基于潜在破裂面源模型的南北地震带南段地震区划研究1

胥广银 高孟潭



基于潜在破裂面源模型的南北地震带南段地震区划研究1

胥广银 高孟潭

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

南北地震带南段大震活动频繁。已有的研究结果表明，大震近场范围场点的地震危险性与地震破裂面产状及其尺度密切相关。因此，在南北地震带南段需要考虑潜在震源三维特征进行地震危险性分析和地震区划研究。本文在充分搜集大震发震构造资料的基础上，在南北地震带南段构建了考虑震源尺度和产状的潜在震源模型，改进了地震危险性概率分析方法，进而对该地区进行地震区划研究。结果表明，考虑潜在震源三维特征的地震危险性分析结果可以有效地反映南北地震带南段发震构造的产状和尺寸特征，提高地震区划结果的合理性。

南北地震带南段 潜在地震破裂面源模型 地震危险性分析 地震区划

引言

目前，在地震危险性概率分析中一般将地震震源简化成点源模型或者断层线源模型，采用震中距、震源距或者断层投影距作为距离参数描述地震动的衰减特征（Cornell，1968；Douglas等，1977；Reiter，1991；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2006）。对于较大震级地震的近场范围内的场点，由于地震破裂面可以扩展到几十甚至几百千米，在这种情况下再将地震破裂源简化为点源或断层线源显然是不合适的。

许多专家学者认为近场场点或观测点的速度和加速度值是由最靠近场点或观测点的一小段地震破裂贡献的（Aki，1968；陈培善等，1998）。Schnabel等（1973）在“Accelerations in Rock for Earthquakes in the Western United States”一文中说：“……地震波传播距离最小时衰减也就最小，产生的加速度幅值也就最大。……到断层破裂的最近距离是决定基岩阻尼衰减的主要因素。”Der Kiureghian等（1977）在“A Fault-rupture Model for Seismic Risk Analysis”一文中也假设场点的地面运动峰值是由距离场点最近的地震滑动决定的。同时，这一观点也得到了许多从事地震动衰减关系研究的专家学者的认同（Campbell，1987，1990，1993，1997；Boore等，1997；Joyner等，1993；Campbell等，1994；Sadigh等，1997）。胡聿贤（1999）也认为，对于近场范围内的场点，一般情况下，应该只有靠近场点的一小段断裂才对场点的高频地震动峰值有影响。

基于以上认识，胥广银等（2007）构建了能够反映地震破裂三维空间展布的潜在震源模型（图1中的空间四边形ABCD所示），图1中FP是断层投影距，即场点到断层在地表投影的最短距离；F是断层距，即场点到断层的最短距离；rup是断层面距，即场点到断层破裂面的最短距离。由于场点的地震动峰值与距离场点的最近破裂有关，采用这种潜在震源模型进行地震危险性分析，衰减关系中的距离项应该是断层面距rup。

图1 考虑三维空间特征的潜在地震破裂面源模型示意图

南北地震带南段是我国强震活动频繁的地区，从东川到绿春，在4万多平方千米的区域内历史上记录到的破坏性地震共有122次，其中6级以上地震29次，7级以上地震8次，还有1次8级地震。该区域很多场点都位于大震—强震的近场范围之内。在这种情况下，场点的地震危险性分析和地震区划研究显然需要考虑潜在震源的三维空间特征。南北地震带南段及其附近区域无论是历史记载的地震资料还是现代仪器记录的地震资料都很丰富，同时，地震地质和发震构造研究程度也比较高，为基于潜在地震破裂面源模型并考虑潜在震源的三维空间特征的地震危险性概率分析方法创造了必要条件。

1　方法

基于潜在地震破裂面源模型的地震危险性概率分析的基本思路和计算方法概述如下：

（1）首先确定地震统计区（地震带），以此作为考虑地震活动时间非均匀性、确定未来给定年限的地震活动水平和地震危险性空间相对分布概率的基本单元。地震统计区内部地震活动在空间和时间上都是不均匀的。

假设地震统计区内地震时间过程符合分段的泊松过程，令地震带的震级上限为uz，震级下限为0，年内震级为0—uz的地震年平均发生率为0，0由未来的地震活动趋势来确定，则统计区内年内发生次震级为0—uz的地震的概率为：

