劉鼎亮 郭明珠

摘 要：地震危險性分析是地震安全性評價的重要任務(wù)之一。危險性分析方法分為確定性方法和概率性方法。本文主要概述了地震危險性分析的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了地震危險性分析的三個重要方面，即地震活動性模型、地震地面運動衰減規(guī)律和潛在震源識別，以期為其他學者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地震危險性分析;地震活動性模型;地震動衰減規(guī)律;潛在震源識別

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0142-05

Brief Introduction to the Status of Seismic Hazard Analysis

LIU Dingliang GUO Mingzhu

（Beijing University of Technology，Beijing 100124）

Abstract： Seismic risk analysis is one of the important tasks of seismic safety evaluation. Risk analysis methods are divided into deterministic method and probabilistic method. In this paper， the development and research status of seismic hazard analysis were summarized， and three important aspects of seismic hazard analysis were summarized， namely， seismicity model， attenuation law of seismic ground motion and identification of potential earthquake sources， in order to provide reference for other scholars'research.

Keywords： seismic hazard analysis;seismic activity model;ground motion attenuation law;potential source identification

我國屬于地震災害頻發(fā)的國家，地震次數(shù)多，分布范圍廣，地震強度大，造成的災害影響嚴重。地震危險性分析是工程抗震工作的重要內(nèi)容之一，在震災預防中發(fā)揮著重要作用。地震危險性分析方法分為確定性分析方法和概率分析方法。確定性分析方法是早期地震危險性分析中常用的方法，主要是指根據(jù)歷史地震重演和地質(zhì)構(gòu)造外推的原則，利用區(qū)域歷史地震活動特征、地震地質(zhì)構(gòu)造背景、地震烈度衰減關(guān)系等資料，估計某一區(qū)域未來遭遇的地震烈度水平，并以確定的數(shù)值來表達。概率分析方法是由康奈爾在1968年提出的，將某一地面運動參數(shù)的年超越概率作為評價指標。

康奈爾認為，地震的發(fā)生服從泊松分布，各震級的發(fā)生率服從古登堡-里氏震級-頻率關(guān)系。因為遵守這兩個假設(shè)，因此，模型中的地震發(fā)生率在任何時候都是確定的。但事實上，大多數(shù)斷層地震活動并不是一個平穩(wěn)的過程，且與時間無關(guān)的模型可能會高估或低估某一時間的風險。為了解決這些問題，部分學者通過進一步研究逐步提出了時變分析模型。

本文介紹了地震危險性分析的歷史和進展，以及地震活動模型、地震動衰減規(guī)律和潛在震源識別的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并對今后的應用進行了展望。

1 地震危險性分析的研究歷史

1958年，岡貝爾通過對極值的系統(tǒng)研究，提出了年超越概率和平均重現(xiàn)期這兩個作為各種地震危險性分析方法的核心概念。但其剛剛問世時的計算是完全依賴于歷史地震資料的，和確定性方法中的地震活動性重演有著相似的理論應用。

1968年，康奈爾（Cornell）[1]提出利用地質(zhì)學、大地構(gòu)造學和地震學的綜合數(shù)據(jù)建立相應的數(shù)學模型來評估場地的地震危險性。這一方法為日后的分析方法創(chuàng)立了一個基本框架?，F(xiàn)有的概率分析方法都是基于康奈爾方法，是通過對其假設(shè)的改進和模型的完善而發(fā)展起來的。

1977年，科若根（Kiureghian A D）和洪華生（Ang A H）[2]將康奈爾分析方法中第四條假定的震源距衰減更改為斷層距衰減，形成了斷層破裂模型。與康奈爾的模型相比，該模型更適合處理大地震的近場情況。同年，該模型被梅圭爾編寫為計算機程序，得到推廣。

概率地震危險性分析方法于1982年由章在鏞和陳達生[3]引入我國，經(jīng)過高孟潭[4，5]和時振梁等人[6]的改進后能反映我國地震活動的時空異質(zhì)性，被廣泛應用在地震區(qū)劃以及地震安全性評價等工作中。

1988年，加利福尼亞地震發(fā)生工作組（WGCEP）使用時變模型來分析加利福尼亞的圣安德斯斷裂帶[7]，并在20年后建立了第二版全州時變風險分析模型[8]。該模型研究了加利福尼亞未來30年的不同地震，并將地震發(fā)生率與以往的研究進行了比較。

WGCEP于2014年發(fā)布了第三版加州地震破裂預測模型[9]。該模型完善了第二版模型對斷層分割和多斷層破裂研究不足的影響，得到了加利福尼亞斷層的詳細數(shù)據(jù)。第三版比第二版更接近觀測數(shù)據(jù)。

