地震勘探中智能故障识别技术的研究进展 何仁、 程松、 纳丽、 王晓东、 王泽明、 刘彦海

《GeoHazards》：Research Progress on Intelligent Fault Recognition Technology in Seismic Exploration Ke Ren, Cheng Song, Na Li, Xiaodong Wang, Zeming Wang and Yanhai Liu

　　摘要：亚美尼亚位于阿拉伯-欧亚大陆碰撞带的中央部分，面临着显著的地震灾害风险。本研究基于一个综合的地震构造框架，结合了活跃断层数据、古地震学证据以及历史和仪器记录的地震活动，对亚美尼亚的地震灾害概率进行了更新评估。通过将基于断层的特征地震源与分布式的背景地震活动相结合，开发了一种混合地震源模型。利用OpenQuake引擎在逻辑树框架内进行了灾害计算，以考虑地震发生和地面运动预测中的认知不确定性。地面运动是通过一组加权的地面运动预测方程（GMPEs）来估算的。计算了多个重现期内的峰值地面加速度（PGA）危险性地图，重点关注475年重现期（50年内有10%的概率超过该值）。结果显示，亚美尼亚的PGA值范围大约在0.2克到0.5克之间，其中亚美尼亚西北部的Pambak–Sevan–Syunik断层系统的危险性最高。风险分解表明，亚美尼亚主要城市的地震灾害主要由距离市中心约30公里范围内、震级为Mw 6.8–7.4的浅层地震控制。这些结果为亚美尼亚的地震灾害评估、分区及风险减缓提供了科学依据。

1. 引言
亚美尼亚位于阿拉伯-欧亚大陆碰撞带的中央部分，这是阿尔卑斯-喜马拉雅带中最活跃的构造区域之一。该地区的当前构造格局形成于晚白垩世至早新生代期间，是由于大陆碎片逐渐积累到欧亚大陆南部边缘所致[1,2]。阿拉伯板块与欧亚板块的持续汇聚仍在小高加索地区引发活跃的地壳变形。目前的变形主要由走滑断层作用承担，局部还伴随着压扭和拉张作用。该地区的断层网络具有几种主导的构造趋势，包括NW-SE方向的自右旋走滑断层、NE-SW方向的自左旋走滑断层、E-W方向的逆断层以及N-S方向的正断层。这些断层系统的相互作用导致了显著的地震活动，使得亚美尼亚的整体地震灾害水平处于中等至较高水平[3,4]。1988年12月7日发生的Mw 6.9级斯皮塔克地震是亚美尼亚最近一次造成重大破坏的地震事件，造成了巨大的人员和经济损失。这场灾难暴露了以往地震灾害评估和建筑实践中的不足之处，凸显了改进地震灾害评估和风险减缓策略的必要性。在此事件之后，亚美尼亚开始了对活跃断层、古地震学及地震灾害的系统性研究。成立了亚美尼亚国家地震防护调查局（NSSP）来协调国家层面的地震风险减缓工作，并于1998年引入了基于峰值地面加速度（PGA）的概率地震分区地图[5]。亚美尼亚的研究人员还参与了多项国际地震灾害评估项目，如全球地震灾害评估计划（GSHAP）[6]和欧洲-地中海地震灾害模型（EMME14）[7]。最近，在2016至2018年间，亚美尼亚国家地震防护服务委托、世界银行支持的SHARA17项目中对亚美尼亚进行了全面的概率地震灾害评估[8]。该项目在逻辑树框架内整合了活跃断层数据、历史和仪器记录的地震活动以及现代地面运动模型。

在这些前期工作的基础上，本研究基于一个综合的地震构造框架，结合了活跃断层数据、历史和仪器记录的地震活动以及古地震学约束，对亚美尼亚的地震灾害概率进行了更新评估。由此产生的危险性地图提高了峰值地面加速度的空间分辨率，为亚美尼亚的地震灾害评估、分区及风险减缓提供了更坚实的科学基础。本研究代表了长期合作努力的成果，旨在改进亚美尼亚的地震灾害评估框架。它将地质、地震构造和地震学数据集成在一个统一的概率框架中，为该地区提供了更新的地震灾害模型。与之前的亚美尼亚地震灾害评估（包括SHARA17、GSHAP和EMME14）相比，本研究在方法论和数据驱动方面进行了实质性更新。特别是，本研究整合了更新和同化的地震目录，采用了改进的活跃断层和古地震学数据集，并实施了一种结合基于断层的特征事件与分布式背景地震活动的混合地震源模型。此外，使用全面的逻辑树框架能够明确处理地震源特征和地面运动预测中的认知不确定性。这些进步使得亚美尼亚的地震灾害模型更加稳健、分辨率更高且符合物理规律。尽管没有收集新的主要地质或古地震学数据，但本研究通过在一个统一的概率框架内整合和重新评估多个现有数据集，提供了一个更新的地震灾害模型。本研究的附加值在于对异构数据源的协调处理、根据已发表的研究修订断层源参数，以及在OpenQuake中实施透明的逻辑树结构。这些改进使得地震源及其相关不确定性的表示更加一致和区域适用。

