6.0 6.9级地震1次、5.0 5.9级地震8次。又如，东部的华北地区为强地震活动区，地震活动强烈，区内发生8.0 8.9级地震5次、7.0 7.9级地震20次、6.0 6.9级地震74次、5.0 5.9级地震299次；而与其面积大致相当的华南内陆地区为弱地震活动区，区内地震活动稀疏，以5 6级中等地震活动为主，区内仅发生6.0 6.9级地震8次、5.0 5.9级地震104次。

3.地震活动成带分布

我国地震活动在一些强地震活动区内还表现出密集成带分布的特点，反映出更局部的地震活动不均匀性。地震活动通常在一些地区沿大型构造带、地块边界、差异构造活动强烈带等构造背景下呈条带状相对密集分布，形成地震活动强度和频度相对较高的地震活动带，带外地震活动明显减弱。我国7级以上地震及大多数6级以上地震都发生在地震带内，其他地区地震活动相对分散。

我国西部地区地震成带活动特征显著，地震带内地震活动强烈，7级以上地震发生较频繁，且大多发生过8级以上特大地震。在青藏高原周缘及其中部的大型断裂系有多条大型地震带分布，其西南缘有著名的喜马拉雅地震带，发生过如1950年察隅8.6级地震等多次8级以上大地震；东缘有规模巨大的南北地震带，包含了龙门山地震带等一系列地震活动带，发生过如2008年汶川8级地震等多次8级地震，和数十次7级左右地震；北缘包含有阿尔金地震带与祁连山地震带，发生过如1920年海原8 ½级地震等数次8级左右地震和一系列7级左右地震；其中部还有巴颜喀拉山地震带、藏中地震带、鲜水河地震带等，发生过2001年昆仑山口西8.2级地震等数次8级左右地震及一系列7级左右地震。此外，新疆地区的南天山、中天山、北天山地震带，阿尔泰地震带也是强震活动的重要场所，发生过如1931年富蕴8级地震等一系列大地震。

我国东部地区地震活动成带分布的现象也较明显。华北地区地震活动较强烈，分布有数条地震密集、活动强度频度较大的地震带，包括发生过我国大陆东部最大一次历史地震——1668年郯城—莒县8 ½级地震的郯庐地震带、发生过华县和洪洞两次8级以上地震的汾渭地震带、发生过1679年三河平谷8级地震和1978年唐山7.8级地震的华北平原地震带等，这些地震带均发生过多次7级以上地震和8级特大地震。华南地区大部分地域地震活动较弱，以中小地震活动为主，而较强地震活动主要局限在东南沿海和台湾地区，东南沿海地震带是华南大陆仅有的发生过7级以上地震的地震带，台湾地震带则主要属于板块边缘地震带，是全球性的环太平洋地震带的一部分，地震活动强烈。

4.地震带内地震活动不均匀性

我国的地震活动在地震区、地震带内，还存在地震活动性明显差异的区块或段落，这种局部的地震活动差异性对于地震危险性分析是更加重要的特征。例如我国华北地区郯庐地震带上，其渤海段、沂沭段地震活动明显强于其他的段落，显示出明显的分段特征。

地震活动时间分布特征

地震活动性研究表明，我国地震活动在许多地区都存在时间上的起伏变化，不同时段地震活动的强度和频度存在较大差异。

1.大陆范围内总体地震活动随时间的起伏

受资料的完备情况所限，只能观察自1900年以来100多年的大陆地区地震资料。我国1900年以来的6级左右地震活动较为平稳；而7级以上地震活动起伏明显，密集分布的活跃时段与稀疏分布的平静时段相间分布，平静时段往往不足10年，活跃时段多能达到10年以上；7.5级以上地震的起伏变化更加显著，大致存在25年左右的起伏期。

2.我国东部地区地震活动随时间的起伏

与西部地区相比我国东部地区历史地震资料完整时段要长，约有500年，为观察更长时间地震活动随时间的起伏变化，可以1500年以来东部地区为研究对象。我国东部1500年以来6级以上地震活动起伏变化较为明显，密集分布的活跃时段与稀疏分布的平静时段相间分布，平静时段较短，往往数十年，而活跃时段多能达到100年左右。1515—1609年（94年）大致为一个活跃时段，发生过10次M 7以上地震，其中5次7.5级以上地震，1次华县1556年8¼级地震；1654—1739年（85年）为第二个活跃时段，发生过11次M 7以上地震，其中7次7.5级以上地震，3次8级以上地震，包括郯城1668年8½级地震；1786—1888年（102年）为第三个活跃时段，发生过18次M 7以上地震，其中10次7.5级以上地震，3次8级以上地震。

