强震复发的随机特征滑动模型及其应用方法研究

本文针对具有明确分段的特征断层源,从震级的不确定性出发,在弹性回跳理论的基础上提出一种随机特征滑动模型(stochastic characteristic-slip model,SCS)。在随机特征滑动模型中,不仅在参数确定过程中考虑了震级与复发间隔之间的相关性,还可以在计算未来一段时间内地震发生概率的过程中,同时得到特征地震的震级分布。本论文主要包括两个研究方向:1随机特征滑动模型及其参数的确定方法,其中,强震复发的统计规律是确定模型参数的基本依据;2随机特征滑动模型在强震发生概率计算和地震危险性分析中的应用方法研究。随机特征滑动模型及其参数的确定方法包括以下3个主要内容:(1)针对强震复发概率的计算,本文在弹性回跳理论和特征地震模型的基础上提出一种随机特征滑动模型。它是一种计算强震复发概率的模型,其目的是为地震危险性分析提供依据。在地震危险性分析过程中,要考虑强震复发的时间相关性,不仅需要给出复发周期的分布,还需要给出震级的分布。从地震矩累积的角度来考虑,两者是相关联的,不可以独立考虑。因此,在随机特征滑动模型的建立及其参数确定的过程中,均需考虑震级与复发间隔的相关性。虽然断裂上的地震矩累积率并不是恒定不变的,因此累积时间和震级的关系也存在一定的不确定性和随机性,但对于大地震特别是7.5级以上的特大地震而言,研究表明这种随机扰动并不大。此外,在当前的认识水平上,在强震发生概率的计算中,若还同时可以得到一个合理的具有平均意义的震级分布,对地震危险性分析工作具有一定的实用价值。针对断层破裂尺度数据和历史地震数据,本文分别提出了两种SCS模型参数的确定方法。若利用断层破裂尺度来确定随机特征滑动模型的参数,需要首先得到震级-破裂尺度的经验关系式;若利用历史地震或古地震数据来确定模型的参数,则需要首先确定强震复发周期的自然变异性或不确定性。(2)震级-破裂尺度的统计规律研究。本文系统搜集和整理了48个中国板内强震的发震断层的震源破裂参数和震级资料(包括面波震级与矩震级),并在此基础上利用最小二乘拟合方法得到各种震级与破裂尺度之间的经验关系式,并与前人给出的关系式进行了比较研究。同时还得到了我国面波震级与矩震级之间的经验关系式。(3)强震复发周期的统计规律研究。对于归一化无量纲地震复发间隔数据(T/Tave),本论文利用蒙特卡罗方法研究表明:不同样本量的T/Tave数据是不符合独立同分布的,而不符合独立同分布的数据不可以放在一起进行统计。针对这个问题,本研究对利用归一化无量纲地震复发间隔(T/Tave)数据进行拟合的方法做了改进,提出对非同分布的数据先进行标准化处理,然后再放在一起统计,与前人的计算方法相比,这种新的计算方法在数学上更为合理。本研究分别利用前人和自己收集的不同区域范围(环太平洋地震带、郯庐断裂带、青藏高原东北部等区域)的T/Tave数据集进行统计分析,结果表明:利用不同区域范围的数据集所得到的στ存在一定的差异,变化范围在0.30~0.42之间。但由于每个数据集中的T/Tave的数据量有限,我们也很难确定στ是否存在区域性差异,更难对这种差异性进行定量化。断层源上复发周期的自然变异性一般也会采用复发间隔变异系数α来描述。对于变异系数α的确定,除了可以由T/Tave统计得到,本研究还提出了一种通过对大量断层源上的复发间隔变异系数估值α′的统计来确定α的方法。该方法首先利用最大似然估计法计算出不同地震序列的变异系数估计值,然后再对这些变异系数的估计值进行统计分析。本文在广泛搜集的39个地震序列的基础上,利用本文给出的计算方法得到了一个通用的变异系数值α=0.34。随机特征滑动模型在强震发生概率计算和地震危险性分析中的应用方法研究包括以下4个主要内容:(1)在随机特征滑动模型的基础上,本文又提出了基于随机特征滑动模型的地震危险性分析方法。该方法中独立考虑研究区域内地震地质资料较丰富的一级破裂源,时间分布上采用随机特征滑动模型,空间分布上采用特征地震的原地复发模式,同时考虑断层几何形态的不确定性。利用本文方法得到的地震危险性计算结果具有很强的时间相关性,可以为地震灾害预防和地震备灾等工作提供数据支持。(2)利用随机特征滑动模型或其他更新模型来计算未来几十年内发生强震的条件概率时,需要给出上一次大震的离逝时间T,而很多活动断裂缺少历史大震的记载,若采用泊松模型可能会低估强震发生的概率。针对这种缺少大震离逝时间的活动断裂,本研究提出了一种以记载完整的强震平静期长度Ts为参数的条件概率计算方法。本文以东昆仑断裂带塔藏段为例,利用本文给出的条件概率计算方法得到:塔藏段未来50年发生强震的可能性为0.075 8。该计算方法不仅适用于随机特征滑动模型,还适用于其他更新模型。跟世界上大多数国家相比,我国有着相对悠久的地震史料记载,因此,该方法对于强震发生概率的估计具有重要意义。(3)由于断层破裂活动的复杂性,一个大的破裂往往不是单一的破裂,而是包含有较小量级的破裂。这些较小量级的破裂,可能分布于破裂段上的特定段落,构成次级破裂单元。对于一些较大断裂,次级破裂源上也可以发生震级较大的强震。采用泊松模型可能会低估这种中强地震的发生率,因此,在次级破裂源上强震发生概率的计算中考虑到地震复发的时间相关性也很重要。若要建立次级破裂源上的随机特征滑动模型,首先需要明确不同破裂源上的年平均地震矩累积率M0,这就要求将断层上的地震矩累积率合理地分配到不同级别的破裂源上。本文分成两种情况分别讨论次级破裂源上的地震矩累积率M0的确定方法。第一种情况是次级破裂源上历史地震(或古地震)序列比较稀少,只有地质学家给出的不同破裂源发生地震的相对发生率,针对这种情况,本研究基于地震矩平衡的原则,提出一种地震矩累积率分配方法;第二种是次级破裂源上有相对丰富的历史地震(或古地震)序列的情况,并以古地震资料较为丰富的海原断裂为例,计算了次级破裂源上的地震矩累积率和强震发生概率。(4)随机特征滑动模型的基本假定是特征断层源上的地震矩累积率在较长时期上是恒定的,这是一个理想化模型,实际上,特征断层源上的地震矩累积率不是恒定的,而是存在一定的随机扰动和不确定性,这种扰动可能由中小地震的地震矩释放以及断层间库仑应力转移等原因造成的。为了在随机特征滑动模型中考虑这种不确定性,本研究提出了一种考虑断层间相互影响的改进随机特征滑动模型。在该模型中,假定断层源上的地震矩自然累积率是恒定的,同时还要考虑中小地震释放和附近大地震库仑应力转移对该断层源上地震矩积累量的改变量。本研究选取鲜水河北西段为研究对象,反复模拟未来50年的地震序列,得到了鲜水河北西段的炉霍、倡促、道孚和乾宁各段上包括单段破裂和联合破裂在内的各种大地震事件的发生概率。     

