中国地震局科学技术委员会 中国科学院兰州文献情报中心
本期概要
1、借助UCERF3-ETAC模型对2019年加州里奇克雷斯特地震序列进行可操作性地震预报
2、海啸地震：巨型逆冲断裂前缘冲起构造的垂向弹起
3、多学科SINAPS研究项目的主要成果：迈向核设施地震安全的综合分析
借助UCERF3-ETAC模型对2019年加州里奇克雷斯特地震序列
进行可操作性地震预报
UCERF3-ETAS是第三次加州统一地震破裂预报（UCERF3）的拓展，是第一个全面的、基于断层的、传染型余震序列模型（ETAS）。它生成了一系列合成的余震序列，这些序列都基于或者脱离模拟的UCERF3断层，以回答里奇克雷斯特（Ridgecrest）序列中反复被问到的一个关键问题：刚刚发生的地震成为更大事件前震的几率有多大？2019年7月5日7.1级里奇克雷斯特地震发生近34小时后，美国南加州大学研究人员用观察到的余震、有限破裂估计值、序列特定参数和UCERF3-ETAS的替代变体更新了模型。虽然在地震发生时配置和运行UCERF3-ETAS并不是完全自动化的，但研究者在2018年通过GitHub存储库、命令行工具和灵活的配置文件改善了模型文档和易用性。随着地震序列的发展，这些努力使研究者能快速响应并有效地配置新的模拟分析。本文中，研究者讨论了里奇克雷斯特序列的经验教训，包括断层触发概率对约束较差的有限破裂估计和模型假设的敏感性，以及操作UCERF3-ETAS的启示。相关成果发表在2020年5月的Seismological Research Letters上。
传染型余震序列（Epidemic-Type Aftershock Sequence, ETAS）在模拟的UCERF3断层上和断层之间生成了一系列合成的余震序列，以分析刚刚发生的地震成为更大事件前震的几率。UCERF3-ETAS将这种直觉（大型余震更有可能出现在活动性断层附近）形式化，由此成为一个可操作的预报模型。2019年7月4日上午11点07分（6.4级塞尔斯谷地震后的33分钟）UCERF3-ETAS首次余震模拟在南加州大学高性能计算中心运行。上午11点39分，来自3500个初始模拟子集的第一批结果被发布到SCEC（南加州地震中心）的余震响应页面，在地震发生后的一个小时，结果就已经随着模拟定期更新。该模型预测，未来一周发生震级≥6.4的余震的可能性为2.8%。第二天，即2019年7月5日08:19，发生了7.1级地震。之后，研究人员对这次较大的地震进行了模拟。
在里奇克雷斯特序列之前，UCERF3-ETAS考虑的所有有限破裂面都是基于之前模拟的UCERF3断层，不具备进行配置以模拟任意定义下的有限面的能力。研究人员在2019年7月6日晚些时候实现了这一功能，并重新提交了基于已观测到地震活动对断层表面的模拟。在接下来的一周，他们更新了模型，以便直接从美国地质调查局的综合目录（ComCat）中获取地震数据，以及用于生成震动图（ShakeMap）的有限破裂面。同时，还改进了后处理过程，以返回多个时间帧（例如天、周、月和年）的概率，并添加了与ComCat实际余震目录的比较，该目录会定期自动更新。
研究人员还添加了另一个可能有用的百分比的可视化场景，用总的余震模拟数落在不同百分比标记中的数绘制了一个目录的子集。该视图允许用户快速地思考典型的、极端的和最坏的情况。
所模拟断层及其特征对M6.4余震分布的影响