近年来，全球范围内的概率地震灾害评估（PSHA）和地震灾害制图方法取得了显著进展。多项近期研究强调了多源数据集的整合、通过逻辑树框架改进认知不确定性的处理方法，以及在区域灾害评估中应用先进的地面运动模型[9,10,11]。特别是，最近的发展包括使用特定区域的GMPEs、结合基于断层的地震活动和分布式地震活动的混合地震源模型，以及提高地震灾害估计可靠性的高分辨率灾害制图方法[9,10,11,12]。这些方法论的进步为本研究提供了重要背景，本研究将这些集成方法应用于亚美尼亚地区。最近在地震脆弱性和基于性能的基础设施评估方面的进展突显了可靠地震灾害特征描述对于工程应用的重要性。特别是针对地下结构（如液化和非液化土中的盾构隧道）的研究表明，详细的灾害模型对于预测结构响应和估算地震需求至关重要[13,14]。在此基础上，本研究获得的概率地震灾害结果为亚美尼亚未来的地震脆弱性和风险评估提供了必要的基础，有助于发展更具韧性的基础设施和改善风险减缓策略。

2. 构造环境
亚美尼亚位于小高加索地区，属于阿拉伯-欧亚大陆碰撞带的中央部分。根据GPS测量数据，阿拉伯板块相对于欧亚板块的北向运动速率约为每年15–20毫米[3,15]。这种汇聚作用分布在一个广泛的变形区域内，包括土耳其东部、亚美尼亚、格鲁吉亚和伊朗西北部。阿拉伯-欧亚大陆碰撞的开始可以追溯到中新世，至今仍在持续的地壳缩短和增厚过程中[1]。亚美尼亚的变形主要由走滑断层、逆断层和正断层共同作用完成，反映了大陆碰撞带内的应变分配。该地区的断层网络具有几种主导的构造趋势：NW-SE方向的自右旋走滑断层系统（如Pambak–Sevan–Syunik断层系统，PSSF）、NE-SW方向的自左旋走滑断层、E-W方向的逆断层以及N-S方向的正断层。其中，Pambak–Sevan–Syunik断层系统（PSSF）是控制亚美尼亚地震活动的主要构造特征之一。地质和古地震学研究表明，主要断层段的滑动速率约为每年0.5至4毫米[4,16]。历史和古地震学证据表明，这些断层系统曾多次发生大型地震（震级≥7.0）。自公元1500年以来，至少有九次震级7级或以上的地震影响了亚美尼亚及其周边地区[4]。沿PSSF和Garni断层的古地震学钻探研究表明，史前地表破裂地震的震级估计在Mw 7.0–7.4之间[2]。亚美尼亚的地震活动主要是浅层地壳地震，震源深度通常小于25公里，这与上地壳的脆性变形一致。然而，也观察到中深度地震，这可能反映了更复杂的阿拉伯-欧亚大陆碰撞带内的岩石圈过程。总体而言，亚美尼亚的构造特征是分布式变形、活跃的走滑断层系统以及显著的应变积累，这些因素共同控制了该地区的地震灾害空间分布。

本研究使用的地震构造数据库是通过整合已发表的数据和原创分析编制的。断层几何形状和运动参数主要来源于已发表的地震构造和地质研究[2,16]，并结合了区域构造模型[3]，为亚美尼亚及其周边地区的活跃断层系统提供了可靠的约束。这些数据经过严格审查和协调，并纳入了一个统一的框架。此外，作者还进行了原创的处理和解释工作，包括集成异构数据集、开发一致的断层源模型，并实施了用于概率地震灾害评估的逻辑树结构。本研究没有进行新的野外地质调查或古地震学钻探，而是系统地整理和评估了已发表的古地震学和地质数据，并重新处理了地震目录，包括震级的同化、去聚类和完整性分析，以确保数据的一致性和适合用于灾害计算。这种综合方法允许构建一个全面且区域一致的地震灾害模型，结合了现有知识和新的方法论实践。

3. 数据与方法
3.1. 地震目录
为了提供一个统一的概率地震灾害评估数据库，研究人员整合了历史、仪器和现代数字地震记录，编制了全面的地震目录。历史部分包括了自公元100年左右以来记录的地震信息，这些信息来源于区域地震目录、历史编年史和档案资料。亚美尼亚的仪器观测始于1932年，当时该国安装了第一个地震站。这些早期的仪器记录显著提高了地震位置和震级估计的可靠性。现代数字时期反映了地震监测的重大改进，这得益于区域地震网络的发展和宽带地震仪器的部署。这些进展大大增强了地震检测能力、震级确定以及震中定位的准确性。因此，整合的地震目录结合了长期的历史信息与高质量现代地震观测数据，为地震活动和概率地震灾害建模提供了坚实的基础。