祁连山中东段强震复发概率模型及未来强震地点预测

本文主要从祁连山中东段主要活动断裂带全新世以来古地震活动以及历史地震和现代地震的复发间隔入手，通过对强震复发间隔与平均复发间隔的比值(T/Ta)的数学处理，建立了区域强震复发所遵循的概率模型，并对未来强震的复发可能性和强震发生地点进行预测。结果表明，本地区未来最有可能的强震发生地点是老虎山-毛毛山断裂带的毛毛山-金强河段。     

海南岛及邻近地区潜在震源近期强震发生概率的研究

海南岛及其邻近地区属于中国南弱地震区，但它是该地震区内地震活动水平相对较高的东南沿海地震带的一部分，该地区经济发达，人口稠密，１９９４年９月１６日发生台湾海峡７．４级地震，１９９４年１２月３１日和１９９５年１月１０日相断在北部湾发生了６．１级和６．２级地震，如何估计未来本区的地震趋势是一件十分重要和困难的事情。     

祁连山-河西走廊西段强震复发概率模型及强震潜势评估

祁连山-河西走廊西段构造区发育多条重要活动断裂,多年来已积累较丰富的古地震研究的成果.本文在前人研究基础上,结合历史地震数据等,从定量化强震复发间隔T与平均复发间隔Ta入手,将其比值(T/Ta)进行数学处理,借鉴NB模型的思路,建立祁连山-河西走廊西段构造区模型,进而对强震潜势进行评估.结果表明:祁连山-河西走廊西段构...     