UCERF3在明确定义的断层上和断层之间模拟地震。模型断层上长期的、与时间无关的、超孕震事件率由UCERF3“大反演”决定，其约束条件包括地质或大地震中估计的断层滑动率、古地震事件率和总的区域震级-频率分布（magnitude–frequency distribution, MFD）。在模拟断层上，大地震作为特征地震优先发生。所有模型断层的总MFD遵循一个特征分布，即与古登堡-里克特（GR）分布相比，有大量（M≥7）事件发生。因此，断层外MFD是“反特征”的，与GR分布相比，缺少大地震。
断层上和断层外的二分法影响了7月4日6.4级地震的UCERF3-ETAS结果，震源距离最近的UCERF3机场湖（Airport Lake）断裂为12.2km。震中到机场湖断层多边形的距离为2.7km，说明在UCERF3模型中，6.4级地震完全在断层以外区域成核。此外，在UCERF3模型中，附近的机场湖和小湖（Little Lake）断层都是反特征的。一周预测的震级-数量分布结果见图1a，给出了2.8%的M≥6.4的余震概率和0.29%的M≥7.1的事件概率。这些概率低于UCERF3-ETAS无断层变体（no-faults variant）预测的概率（分别为4.5%和0.90%），忽略了映射断层的存在并在各处强加了一个统一的GRMFD。UCERF3-ETAS和非断层UCERF3-ETAS模型对应的概率分别为0.4%和1.2%。
图1 UCERF3-ETAS预测的7月4日6.4级地震后一周的震级分布
图2 UCERF3-ETAS预测7.1级地震后30天内发生的M≥3.5余震的空间概率分布
M7.1余震概率的空间分布
图2映射了该地区发生7.1级地震后30天内发生一个或多个震级≥3.5的模拟概率。点源模型预测了一个圆形的余震分布，在震中的东北和西南的高概率区域没有观测到的余震。相比之下，有限破裂源模型预测的分布更为致密，随着距离断层面的距离迅速下降。点源空间概率分布预测第一周发生余震的概率最高，但仍比有限破裂面模型更广泛，后者更接近观察到的地震活动。
图3用于UCERF3-ETAS模拟输入的有限破裂面
对有限断层面的敏感性
通过观察到的余震序列，第一个可使用的有限破裂面被快速绘制出来。图3给出了7.1级地震发生后的30天内中央加洛克（CentralGarlock）断层和圣安德烈斯（南莫哈维）断层段发生M≥7地震的可能性分别为1.7%和0.21%。通过早期发布到SCEC余震响应协调页面的干涉合成孔径雷达数据观察潜在的表面破裂，研究人员修改了模拟破裂面的南端，让其更接近加洛克断层，使这些概率分别增加了一倍多，达到4.4%和0.43%。随后添加了一个新的UCERF3-ETAS配置功能来下载和使用ShakeMap中使用的有限断层源。用ShakeMap表面计算的中央加洛克断层和圣安德烈斯（南莫哈维）断层的触发概率分别为3.2%和0.32%，位于利用原始平面破裂面得到的概率之间。同时，还计算了第一个ShakeMap有限面v10的概率，一个由远震反演得到的平面震源，该源产生的最高概率分别为5.1%和0.45%。所有关于里奇克雷斯特计算的有限源概率都大于仅使用点源时的限源概率，这限定了中央加洛克断层和圣安德烈亚斯（南莫哈维）断层的触发概率，分别为0.65%和0.13%。