同时，地震统计区内地震活动性遵从修正的震级-频度关系，相应的震级概率密度函数为：

其中，＝ln10，为震级-频度关系的斜率。

假设潜在地震破裂面源内地震震级可分为m档，m表示震级范围为（m±½D）的震级档，则地震统计区内发生m档地震的概率为：

（3）假设第个潜在地震破裂面源的长为，宽为，其内发生一次震级为m的地震，引起场点的地震动达到或超过给定地震动的概率(≥|)可按以下方法计算：

①为便于研究，假设该震级地震的震源破裂面是一个长为L，宽为W的矩形面。根据震级-破裂长度关系式以及破裂长度与破裂宽度的关系式，可以求得破裂面的长度L和宽度W。

②根据潜在地震破裂面源的走向以及场点的坐标，将地球表面上的经纬度坐标转换为距离坐标并将坐标原点平移到场点，进一步进行坐标旋转使得潜在破裂面源的走向平行于新坐标系的轴。

③根据潜在地震破裂面源的倾向和倾角，在三维空间（，，）进行坐标旋转，使得潜在地震破裂面源平行于＝0平面，并且该平面的坐标的绝对值正好是场点到潜在地震破裂面源的垂直距离，假设潜在地震破裂面源矩形的4个顶点坐标分别为（1，1，1）、（2，1，1）、（2，2，1）、（1，2，1）。

将潜在地震破裂面源分割为n个平行于轴、宽为的细条，作为该震级地震的震源破裂面的中心的分布范围（图2（a））。假设地震破裂全部位于潜在地震破裂面源内，则：

潜在地震破裂面源内发生1次震级为m的地震，引起场点的地震动达到或超过给定地震动的概率（≥|）为：

图2 地震破裂面及其对场点地震危险性贡献的计算示意图

④根据分段泊松分布模型和全概率公式，地震统计区内部发生的来自地震破裂面源内的地震，影响到场点地震动参数值超越给定值的年超越概率为：

⑤假定共有N个地震统计区对场点有影响，那么综合所有地震的影响，则：

2 研究区主要断裂及其活动性

研究区内主要有以下10条活动断裂（图3），下面将分别进行介绍。

2.1　全新世活动断裂

最新活动时代为全新世的活动断裂主要有曲江断裂、石屏-建水断裂、红河断裂、小江断裂、则木河断裂、程海断裂和丽江断裂。

（1）曲江断裂

曲江断裂展布于研究区中部，总体走向N50°W，长约110km。断裂形成于华力西期，沿断裂带构造挤压强烈，岩层破碎，构造岩带发育。中—上新世以来，断裂转变为右旋走滑运动。断裂全新世活动仍十分强烈，右旋走滑速率为1.5—3.5mm/a，倾滑速率约为走滑速率的1/5（周瑞琦等，1995），是滇中南一条重要的全新世活动断裂。

（2）石屏-建水断裂

石屏-建水断裂总体走向N40—70°W，全长150km以上，破碎带宽达200m以上，与红河断裂和曲江断裂平行展布。该断裂晚更新世以来活动较为强烈，其平均水平滑动速率为3.19mm/a（韩新民等，1982），沿断裂的地震活动也较为强烈。自公元1445年以来，在断裂及附近记载有17次破坏性地震，最强为1799年8月27日石屏宝秀7级地震。

（3）红河断裂带

红河断裂带是川滇菱形块体的南边界断裂，大致沿红河展布，向东南延出境外，境内长380km，总体走向北西。根据几何结构和活动特性，红河断裂可分为北段（洱源—弥渡）、中段（苴力—大斗门）和南段（春元—河口）。北段为全新世中—晚期活动断裂，具右旋正走滑性质，晚更新世以来平均右旋走滑速率为2.6—5.0mm/a，平均垂直位移速率为5.2—7.4mm/a。中段以水平走滑运动为主，最新活动时间为全新世早—中期，晚更新世以来平均水平滑动速率为3.1mm/a（虢顺民，2001）。

南段由两条近乎平行的哀牢山山前断裂和中谷断裂组成。前者西段第四纪早期为倾向南西的高角度逆冲断层，后期为北东倾斜的高角度正断兼右旋走滑性质，最新活动时代为晚更新世早—中期；东段总体倾向南西，倾角较陡，为逆冲右旋性质。后者由多条次级断层组成，最新活动发生在全新世早—中期，为右旋走滑兼逆冲性质。

（4）小江断裂带

小江断裂带是巨大的鲜水河-安宁河-小江断裂构造带的南段，总体走向近南北，形成于晋宁期。喜马拉雅运动以来，该断裂带新构造活动十分强烈，由数条次级走滑断裂斜列组成。第四纪以来，断裂以强烈左旋走滑为特征，最大左旋位移可达5—7km。晚更新世以来，左旋走滑运动所产生的断错地貌十分醒目，平均滑动速率达6—9.8mm/a（中段东支）和5.9—9.4mm/a（中段西支）（宋方敏，1998）。

