用統(tǒng)計方法研究泰國—老撾—緬甸交界地區(qū)的地震活動

S.Pailoplee P.Channarong V.Chutakositkanon

引言

印度―歐亞板塊碰撞還引起了高水平的地震活動，不僅沿蘇門答臘―安達(dá)曼俯沖帶，還有內(nèi)陸孕震斷層主導(dǎo)地區(qū)廣泛分布的板內(nèi)地震活動（Pailoplee et al，2009；圖1a）。因此，連續(xù)發(fā)生了大量災(zāi)害性地震，包括最近的2011年3月24日發(fā)生的MW7.0地震（圖1b）。

然而，由于地震構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜性和沿泰國北部山間盆地分布的隱伏斷層（Udchachon et al，2005），所記錄地震的位置常常不符合確定的斷層線。這在泰國—老撾—緬甸交界的本文研究地區(qū)尤其如此，該地區(qū)包括主要城市和沿湄公河的水電站水壩（Mekong River Commission，2010；圖1b）。此外，由于這個偏遠(yuǎn)邊疆地區(qū)山脈陡峭、樹木叢生，難以開展地震現(xiàn)場調(diào)查來查明地震震源的具體位置。

因此，為了查明地震活動，本研究的重點放在使用區(qū)域范圍所記錄地震的統(tǒng)計調(diào)查的替代方法。主要目的是：（i）評估地震活動，例如地震的可能最大震級和復(fù)發(fā)周期；（ii）確定泰國—老撾—緬甸交界地區(qū)未來發(fā)生地震的潛在震源位置。

1 數(shù)據(jù)及完整性

圖1 （a）東南亞大陸地圖，顯示Pailoplee等（2009）編制的蘇門答臘—安達(dá)曼俯沖帶（粗灰線）和孕震斷層（細(xì)黑線）。研究區(qū)聚焦在方框圍住的泰國—老撾—緬甸交界地區(qū)。（b）研究區(qū)圖，顯示完整性質(zhì)量改善后的地震記錄（黑色小圓圈）和4個災(zāi)害性地震的位置（黑五角星）。三角形代表該地區(qū)湄公河主河道上計劃修建的7座水壩；黑色正方形代表大城市。灰色多邊形代表正文提到的山間盆地的邊界

本研究使用的原始資料是由地震學(xué)聯(lián)合研究協(xié)會（IRIS）、美國國家地震信息中心（NEIC）和泰國氣象局（TMD）編輯的地震目錄。為了統(tǒng)一各種震級，按照Pailoplee等（2009）提出的經(jīng)驗關(guān)系將所有其他不同的次要報告震級（MW、MS和ML）都轉(zhuǎn)換成mb（主要報告震級）。然后對地震去叢集（Gardner and Knopoff，1974）以選擇直接代表地震構(gòu)造活動的主震。根據(jù)Habermann（1983，1987）的GENAS算法說明mb≥2.8地震的發(fā)生率常數(shù)。從而，將mb＜2.8的地震記錄排除在外，以避免在震級報告中出現(xiàn)輪換（例如，Wyss，1991）和延伸（如，Zú?iga and Wiemer，1999）。

基于地震相對于時間的累積數(shù)，如圖2a所示，1984～2010年期間記錄的地震數(shù)據(jù)被認(rèn)為是最有效的。1984年后較高的檢測率被認(rèn)為是地震臺網(wǎng)改善的結(jié)果（Zú?iga and Wiemer，1999）。因此，將1984～2010年期間mb≥2.8主震的綜合地震目錄確定為完整的地震目錄，并用于本文地震活動的定性分析。它包含920個這樣的主震。

2 地震活動

主要根據(jù)地震的頻度—震級分布（FMD）（Ishimoto and Iida 1939；Gutenberg and Richter 1944），將地震年平均數(shù)（N）與大于等于M的震級之間的經(jīng)驗關(guān)系表示為方程（1）：

方程（1）中，a和b都是正實常數(shù)。a值意味里克特震級0級以上地震的年發(fā)生數(shù)或整個地震活動發(fā)生率，而b值代表發(fā)生的小地震與大地震數(shù)目的比例。同時，方程（2a）和（2b）中的參數(shù)α和β分別與a和b相關(guān)：

和

為了研究地震活動，我們初步檢查了整個選定地震數(shù)據(jù)（即1984～2010年期間記錄的mb≥2.8地震）的頻度—震級地震分布，并估計了代表整個報告震級水平的完整性震級（Mc）。圖2b說明了頻度—震級分布圖，從中估算出a值和b值分別為5.1和1.0。使用整個震級范圍方法（Woessner and Wiemer，2005），估計的Mc值大約是4.4mb。