UCERF3-ETAS将每个破裂表面参数化为一个均匀离散的点表面，其中表面上的每个点触发后续事件的概率相等（除非适用于某些情况的非弹性回弹触发模型变体，但这并不适用于该事件）。随着表面大小的增加，无论是整体地理范围的增加还是复杂性的增加（例如曲线和平行线），该表面上的点的数量都会增加，这就降低了分配给每个点的触发概率。
对模型参数的敏感性
UCERF3-ETAS有许多模型参数，使用优先的ShakeMap（v14）有限面表示法来运行里奇克雷斯特序列的交替模拟，仅改变这些参数的默认值。ETAS模型中，t时刻由于在ti时刻发生的震级为Mi的地震所引起的瞬时余震率为直接的Omori参数a、p和c可以从历史地震目录或特定序列中估计出来。可通过手动调整ETAS最大似然参数来估计序列特定的时间参数。
此外，为了匹配里奇克雷斯特序列的复杂行为，研究人员估计了一个独特的因素（α值）用于7.1级主震的主要触发。估计的参数为：7.1级主震的触发（主要触发）为α=-2.3，序列中其他地震的触发（次级触发）为α=-3.03，p=1.15，c=0.002天。另外，UCERF3-ETAS假设α=1，且所有的模拟都是在最小强度为Mmin=2.5情况下运行的。主震高的发生率（productivity），加上余震低的发生率，导致了比使用预设参数预测的更早或者稍晚的余震。
尽管序列特异性参数回顾地提高了里奇克雷斯特地震中UCERF3-ETAS模型的表现，值得注意的是，除第一天外，余震的累计次数完全在默认模型95%的置信范围内。与一般参数相比，使用这些序列特定参数的次级触发中较低的α值产生了较低的上限值和第97.5的百分位，几乎立即拓展到图表上方。这是因为在最有效的序列中，上极值是由大余震的二次触发控制的（如图1c模拟中震级≥8的余震）。计算出的30天断层概率略高，在中央加洛克断层和圣安德烈亚斯断层（莫哈维南）分别为3.7%和0.35%。
来源：Milner K R, E H Field, W H Savran, M T Page.＆THJordan.OperationalEarthquakeForecastingduringthe2019Ridgecrest, California, Earthquake Sequence with the UCERF3 ETAS Model. Seismological Research Letters, 2020, 91, 1567–1578.
海啸地震：巨型逆冲断裂前缘冲起构造的垂向弹起
基于大地测量、地震和海啸数据而发表的2010年7.8级的明打威（Mentawai）海啸地震的滑动分布模型表明，大海啸波是由沿增生楔前缘狭窄的高海底隆起产生的，意味着垂向运动要大于沿巨型逆冲断裂低缓断层面的滑移。研究人员在此展示了2010年破裂带的高分辨率地震反射剖面，该影像反映了增生楔形前缘最新的变形。剖面显示出共轭的、陡倾的活动逆冲断层，这些断层从巨型逆冲断裂分支并向上延伸，并且限定了一个三角形的冲起构造。地震学测定的倾角为6°的拆离断层的同震滑动（≥10m）可能导致这些约3km宽的平顶冲起构造发生了相同数量的向上弹起。在围限冲起构造的60°倾角的逆冲断裂上的同震滑移会使海底和上覆水体的隆起最大化，这提供了额外的局部海啸源。海啸模拟表明，这种综合变形，即巨型逆冲断裂滑移引起的大规模海底位移，以及6~9km宽的冲起构造上局部8~10m的海底隆升，能够再现由DART（海啸深海评估和报告）浮标测量的2010年海啸振幅，以及在明打威群岛观测到的海啸上升高度。在模拟实验中观察到的这种简单机制，可以有效地生成表征海啸地震的超大波浪。沿着增生楔形前缘对冲起构造系统的填图可能有助于识别易于产生大型海啸地震的海沟部位。相关研究成果于2020年5月发表在EarthandPlanetaryScienceLetters。