2013年，臺灣大學的陳教授[10]將時變分析方法應用于花蓮地區(qū)的地震風險分析研究中。該研究考慮了地震間的相互作用以及應力改變的問題，同時融入了地震預測的相關(guān)理論研究。

2015年，郭星[11]針對具有明確分段的特征斷層源，從震級的不確定性出發(fā)，在彈性回跳理論的基礎(chǔ)上提出了一種隨機特征滑動模型。在隨機特征滑動模型中，不僅在參數(shù)確定過程中考慮了震級與復發(fā)間隔之間的相關(guān)性，還可以在計算未來一段時間內(nèi)地震發(fā)生概率的過程中，同時得到特征地震的震級分布。

2018年，林慧卿等人[12]在假設(shè)地震發(fā)震時間間隔序列服從二參量韋伯分布的研究成果基礎(chǔ)上，引入最短地震發(fā)震時間間隔參量，假設(shè)發(fā)震時間間隔服從三參量韋伯分布，分別計算二參量和三參量韋伯分布的地震潛源區(qū)的強震危險性。研究發(fā)現(xiàn)，引入最短時間間隔參量后的三參量韋伯分布相較于二參量預測更加準確，錯誤預測風險更低。同年，張文朋[13]借鑒其他災害危險評價方法，通過對斷裂構(gòu)造及地震等基礎(chǔ)資料進行分析處理，建立了適合大區(qū)域的地震危險水平評價方法體系，并以天津市為例，在只考慮地震和斷裂的基礎(chǔ)上，計算得到天津市地震危險性分布圖。

2019年，鄧世廣等人[14]根據(jù)泊松分布的地震概率預測以及多個相關(guān)學科預測方法的準確度，利用貝葉斯定理得到每項地震危險概率預測結(jié)果，而后利用綜合概率法給出綜合預測結(jié)果。這種方法綜合了各個學科，得到的結(jié)果更加準確。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 地震活動性模型

地震活動性模型是否時變是上述兩類概率地震危險性分析方法間最大的區(qū)別。地震活動性模型是用來計算地震年發(fā)生率的一種計算模型。從康奈爾提出概率地震危險性分析方法至今，人們已經(jīng)提出了多種地震活動性模型，如泊松模型以及各種時空非平穩(wěn)性的模型。但目前，泊松模型已經(jīng)逐漸淡出了研究者的視線。時空非平穩(wěn)性模型包括認為地震活動存在活躍期和平穩(wěn)期的分段泊松模型、描述地震活動在時間軸上的疏密的隨機點過程模型、利用特征地震概念建立的基于特征地震的地震活動性模型以及基于地震活動的時空轉(zhuǎn)移的馬爾科夫鏈模型等 [15-17]。其中，應用較為廣泛的是分段泊松模型和特征地震模型。

2.1.1 分段泊松模型。分段泊松模型又被稱為兩態(tài)泊松模型，是泊松模型改進的一種形式。這一模型認為，地震活動擁有活躍期和平靜期，這兩個時期的地震活動對應著不同的地震發(fā)生率。

Kameda等[15]首次應用兩態(tài)泊松分布計算地震發(fā)生率。Bender[18]在利用分段泊松分布模型計算時認為，地震的活躍期可轉(zhuǎn)化為平靜期，同時平靜期也可轉(zhuǎn)化為活躍期，即地震的活躍期和平靜期以一定概率相互轉(zhuǎn)化。

董瑞樹[19-21]通過分別使用兩態(tài)泊松和泊松分布計算臨汾及太原的地震危險性，得出分段泊松分布相比于泊松分布更符合實際的結(jié)論。

2.1.2 特征地震模型。特征地震模型是一種同時考慮特征震級和復發(fā)間隔的模型。某一斷層，在長期活動中反復破裂，且這些事件有相同或相近的破壞模量，被稱為特征地震。需要注意的是，隨著上一次特征地震發(fā)震到計算的時間節(jié)點越久遠，那么特征地震的發(fā)震概率也就越大。這一特點使計算結(jié)果符合地震發(fā)生的物理機制，因而受到學者們的廣泛關(guān)注。

S.G.Wesnousky[22]利用紐波特-英格爾伍德斷層、埃爾西諾斷層、加羅克斷層、圣哈辛托斷層以及圣安德烈斯斷層的古地震目錄以及近代發(fā)生的被記錄下來的地震資料，通過回溯震級等與時間的關(guān)系，認為紐波特-英格爾伍德斷層、埃爾西諾斷層、加羅克斷層及圣安德烈斯斷層的發(fā)震模式符合特征地震的發(fā)震模式，雖然圣哈辛托斷層的發(fā)震模式更符合G-R模型，但如果將其分段，那么每一段也符合特征地震的發(fā)震模式。其還認為，與古登堡-里克特分布相比，利用特征地震分布來計算地震危險性會更符合預期。