按断裂带的结构特征、新活动性及地震活动差异，可将小江断裂带分成3段：北段呈单一结构，由单条断裂组成；中段（东川—宜良）分为东、西两支，近平行展布，平均间距约16km；南段呈多条帚状斜列。历史上记载了沿断裂带发生的多次6级以上地震和3次7级以上地震，最大地震为1833年嵩明8级地震。

（5）则木河断裂

该断裂长约140km，由5条次级断层羽列组成，为全新世左旋走滑活动断裂。断裂北西段长约90km，晚第四纪以来的平均水平滑动速率为4.7mm/a左右，历史上发生过814年西昌7级地震和1850年西昌大箐梁子7½级地震，地震地表破裂带展布于西宁—松新之间，长约90m，最大同震位错在大箐梁子一带，可达5.7m（杜平山等，2000）。断裂南东段长约40km，其活动性远逊于北西段，晚更新世以来的平均水平滑动速率为2—3mm/a。

（6）程海断裂

程海断裂是滇西北地区东线最为醒目的一条活动性大断裂，走向近南北，倾向西，全长200km（黄小龙等，2016）。断裂从东到西大约由几条相互平行的近南北向断裂组成，由北向南撤开，主断裂控制着金宫、永胜、程海、期纳、宾川等盆地。断裂北段以倾滑为主，速率达6mm/a；中段以左旋走滑为主，速率达3—4mm/a；南段以拉张为主，走滑为次，走滑速率为2—3mm/a（罗睿洁等，2015）。该断裂带历史上发生过多次强震，包括1515年永胜7½级地震和2001年永胜6.0级地震。

（7）丽江断裂

丽江断裂是滇西北高原的一条北东向活动构造带，总体走向N40°E，全长360km。该断裂斜切川滇菱形块体，是龙门山-锦屏山-玉龙雪山中新生代推覆构造带的西南一段（向宏发等，2002）。该断裂是一条高角度倾向NW且在第四纪以来强烈活动的逆走滑活动断裂，断裂以水平运动为主，兼有倾向运动分量。第四纪以来的最大左旋水平位错量为7.14—7.16km，其平均位错速率约2.88—2.89mm/a；对断裂两盘地貌面隆升及相应堆积物的分析表明，中更新世以来断裂的平均垂直位错速率不小于1.10—1.15mm/a，晚更新世以来的平均位错速率为2.16—4.10mm/a，全新世以来的平均位错速率为2.10—5.10mm/a。

2.2　晚更新世活动断裂

最新活动时代为晚更新世的活动断裂主要有普渡河断裂、汤郎-易门断裂和元谋断裂。

（1）普渡河断裂

普渡河断裂为川滇菱形块体内部的一条南北向断裂。自古生代以来，控制着两侧地质构造的发展演化，为二级构造单元（川滇台背斜与滇东台褶带）的分界断裂，总体走向近南北，全长约220km。历史上沿断裂带较频繁地发生5—6级地震，最大震级为1761年6¼级，近期小震密集分布。

（2）汤郎-易门断裂

汤郎-易门断裂总体走向近南北，全长约200km。该断裂形成于晋宁运动，印支期断裂显示右旋拉张，燕山期以后变为左旋压扭。新生代以来的新构造运动继承燕山运动的活动方式。沿断裂发生过1995年武定法窝6.5级地震和1755年易门6½级地震。

（3）元谋-绿汁江断裂

元谋-绿汁江断裂为磨盘山-绿汁江深断裂中南段。磨盘山-绿汁江断裂总体为南北走向，纵贯“康滇地轴”，全长约400km。元谋-绿汁江断裂是滇中台陷与武定-石屏隆褶束三级构造单元的边界，形成于晋宁期，多期构造变动，对两侧中生界有明显的控制。沿断裂本世纪曾有过5次中强地震记录，最大为1955年永仁鱼鮓6¾级地震。

3 研究区潜在地震破裂面源的确定

与活动断裂相对应，研究区内确定了15个潜在地震破裂面源（图4和表1）。主要潜在地震破裂面源的划分依据如下：

（1）曲江断裂潜在地震破裂面源（1号源）

曲江断裂全新世活动强烈，断裂带附近曾发生5级以上地震17次，7级以上大震3次，包括1588年曲溪7级地震、1913年峨山7级地震和1970年通海7.8级大震。1970年通海7.8级大震形成了长约60km的地震地表破裂带，最大水平错距达2.7m，据此划分为震级上限为8.0级的潜在地震破裂面源，走向NW300°，近直立。

