日本“3.11”大地震十年 | 地震危险性分析进展几何

十年前的今天，日本发生了“3·11”大地震，当时各项研究都未能预判到会发生如此大尺度的断层破裂，使得此次地震造成的灾害远超预期，且影响至今。

在这十年间，日本东北近海的余震区共观测到近六万次地震，而今年2月13日福岛附近发生的里氏7.3级地震，也被认为可能是2011年的余震。

一次次地震灾害促使地震学家不断探索和进步，2020年，地震危险性分析研究领域也取得了一系列进展。本文从确定性-概率地震危险性分析、海域地震危险性分析等方向回顾了地震危险性分析领域的研究热点。

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地震危险性分析（seismic hazard assessment），即对一个地区在一定时间段内可能遭受的地震动的特征进行计算和分析，能够对一个地区可能遭受到地震动的强度、频次、频谱特征等做出分析结果，是实施地震灾害防御工作重要的科学依据，也是工程地震工作的重要组成部分。

确定性-概率地震危险性分析研究

地震危险性分析方法分为确定性（deterministic）方法和概率性（probabilistic）方法。

确定性方法基于2个基本假设来估计某一地区可能遭受的地震最高烈度，即相似构造条件的地震活动性的相似性和历史大地震的原地复发性。

概率地震危险性分析方法（probabilistic seismic hazard assessment，PSHA）采用某种地震动参数在一段时间内的超越概率作为评价地震危险性的指标。

近年来，将2种方法结合使用的确定性-概率地震危险性分析方法（deterministic-probabilistic seismic hazard assessment，DPSHA）逐渐成为研究热点。

该方法对大地震的地震动影响场进行数值模拟，结合大地震的发生概率，得到概率地震危险性图。

在确定性-概率地震危险性分析中，对震源破裂面和破裂过程的设定是影响计算结果的最重要环节，却也是最难准确设定的环节。

例如2011年的日本东北大地震（“3•11”大地震）发生于日本海沟的俯冲带级联破裂，断层破裂面的长和宽达到了惊人的500 km和200 km。

当时，各项研究都未能预判到如此大尺度的断层破裂能够真实地发生，导致该次地震造成的灾害远超人们的预期。

基于不同观测资料（a强震数据；b远震数据；c大地测量数据；d海啸数据）反演计算的日本“3•11”大地震震源破裂范围和滑移量（米）分布，可见各资料计算的断层破裂长度都在500km左右，最大滑移量超过了40米 来源：Yokota et al., 2011

一次次地震灾害也促使地震学家不断探索和进步。2020年，确定性-概率地震危险性分析方法研究取得了较多进展。

Irwandi等使用新的确定性地震危险性分析方法（neo-deterministic seismic hazard assessment，NDSHA）开展了印度尼西亚苏门答腊的地震危险性分析研究，认为NDSHA方法的分析结果具有合理性。

Ismail-Zadeh团队也指出，Oldham断层在PSHA方法中对地震危险性结果的贡献低于使用NDSHA方法的结果。

印尼苏门答腊分别使用NDSHA（a）和PSHA（b）方法分析的地震危险性结果

2020年，国内学者也开展了确定性-概率地震危险性分析研究。

高孟潭讨论了确定性-概率地震危险性分析方法如何考虑不确定性；潘华研究了基于性能的PSHA技术的理论基础和关键环节；张振国研究了基于物理过程的地震数值模拟的参数确定方法、模拟效果检验和比较研究的技术思路；刘爱文等介绍了国内外各类生命线工程抗震设防概率水准的研究动态；陈学良探讨了确定性地震动数值模拟的研究案例分析。

海域地震危险性分析研究

海域地震危险性分析面临俯冲带大尺度复杂发震构造、海水岛礁等特殊场地条件的地震动特性、考虑震源破裂尺度和震源深度的地震危险性算法等新的科学问题，以及地球物理、地震、地质等数据资料缺乏的客观困难。

全球已有一些地震危险性研究涉及了海域部分工作，但仍处于探索阶段。

美国全国地震危险性区划图中考虑了阿留申俯冲带对阿拉斯加地震危险性的影响；欧洲地震危险性统一项目研究海域俯冲带板间和板内2种类型的中深源潜在震源区模型，并应用于对希腊、意大利等地的岛弧俯冲带分析；日本公布了最新的全国地震动预测图，给出了日本未来30年的地震区划结果；Danciu等对中东地区进行了地震区划研究。

2020年，海域地震危险性研究继续取得进展。

国际上，Caklais等开展了美国加州中部沿海地区的地震危险性研究，减小了已有模型的不确定性并提高了结果的可靠性；Du等研究了新加坡及周边海域的地震危险性，给出了新加坡全国精细的50年超越概率10%峰值加速度（PGA）的地震危险性结果。

新加坡地震危险性研究中对苏门答腊俯冲带潜在震源区划分示意

国内学者也持续开展了海域地震危险性分析涉及的地震构造和潜在震源区划分、地震活动性确定、地震动传播规律和场地效应、工程设计地震动确定、地震危险性计算和区划图编制等研究工作。

如任治坤等建立了中国海域及邻区活动构造框架和地震构造模型；吕悦军等编制了中国海域及邻区统一地震目录，建立了中国近海大陆架和俯冲带地震活动性模型；李小军等建立了俯冲带板缘与板内地震动的预测模型；童华炜等进行了既有海洋工程抗震性能的评估地震动参数需求分析；温增平等建立了海域地震区划图编制的原则和方法。