沿着俯冲带，大地震和小得多的“海啸”地震都可能产生破坏性的海啸。而后者构成一类特殊的罕见地震，它们以低的破裂速度和应力降破裂了俯冲界面的浅部，并具有触发明显大于其震级的海啸的明确特征。有人提出，它们是从巨型逆冲断裂“条件稳定”区域中的破裂开始的。
对于常规的巨型逆冲断裂地震或海啸地震，由于低角度逆冲断裂上盘
滑动区域的弹性变形而引起的海底位移的垂直分量被认为是海啸产生的
基本机理。然而，这种机制可能不足以解释海啸的大小，特别是在Mw<8的海啸地震中。其他的海啸源机制包括：①增生楔内陡倾、展开断层上的滑动；②与倾斜海底的水平同震位移相关的隆起；③沿增生楔形前缘的沉积物的向海推挤；④重力势能的释放；⑤滑移增加；⑥震动触发的海底滑坡。要全面了解引发异常海啸的原因，就需要了解原位的同震海底构造和地貌变化。
图1 苏门答腊俯冲带明打威段最近所发生地震的震源
研究人员对2010年明打威海啸7.8级地震所推断破裂区域进行了高分辨率地震反射剖面研究，以此来探索海啸地震的海啸源的潜力。沿增生前缘采集的高质量地震反射剖面的详细解释表明，冲起构造弹起机制可能是最主要的原因。随后，研究人员又利用沙箱模拟以及海啸数值模拟进行了验证。
图2 2010年明打威海啸地震浅部滑移带增生楔前缘的地形
Mw7.8的明打威地震是典型的海啸地震，沿着帕盖岛（Pagai）南北向发生，破裂了俯冲界面的浅部界面。浪高逾6m，局部超过16m，向岛内泛滥超300m。最大的同震水平和垂直位移分别为22±0.5cm、4±1cm。假设巨型逆冲断裂是倾角为7°的层状刚性构造，则最大的滑移和海底隆升分别为86cm、15cm。因此，不足以产生所观测到的海啸的浪高。另一种具有12±0.5m前滑，并且变形集中在浅部，这表明最大的滑移量和海底隆升分别为9.7m和1.9m，但仍然不满足测量到的海啸浪高数据。Hill等（2012）
提出沉积层非弹性褶皱模型，然而这一模型也无法解释DART数据。
图3 跨越增生楔前缘的高精度地震反射剖面
FK05剖面图显示了楔形尖端的两个冲起构造。P1和P2分别由一对倾角为45~60°的逆冲断层界定。这些陡峭的共轭逆冲断裂向下合并，并发源于洋壳顶部的主拆离断裂。在剖面FK08上，在增生楔的前部还观察到两条逆冲背斜P2b和P3b。他们的前逆冲断裂（T2bf，T3df）的主要倾角为30~45°，而次逆冲断裂（T2bb，T3db）具有更分散和更小的局部位移，倾角更陡（60~70°）。虽然它也具有断弯褶皱的特点，仍将其定义为冲起构造。
P1两侧断层上的累积滑移是不对称的，这反映在海底和浊积层的整体向南倾斜上。向海倾斜的逆冲断裂T1b（≈80m）是向陆地倾斜的逆冲断裂T1f（≈20m）滑移量的四倍。滑移在P2的两侧也是不对称的，但~在北倾T2f（≈80m）上大于T2b（≈20m）。假设在冲起构造内部以及拆离断层和逆冲断层之间的变形很小，则两个拆离断层上的滑移量约为80m。这将与剖面FK05上P1和P2顶部海底的累积隆起约60m相一致。该剖面的地震分辨率足以估计最年轻的同震海底隆起（约6~8m）——位于T1上端最前缘、最小冲起构造周围的对称陡坡。研究人员解释称，这样的隆起与分别与40°N和60°S倾斜的新兴逆冲断裂上的8~11m的表面滑移相一致，这可能是由最后一次地震（可能在2010年）或最多是最近两次地震事件造成的。