3.1.1. 古地震学和古地震学数据库
古地震学研究表明，在Pambak–Sevan–Syunik断层系统（PSSF）和Garni断层（GF）沿线发现多次震级在Mw 7.0–7.4之间的史前地震[2,17,18,19,20]。这些古地震的年龄和主要特征主要是通过从钻探中收集的有机材料的放射性碳（14C）测年来确定的。此外，通过分析钻探过程中发现的考古文物进一步确定了古地震事件的时间[2,18]。钻探段中观测到的垂直和斜向位移，结合Wells和Coppersmith提出的地表破裂参数与地震震级之间的经验关系，用于估算古地震的震级[21]。在某些情况下，还使用了Hanks和Kanamori提出的基于位移的方法估算震级[22]。古地震学研究揭示了早青铜时代至古代和乌拉尔提亚时期发生的许多未被识别的地震。这些研究主要由亚美尼亚国家科学院（NAS RA）的地质科学研究所和GEORISK科学研究公司进行，有时与国际研究团队合作完成。

3.1.2. 历史和仪器记录的地震活动
历史地震记录来自书面历史编年史、铭文资料和区域地震目录。这些历史记录首先按时间顺序分类，然后根据文献证据的可用性和可靠性进行细分。地震位置和震级是根据报告的破坏描述和观察到的宏观地震效应的空间分布来估算的。虽然仅基于历史记录的震级估计可能存在相当大的不确定性，但这些信息提供了有关该地区长期地震灾害和地震发生的宝贵见解[8]。历史资料表明，亚美尼亚在其有记录的历史中经历了多次破坏性地震[23,24,25,26,27]。包括耶尔兹恩卡（Yerznka）、德文（Dvin）和阿尼（Ani）在内的多个历史亚美尼亚城市多次遭到强烈地震的影响。现的首都埃里温在1679年的加尔尼地震中遭受了严重破坏，而该地区历史上最大规模的地震之一发生在公元1139年，估计震级约为7.5级，与潘巴克-塞万-苏尼克断层系统有关[28]。高加索地震目录中使用的强度估计通常基于MSK-64强度尺度，该尺度用于评估19世纪和20世纪典型住宅建筑的结构损坏情况。历史上的亚美尼亚文献经常描述教堂的破坏情况，这些教堂占记录在案的破坏报告的约80%。尽管保存下来的古代和中世纪防御结构的考古遗迹较少，但也有关于住宅建筑和防御工事受损的额外描述。在许多情况下，历史描述与实地调查的结合可以提供较为可靠的地震位置和强度估计。高加索地区历史地震的震级估计通常使用参考地震方法和宏观地震场方程来推导，其中利用有可靠仪器和宏观地震观测记录的地震来校准地震震级与强度分布之间的区域关系。

为了验证这种方法的可靠性，分析了1899年至1999年间记录的45次地震的数据，这些数据来源于《亚美尼亚地震活动图集》[29]。这些事件被用来评估震级-强度关系、衰减特性以及震级估计所需的统计参数。图1显示了亚美尼亚及其周边地区的历史地震活动的空间分布（仪器记录之前的时期），仅展示了来自历史和古地震学资料的主要地震。图中标出了活跃断层，并按震级对地震震中进行了分类。

3.1.3 仪器监测
亚美尼亚的地震仪器监测始于1932年，当时该国建立了第一个地震台站。仪器记录的地震目录可以分为两个主要阶段：早期仪器监测阶段（1932-1962年）和现代仪器监测阶段（1962-2020年）。现代阶段对应于区域地震台站扩展并整合到国际地震监测网络中的过程。在仪器监测期间，周边地区发生了多次强地震，表明了阿拉伯-欧亚碰撞带的高地震活动。这些地震包括1976年的恰尔德里兰地震（Mw 7.1）、1983年的纳尔曼-埃尔祖鲁姆地震（Mw 7.0）（位于土耳其东部）、1988年的斯皮塔克地震（Mw 7.1）（位于亚美尼亚）、1990年的鲁德巴尔地震（Mw 7.7）（位于伊朗）、1991年的拉查地震（Mw 7.1）（位于格鲁吉亚）、2003年的宾格尔地震（Mw 6.4）（位于土耳其东部）以及2011年的范地震（Mw 7.2）（同样位于土耳其）。

近年来，通过安装现代宽带和高灵敏度地震台站，亚美尼亚的地震监测网络得到了显著升级。因此，由于检测能力的提高和更准确的震中定位，仪器记录的地震活动提供了更加可靠的地震发生情况。Gardner和Knopoff（1974）[30]提出的去聚类算法被应用于地震危险性研究中，该算法使用标准的时间和距离窗口来识别相关事件并将其与背景地震活动区分开来。需要注意的是，去聚类结果可能受到窗口参数选择的影响，这可能会影响估计的背景地震率以及基于断层和分布源的相对贡献。然而，这种采用的方法与概率地震危险性评估的标准实践是一致的。尽管去聚类引入了一定的不确定性，但先前的研究表明，与其他认知不确定性来源相比，其对大规模地震危险性估计的影响通常是有限的。在本研究中，采用的方法为概率分析提供了可靠且广泛接受的独立地震活动表示。