这些研究形成了海域地震区划工作的初步技术规程，适用于中国海域及邻区的地震区划工作。

全球地震危险性区划研究进展

目前世界上大部分国家都将使用PSHA方法得到的全国性的地震危险性分析结果作为建筑抗震设防的依据。

该方法通常在研究区域划分潜在震源区，为各潜在震源区分配地震活动性参数，使用地震动预测方程计算潜在震源区对场点造成的地震动影响，再考虑适用场地的调整系数，得到地震危险性分析结果。

意大利全球地震模型（global earthquake model，GEM）基金会将世界各国的地震危险性研究整合，发布了《全球地震危险性图（2018版）》。

此后，世界各国及分区的详细地震危险性模型由GEM陆续发布，截至2020年底，已有5个跨国区域的地震危险性模型数据公开发布。

《全球地震危险性图》的中国部分由中国地震局地球物理研究所与GEM合作完成，在第五代《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）的基础上进行了改进。

2020年，GEM在国际工程地震学领域顶级学术期刊《Earthquake Spectra》上组织了相关专辑，收录了10篇全球各国地震危险性研究方向的学术论文。

该专辑为近年来全球地震危险性区划领域规模较大的期刊专辑，集中展示了世界各国地震危险性研究的最新成果。

其中，Allen等开展了澳大利亚全国的地震危险性分析研究，并定量分析了新版（2018）地震危险性图与前版的变化，对模型不确定性也进行了分析。

澳大利亚50年超越概率10%的PGA分布

中国新一代地震区划图中的

地震危险性分析新技术

地震区划即按照地震危险性的不同进行区域划分。

为了描述不同地区的地震危险性，最初是使用地震统计方法制作历史地震震中分布图。之后，地震震中分布的区域被按照一定规律划分为地震带，形成了地震带分布图。再往后，出现了以地震统计方法结合地震地质方法编制出的地震区划图。

中国全国范围的地震区划图始自20世纪50年代后期编制的《中国地震烈度区域划分图》。

2016年开始实施的第五代《中国地震动参数区划图（GB 18306—2015）》（简称《五代图》）中，通过系统研究全国不同地区中震（50年超越概率10%）与大震（50年超越概率2%）的比例及其与地震环境的关系，提出了地震区划中合理确定抗倒塌概率设计水准地震动参数的方法和技术途径。

《五代图》发布后，下一代地震区划图的预研究工作随即启动。国内学者对新一代区划图拟解决的新科学问题和拟实现的新技术突破开展了初步的预研究。

吴果开展了第六代区划图预研究资料收集工作，整理了UCERF3模型的震源参数确定方法，以及使用新的震源模型、地震活动性模型的地震危险性研究新进展。

吴清讨论了目前国内地震目录的完备性及地震资料的清理与续编，对全国地震目录进行了更新，编制了中国及周边地区的统一地震目录。

周庆讨论了新一代区划图地震活动性参数研究拟采取的技术方案和地震发生率空间分布函数的确定方法。

李昌珑讨论了基于断层震源模型的地震危险性计算方法，介绍了断层源离散化方法、地震破裂面的设定方法和断层距的读取方法。

沙海军开展了基于多模型的渤海地区地震危险性概率评估研究，使用基于多模型的地震危险性概率分析方法。

诱发地震危险性分析研究

诱发地震（induced earthquake）被认为是发震机制有别于天然构造地震的一类地震。

目前已知的能够诱发地震的原因主要有：水库的蓄水和排水、地下（核）爆炸、矿坑塌陷、油气开采等。

较为公认的原因是在地壳的许多部分（甚至在平常不地震的“稳定”地区），断层处在非常接近发震临界的准平衡状态，有时微小的扰动就能导致地震。

诱发地震的特征包括：震级较小、震中区集中于有应力干扰的地区、震源深度浅、震群活动比例高。

近年来，由于地震监测、震源精定位等技术的进步，水库诱发地震研究进一步发展。

2020年，阮杰和邱鹏开展了水库诱发地震危险性评价方法研究；王明振等开展了长江三峡工程库区地震活动性规律研究。

三峡库区历年最高水位及地震发生年频次

油气开采特别是页岩气诱发地震研究近年来成为研究热点。已有一些研究采用PSHA的技术体系研究页岩气诱发地震的地震危险性和地震风险。

国际上有一些研究将修正的大森定律和传染型余震序列（epidemic type aftershock sequence，ETAS）模型引入诱发地震危险性预测研究。

在国内，吕晓健介绍了四川兴文M5.7地震及其余震的时空分布、重定位结果；郭志等研究了四川长宁6.0级地震及几次强余震的精定位和震源机制。

结论

2020年，地震危险性分析研究在理论创新和应用推广方面都取得了较多的发展。

未来，提高模型的精准性、利用高新技术、增加多学科融合、提供更满足社会需求的产品和服务是地震危险性分析研究的可提高和改进的方向。

作者简介：李昌珑，中国地震局地球物理研究所，副研究员，研究方向为地震危险性和地震风险分析；温增平（通信作者），中国地震局地球物理研究所，研究员，研究方向为工程地震学、地震风险分析。

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