最早的特征地震模型是由Nishenko[23]等人建立的。其通過研究環(huán)太平洋地震帶大地震的復發(fā)，給出了環(huán)太平洋地震帶的特征地震模型。

沈軍等人[24]利用小江斷裂帶研究分析了次級地震對特征地震重現(xiàn)期的影響，使從古地震資料中獲得的特征地震重現(xiàn)期更為精確。

張力方等人[25]根據(jù)鮮水河斷裂各段的特征震級等參數(shù)，建立了鮮水河斷裂的分段特征地震模型，并利用該模型分析了鮮水河斷裂的危險性，最終得到該斷裂帶在特征地震作用下的地震場預測圖。

2.2 地震動衰減規(guī)律

地震動衰減規(guī)律因在工程抗震設(shè)計和地質(zhì)災害區(qū)劃中的廣泛應用而受到越來越多學者的關(guān)注。一般情況下，地震動衰減規(guī)律的表達式中應包含震源、路徑、場地這三部分參數(shù)，表達式是由強震記錄直接擬合而成，具有很強的地域相關(guān)性。擬合地震動衰減規(guī)律方法有三種：直接經(jīng)驗統(tǒng)計法、間接統(tǒng)計分析法和綜合研究法。

2.2.1 直接經(jīng)驗統(tǒng)計法。日本和美國由于擁有相對于他國更豐富的強震記錄，因此，先于他國開始了這一方面的研究。衰減關(guān)系以峰值加速度、峰值速度以及反應譜為觀測值，以描述觀測值與震級、場地和震源間的距離為主。

1956年，Richter和Gutenberg[26]利用California的強震記錄得到了衰減關(guān)系，開始了衰減規(guī)律的研究。在Richter方程中只考慮了距離、卓越周期和震級等參數(shù)，這是由于早期的記錄中只記錄了距離、震級卓越周期等少量數(shù)據(jù)。

Milne和Davenport在1969年首次在地震動衰減規(guī)律表達式中的距離項加入了震級參數(shù)，以考慮震級對地震動峰值加速度的影響[26]。

1981年，Joyner和Boore兩人[27]在對大量的強震記錄進行分析的基礎(chǔ)上，簡單考慮了土層場地與巖石場地之間的區(qū)別，得到了包括加速度和震級、震中震源距以及包含場地屬性在內(nèi)的表達式。

2.2.2 間接統(tǒng)計分析法。地震記錄豐富的地區(qū)可以直接使用直接經(jīng)驗統(tǒng)計法擬合得到該地的地震動衰減規(guī)律，但很多地區(qū)的地震記錄缺失，無法直接通過數(shù)學統(tǒng)計出衰減規(guī)律。為了應對地震記錄缺失的問題，學者們提出了以下兩種解決辦法：第一，利用地震烈度變換方法研究地震動與歷史強度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系;第二，將地震源模型與隨機振動理論相結(jié)合的半經(jīng)驗和半理論方法。后者彌補了直接經(jīng)驗統(tǒng)計方法無法描述地震波的源類型、破裂方向和傳播介質(zhì)這一缺陷。

1979年，Mcguire和Hanks等人[28]將隨機振動理論應用于地震動模擬，把震源引起的彈性半無限空間上某點的加速度看作高斯白噪音，因而得到了極為簡化的PGA衰減關(guān)系。1992年，Atkinson[29]利用隨機振動理論推導了加拿大地震動衰減關(guān)系。1997年，Beresnev和Atkinson兩人[30]認為，發(fā)震斷層可視為多個震源的疊加，某點的地震動加速度看作這多個震源的共同作用，并改進了地震動預測的隨機方法。

2.2.3 綜合研究法。近年來，隨著計算機的不斷普及和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，加上數(shù)字臺站的建設(shè)和完善，地震記錄越來越豐富和完善。研究人員通過融匯數(shù)值模擬、經(jīng)驗統(tǒng)計等方法，結(jié)合地震及地質(zhì)等學科，建立了一批新的衰減關(guān)系。這些新的衰減關(guān)系通?？紤]了3個主要部分，即震源效應、路徑效應和場地效應。

2003年，Campbell[31]借助豐富的強震記錄以及美國西北地區(qū)的地震動經(jīng)驗關(guān)系，利用混合經(jīng)驗方法得到了美國東北部的地震動衰減規(guī)律。

Boore，Kamai R和Campbell等[32-34]利用PEER強運動記錄，結(jié)合數(shù)字模型、理論分析和經(jīng)驗統(tǒng)計，考慮了震級、震源、盆地效應和場地非線性，為美國西部建立了新的地震動衰減規(guī)律。