本研究使用的仪器记录的地震目录包含了在亚美尼亚及其周边地区记录的835次地震事件，震级范围从Mw 2.99到Mw 7.14，因此包括了与区域地震危险性评估相关的中等和强地震。深度分布显示，地震活动主要发生在浅层：在报告有震级的834次事件中，有818次发生在25公里以下的深度，这证实了浅层地壳地震是研究区域地震危险性的主要贡献因素。使用最大曲率方法估计的完整性震级（Mc）为Mw 4.0。需要注意的是，Mc的估计值受到分箱选择和数据变异性的影响。然而，所采用的值与区域地震网络的检测能力以及之前关于高加索地区的研究结果一致。分析表明，在所考虑的时间段内，该目录对于震级≥4.0的地震是完整的。这一完整性阈值被用于地震参数的估计，确保了Gutenberg-Richter关系的可靠性。

以ML、Ms和mb报告的震级根据Scordilis [31]的经验关系转换为Mw。虽然这些全球关系在地震危险性研究中被广泛使用，但其应用可能会引入区域偏差。由于缺乏针对亚美尼亚的特定区域转换关系，这种方法是一种实用且普遍接受的解决方案，但在解释复发参数时应考虑相关的不确定性。尽管震级转换引入了额外的不确定性，但通过使用完整性震级阈值（Mc）以及在Gutenberg-Richter框架内对地震参数的统计处理，这种影响得到了部分缓解。这种方法与概率地震危险性评估的标准实践一致。在可能的情况下，进行了 consistency checks 以确保转换后的震级与区域地震特征兼容，不会在频率-震级分布中引入系统偏差。最终的去聚类目录主要由浅层地壳地震（深度<25公里）构成，这些地震是亚美尼亚地震危险性的主要贡献者。与图1所示的历史地震活动相比，图2显示了1932-2020年间的仪器记录的地震活动，其特点是较小震级的地震分布更加密集。

3.2 活动断层数据库
在阿拉伯-欧亚大陆碰撞带内，许多构造活跃的断层容纳了板块汇聚。亚美尼亚以及土耳其东部和伊朗西北部的周边地区包含多个主要的走滑断层和逆冲断层系统，这些断层系统的走向与阿拉伯板块的北向运动呈斜交。这些断层的长度在大约350到500公里之间，滑移速率在0.5到4毫米/年之间，已经产生了多次大地震[2,26,28,32,33,34,35]。本研究使用多种地质和地球物理信息来源开发了一个更新的活动断层数据库。图3显示了用于构建地震构造模型的活动断层系统的空间分布。所使用的断层数据库来源于亚美尼亚及其周边地区的已发表地质和地震构造研究。

3.2.1 活动断层数据库
为了构建地震构造模型，开发了一个更新的活动断层数据库。图中显示了用于构建模型的活动断层系统的空间分布。数据库中的断层来源于亚美尼亚及其周边地区的已发表地质和地震构造研究。PSSF：潘巴克-塞万-苏尼克断层系统；GF：加尔尼断层。数据库中的断层几何特征和运动参数（如走向、倾角、滑动方向和断层长度）主要来自先前发布的数据集和报告，并在必要时结合了区域构造解释进行了补充。模型中包含的断层选择基于它们在第四纪时期的活动记录及其对区域地震危险性的重要性。只有具有足够地质或地球物理约束的断层被纳入地震源模型。通过逻辑树框架考虑了断层参数的不确定性，包括断层几何形状和最大震级（Mmax），通过考虑不同的参数值和模型假设来处理这些不确定性。这种方法允许将认知不确定性纳入最终的危险性估计中。数据库整合了多种地质和地球物理信息来源，包括：野外地质调查、古地震学沟槽研究、遥感和地貌分析、先前发布的构造研究。

对于每个确定的断层，编制了以下参数：断层几何形状和分段、运动类型、总长度和段长度、滑移速率（如果有的话）、历史或古地震表面破裂的证据。每个断层源的最大地震震级（Mmax）是根据Wells和Coppersmith（1994）[21]提出的破裂长度与地震震级之间的经验缩放关系估计的。这些关系因在全球概率地震危险性研究中的广泛应用和验证而被选中，为在没有直接观测约束的情况下提供了从断层参数估计地震震级的统一框架。当古地震学证据表明更大的地震震级时，会优先采用这些值，因为直接地质观测被认为能提供更可靠的震级约束。需要注意的是，不同的经验关系[36,37]可能会根据区域构造条件和断层特性产生不同的Mmax估计值。而不是直接比较各个缩放关系，这种认知不确定性通过逻辑树框架中的不同Mmax值来体现。对于每个断层源，在逻辑树中考虑了多个Mmax值范围，并根据可用的地质和地震学约束的可靠性分配了相应的权重。当有滑移速率数据时，还利用这些数据来限制长期地震矩释放，并平衡基于断层的地震源和分布式地震源的相对贡献。