图4 海啸模拟结果
沿着剖面FK05向内陆深处，清晰地显示出几个较大的冲起构造。冲起构造P3是复合断裂构造，它的下部楔形显然起源于拆离断层D3。冲起构造的上部已被逆序逆冲断裂T3a的断坡切割。相应的P3c（P3a）的一半被截断了约240m的向海位移。这个复合的冲起构造总共隆升了约350m。再往内陆，冲起构造P4似乎是由起源于D0上的向内陆倾斜的、共轭的逆冲断裂断坡（T4）造成的。P4的两个高角度、向海倾斜的逆冲断裂的累积深滑移量似乎可以平衡T4上的总偏移量（900m）。但需要注意，在两个较陡的北向逆冲断裂中，较浅的总滑动仅为460m。在冲起构造的顶部，较浅部分已被明显侵蚀，尤其是在其南侧，这与在测深法中观察到的较陡的表面坡度一致。从不间断的、不整合的表层沉积物中截断了浊积层和逆冲断裂T4的尖端，也很明显地看到了侵蚀的迹象。这些表层沉积物未被T4横切，表明该结构可能不再活跃。尽管有侵蚀性退化，研究人员还是根据T4的偏移量估算出P4的累积隆升约为650m。
因此，在2010年明打威海啸地震的破裂区域，汇聚是沿着局部构造进行的。沿拆离断层的滑移将转移到围限冲起构造或断弯褶皱的双向逆冲断层上。前冲断层和后冲断层都通过滑动/弯曲来调节汇聚，因此使两者之间的海底隆起变得平坦，如果时间足够长，可以扩展到2-3km的宽度。在已解释地震剖面上进行的测量表明，冲起构造的长期隆升量约为逆冲断裂累积滑移量的70~85％。对于断层弯曲背斜，该比率稍小（约50％）。但是，这些构造所产生的隆起量要远远大于仅在倾斜6~8º的水平滑移面上单独产生的隆起量。这种拆离断层底部的滑移被迫转移至冲起构造的向上弹起，可能会促进海底的大幅隆起。
在地震剖面上观察到的倾角为45~60°的逆冲断层，冲起构造垂向隆起将是水平滑移量的45~81%。例如，上覆板块发生水平位移10m，则倾角为6°的拆离断层滑移10.06m，被以60°倾斜的逆冲断层围限的冲起构造隆起8.14m。总体上，未变形海沟的海底上方的冲起构造将共计隆起约9.19m，这一数值非常接近上覆板块10m的滑动水平。
在任何情况下，无论哪种模型更合适，增生前缘地震剖面（FK05、FK08）都支持这样的推论：海底和上覆水体的突然垂直隆起与几个近平行的冲起构造的向上弹起有关，而这是引发大海啸的一个特别有效的机制。
海啸模拟表明，相对较窄的前缘源带，其长度在40~60km之间，宽度在3~9km之间，隆起值大于8m，可以产生与记录信号相当的海啸波形。海啸波高模拟与野外调查测量的比较表明，模型成功生成了由2010年事件产生的海啸类型。数值模拟和地震剖面则表明，冲起构造在异常大的海啸的形成中具有重要作用。
来源：Hananto N D, Leclerc F, Li L, Etchebes M. & Wei S. Tsunam Earthquakes: Vertical Pop-Up Expulsion at the Forefront of Subduction Megathrust. Earth and Planetary Science Letters, 2020,538,116197.