（2）石屏-建水断裂潜在地震破裂面源（2号源）

石屏-建水断裂晚更新世以来活动较为强烈，第四纪期间的平均水平滑动速率为3.19mm/a，沿断裂地震活动强烈，在断裂及附近记载有17次破坏性地震，最强为1799年石屏宝秀7级地震。据此划分为震级上限为7.5级的潜在地震破裂面源，走向NW300°，倾向北东，倾角70°。

（3）小江断裂潜在地震破裂面源（5—7号源）

小江断裂全长约400km，以强烈左旋走滑为特征，最大位移量可达5—7km。沿断裂带历史记载多次6级以上地震和3次7级以上地震，最大地震为1833年嵩明8级地震。小江断裂以东川为界可分为南北两段，南段分东西两支，沿断裂划分为3个震级上限为8.0级的潜在地震破裂面源，走向NE10°，倾向南东，倾角70°。

（4）红河断裂潜在地震破裂面源（3—4号）

红河断裂是川滇菱形块体的南边界断裂，断裂北西段为全新世中—晚期活动断裂，发生过1925年大理7级和1652年弥渡南7级地震，划分为震级上限为7.5级的潜在地震破裂面源；南东段为全新世早—中期活动断裂，划分为震级上限为7.0级的潜在地震破裂面源。走向北西，倾向北东，倾角65°。

图4 研究区潜在地震破裂面源划分图

（5）普渡河断裂潜在地震破裂面源（11号）

普渡河断裂为川滇菱形块体内部的一条重要的南北向断裂，是二级构造单元的分界断裂。断裂最新活动时代为中更新世晚期。在玉溪盆地段历史上发生过6次5级以上的地震，最大震级为1761年6¼级。近期小震密集分布。据此划分为震级上限为6.5级的潜在地震破裂面源区，总体走向近南北，全长约220km，近直立。

表1 潜在地震破裂面源划分表

续表

4 地震危险性分析及地震区划研究

根据前述确定的潜在地震破裂面源和改进的地震危险性分析方法，我们对研究区（102.2—103.5°E，23.0—26.2°N）进行了地震危险性计算。

（1）地震活动性参数

为了便于分析和对比，地震带划分及其地震活动性参数采用了新一代地震动参数区划图中的地震带及其地震活动性参数（表2），潜在地震破裂面源的空间分布函数采用了各大断裂对应的潜在震源区的空间分布函数。

表2 各地震带地震活动性参数

（2）地震动衰减关系

本研究采用了考虑地震破裂面三维特征的潜在地震破裂面源模型，因此，地震动衰减关系的选取理论上应该是用破裂面距为距离参数的衰减关系。为了与研究区地震危险性分析结果进行比较，在地震危险性概率分析中地震动衰减关系选取了昆明呈贡地震小区划（二期）中采用的云南地区基岩峰值加速度衰减关系的长短轴平均的衰减系数2。该衰减关系形式如下：

式中为距离项，各项系数列于表3。

表3 基岩加速度峰值衰减关系各项系数表

（3）地震震级、破裂长度和破裂宽度的相互关系

为了确定未来发生某一震级的地震引起的破裂面的大小，还需要两个重要参数：破裂长度和破裂宽度。对于震级与破裂长度之间的关系式，本研究采用了陈培善等（1991）根据实际地震观测数据得到的统计关系，发生矩震级为W的地震产生的地震破裂长度的关系式可以表示为：

地震破裂面宽度与地震震级大小的相互关系的研究比较少，根据Wells等（1994）的研究成果有：

地震断层面的形状是五花八门的，有狭长的，有接近圆形的，等等。在地震二维破裂模式的基础上，Geller（1976）利用Kanamori等（1975）所提出的几何相似条件，即：

（12）

其中为常数，对地震观测资料中的破裂长度与宽度的关系进行了经验的估计，平均取：

出于研究目的，本文选用了Geller（1976）估计的长宽比2:1作为地震破裂面模拟的长宽关系。

（4）地震危险性分析及地震区划结果

根据新一代地震区划图所确定的地震带及其地震活动性参数、前述确定的潜在地震破裂面源区及其空间分布函数、震源尺度参数以及地震动峰值加速度衰减关系，利用概率地震危险性分析方法，进行计算区域内场点的地震危险性分析计算。

不同年超越概率对应的基岩加速度峰值计算结果如图5和图6中数字所示。参照中国地震动参数区划图（GB18306—2015）峰值加速度区划图的取值原则对计算所得的各场点基岩加速度峰值进行分区，分区原则如下：