3.地震区带内地震活动随时间的起伏

在历史地震资料相对丰富的东部地区地震带内，地震活动呈现出较为明显的活跃与相对平静相互交替转化的现象。在地震相对平静期，地震活动少而且强度弱，在这一时期内一般没有或很少发生7级以上地震，6.0 6.9级地震也很少发生。而在显著活跃期，地震多且强，往往发生大量6级以上地震，并有若干7.0 7.9级地震发生，有些地震带则有8级地震发生。

以华北平原地震带为例，该地震带1450年以来经历有两个地震活跃期，第一活跃期大致为公元1485—1679年，发生过1次8级、8次6.0～6.9级地震；第二活跃期大致始于1791年，目前处于其尾声，发生过5次7.0～7.9级、14次6.0～6.9级地震。两者之间的平静时段地震活动较弱。

地震带的地震活动期的历时在不同地区也存在差异。华北、华南、青藏高原北部等地震区，地震活动期为300～400年；新疆中部和青藏高原中部地震区，地震活动期约100年；中国台湾东部和青藏高原南部地震区，地震活动期约几十年（国家地震局，1981）。

地震活动性模型

三代图、四代图采用的地震活动性模型

概率地震危险性分析的首要任务是表述场点周围未来地震活动的概率分布特征，包括未来地震源可能分布的区域，以及这些区域内发生地震的强度和频度概率分布。

地震震源在地震学上是一个较为复杂的概念，但在概率地震危险性分析中，将地震源近似简化为地震动传播并衰减的起点，以方便采用地震动预测方程（如地震动参数衰减关系）计算地震动大小。未来地震的地震源可称为潜在震源，潜在震源能够发生其孕震能力上限以下各个震级地震。潜在震源可以采用线形断层段（称为断层源），也可以采用点状震中（点源），分别适应于不同的地震动衰减关系模型。由于地震活动本身具有的随机性，以及人们对地震构造位置等方面认识的不完备性，预测发震构造或构造背景未来地震的震源位置具有较大的不确定性，只能围绕这些发震构造或构造背景大致圈定出潜在震源可能的分布范围。与特定发震构造或构造背景相关的潜在震源的分布通常构成一个连续的空间区域，我国概率地震危险性分析方法中称这样的地区为“潜在震源区”，国际文献中常直接称为“地震源”（seismic source）或“地震源区”（seismic source zone）。潜在地震源区通常可采用点、线、面等几何形态表示。

潜在震源区及其强度分布、频度分布，构成潜在震源区地震活动性模型，是概率地震危险性分析的基础。

在Cornell（1968年）最初提出概率地震危险性分析方法基本理论框架时，采用的潜在震源区为简单的线和面，表征对发生地震的断裂构造位置认识的不确定性大小，且假定潜在震源区地震活动性模型满足三个基本假定：潜在震源区地震震级分布满足截断的G-R关系；潜在震源区内各点地震分布满足均匀分布；潜在震源区的地震发生满足泊松分布。上述概率地震地震危险性分析的理论框架，在国际上得到非常广泛的应用，也是我国地震区划图概率地震危险性分析的理论基础，但是其关于地震活动性模型的基本假定，并不适合我国地震活动特征。如前文所述，中国地震活动在空间上表现出显著的不均匀性，既有地震成带分布的较大尺度不均匀性，也有地震带内与局部地震构造条件相关的次级地震活动不均匀性，而后者更是不同地区地震危险性的主要控制因素，然而局部构造上发生的地震往往震级范围较窄，难以满足G-R分布、泊松分布等统计假定，而在地震区或地震带内，地震活动能够在一定程度上符合G-R分布、泊松分布等统计假定，但在空间分布上不满足均匀分布。

我国在编制具有概率含义的三代图（1990版）时，提出了具有中国特色的概率地震危险性分析方法，对地震活动性模型进行了较大的改进。其主要思想是分层次构建地震活动性模型，以地震区、地震带为基础，划分地震统计区，表述较大尺度层次上的地震活动不均匀性，并以地震活动统计特征差异来表征；在地震统计区内部依局部构造条件差异划分潜在震源区，并以潜在震源区地震活动水平的差异，来表征局部的地震活动不均匀性。通过地震统计区和潜在震源区的二级划分，形成能够反映我国地震活动空间不均匀性的分层潜在震源区模型，其中的潜在震源区仅指两级划分中的二级源，与原始概念相比内涵有所狭义化。分层潜在震源区模型需满足以下三个地震活动性的基本假定：地震统计区内地震震级分布满足截断的G-R关系；地震统计区内地震发生满足泊松分布；地震统计区内各潜在震源区间地震发生概率满足不均匀分布，而潜在震源区内各点地震发生概率则满足均匀分布。