本研究实施的地震源模型采用了一种混合方法，结合了基于断层的地震源和分布式背景地震活动。断层源代表了与已绘制的活跃断层相关的大型特征地震，而背景地震活动则解释了较小震级的事件以及未明确与已知断层结构相关的地震活动。为了避免重复计算地震活动，分配给背景（面积）源的最大震级被限制在每个地震源区内已绘制断层源的特征震级以下。这一阈值是根据每个地震源区对应的最大震级来定义的，这样大地震事件仅归因于基于断层的源，而背景地震活动仅捕捉地震发生的分布式成分。通过可用的地质信息、滑移速率估计（如果有的话）以及观察到的地震活动模式，限制了基于断层的地震源和背景地震活动的相对贡献。

3.3 地震源模型
本研究开发的地震源模型结合了基于断层的地震源和分布式背景地震活动，以反映亚美尼亚区域内地震发生的空间变异性。考虑了两种主要类型的地震源：基于断层的特征源，代表在活动断层数据库中识别的主要活跃断层；这类源具有明确定义的构造特征，能够产生大地震，其参数包括断层几何形状、分段、滑移速率和最大预期震级；以及区域源Gutenberg-Richter（GR）地震活动，代表与绘制的断层不直接相关的分布式背景变形。这种结合基于断层的地震源和区域源的方法允许危险性分析同时考虑发生在主要断层上的大型特征地震以及分布在区域地壳中的更广泛的地震活动。对于每个地震源区，地震复发率使用Weichert [38]的最大似然方法根据去聚类地震目录估计的参数进行了建模。这种方法为概率地震危险性计算提供了统计上一致的地震发生率表示。### 浅层地壳地震活动
根据区域构造边界、地震活动的空间聚集性以及已绘制活断层的分布，共定义了26个浅层地壳地震源区（深度范围为0–25公里）。对于每个地震源区，使用Weichert [38]的最大似然方法估计了古登堡-里克特复发参数（a值和b值），该方法考虑了地震目录完整性的时间变化。每个区域源区的上限震级被限制在相同区域内已绘制断层源的特征震级以下。这一限制是为了防止重复计算大地震事件，这些事件在模型中是通过基于断层的特征源明确表示的。因此，区域源组件仅捕捉到分布性的背景地震活动，而大地震则完全与单个断层源相关联。每个区的震级-频率分布通过一个混合地震模型来表示，该模型包括：描述分布性背景地震活动的截断古登堡-里克特分布，以及分配给主要已绘制断层源的特征震级分布。这种结合方法允许在概率地震危险性框架内同时表示分布性的地壳变形和由断层控制的地震发生。

### 更深处的地震活动
发生在25公里以上深度的地震活动使用了一种平滑网格化的地震方法进行建模，该方法表示了深层地壳和上地幔层中的地震分布。对于这些更深处的地震源，地震发生率是根据去聚类的地震目录估计的，并在覆盖研究区域的规则网格上空间分布。这些源的震级-频率关系遵循古登堡-里克特复发模型，其参数使用区域地震数据进行了校准。这种表示方法考虑了与已绘制的浅层地壳断层没有直接关联的地震，并允许将更深处的地震事件纳入概率地震危险性模型中。

### 地面运动建模
地面运动采用逻辑树框架进行建模，以考虑地震源特征描述和地面运动预测中的认知不确定性。本研究采用的总体逻辑树结构如图4所示。该框架包含了与地震源特征描述和地面运动预测相关的认知不确定性。在地震源方面，逻辑树区分了区域（背景）地震活动和基于断层的源。对于区域源，考虑了去聚类方法的替代表示、空间分布模型和源几何参数。对于断层源，实施了不同的地震复发模型，包括特征模型、古登堡-里克特模型和混合模型。在地面运动方面，通过使用多个地面运动预测方程（GMPEs）来表示认知不确定性，这些方程根据其适用于活大陆构造环境的程度被赋予不同的权重。对于中等深度（板内）地震，使用了单独的GMPE。这些分支的结合允许认知不确定性通过危险性计算传播，从而得出来自完整逻辑树集合的平均危险性估计和相关百分位数范围。逻辑树框架包括代表不同假设的替代模型，这些假设涉及（i）地震源参数（例如最大震级、复发参数和断层分段）和（ii）地面运动预测方程（GMPEs）。对于浅层地壳地震，包括了四个GMPE，并根据它们适用于活大陆构造环境及其在先前区域研究中的表现赋予了相应的权重。在地震源特征描述方面，考虑了不同的参数集，以反映断层几何形状、最大震级（Mmax）和地震复发行为的不确定性。分配给每个分支的权重是基于专家判断和与先前区域地震危险性评估的一致性，确保了认知不确定性的平衡表示。

