基于断层位移的概率地震危险性分析方法

摘要：简要回顾了尤卡山高放废物地质处置库选址评价过程中的地震危险性分析工作，重点介绍了地震地表永久位移概率分析方法。2014年8月加州Napa地震引起的灾害结果表明，规模较小的走滑型活动断层可以引起显著的地表永久位移。引入Napa地震地表永久位移数据，回归了新的断层永久位移经验公式。基于新的经验公式，以West Napa断层所在区域为例，采用概率方法，初步评价了该区域的地震地表永久位移危险性。通过分析评价结果，讨论了断层空间分布特征在评价永久位移危险性工作中的重要性，说明了地下设施考虑走滑型活动断层引发永久位移的必要性。

关键词：高放废物地质处置；断层位移地震危险性分析；

Probabilistic Fault Displacement Seismic Hazard Analysis

Abstract: Focusing on the probabilistic fault displacement seismic hazard analysis method (PFDSHA), seismic hazard analysis principle and method in site suitable assessment process of Yucca Mountain Project were briefly reviewed. The California Napa earthquake (2014/08, Mw6.0) caused severe damages because of surface displacement, questioned the experience equation applied in nuclear utility. The displacement data of Napa earthquake was added in data base, and a new scaling relationship between displacement and magnitude and distance was aggregated. Basing on the new relationship, the displacement hazard of West Napa fault per probabilistic method was preliminary estimated. The importance of characteristic of fault space distribution in probabilistic fault displacement seismic hazard analysis was discussed after analyzed the estimated results. Then the necessary of evaluating displacement hazard by active strike-slip fault for underground engineering was demonstrated per discussion of analyzing the estimated results.

Key words: HLW repository; PFDSHA;

引言

Youngs et al. (2000) 在分析评价尤卡山高放废物地质处置库场址地震危险性过程中，提出了基于断层永久位移的概率地震危险性分析 (PFDSHA)方法，并根据美国盆岭省内的历史地震数据，拟合了断层破裂至地表和永久位移的分布函数[1]。Stepp et al. (2001) 采用基于断层永久位移的概率地震危险性分析方法，评价了尤卡山场址预选区内9个不同场点处断层永久位移的超越概率 [2] 。一般工程都在选址阶段采取避让的方式来解决断层地表永久位移问题，对于穿越地震活动性较强区域或发震断层的油气管线、公路、隧道、桥梁，则无法采取避让方式，确定工程抗震设计输入时，需要评价永久位移的危险性。Alexander et al. (2011) 根据萨哈林岛和日本的地震数据，评价了油气管线永久位移设计值的超越概率 [3] 。赵纪生等(2008)采用我国地震动参数区划图的潜在震源区参数，给出了西气东输2线管道跨越断层永久位移的概率估计[4]。Petersen et al. (2011) 提出了考虑断层迹线不确定性的概率评价方法，在系统总结走滑断层的地表永久位移特征的基础上，提出了适用于估计走滑断层地表永久位移的经验公式，将方法和公式应用于评价断层永久位移危险性 [5] 。2014年加州Napa地震(Mw6.0)产生了较大的地表永久位移，主干断裂上的最大位移为45cm，并在较大范围内的次级断裂上也发现了永久位移[6]。本文采用加入Napa地震数据修正后的地表永久位移经验公式，估计了West Napa断层地表永久位移的危险性，可为我国走滑型活动断层区域的地震危险性分析工作提供参考。

1 PFDSHA方法概述

尤卡山项目采用概率地震危险性分析(PSHA)方法,给出了场点不同超越概率水平的地震动参数[2]。PFDSHA与PSHA的基本原理是相同的，主要差异为PFDSHA中需要将地震动衰减关系替换为永久位移衰减关系，公式如下：

其中，为工程场地永久位移不小于给定值的概率；为距工程场地，发生震级为的地震的概率。为距工程场地，发生震级为的地震前提下，工程场地永久位移不小于给定值的条件概率，即永久位移的衰减关系。这个条件概率分为两部分，第一部分是地震发生条件下断层破裂面延伸至地表或近地表的概率，第二部分是断层破裂面延伸至地表或近地表条件下，永久位移不小于给定值的概率。

2 断层地表永久位移衰减关系

按照地表永久位移发生的位置，可以将永久位移分为主干位移和分布式位移。主干位移位于主干断层地表迹线附近，分布式位移距主干断层较远或发生在次级断层附近。Youngs et al. (2000) 在尤卡山项目的地震危险性分析工作中，分别评价了两种永久位移，并提出了相应的经验公式。Petersen et al. (2011) 针对走滑型活动断层，提出了可以统一计算这两种位移的经验公式。本文采用的永久位移衰减关系，在Petersen et al. (2011)工作的基础上，加入了2014年8月Napa地震(Mw6.0)的永久位移数据，通过回归分析，重新拟合了经验公式。经验公式的形式如下：