地震动参数区划中的不确定性分析

基于《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）中的5套潜在震源区划分及地震活动性参数方案,计算了中国大陆地区所对应的50 年超越概率10%和2%的基岩峰值加速度标准差和变异系数.分析了峰值加速度标准差和变异系数的空间分布特征,统计了省级、地级及县级城市峰值加速度的不确定性.结果表明,潜在震源区划分及地震活动性参数方案的不确定性对峰值加速度影响显著.标准差较大的地区与7.0级以上地震及大型活动断裂具有很强的相关性;峰值加速度变异系数较大的地区主要集中分布在我国的弱震活动地区,其次在塔克拉玛干沙漠及阿拉善高原地区.我国绝大部分城市峰值加速度标准差小于80times;10－2 m/s2;峰值加速度变异系数小于0.4.此外,经分析,峰值加速度的变异系数比标准差更适合表达区划图的不确定性.这些研究结果可为下一代区划图的编制工作提供一些有价值的参考.     

华北地区强震的等待时间研究

从概率论出发,推导出从上一次地震发生时间到下一次地震发生时间(等待时间)的数学表达式,并给出了威布尔分布、指数分布、均匀分布的等待时间表达式。在此基础上,以河北省及其邻近地区为例,用3个分布函数分别计算了各地区发生5.0级以上地震的等待时间发震概率及回溯性检验,并利用AIC准则对何种分布函数更适合华北地区5.0级以上强震危险性分析进行了讨论。     

中国大陆原地复发强震的基本特征及其预测

在印度板块与欧亚块相碰撞形成的喜马拉雅弧板块边界力作用下，中国大陆有自己独特的现代构造运动和地震活动基本格架。格架是两组近似于对数螺线的现代构造滑移线，即最大剪切应力和剪切应变集中释放的区，带。在这种格架控制下，强震和大震在原地或基本在原地重复发生是中国大陆地震活动的重要特征。本文还提出了ｉ－ｆ－ｊ复发轮回模式和估计当前轮回强震复发时间的概率分布以及计算未来强震复发概率分式。为中，长期预测原地复发     

建筑物模态参数时变特性基于强震记录的识别

本文提出一种封闭循环滤波方法,根据等效线性化原理,利用新北京饭店在唐山地震中的强震观测记录,识别建筑物模态参数的时变特性。     

相对局部区域震源参数随机不确定性经验关系研究

在进行未来破坏性地震的强地面运动数值模拟时,震源参数选取的准确性对地震动预测的结果影响很大。震源参数的确定存在很多不确定性因素,既包含随机的不确定性因素,又包含认知的不确定性因素。本文在大量地震事件及文献调研的基础上,运用统计学方法对具备随机不确定性特征的震源参数进行统计研究,以震源参数经验公式的形态建立解释其随机性和不确定性的数学模型。为了研究局部地区震源参数的定标关系特征,获得更加适用于局部地震密集区域,尤其是包含中国大陆地区在内的局部区域的震源参数的经验关系,本文从GCMT地震目录中选取了1 700多个M_W≥5.5的地震事件,运用统计学方法研究地震密集地区的震源参数经验关系,包括震级、地震矩、破裂面积等,增加了相对较大的局部范围内凹凸体的地震样本数量,从统计学角度计算更加适合局部区域的震源参数的经验关系。统计结果表明:局部区域震例获得的震源参数的经验关系与不限区域震例获得的经验关系存在差异,尤其是涉及到断层破裂面积、凹凸体相关参数时差异较大,局部区域内震例获得的震源参数的经验关系将更具有代表性。应用本文获得的相对局部区域的经验公式计算未来破坏性地震的强地面运动所需的震源参数时,获得的地震动预测结果将更能体现目标区域真实的地震动特征,进而提高地震动预测结果的可靠性。      

强震地面断裂评估的概率分析研究

概述了国内外强震地面断裂的研究现状,系统总结整理了我国历史强震地面断裂的有关资料,对1900年以来我国大陆发生的340次6级以上强震的地面断裂作了统计分析,绘制了强震地面断裂的震级频度曲线。指出了我国当前定数评估强震地面断裂影响的不足,探索了强震地面断裂影响的概率评估方法,建议并讨论了需要考虑场地强震地面断裂影响的概率水平。     

Spatio-temporal point pattern analysis on Wenchuan strong earthquake

For exploring the aftershock occurrence process of the 2008 Wenchuan strong earthquake, the spatio-temporal point pattern analysis method is employed to study the sequences of aftershocks with magnitude M≥4.0, M≥4.5, and M≥5.0. It is found that these data exhibit the spatio-temporal clustering on a certain distance scale and on a certain time scale. In particular, the space-time interaction obviously strengthens when the distance is less than 60 km and the time is less than 260 h for the first two aftershoc...     