### 危险性计算
概率地震危险性计算使用由全球地震模型（GEM）基金会开发的OpenQuake引擎进行。选择OpenQuake引擎是因为它提供了：开源架构、实施复杂逻辑树框架的能力、对危险性分解分析的支持，以及在建模基于断层的和区域地震源方面的灵活性。地震危险性是针对多个重现期计算的，特别关注475年重现期，即50年内有10%的概率超过设计标准，这在地震建筑规范中是常用的。危险性计算假设参考场地条件为Vs30 = 500米/秒，这与亚美尼亚之前的地震分区研究一致。为了进一步评估场地条件对地面运动估计的影响，还进行了Vs30 = 800米/秒的额外计算。

### 结果
#### 概率地震危险性地图
针对多个重现期计算了概率地震危险性。本节主要分析475年重现期，即50年内有10%的概率超过设计标准，这在地震设计应用中是常用的。对于参考场地条件Vs30 = 500米/秒，亚美尼亚的峰值地面加速度（PGA）值在大约0.2 g到0.5 g之间（图5）。图5显示了亚美尼亚（用红色勾勒）及其周边地区的概率地震危险性地图，以475年重现期和Vs30 = 500米/秒的参考场地条件表示的峰值地面加速度（PGA）。结果显示了原始分析分辨率（10公里网格）（左侧面板）和经过空间平滑处理后的危险性地图（右侧面板），以便更好地可视化空间模式。等高线对应于用于地震分区的 PGA 阈值。地震危险性的空间分布清楚地显示了亚美尼亚的构造控制。最高的危险水平（0.4–0.5 g）集中在亚美尼亚西北部，特别是在Pambak–Sevan–Syunik断层系统（PSSF）的主要段附近。较高的危险水平（0.3–0.4 g）沿着PSSF和Garni断层走廊延伸，影响了Gyumri、Hrazdan和Abovyan等主要人口中心。首都埃里温的危险水平通常在0.2到0.3 g之间，在受Garni断层影响的地区局部接近0.3 g。相比之下，亚美尼亚西南部和西部某些地区的危险值较低。

当以Vs30 = 800米/秒进行危险性计算时，PGA值系统性地降低；然而，整体空间模式基本保持不变，这表明区域构造结构和地震源分布而不是局部场地条件主要控制了大尺度危险模式。

#### 选定主要城市的危险曲线
为亚美尼亚的几个主要城市生成了危险曲线，包括Abovyan、Gyumri、Hrazdan、Kapan、Vagharshapat、Vanadzor和Yerevan（图7）。图7显示了这些城市的地震危险曲线。曲线显示了峰值地面加速度（PGA）与年超越概率之间的关系。蓝色虚线代表从逻辑树集合中得出的平均危险曲线，而彩色虚线表示0.16、0.5和0.84分位数，反映了认知不确定性。粗虚线灰色水平线对应475年重现期。计算假设参考场地条件为Vs30 = 500米/秒。图7中的危险曲线是使用OpenQuake引擎在选定城市的位置提取特定场地危险结果后计算得出的。对于每个站点，基于完整的逻辑树集合的地震源模型和地面运动预测方程计算了年超越概率范围内的峰值地面加速度（PGA）值。结果表明的平均危险曲线以及百分位数分布（例如第16、50和84百分位数）反映了PSHA框架中包含的认知不确定性。来自逻辑树集合的平均危险曲线显示了选定城市之间地震危险的明显差异。Vanadzor因靠近Pambak–Sevan–Syunik断层系统的主要段而表现出最高的超越概率。Gyumri也表现出较高的危险水平，这与它位于亚美尼亚西北部的构造活跃区一致。Yerevan的危险水平适中但仍然显著，其地面运动超越概率受到附近活构造（特别是Garni断层）的影响。不确定性范围，由第16和84百分位数危险曲线表示，反映了与地震源特征描述和地面运动预测模型相关的认知不确定性。尽管如此，不确定性界限仍位于通常观察到的活大陆构造区域的范围内。

#### 危险性分解分析
为了更好地理解控制地震危险的地震情景，对选定的主要城市在475年重现期进行了危险性分解分析。分解分析是根据震级、源到场地距离和epsilon（M–R–ε）进行的，以识别对设计水平地面运动贡献最大的地震情景。结果表明，设计水平地震危险主要由以下因素控制：震级在Mw 6.8到7.4之间的地震、源到场地距离通常小于30公里，以及浅层地壳事件（深度< 25公里）。对于埃里温，主要危险贡献与Garni断层及其附近构造结构的潜在破裂有关。相比之下，Vanadzor和Gyumri的危险主要由Pambak–Sevan–Syunik断层系统（PSSF）的主要段发生的地震控制。这些结果表明，在亚美尼亚，发生在局部活断层上的近场地震而不是远处的大震级事件是设计水平地震危险的主要贡献者。

#### 与先前地震分区的比较
更新的地震危险模型与之前的国家地震危险性评估总体一致，同时提供了更高的空间分辨率和对高危险区域的更详细表示。结果表明，亚美尼亚的地震危险性受到区域构造结构的强烈控制，最高危险水平集中在亚美尼亚西北部。第5.2节提供了与区域和国际地震危险模型的详细比较。