多学科SINAPS研究项目的主要成果：迈向核设施地震安全的综合分析
本研究概述了SINAPS法国研究项目及其主要成就。SINAPS的具体名称是“地震和核设施：安全的改善与维持”（Earthquake and Nuclear Facility: Improving and Sustaining Safety），其已经将广泛的研究界聚集在一起，并提出了针对核设施的创新性地震安全分析。这个为期五年的项目是在2011年东日本大地震之后由法国政府资助的，此次地震引发的海啸还造成了福岛第一核电站的重大事故。这场灾难发生后不久，国际核安全界质疑当前在设计和定期审查阶段用于定义和考虑核设施地震荷载的方法。在此背景下，全球核权威人士要求核执照持有人进行“压力测试”，以评估其现有设施承受极端地震运动的能力。本研究展示了法国的核监管框架，以强调其中的关键问题和科学挑战。对法国当前做法的分析以及对更好地评估核设施抗震裕量的需求有助于形成SINAPS的科学路线图。SINAPS旨在对数据库的完整性和空缺进行连续性分析（涉及所有数据类型，包括地质、地震、现场特征、材料等），并对用来描述物理现象的模型（例如地震运动的预测、场地效应、土壤和结构相互作用、线性和非线性波传播、用于结构分析的非线性域中的材料本构关系）的可靠性和缺陷进行分析，同时，亦对地震安全评估方法论的相关性和缺点进行探讨。对方法（确定性或概率性）和国际先进水平下可用数据进行的这种批判性分析系统地解决了不确定性问题。研究者介绍了SINAPS在地震综合分析的每个步骤中取得的关键结果，尤其是不确定性识别、量化和传播。重点介绍了从SINAPS获得的经验教训。SINAPS倡导一种创新的集成方法，该方法与法国核安全局（ASN）最近发布的22号准则（准则ASN＃222017）相一致，并为法国改善当前的实践开辟了新前景。相关成果发表在2020年5月的Pure and
Applied Geophysics上。
图4 海啸模拟结果
沿着剖面FK05向内陆深处，清晰地显示出几个较大的冲起构造。冲起构造P3是复合断裂构造，它的下部楔形显然起源于拆离断层D3。冲起构造的上部已被逆序逆冲断裂T3a的断坡切割。相应的P3c（P3a）的一半被截断了约240m的向海位移。这个复合的冲起构造总共隆升了约350m。再往内陆，冲起构造P4似乎是由起源于D0上的向内陆倾斜的、共轭的逆冲断裂断坡（T4）造成的。P4的两个高角度、向海倾斜的逆冲断裂的累积深滑移量似乎可以平衡T4上的总偏移量（900m）。但需要注意，在两个较陡的北向逆冲断裂中，较浅的总滑动仅为460m。在冲起构造的顶部，较浅部分已被明显侵蚀，尤其是在其南侧，这与在测深法中观察到的较陡的表面坡度一致。从不间断的、不整合的表层沉积物中截断了浊积层和逆冲断裂T4的尖端，也很明显地看到了侵蚀的迹象。这些表层沉积物未被T4横切，表明该结构可能不再活跃。尽管有侵蚀性退化，研究人员还是根据T4的偏移量估算出P4的累积隆升约为650m。
因此，在2010年明打威海啸地震的破裂区域，汇聚是沿着局部构造进行的。沿拆离断层的滑移将转移到围限冲起构造或断弯褶皱的双向逆冲断层上。前冲断层和后冲断层都通过滑动/弯曲来调节汇聚，因此使两者之间的海底隆起变得平坦，如果时间足够长，可以扩展到2-3km的宽度。在已解释地震剖面上进行的测量表明，冲起构造的长期隆升量约为逆冲断裂累积滑移量的70~85％。对于断层弯曲背斜，该比率稍小（约50％）。但是，这些构造所产生的隆起量要远远大于仅在倾斜6~8º的水平滑移面上单独产生的隆起量。这种拆离断层底部的滑移被迫转移至冲起构造的向上弹起，可能会促进海底的大幅隆起。
在地震剖面上观察到的倾角为45~60°的逆冲断层，冲起构造垂向隆起将是水平滑移量的45~81%。例如，上覆板块发生水平位移10m，则倾角为6°的拆离断层滑移10.06m，被以60°倾斜的逆冲断层围限的冲起构造隆起8.14m。总体上，未变形海沟的海底上方的冲起构造将共计隆起约9.19m，这一数值非常接近上覆板块10m的滑动水平。
在任何情况下，无论哪种模型更合适，增生前缘地震剖面（FK05、FK08）都支持这样的推论：海底和上覆水体的突然垂直隆起与几个近平行的冲起构造的向上弹起有关，而这是引发大海啸的一个特别有效的机制。
海啸模拟表明，相对较窄的前缘源带，其长度在40~60km之间，宽度在3~9km之间，隆起值大于8m，可以产生与记录信号相当的海啸波形。海啸波高模拟与野外调查测量的比较表明，模型成功生成了由2010年事件产生的海啸类型。数值模拟和地震剖面则表明，冲起构造在异常大的海啸的形成中具有重要作用。
来源：Hananto N D, Leclerc F, Li L, Etchebes M. & Wei S. Tsunam Earthquakes: Vertical Pop-Up Expulsion at the Forefront of Subduction Megathrust. Earth and Planetary Science Letters, 2020,538,116197.