其中，Amin为第个分区的分区下限，A为第个分区的分区值，A－1为第－1个分区的分区值，例如0.40g区的分区下限为0.40－(0.40－0.30)×0.2＝0.38g。

为了分析所得地震区划结果的合理性，我们将地震区划形态和地震构造进行对比（图5和图6）。结果表明，与胥广银等（2007）的研究结果稍显不同的是，计算区域内的地震区划结果的断层“上盘效应”整体上不明显，主要原因有两点：一方面与计算区域及其周边的地震构造多为高角度的走滑断裂有关，另一方面是由于区划形态是多条断裂共同作用的结果。但是，地震区划形态较好地反映了主要地震构造的空间展布形态，而且，在计算区域南部，地震构造产状相对一致的红河断裂和石屏-建水断裂所在地区，则有一定的“上盘效应”现象存在。因此，基于潜在破裂面源模型的南北地震带南段地震区划形态较好地反映出区内地震构造的产状和尺寸。

同时，与基于传统潜在震源区模型的地震区划结果（图5（b），50年超越概率10%）对比，我们发现采用潜在地震破裂面源模型得到的高值分区——0.30g和0.40g区的范围缩小了，而发震断层附近的计算值却提高了，表明本文采用的潜在地震破裂面源模型对于南北地震带南段发震构造的产状和尺寸的反映较为显著，同时还保证发震构造附近的地震危险性不被稀释。

图5 基岩峰值加速度区划与地震构造对比（50年超越概率10%）

5 结论与讨论

近年来，我国在大震、强震的潜在震源模型上进行着不断地改进，中国地震动参数区划图（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2016）在潜在震源区划分上强调了对高震级潜在震源区的控制，采用了地震带、地震构造区和潜在震源区三级划分的方法（周本刚等，2013），高震级潜在震源区的细化也在一定程度上提高了大震近场范围内场点地震危险性分析结果的合理性。

图6 基岩峰值加速度区划与地震构造对比

本文基于潜在破裂面源模型的地震危险性分析方法更是针对“大震近场场点的峰值地震动与距离场点最近的地震破裂有关”的认识而提出来的，从概念上弥补了传统潜在震源区模型的不足。在地震活动较强、地震构造及地震活动性资料相对丰富的南北地震带南段，采用这种方法得到的地震区划结果能够在较大程度上反映出活动断裂展布的轮廓及产状，同时还能避免大震、强震近场范围内场点的地震危险性结果的稀释，无疑更为合理。因此，相对于传统的潜在震源区模型，采用能够反映震源三维特征的潜在地震破裂面源模型无论从概念上还是结果上都有利于提高地震区划和地震危险性分析结果的合理性，尤其是发震构造附近场点的地震危险性。

致谢：本研究得到了中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（DQJB11C19）和中国地震局中印联合科技项目“喜马拉雅地区统一地震目录和地震区划图联合编制”的资助。数据来源于中国地震动参数区划图（GB18306—2015），特此致谢。同时，作者感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议，使本文得到进一步完善和提升。

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Seismic Zoning in Southern Part of North-South Seismic Belt Based on the Potential Rupture Surface Source Model

Xu Guangyin and Gao Mengtan

(Institate of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China)

There are many large earthquake actives recorded in the southern part of North-South seismic belt. The seismic hazard near the potential large earthquake source is related to size and attitude of potential ruptures according to the recent studies. So, the 3-D characteristics of potential sources should be considered to analyze the seismic hazard near the large faults that have the possibility to generate great earthquakes. In this study, the plenty of data of strong earthquake and seismo-tectonics are collected and the potential rupture surface source model are constructed to consider the size and attitude of large earthquakes, in order to make the seismic hazard analysis results more reasonable in the southern part of North-South seismic belt. From this study, we conclude that the seismic zoning results show the spatial characteristic, such as attitude and size of seismogenic structures, so it makes the results of the seismic hazard analysis and seismic zoning more reasonable in the southern part of North-South seismic belt.

Southern part of North-South seismic belt；Potential rupture surface source model；Seismic hazard analysis；Seismic zoning

10.11899/zzfy20170301

中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（DQJB11C19）和中国地震局中印联合科技项目“喜马拉雅地区统一地震目录和地震区划图联合编制”共同资助

2017-04-22

胥广银，男，生于1971年。博士，副研究员。主要从事地震活动性分析、地震危险性分析及地震区划等方面的研究。E-mail：xugy1971@163.com

2中国地震局地球物理研究所，昆明南方岩土工程技术开发公司，2008。昆明市呈贡新区小区划（二期）报告