#### 讨论
#### 地震危险的结构控制
本研究获得的地震危险性空间分布与亚美尼亚的活构造框架有很强的相关性。最高的峰值地面加速度（PGA）值集中在Pambak–Sevan–Syunik断层系统（PSSF）和Garni断层沿线，证实了主要走滑断层系统对区域地震危险的主导控制。高危险区域沿NNW–SSE方向的延伸紧密跟随这些断层系统的几何形状，反映了阿拉伯-欧亚碰撞带内的应变分配模式。这种结构控制表明，沿着主要走滑断层的长期应变积累是亚美尼亚地震灾害的主要驱动力。亚美尼亚西北部，尤其是在瓦纳佐尔附近，地震灾害水平的集中与古地震学证据显示的大规模地震和历史地震记录一致。这种一致性表明，所提出的灾害模型成功地捕捉了该地区的构造负荷模式，并提供了该国主要地震源的合理描述。

5.2. 与区域灾害模型的比较
本节详细比较了所获得的地震灾害结果与之前的国家和区域灾害模型。本研究开发的地震灾害模型与之前的区域评估结果大体一致，包括全球地震灾害评估计划（GSHAP）[6] 和欧洲-地中海地震灾害模型（EMME14）[7]。所获得的灾害水平也与2020年欧洲地震灾害模型（ESHM20）的结果大体一致，后者是最近针对欧洲进行的大规模地震灾害评估之一。尽管亚美尼亚位于ESHM20模型区域的东部边界，但我们的模型预测的区域灾害模式和峰值地面加速度（PGA）水平与欧模型得到的结果基本相当。此外，诸如SHARE（欧洲地震灾害协调）倡议等先前的大陆尺度项目也表明，高地震灾害水平与阿拉伯-欧亚碰撞带有关。这些比较进一步支持了本研究中获得的灾害估计的可靠性，因为估计的PGA水平也与该地区过去强地震的观测地面运动特征相符。同样，在为亚美尼亚及其周边地区开发的SHARA17概率地震灾害模型中也得到了类似的灾害水平，该模型估计在50年内有10%的概率超过的峰值地面加速度值在参考岩石条件（Vs30 = 800 m/s）下介于0.16 g至0.40 g之间。然而，当前模型引入了几项重要的方法改进：
- 更高的空间分辨率，这得益于对当地活跃断层系统的详细参数化。
- 基于更新的古地震学数据对最大地震震级（Mmax）的改进约束。
- 实施了混合地震活动模型，结合了与地图上的断层相关的特征地震源和分布式背景地震活动。
- 使用逻辑树框架，系统地在地震源特征描述和地面运动预测中纳入了认知不确定性。

虽然EMME14模型部分依赖于大区域范围的源表示，但本研究更加强调亚美尼亚特有的地质和构造信息。因此，主要活跃断层系统附近的灾害梯度更加清晰。尽管存在这些方法上的差异，但475年返回期内估计的峰值地面加速度（PGA）值与之前发布的区域灾害模型得到的结果大体一致。总体而言，比较确认了所提出模型与之前的区域评估结果一致，同时提供了改进的空间分辨率、精细的源特征描述以及亚美尼亚断层控制地震灾害的更明确表示。获得的PGA值与之前发布的区域灾害模型（如GSHAP、EMME14、ESHM20和SHARA17）的一致性进一步支持了结果的可靠性。这些比较不仅证明了整体灾害水平的一致性，还确认了本研究中识别的地震灾害的空间分布与之前区域和国际研究[9,12]中报告的模式一致。特别是，亚美尼亚西北部和主要走滑断层系统沿线的高灾害水平集中与构造相似地区的最新地震灾害评估结果一致。这种一致性为采用的方法论的可靠性提供了额外支持，并表明地质、地震构造和地震学数据集的整合产生了物理上一致且可靠的灾害估计。尽管最近的研究提出了不同的经验关系和地面运动模型，这些模型可能会根据其假设和区域校准得出不同的地震灾害估计，使用不同的震级缩放关系或地面运动预测方程可能会影响估计的灾害水平（特别是在绝对PGA值方面）。然而，先前的研究表明，尽管不同的模型选择可能会影响灾害估计的数值，但地震灾害的整体空间模式通常在地质和地震构造信息的约束下是稳健的。因此，包括高灾害区域的识别和亚美尼亚地震灾害的相对排名在内的主要结论预计在不同模型假设下将保持稳定。虽然没有进行正式的统计敏感性分析，但可以在采用的逻辑树框架内定性评估结果的稳健性。关键输入参数的变化，如地震源特征描述、震级缩放关系、地面运动预测方程和场地条件（例如Vs30），在逻辑树结构中得到了体现。因此，平均灾害值及其相关百分位数范围提供了对模型假设的敏感性隐含度量。对替代模型的系统评估是未来工作的一个重要方向，并将进一步提高该地区地震灾害评估的稳健性。