Influence of spatial correlation of strong ground motion on uncertainty in earthquake loss estimation

In addition to the mean values of possible loss during an earthquake, parameters of the probability distribution function for the loss to a portfolio (e.g. fractiles and standard deviation) are very important. Recent studies have shown that the proper treatment of ground‐motion variability and, particularly, the correlation of ground motion are essential for the estimation of the seismic hazard, damage and loss for distributed portfolios. In this study, we compared the effects of variations in the between‐earthquake correlation and in the site‐to‐site correlation on seismic loss and damage estimations for the extended objects (hypothetical portfolio) and critical elements (e.g. bridges) of a network. A scenario earthquake approach and a portfolio containing a set of hypothetical building and bridges were used for the purpose. We showed that the relative influences of the types of correlation on characteristics of loss distribution and the probability of damage are not equal. In some cases, when the median values of loss distribution or the probability that at least one critical element of a lifeline will be damaged are considered and when the spatial correlation of ground motion is used, the possible variations in the between‐earthquake correlation may be neglected. The shape of the site‐to‐site correlation function (i.e. the rate of decrease of the coefficient of spatial correlation with separation distance) seems also to be important when modelling spatially correlated ground‐motion fields. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

The impact of epistemic uncertainty on an earthquake loss model

Models capable of estimating losses in future earthquakes are of fundamental importance for emergency planners, for the insurance and reinsurance industries, and for code drafters. Constructing a loss model for a city, region or country involves compiling databases of earthquake activity, ground conditions, attenuation equations, building stock and infrastructure exposure, and vulnerability characteristics of the exposed inventory, all of which have large associated uncertainties. Many of these uncertainties can be classified as epistemic, implying—at least in theory—that they can be reduced by acquiring additional data or improved understanding of the physical processes. The effort and cost involved in refining the definition of each component of a loss model can be very large, for which reason it is useful to identify the relative impact on the calculated losses due to variations in these components. A mechanically sound displacement‐based approach to loss estimation is applied to a test case of buildings along the northern side of the Sea of Marmara in Turkey. Systematic variations of the parameters defining the demand (ground motion) and the capacity (vulnerability) are used to identify the relative impacts on the resulting losses, from which it is found that the influence of the epistemic uncertainty in the capacity is larger than that of the demand for a single earthquake scenario. Thus, the importance of earthquake loss models which allow the capacity parameters to be customized to the study area under consideration is highlighted. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

吴忠—灵武地区地震活动性与强震危险性分析

通过吴忠—灵武地区现有的地震活动性资料,并结合该区域过去的几次中强震震例和已有的研究结果,本文梳理与总结了中强震前该区域地震活动乃至中国大陆大震活动的时空特征,而且基于最小完整性震级分析了1970—2019年该区域中小地震的地震活动性特点。综合认为,吴忠—灵武地区中强震的广义前震和中小地震的活动性具有较为鲜明的特征,中强震发生前1—2年内该区域及邻区形成M_L2.0以上地震集中区或其西北方向的阿左旗腰坝区域大都出现M_L3.0以上信号震,而且一年前其主震的广义前震的确比较发育,存在一定程度的地震增强;地震序列统计分析表明,该区域的多重共轭构造可能是其主要原因,其多震型、双震型和震群型占有相对较高的比例。另外,从大形势角度来看,过去大部分5级以上中强震发生的主导因素很可能由华北地块主导的强震活跃幕引起,该区域的强震危险性不仅仅和局部特殊构造特征、区域前震活动变化有关,更重要的是,华北—东北亚地块大震活动对其也起到了较大的影响作用,相比而言,青藏高原、龙门山断裂带及祁连山构造带等区域的大震活动对吴忠—灵武地区中强地震触发影响不显著,而且吴忠—灵武地区的中强地震活动和华北—东北亚地块的大震活动可能存在一定的构造响应。      

Weighing the importance of model uncertainty against parameter uncertainty in earthquake loss assessments