多学科SINAPS研究项目的主要成果：迈向核设施地震安全的综合分析
本研究概述了SINAPS法国研究项目及其主要成就。SINAPS的具体名称是“地震和核设施：安全的改善与维持”（Earthquake and Nuclear Facility: Improving and Sustaining Safety），其已经将广泛的研究界聚集在一起，并提出了针对核设施的创新性地震安全分析。这个为期五年的项目是在2011年东日本大地震之后由法国政府资助的，此次地震引发的海啸还造成了福岛第一核电站的重大事故。这场灾难发生后不久，国际核安全界质疑当前在设计和定期审查阶段用于定义和考虑核设施地震荷载的方法。在此背景下，全球核权威人士要求核执照持有人进行“压力测试”，以评估其现有设施承受极端地震运动的能力。本研究展示了法国的核监管框架，以强调其中的关键问题和科学挑战。对法国当前做法的分析以及对更好地评估核设施抗震裕量的需求有助于形成SINAPS的科学路线图。SINAPS旨在对数据库的完整性和空缺进行连续性分析（涉及所有数据类型，包括地质、地震、现场特征、材料等），并对用来描述物理现象的模型（例如地震运动的预测、场地效应、土壤和结构相互作用、线性和非线性波传播、用于结构分析的非线性域中的材料本构关系）的可靠性和缺陷进行分析，同时，亦对地震安全评估方法论的相关性和缺点进行探讨。对方法（确定性或概率性）和国际先进水平下可用数据进行的这种批判性分析系统地解决了不确定性问题。研究者介绍了SINAPS在地震综合分析的每个步骤中取得的关键结果，尤其是不确定性识别、量化和传播。重点介绍了从SINAPS获得的经验教训。SINAPS倡导一种创新的集成方法，该方法与法国核安全局（ASN）最近发布的22号准则（准则ASN＃222017）相一致，并为法国改善当前的实践开辟了新前景。相关成果发表在2020年5月的Pure and Applied Geophysics上。
图1 以地震风险评估链的步骤为基础的SINAPS项目的组织（摘自Berge-Thierry等，2017）
本研究的相关背景：
（1）福岛事后，补充性安全研究。继2011年3月日本太平洋海岸发生9级大地震之后，海啸导致许多人丧生且损失巨大，还导致福岛核电站发生了严重的核事故。核事故引发了全世界核当局的迅速反应，敦促所有核电厂经营者对其现有结构进行地震风险和安全分析。在法国，作为补充安全研究的初始阶段（2011—2012年），于2011年进行了现场分析和验证。
（2）SINAPS项目的实施。SINAPS的主要目标是：对各个参数进行分级，并在每个步骤评估不确定性的影响；提出一种创新的方法对地震波传播进行建模；改进抗震裕量评估方法；提出有关研究与开发行动和数据获取及工程实践方面的建议。
（3）法国核设施的地震风险监管框架。在法国，核安全由ASN在一系列具有不同法律地位的文件的框架内进行处理。主要框架如图2所示。
图2 法国有关核安全的文件说明
（4）法国关于核安全的地震风险管理（从20世纪60年代至今）。图3以时间顺序总结了适用于法国的管理所有基础核设施（不包括深层存储）地震风险的参考文件，这些文件在1960—2006年（设计原则的最新修订日期）适用。
（5）法国核地震背景与SINAPS研究之间的联系。作为第一优先事项，可靠的置信度和重现期与地震灾害后果的联系被明确肯定，因为不可能避免任何概率评估。对于相同的地震水平，有必要理解特定核设施相对于另一核设施的总体风险，和/或对两个核设施之间的各种危险进行分级。其次，提倡采用一种综合方法来计算地震波场，从其在断层上的成核，通过复杂的地质介质传播，再到结构基础，最后传播至敏感设备。