5.3. 主要地震情景
灾害分解结果表明，亚美尼亚主要城市的地震灾害主要由震级在Mw 6.8至7.4之间的浅层地壳地震控制，这些地震发生在距离场地大约30公里的范围内。这些发现有几个重要含义：
- 地方性的大规模地震是对主要城市区域的主要地震威胁。
- 远处的地震对设计级地震灾害的贡献相对较小。
- 断层分段和破裂特性在控制灾害估计中起着关键作用。
- 对于埃里温而言，加尔尼断层是主要的控制地震源。相比之下，瓦纳佐尔和久姆里的地震灾害主要受到Pambak–Sevan–Syunik断层系统（PSSF）主要段上的地震影响。这些观察结果与地震的历史分布和区域构造框架一致，强调了将详细的基于断层的信息纳入概率地震灾害评估的重要性。

5.4. 不确定性和模型稳健性
本研究采用的逻辑树框架允许将认知不确定性明确纳入地震灾害计算中。主要的不确定性来源包括：
- 地震源几何形状和断层分段，
- 震级-频率关系，
- 地面运动预测方程（GMPEs）的选择和权重。

由此产生的百分位数灾害估计之间的差异保持适度，表明不同模型假设下的地震灾害整体空间模式相对稳定。位于主要活跃断层系统附近的区域的不确定性最大，那里的破裂分段变化、滑动率估计和最大震级约束（Mmax）的变化可能会显著影响灾害估计。未来在古地震学研究、大地测量测量和地震监测网络方面的进展将有助于减少这些不确定性，并进一步精细化亚美尼亚的概率地震灾害评估。

5.5. 对地震分区和风险降低的影响
更新的灾害结果为亚美尼亚的地震分区提供了坚实的科学基础。亚美尼亚西北部识别出的峰值地面加速度（PGA）值达到0.4–0.5 g，支持在该地区采用加强的地震设计要求（图8）。图8显示了根据本研究的概率地震灾害评估结果得出的亚美尼亚共和国地震分区图。该分区基于475年返回期的PGA值，构成了亚美尼亚更新的国家地震建筑规范的基础。图8中的地震分区图直接来源于本研究获得的PSHA结果。具体来说，该图基于475年返回期的峰值地面加速度（PGA）值的空间分布，这些值用于根据国家地震设计要求定义离散的地震灾害区。根据概率灾害结果，亚美尼亚领土可以被划分为三个主要地震区（表1）。表1基于PGA值的地震分区。这些区域构成了国家地震建筑规范的基础，并为全国范围内的地震设计和风险缓解措施提供了指导。PSHA得到的PGA值与用于国家建筑规范的所提出的地震分区之间的吻合进一步支持了结果的实际适用性和一致性。总体而言，本研究的结果代表了对亚美尼亚更新的概率地震灾害模型的全面和综合努力。通过在统一的逻辑树框架内结合地质、地震构造和地震学数据集，这项工作为该地区的地震灾害评估提供了改进和内部一致的基础。与之前的研究相比，当前模型纳入了更新的数据集、精细的源特征描述和对认知不确定性的透明处理。这些进步有助于更可靠和稳健的地震灾害评估，这对于地震风险缓解、工程应用和亚美尼亚未来的地震分区至关重要。

6. 结论
本研究基于集成地震构造框架，结合了活跃断层数据、历史和仪器地震活动以及现代地面运动预测模型，为亚美尼亚共和国提供了更新的概率地震灾害评估（PSHA）。结果表明，亚美尼亚的地震灾害主要受主要走滑断层系统的控制，特别是Pambak–Sevan–Syunik断层系统和加尔尼断层。对于475年返回期，全国范围内的峰值地面加速度（PGA）值大约在0.2 g至0.5 g之间。最高的灾害水平集中在亚美尼亚西北部，尤其是在瓦纳佐尔附近，而包括埃里温在内的中部地区则表现出中等水平的灾害。尽管埃里温的灾害水平低于亚美尼亚西北部，但由于其庞大的人口、经济重要性和接近活跃断层系统，该城市仍然脆弱。灾害分解分析表明，亚美尼亚主要城市的地震灾害主要由震级在Mw 6.8至7.4之间的浅层地壳地震控制，这些地震的震源到场地的距离通常小于30公里。这些发现强调了当地活跃断层在控制设计级地面运动中的主导作用。与早期的国家和区域灾害评估相比，当前模型提供了改进的空间分辨率、更新的最大地震震级（Mmax）约束，以及通过使用逻辑树框架对认知不确定性的更明确处理。因此，最终的灾害地图为地震分区和亚美尼亚国家地震建筑规范的发展提供了科学上稳健的基础。鉴于阿拉伯板块和欧亚板块的持续 convergence以及相关的构造应变积累，预计该地区将持续存在显著的地震灾害。活跃断层特征的持续改进、地震监测和大地测量观测以及城市微分区研究将有助于进一步精细化亚美尼亚的未来地震灾害和风险评估。总体而言，这项研究代表了向亚美尼亚现代地震灾害框架发展的重大一步。多数据集和方法论的整合增强了结果的稳健性，并为未来国家地震灾害地图和建筑规范的更新奠定了基础。