郯城麦坡地震遗址

上述地震活动性模型，通过采用二级划分的潜在震源区模型（地震统计区和潜在震源区），使得概率地震危险性分析方法能够更好地、同时也更加灵活地刻画和表征地震活动的空间不均匀性，因而也更加适合我国地震区划应用。在1990年版的三代图和2001年版的四代图编制中，均采用了这一地震活动性模型。

五代图的地震活动性模型

通过三代图、四代图近20年的应用，在充分领略二级潜在震源区模型优势的同时，也认识到其存在一些缺陷。由于二级潜源划分比较强调局部构造条件，如活动断层等对潜在震源区的控制，对一些地震构造背景不清晰或认识较为模糊的地震活动，尤其是中等强度地震活动，难以划分出相应的潜在震源区，概率地震危险性评价中往往对这部分地震活动的地震危险性估计不足。在一些活动构造不发育地区或中强地震活动区，这一问题表现得更加突出。此外，我国地震活动在地震带内部不同的段落和部位，中小地震活动水平和强度还表现出分区、分段的差异，反映出介于地震区带和局部构造相关地震活动性之间的一种地震活动不均匀性，这类地震活动的影响，在地震活动性模型中也没有得到充分的反映。针对上述不足，为更加合理地反映不同震级段地震活动在空间分布不均匀性表现上的差异，并充分考虑中强地震活动的地震危险性影响，五代图对以往采用的二级划分的潜在震源区模型进行了扩展，提出三级划分的潜在震源区模型。

三级划分的潜在震源区模型由地震统计区、背景地震活动潜在震源区（简称“背景源”）和构造潜在震源区（简称“构造源”）构成。该潜在震源区模型依然采用地震统计区表述地震活动的宏观统计特征，而地震活动性的空间分布不均匀性，由构造源上的中强地震活动性和背景源上中小地震活动性共同表达，更加细致地对各震级段地震活动不均匀性分布特征进行表征。

三级划分潜在震源区模型地震活动性依然满足三个基本假定：地震统计区内地震震级分布满足截断的G-R关系；地震统计区内各潜在震源区（包括背景源和构造源）间地震发生概率满足不均匀分布，而潜在震源区（包括背景源和构造源）内各点地震发生概率则满足均匀分布；地震统计区内地震发生满足泊松分布。

三级划分的潜在震源区模型以及上述假定，构成五代图概率地震危险性分析的地震活动性模型，是五代图的基本技术要素之一。

地震活动性参数确定

依据五代图地震活动性模型，在实际编图工作中，需要依据地震资料确定模型中相关的地震活动性参数，主要包括：地震统计区震级频度关系（G-R关系）的系数b值，它决定了地震统计区地震震级的概率分布；地震统计区M 4以上地震年平均发生率n4，它决定了地震统计区地震频次的泊松分布。潜在震源区空间分布函数fi,Mj，表示地震统计区内的第i个潜在震源区Mj档地震发生概率，是潜在震源区以震级为条件的地震发生概率，表征潜在震源区之间各震级地震活动空间分布不均匀性。

地震统计区地震活动性参数确定

五代图在地震统计区地震活动性参数的确定中，遵循了三个重要原则。

1.充分认识历史地震资料不完备性和地震活动认识的不确定性

我国地震记载历史长达四千多年，然而，不同时段、不同地域历史地震记载的完整情况差别较大，真正可用于统计分析的地震资料时间跨度并不长。我国东部华北、华南等地区，大致有500年的地震资料较为可靠，而西部及东北地区，可用资料的时间长度只有100年左右。在这样的地震资料基础上，对地震活动特征和活动水平的认识、对未来地震活动趋势评价、对未来地震活动年平均发生率的统计等，都存在较大的不确定性，因此，在地震活动性参数确定中，需要基于我国地震资料不充分、不完备的现状，充分发掘对地震活动性认识的不确定性并加以综合分析和处理。

2.客观反映各时段地震活动水平与地震活动特征

我国地震资料尽管存在各种局限，但是，千百年来的地震记载，还是从宏观上勾画出我国地震活动空间分布格局、时间起伏特征、强活动区域分布等基本轮廓，对地震活动水平的评价具有重要的参考价值。为此，应充分重视和利用我国历史地震资料所反映出的地震活动客观特点，重点在于两个方面：已表现出的地震活动特征应反映；已表现出的地震活动水平不能低估。例如，地震带地震活动在时间上的起伏特征，地震带地震活动的强度分布特征，历史已经发生过的最大地震，大震的复发特征，可信时段地震频度特征，现代仪器记录的4级以上地震活动水平，1970年以来地震年频数的分布特征，等等。本次五代图编制工作中，对现代仪器记录的4级以上地震资料给予了充分的重视，这部分资料已积累近半个世纪，是现有可利用的具有最高完整性、可靠性和精度的地震资料，是地震活动性特征统计分析最可靠的样本集。