綜上可知，隨著地震動記錄的不斷豐富和記錄研究方法的改進，地震動衰減規(guī)律逐漸發(fā)展起來。開始只考慮幾個簡單的如震級震源距等參數(shù)，通過簡單回歸得到表達式，隨著其不斷發(fā)展，在考慮原有簡單參數(shù)的基礎(chǔ)之上，更綜合了如震源類型、場地非線性反應等對地震動衰減規(guī)律的影響，極大地推進了地震動衰減規(guī)律的研究進程和應用前景。

2.3 潛在震源識別

潛在震源區(qū)是未來可能發(fā)生破壞性地震的地區(qū)。潛在震源區(qū)的確定是地震危險性分析的基礎(chǔ)，其確定精度直接影響地震危險性分析的正確性。對于潛在震源區(qū)的識別方法，隨著學者的不斷深入研究，逐漸發(fā)展出了如亨明方法、貝葉斯方法、聚類方法等模式識別方法。這些方法的出現(xiàn)為地震危險性分析提供了可靠的科學依據(jù)，使?jié)撛谡鹪磪^(qū)的判定更符合實際。

模式識別最初應用于文字、指紋、圖片識別等領(lǐng)域，利用類似人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法實現(xiàn)計算機程序模擬人的思維方式，利用人類的思維方式，使原本認為并不存在關(guān)系或關(guān)系十分復雜的兩類或者多類因果關(guān)系變得明朗起來，用于復雜的計算和判別工作，進一步認識各事物的相互關(guān)系。學者們將模式識別的方法引入地震危險性分析中的地震危險區(qū)判定，并且取得了良好的效果。

1985年，馬秀芳、王碧泉、王春珍三人[35]針對北京及鄰近地區(qū)的地質(zhì)地貌等特征進行了模式識別，找到了該區(qū)域內(nèi)易引發(fā)地震的地點。同時，他們認為，在研究范圍內(nèi)，某地區(qū)活動斷層數(shù)目越多，將該地區(qū)判定為地震可能發(fā)生點的概率也就越大;地形對本區(qū)地震發(fā)生地點的貢獻很小。該結(jié)論與其他相關(guān)研究的結(jié)果有所不同。

1989年，張學敏和許世昌[36]兩人對遼東半島南部地區(qū)的地質(zhì)地貌特征進行了模式識別，認為該地區(qū)內(nèi)已發(fā)生地震的地點與主活動斷裂及新生代斷陷盆地有關(guān)，且活動斷裂的數(shù)量越多，發(fā)生中強震的概率也就越大。

1990年，李秉鋒等學者[37]利用模式識別方法對山東省及山東半島附近海域的地質(zhì)地貌等特征進行了識別判定。該研究認為，模式識別法較其他方法得到的潛在震源區(qū)的范圍較小，但更加精確。

1993年，蔣秀琴[38]等人利用Cora-3修改方法和Hamming方法對遼東及鄰近地區(qū)的地質(zhì)地貌進行了識別，兩種方法得到的結(jié)果基本一致，均認為活動斷層處易發(fā)生地震，歷史地震發(fā)生位置易發(fā)震以及重力異常帶易發(fā)生地震。該研究成果彌補了遼寧地區(qū)震源識別工作的不足，為遼寧及其鄰區(qū)確定潛在震源區(qū)提供了依據(jù)。

1993年，馬爾曼[39]利用ISODAT聚類方法對蘭州古浪地區(qū)進行了潛在震源的模式識別。根據(jù)對該地區(qū)地質(zhì)地貌深部構(gòu)造等的識別，給出了該地區(qū)的潛在震源區(qū)以及震級上限。同時，他認為，ISODAT聚類方法對潛在震源區(qū)的綜合判定具有一定的科學依據(jù)，因此得到的結(jié)果也更加合理。

3 結(jié)語

隨著概率地震風險分析的快速發(fā)展，其在地震風險評價、防災等方面得到了更廣泛的應用。分析方法的發(fā)展因各個學科之間的合作越來越緊密而越來越快速，精確度也越來越高。同時，分析方法中的每個環(huán)節(jié)也都有了不同程度的進展。雖然近年來人類對地震有了一定的了解，并在某些領(lǐng)域進行了深入研究，但不可否認的是，人類對地震的認識仍較為淺顯，地震危險性分析方法會在認識的不斷提升中愈加完善。今后，各學科的協(xié)同合作、進步會使危險性分析中各個環(huán)節(jié)的聯(lián)系更緊密、更廣泛，使地震危險性分析的結(jié)果更精確。

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