Epistemic uncertainties can be classified into two major categories: parameter and model. While the first one stems from the difficulties in estimating the values of input model parameters, the second comes from the difficulties in selecting the appropriate type of model. Investigating their combined effects and ranking each of them in terms of their influence on the predicted losses can be useful in guiding future investigations. In this context, we propose a strategy relying on variance-based global sensitivity analysis, which is demonstrated using an earthquake loss assessment for Pointe-à-Pitre (Guadeloupe, France). For the considered assumptions, we show: that uncertainty of losses would be greatly reduced if all the models could be unambiguously selected; and that the most influential source of uncertainty (whether of parameter or model type) corresponds to the seismic activity group. Finally, a sampling strategy was proposed to test the influence of the experts’ weights on models and on the assumed coefficients of variation of parameter uncertainty. The former influenced the sensitivity measures of the model uncertainties, whereas the latter could completely change the importance rank of the uncertainties associated to the vulnerability assessment step.     

强震复发间隔变异系数的一种计算方法

确定强震复发间隔变异系数在强震发生概率的计算中具有重要意义. 考虑到由小样本量地震序列计算得到变异系数的估计值与实际值可能存在一定的偏差, 本文提出了一种计算强震复发间隔变异系数的新方法. 该方法首先利用最大似然估计法计算出大量小样本地震序列的变异系数估计值; 然后先对这些变异系数的估计值进行标准化处理, 再对这些标准化的变异系数估计值进行统计分析; 最后在广泛搜集的39个地震序列的基础上, 利用该方法计算得到一个通用的变异系数值(α=0.34), 并讨论了该值的物理意义及其应用.      

Preliminary analysis of earthquake probability based on the synthetic seismic catalog

The analysis of seismic hazards relies on the statistical analysis of historical seismic data and the instrumental seismic catalog to obtain the regional earthquake recurrence interval and earthquake probability. The accuracy of analysis thus depends strongly on the completeness of the seismic data used. However, available seismic catalogs are too short or incomplete for the reliable analysis of the statistical characteristics of earthquakes. If a long-term synthetic seismic catalog can be generated using a physics-based numerical simulation, and the simulation results match the crustal deformation, seismicity, and other observations,then such a synthetic catalog helps us to further understand the characteristics of seismic activity and analyze the regional seismic hazard. In this paper, taking the northeastern Tibetan Plateau as a case study, we establish a three-dimensional visco-elastoplastic finite-element model to simulate earthquake cycles and the spatiotemporal evolution of earthquakes on the model fault system and obtain a seismic catalog on a time scale of tens of thousands of years. On the basis that the model satisfies the regional geodynamics of the northeastern Tibetan Plateau, we analyze seismicity on the northeastern Tibetan Plateau using the simulated synthetic earthquake catalog. The characteristics of earthquake recurrence at different locations and different magnitudes, and the long-term average probability of earthquake occurrence within the fault system on the northeastern Tibetan plateau are studied. The results are a reference for regional seismic hazard assessment and provide a basis for the physics-based numerical prediction of earthquakes.     

应用线性合成概率方法探讨青藏高原北部地区强震趋势

基于周期谱分析基础上的线性合成概率预测方法,对青藏高原北部地区Ms≥7.0、Ms≥6.5强震进行了试验性研究,并利用其结果作为预测依据,对青藏高原北部地区强震趋势做了初步估计.利用该方法,本文还对东昆仑断裂带1900年以来的Ms≥7.0强震进行了研究.     

台湾地区强地震序列的GM模型

对台湾地区Ｍ≥７．０级强地震序列进行了灰色系统ＧＭ模型的建模。从模型检验精度和结果看,模型的关联度Ｒ、后验差比值Ｃ和小误差概率Ｐ等有关指标都说明所建模型是可靠而精确的,表明灰色系统ＧＭ模型在台湾地区强地震序列预测中有一定的实用价值。     

The slip rate and strong earthquake recurrence interval on the Qianning-Kangding segment of the Xianshuihe fault zone

IntroductionLocated in the western part of Sichuan Province, China, the Xianshuihe fault zone is a notable strong earthquake zone in the eastern Tibetan Plateau. At its northwestern end, the Xianshuihe fault zone overlaps the Ganzi-Yushu fault in a left-stepping pattern. The fault zone extends southeastwards through Luhuo, Daofu, Kangding, and Moxi and disappears near Shimian, with a total length of 400 km. The fault trends N40(-50°W in the north, and N20(-30°W to the south of Kangdi…