3.统计基础上的综合分析

以往地震统计区地震活动性参数确定时，比较依赖于统计方法，关心统计相关性多过关心样本的代表性。实际上统计拟合方法采用的样本点大多数集中在历史上记录比较多的较大震级段，统计结果受部分历史地震样本控制，导致b值普遍偏小，对中小地震水平估计不足。历史地震资料情况表明，大多数震级段的地震资料是不完整的，且历史地震震级的分辨率也不能满足统计样本的震级间隔划分，所以，过分依赖统计方法，大多数情况下并不能获得合理的能够反映地震活动特征和水平的地震活动性参数。基于此，编制五代图工作中强调在多方案统计计算的基础上，依地震活动特征、有限的可靠样本点分布，综合分析并修正统计结果，得出相对合理的参数值。

依据上述原则，五代图编制工作中对全国29个地震统计区地震资料满足统计分析需求的25个地震统计区进行了参数确定，其他资料缺失的地震统计区，如鄂尔多斯、东海、南海、阿拉善等，采用了类比方法进行确定。

根据确定的地震活动性参数b值和n4结果估算全国范围M≥4.0地震年平均400多个，符合根据1970年以来实际地震资料统计得到的每年M≥4.0地震420个的结果。分区域估算平均每年M≥4.0地震，东部约36个、西部约309个、中国台湾约129个，与实际统计得到的1970年以来我国平均每年M≥4.0地震，东部约40个、西部约260个、中国台湾约80个的结果也非常接近。潜在震源区地震活动性参数确定

潜在震源区空间分布函数fi,Mj，是潜在震源区以震级为条件的地震发生概率。三级划分的潜在震源区模型中的二级背景源、三级构造源均通过其各自的空间分布函数来表征不同震级档地震活动水平。理论上可由地震样本统计来确定潜在震源区的空间分布函数，然而地震样本的现状导致不可能得到有意义的统计结果。首先，大多数潜在震源区内地震样本数不足，在中强震级段地震样本更加缺乏，而且更有许多潜在震源区是根据构造类比原则划分出来的，这样的潜在震源区也不可能有地震样本进行统计。

潜在震源区发生某档地震的可能性大小，取决于潜在震源区所具有的地震构造条件，然而目前还没有哪种构造条件可以明确为地震的成因，也没有哪种构造条件可以非常理想地表达不同震级档的地震危险性，因此只能以不同地震构造条件，从不同侧面反映地震危险性，如断裂构造特征、地震活动特征等。因此，在三代图编制时，提出了多因子综合评价方法来确定潜在震源区空间分布函数的思路，即采用多个因子来描述潜在震源区的地震构造条件，并量化评价不同因子在潜在震源区内的表现对其地震活动的贡献，从而确定潜在震源区的空间分布函数，该方法尽可能地利用地质构造特征、地震活动特征等方面的认识和知识，来获取地震发生可能性的信息，克服了样本不足所带来的困境。四代图编制中，在对地震构造条件因子进行调整的基础上，沿用了该方法。新版五代图继续采用多因子综合评判方法，但对地震构造因子进行了调整，对综合评判的方法进行了完善。

五代图编制中，从地质构造条件、地震活动特征以及综合性认识等方面，选择了8个地震构造条件因子，分别为地震活动特征因子、区划图发生率因子、地震构造条件因子、地震活动度因子、网格活动性因子、大震发生率因子、中长期危险性因子、离逝时间因子。这8个因子代表了评价地震危险性空间分布的8个方面，其中地震构造条件因子、地震活动度因子、网格活动性因子等3个因子由于所代表的评价因素本身的复杂性和多样性，每个因子又细分为数个子因子，共同构成一个因子的完整表述。

台湾921地震

空间分布函数实质上是用于表述不同震级地震的危险性，较小的震级档有利于在计算中充分反映不同震级地震造成的地震动影响差异，尤其在五代图抗倒塌目标较为关注的高震级段，影响更加显著，但小的震级档却超出了地震构造条件因子的分辨能力。为解决这一两难问题，五代图编制中采用了两级震级档评判和综合，逐步得到各震级的空间分布函数综合评判方法，即先采用较宽的震级档（震级间隔1.0 ～1.5震级单位）进行因子的综合评判，然后在潜在震源区内根据地震活动的重复特征、地震活动平均震级、最大历史地震活动、特征地震等，将宽震级档的因子评分结果分配给较窄的震级档（震级间隔0.2 ～0.3震级单位），从而最终确定空间分布函数。宽震级档能够基本满足因子分辨率要求，而窄震级档能够基本满足地震危险性评价的精度需要。