其中，为断层地表永久位移，为震级，为场点到破裂面地表投影的最小距离；为回归系数，为对数标准差，为表征位移的自然对数离散情况的随机变量，服从标准正态分布，相应的系数值见表1。

表1 地表永久位移经验公式回归系数(走滑型)

3 算例

2014年8月加州Napa地震(Mw6.0)的震中位于West Napa断裂Browns Valley段的南端，断层位置如图1所示。断层所在区域属于加州滨海地带，以北西向的峡谷和低山丘陵地貌为主。West Napa断裂为北北西走向的右旋走滑断裂，位于80km宽的北美板块和太平洋板块的边界断裂带内。在Napa地震发生之前，根据USGS的调查研究结果，除Napa County Airport段为全新世活动断裂以外，其余部分均为更新世活动断裂(距今13万年到1.5万年之间有过活动)。

以截断的G-R关系表征West Napa断裂的地震活动性，参数值见表2。其中, M0为起算震级，为起算震级以上地震的年平均发生率，为G-R关系中表征震级分布的系数。

表2 West Napa断裂的地震活动性参数

图1 West Napa断层示意图

根据West Napa断层的地震活动性参数和地表永久位移衰减关系，计算了不同超越概率条件下，断层附近地表永久位移的分布，如同2所示。图2中的横坐标为经度,纵坐标为纬度，图中位移的单位为厘米。

图2中按照从上至下，从左至右的顺序，每个子图中位移的年平均超越概率分别为0.02 0.0021，0.000404，0.0001，图中同时给出了断层的地表迹线作为参照物。从图2可知，随着超越概率的降低，地表永久位移的绝对值逐渐增高；从地表永久位移相对大小的分布来看，随着超越概率的降低，相对较大的永久位移逐渐集中于断层迹线附近。值得注意的是，由于计算中采用了双侧破裂模型，并且限制破裂面地表投影只能分布在地表迹线的范围内，断层两端的永久位移值相对较小。

图2 不同超越概率条件下断层引起的地表永久位移

4 讨论

从算例的初步分析结果来看，断层中部和转折部位的位移危险性较大；同时，随着超越概率的减小，较大位移更集中的分布于断层迹线附近。因此，准确的描述断层迹线和空间分布，对于恰当评价位移危险性非常重要。

2014年8月Napa地震断层迹线上永久位移的最大值约为45厘米，选择断层迹线中间段的坐标，在图3中绘制了这些位置永久位移和年平均超越概率的相互关系。图3中的横坐标为永久位移的大小，单位为厘米，纵坐标为永久位移的年平均超越概率。由图3可知，断层迹线中部不同位置处，永久位移和年平均超越概率在双对数坐标系内，近似为线性关系。

各场点位置不同，相同永久位移的超越概率之间存在差异，位移危险性曲线近似平行，

对应于45厘米的永久位移，超越概率的均值近似为0.0004，即50年超越概率约为2%，相当于我国抗震设计规范中“大震”的超越概率。因此，即使是面对规模相对较小的走滑型活动断层，无法避让采取避让方式，同时对位移比较敏感的地下设施，仍需要考虑其引发的永久位移危险性。

图3 断层迹线中部场点的永久位移危险性曲线

5 结论

2014年8月Napa地震表明，规模较小的走滑型活动断层，可以引发明显的地表永久位移。采用加入Napa地震地表永久位移数据回归后的经验公式，初步评价了West Napa断层的永久位移危险性。通过分析地表永久位移的分布和超越概率，对于无法采取避让措施，同时对位移影响比较敏感的地下设施，得出如下结论:

(1)     对于规模较小的走滑型活动断层，需要评价其可能在场点位置引起的永久位移

(2)     断层地表迹线及其空间分布特征，是评价位移概率危险性的输入条件，同时对评价结果影响显著，是分析工程地表永久位移危险性工作的重要部分。

参考文献

[1] Youngs, R.R., et al., A Methodology for Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis (PFDHA). Earthquake Spectra, 2000. 19(1): 191-219.

[2] Stepp, J.C., et al., Probabilistic Seismic Hazard Analyses for Ground Motions and Fault Displacement at Yucca Mountain, Nevada. Earthquake Spectra, 2001. 17(1): 113-151.

[3] Alexander, S., I. Alexey, and K. Andrey, Assessment of the design displacement values at seismic fault crossings and of their excess probability. Journal of Mountain Science, 2011. 8(2): p. 228-233.

[4] 赵纪生, 刘艳琼, 师黎静,等. 基于第四代地震区划的跨越发震断层永久位移概率分析方法. 地震工程与工程振动, 2008. 28(4): 22-27.

[5] Petersen, M.D., et al., Fault Displacement Hazard for Strike-Slip Faults. Bulletin of the Seismological Society of America, 2011. 101(2): 805-825.

[6] Delong, S.B., et al., Rates and patterns of surface deformation from laser scanning following the South Napa earthquake, California. Geosphere, 2015.