（6）确定SINAPS的特征和研究方向。由于法国的具体情况，确实有必要改善概率性实践以满足新的安全要求。SINAPS促进了工具的开发，使之有可能朝着概率地震分析的方向发展，相关分析结果与代表不确定性传播的置信度相关。
图3 法国有关地震风险的参考文件的出版和更新历史
本研究首先从SINAPS的主要贡献和经验总结的角度介绍了地震危险性评估的主要科学进展，然后介绍非线性场地效应与土壤结构相互作用，分析其主要组成部分和土壤-结构物耦合，并对强地面运动的非线性土壤模型和站点及数据采集进行验证，并给出一些研究实例。之后，分析了结构与设备的抗震性能，介绍了相关的科学挑战和研究成果。然后，讨论了地震风险评估。最后，以实验方式研究了阻尼与建筑-建筑间的相互作用。
在过去的5年中，SINAPS在整个核设施地震安全分析领域开展了许多研究活动。SINAPS研究最初主要针对：①法国自20世纪70年代以来的监管实践，其以确定性安全方法（以设计为目的而编写）为基础；②因为缺乏任何批准的专门文件（描述针对现有设施的可接受的做法），法国核设施安全审查的长期经验需要被重新审视；③日本发生的核电站事故带来巨大科学挑战，以及工程实践中不可避免的问题，特别是核设施抗震裕量的评估。
SINAPS的主要成就和建议：
（1）SINAPS通过改进不确定性的传播方法并提高其表现，有助于更好地确定传递给建筑物的地震动中出现不确定性的关键因素。
（2）SINAPS提出了“控制点”的新定义，用于评估参考基岩（露头或深部基岩）的地震危险性。
（3）SINAPS允许将结构模型从非常简单的模型改进为复杂模型。
（4）SINAPS研究发现结构非线性计算的相关性，这有利于利用能量耗散和内部作用力的重新分配进行安全裕度的分析。
（5）SINAPS调查了与特定地点地震灾害相兼容的时间序列的敏感步骤和关键步骤。
（6）无论地震风险分析中的研究主题如何，SINAPS都显示并强调了投资临时和永久性仪器网络的必要性，无论其是记录地震（从非常弱的运动到非常强烈的运动）或噪声，还是表征静态、动态、线性和非线性的土壤和结构行为。
（7）法国核参与方现在应考虑SINAPS的数据、经验教训和建议，以提出最好的参考资料——适用于设计新装置或现有核设施评估。
整体而言，本研究清楚地表明，SINAPS已经能够通过概率地震分析提出一种创新方法。SINAPS的研究表明，有必要明确跟踪地震分析每个步骤中的不确定性，但也强调，需要避免对其进行任何重复计算。为实现此目标，该项目强烈建议对参考基岩的地震危险性进行最终评估，并使用兼容的相关假设和方法进行特定地点的地震响应评估，同时对物理现象进行准确建模。通过介绍和分析法国在核领域的背景和实践，SINAPS显示了当前确定性方法的不兼容性，该方法无法对任何抗震裕量进行量化。然后，通过在不同主题领域中进行的研究、开发的工具和推广的方法，SINAPS确实增强了为从业人员提供抗震裕量评估的能力。最后，SINAPS伙伴关系已经能够提出建议，至少是可以改善法国目前在核领域的地震分析，并且确定了进一步的研究需求。
来源:Berge-Thierry C, Voldoire F, Ragueneau F, et al. Main Achievements of the Multidisciplinary SINAPS@ Research Project: Towards an Integrated ApproachtoPerformSeismicSafetyAnalysisofNuclearFacilities.PureandAppliedGeophysics,2020,177(5):2299–2351.