為了評估地震活動的空間分布，按0.1°×0.1°間距來網(wǎng)格化研究區(qū)。經(jīng)過多次迭代測試，從選定目錄（上述920個主震事件）中將距單個網(wǎng)格節(jié)點在固定100km半徑范圍內(nèi)的所有地震事件都挑選出來。然后使用ZMAP程序（Wiemer，2001）計算包括其他統(tǒng)計顯著值的a值和b值并在空間上成像（圖3）。圖4繪出了幾個特定地區(qū)的頻度—震級地震分布圖。然而，對于巴萊水壩、北春水壩和薩拉康水壩地區(qū)，由于地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計不足，我們沒能繪制出頻度—震級地震分布圖。例如在圖4中，孟板和北賓水壩a的估計值分別是4.9和2.0。這意味著孟板地區(qū)的整個地震活動發(fā)生率高于北賓水壩周邊地區(qū)。此外，從頻度—震級地震分布圖獲得的不同Mc值（即2.8～4.2）表明現(xiàn)有地震記錄臺網(wǎng)監(jiān)測能力存在差異。

根據(jù)圖3a和圖3b可知，a值和b值的空間變化幾乎重合，并顯示出兩個明顯低a值和低b值的區(qū)：（i）緬甸孟板的東部和南部，（ii）老撾的北賓水壩和瑯勃拉邦水壩。從地震構(gòu)造上來看，較低的a、b值分別代表整體地震活動水平低和小地震與大地震的數(shù)目比例低。頻度—震級地震分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差和吻合度（圖3c和d）揭示出獲得的a值和b值很可能具有可靠的低水平變化。

圖2 （a）1964～2012年期間報告的不同地震活動發(fā)生率的mb≥2.8地震累積數(shù)（灰線）。實心圓代表mb≥5.0的地震。（b）1984～2010年期間記錄的mb≥2.8地震數(shù)據(jù)頻度—震級分布圖。三角形代表各震級地震的數(shù)量；方塊代表大于等于各震級的地震累積數(shù)。實線是根據(jù)Woessner和Wiemer（2005）方法得到的最佳擬合線。Mc定義為完整性震級

圖3 參數(shù)空間分布圖（原圖為彩色圖——譯注）：（a）a值，（b）b值，（c）每個獲得的b值的標(biāo)準(zhǔn)差，（d）頻度—震級地震分布的優(yōu)度擬合。圓圈說明距4個特定地區(qū)（即圖4中所解釋的頻度—震級地震分布圖a～d）100km的半徑范圍

2.1 可能的最大震級

根據(jù)Yadav等（2011），可以使用來自頻度—震級地震分布的α值和β值來計算代表地震活動的各種不同值。例如，可以使用方程（3）所示的ut來估計t年內(nèi)的可能最大震級：

因此，根據(jù)方程（2a）和（2b）中提到的關(guān)系，將獲得的單個節(jié)點的a值和b值（圖3）系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換成它們相應(yīng)的α值和β值。然后計算并成像出1年、5年、10年和50年內(nèi)的可能最大震級（圖5）。

圖4 位于圖3中提到的4個說明地區(qū)100km半徑內(nèi)地震活動數(shù)據(jù)的頻度—震級地震分布圖

結(jié)果表明，與其他地方相比，孟板東北部、北賓水壩和瑯勃拉邦水壩地區(qū)能夠發(fā)生更大震級的地震，年潛在地震震級約為mb4.0～5.0，50年內(nèi)潛在地震震級高達(dá)mb7.0（圖5）。

2.2 地震的復(fù)發(fā)周期

單個震級M以年為單位的地震復(fù)發(fā)周期（TM），為大于等于M 的地震累積數(shù)的相反值，本研究中根據(jù)地震活動性參數(shù)α和β用方程（4）（Yadav et al，2011）來估算：

結(jié)果表明，研究區(qū)的北部（包括孟板水壩、北賓水壩和瑯勃拉邦水壩）在短期內(nèi)有潛在地震危險。例如，mb為4、5、6和7的地震復(fù)發(fā)周期分別為1年、5年、50年和500年（圖6）。相比之下，對于清邁東部，mb為4～7的地震平均發(fā)生時間間隔約為5～5 000年（圖6）。

3 預(yù)期的震源

關(guān)于地震預(yù)測，Scholz（1968）和 Wyss（1973）提出震源區(qū)的應(yīng)力積累量與b值之間的反相關(guān)性對地震預(yù)報有效。許多研究已表明低b值區(qū)與后續(xù)發(fā)生的地震之間存在良好的相關(guān)性（例如，Schorlemmer et al，2003；Nuannin et al，2005；Chan et al，2012）。然而，為了確定未來地震的位置，使用不同于前面第2節(jié)介紹的方法來對b值的特征作不同的評價。

在此，為了定位未來地震，根據(jù)Nuannin等（2005）提出的假設(shè)分析了由方程（1）導(dǎo)出的b值。在每個0.1°×0.1°網(wǎng)格節(jié)點內(nèi)，選擇離網(wǎng)格節(jié)點最近的50個地震事件來評估當(dāng)?shù)氐腷值。

圖5 今后（a）1年、（b）5年、（c）10年和（d）50年各時間段內(nèi)可能產(chǎn)生的最大地震震級（原圖為彩色圖——譯注）

圖6 mb 為（a）4、（b）5、（c）6和（d）7的地震復(fù)發(fā)周期（原圖為彩色圖——譯注）

為了檢驗所應(yīng)用的假設(shè)，使用不同記錄時段（1984～1995，1984～2000和1984～2005年）的三個子數(shù)據(jù)集來分別探討b值和隨后地震事件的空間分布。發(fā)現(xiàn)在單一區(qū)域內(nèi)顯示低b值的地區(qū)與后續(xù)發(fā)生mb≥5.0地震的地區(qū)之間有良好的一致性，這支持了Nuannin等（2005）提出的根據(jù)這些推導(dǎo)出的b值（圖7a～c）確定預(yù)期未來地震震源位置的假設(shè)是有效的。因此，對現(xiàn)有的1984～2010年期間的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析來確定目前當(dāng)?shù)氐腷值，然后對它們進(jìn)行空間成像（圖7d）。

根據(jù)當(dāng)前的b值分布，發(fā)現(xiàn)較低的b值地區(qū)位于：（i）緬甸東部的孟板北部；（ii）老撾的北賓水壩和瑯勃拉邦水壩（b≈0.5～0.6）。發(fā)生于2011年3月24日的最近mb7.0地震也位于一個低b值區(qū)內(nèi)（圖7d）。因此，這兩個低b值區(qū)是未來地震可能位置的強有力的遴選地區(qū)，尤其是有計劃修建一些湄公河巨型水壩方案的北賓—瑯勃拉邦地區(qū)。

4 討論和結(jié)論

本研究統(tǒng)計研究了當(dāng)前泰國—老撾—緬甸交界地區(qū)的板內(nèi)地震活動。在定性改進(jìn)地震目錄后，根據(jù)頻度—震級地震分布分析并成像了a值和b值的空間變化。然后，主要根據(jù)獲得的a值和b值估算了研究區(qū)內(nèi)代表潛在地震危險情況的地震參數(shù)。

對于給定時段內(nèi)最可能的最大地震震級，結(jié)果表明，孟板北部和北賓水壩、瑯勃拉邦水壩地區(qū)具有年發(fā)生一次mb為4.0～5.0地震的可能，而50年時段內(nèi)有發(fā)生mb7.0地震的可能。此外，mb為4、5、6和7的地震預(yù)期發(fā)生的時間間隔分別為1年、5年、50年和500年。

對于未來地震的預(yù)測，根據(jù)Nuannin等（2005）提出的假設(shè)研究了b值的空間分布。從三個子數(shù)據(jù)集計算得到的較低b值地區(qū)支持低b值與該地區(qū)隨后地震發(fā)生之間的空間關(guān)系。因此，從當(dāng)前數(shù)據(jù)集獲得的結(jié)果應(yīng)該是合理可靠的，并說明預(yù)期未來地震的震源在：（i）緬甸孟板北部；（ii）老撾北部的北賓水壩和瑯勃拉邦水壩。

圖7 用地震活動性數(shù)據(jù)得到的b值空間分布。所用數(shù)據(jù)的記錄時段為：（a）1984～1995年，（b）1984～2000年，（c）1984～2005年，（d）1984～2010年。紅色五角星（原圖為彩色圖——譯注）表示使用了地震活動性數(shù)據(jù)之后產(chǎn)生的mb≥5.0的地震

雖然此項研究是喚起這個邊遠(yuǎn)地區(qū)地震活動公眾意識的重要一步，但由地震特性的非線性關(guān)系產(chǎn)生一些誤差（Youngs and Coppersmith，1985）也是可能的。此外，根據(jù)Wells和Coppersmith（1994），可能的最大震級直接取決于斷裂的尺度，如破裂長度、面積或位移。因此，從線性外推得出的結(jié)果有可能高估可能后續(xù)地震震級的極限。因此，對于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的抗震設(shè)計，本研究得出的結(jié)果應(yīng)謹(jǐn)慎解釋，或通過其他方法來確證。為此，要進(jìn)一步改進(jìn)精度，就必須進(jìn)行更多的古地震研究。