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A Log-Gaussian Cox process framework for zone-free probabilistic seismic hazard assessment in Sumatra

本文提出了一种针对苏门答腊岛的无区域概率地震危险性评估框架，该框架将逻辑高斯考克斯过程（Log-Gaussian Cox process）与构造协变量及 ETAS 余震模型相结合，证明了通过消除人为设定的源区边界，该方法所产生的设防加速度显著高于现行的印度尼西亚规范。

原作者： Irwan Endrayanto Aluicius, Nanang Susyanto, Wiwit Suryanto, Dwi Ertiningsih, Fajar Adi-Kusumo

发布于 2026-09-03

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CC BY 4.0

原作者： Irwan Endrayanto Aluicius, Nanang Susyanto, Wiwit Suryanto, Dwi Ertiningsih, Fajar Adi-Kusumo

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

地震是地球上最具破坏性的力量之一，几十年来，工程师们一直依赖一种特定的方法来设计能够抵御地震的建筑。这种被称为概率地震危险性分析的方法，试图预测在特定地点长期内地面震动的强度。传统上，科学家们通过将一个区域划分为大型的固定区域（就像在地图上画方框）来处理这个问题。在每个方框内，他们假设地震风险在任何地方都是相同的，并且地震的发生是随机且相互独立的。然而，在巨大的构造板块相互碰撞和摩擦的地方，这些假设往往会失效。地下积聚的压力并不会在绘制的方框边缘戛然而止；它会在景观中平滑地流动。此外，当一场巨大的地震发生时，它并非孤立发生；它会引发一长串不同于简单随机模式的小规模余震集群。

在一项针对印度尼西亚苏门答腊岛的新研究中，研究人员提出了一种超越这些僵化方框的方法。他们不再强行将地震风险限制在预定义的区域内，而是使用了一个灵活的数学框架，让风险图谱从大地的物理现实中自然浮现。通过分析数十年的地震记录，并结合测量构造板块相互锁定的紧密程度，该团队创建了一张连续、流动的地震危险图。这种方法揭示了风险在某些区域比以往认为的更加集中，特别是在那些长期处于平静状态但实际上正在积聚巨大能量的区域。研究结果表明，目前的建筑规范可能显著低估了可能发生的地面震动，尤其是在那些地面锁定最紧密、正等待破裂的区域。

研究人员将这种新方法应用于苏门答腊岛，这是一座坐落在地球上最活跃、最危险的板块边界之一的长条形狭窄岛屿。在这里，巨大的印度-澳大利亚板块俯冲到巽他板块之下，创造了一个压力剧增的地带。团队从一份记录了1998年至2024年间超过5,000次地震的目录开始。为了理解真实的背景风险，他们首先必须将主震与随之而来的余震区分开来，就像区分主事件与其回声一样。一旦分离出主震，他们就开始寻找控制这些地震发生的物理因素。他们发现了两个关键驱动因素：距离大苏门答腊断层（一条贯穿该岛的主要裂缝）的距离，以及“间歇性耦合”（inter-seismic coupling），即两个构造板块在边界处相互锁定的紧密程度。

利用这些物理测量数据，该团队构建了一个将地震风险视为平滑、无形表面的模型，而非一系列独立的区域。在该模型中，当板块锁定最紧密且距离断层最近时，风险最高。这种方法使他们能够看到传统方法所忽略的模式。例如，该模型清晰地识别了门塔威群岛（Mentawai Islands）附近海域的一个“地震缺口”。该区域在两个多世纪以来一直没有发生大规模破裂，但那里的板块锁定得非常紧密，以至于模型预测未来发生巨型地震的风险极高。由于该模型不依赖过去的地震位置来定义区域，因此只要物理条件（如板块的紧密锁定）符合要求，它就能预测长期处于平静状态的区域存在高风险。

当研究人员使用这种新的连续风险图来计算一个475年重现期（建筑设计的标准基准）的预期地面加速度时，他们发现的结果与当前的国家建筑规范有着惊人的差异。在直接位于锁定状态的门丹威缺口上方的巴东市（Padang），新模型预测的地面加速度几乎是当前规范要求的近三倍。在其他城市如班达阿契（Banda Aceh），差异虽然较小，但仍然显著。研究人员将这一差距归因于他们建模时的两个具体选择：他们考虑了可能的最大地震震级范围而没有截断最大的震级，并且包含了地面震动行为的完整统计变异性，这往往会产生比平均估计值更高的峰值。

研究还测试了这种新地图是否可以预测未来的地震。他们利用1998年至2015年的数据训练模型，然后要求它预测2016年至2024年的地震模式。模型成功预测了地震发生的总体位置，证实了他们使用的物理因素（板块锁定和断层距离）是预测地面可能发生震动的可靠指南。然而，该模型预测的地震总数高于实际发生的数量。研究人员解释说，这是因为训练期包含了紧随2004年那场大规模地震之后一段异常活跃的时间，这暂时抬高了背景发生率。随着该地区恢复到正常节奏，预测的发生率预计会下降，但风险最高的空间模式保持稳定。

这些发现对于我们如何看待地震易发地区的安全性具有深远意义。传统的绘图法可能会在处于高风险区边缘的区域制造虚假的安全感，或者忽视那些物理上已准备好发生破裂的平静区域。通过使用一个随地球物理特性流动的框架，研究人员表明，苏门答腊的风险并非均匀分布，也非静止不变。最大的危险在于门丹威缺口，这是一个经历了数个世纪的平静期、但目前板块边界锁定最紧密的区域。研究表明，建筑规范需要进行重新评估，以反映这种基于物理规律的连续现实，从而确保建筑能够承受其下方大地真实的潜在威力。这项工作不仅提供了一张新地图，更提供了一种看待地球的新方式，即承认灾难风险是一个平滑、移动的景观，而非一组固定的边界。

技术摘要：用于苏门答腊无区域概率地震危险性评估的对数高斯科克斯过程框架

问题陈述
传统的概率地震危险性分析（PSHA）遵循 Cornell (1968) 框架，该框架依赖于两个在苏门答腊这类俯冲带环境中难以成立的假设：(1) 震源区被划分为具有空间均匀背景发生率的面积源区；(2) 地震事件在时间上是相互独立的。实际上，构造载荷在空间上是平滑变化的，而非离散的阶跃变化；且大型主震会产生在空间和时间上都具有强聚类特征的余震序列。作者认为，这些假设掩盖了地震活动的物理驱动机制，因此有必要采用一种“无区域”的替代方案，即利用基于物理协变量拟合的随机强度项作为空间源项。

研究方法
本研究提出了一种框架，通过使用 对数高斯科克斯过程 (LGCP) 来建模背景地震活动，并结合自激型的 流行型余震序列 (ETAS) 模型来处理触发的聚类现象，从而取代预定义的源区。

数据与预处理：
- 目录： 使用了 1998–2024 年间苏门答腊地区（东经 $95^\circ–108^\circ$ ，南纬 $6^\circ$ 至北纬 $6^\circ$ ）的 5,356 个事件（ $M \ge 4.5$ ）作为工作数据集。
- 去聚类： 为了分离背景地震活动，采用了 Gardner–Knopoff (1974) 时空窗口法，将目录缩减为 693 个主震。这一步骤是必要的，因为 2004–2005 年巨震后的余震序列会使表观背景发生率放大一个数量级。
背景强度建模 (LGCP)：
- 背景强度 $\lambda(s)$ 被建模为一个双随机过程，其中 $\log \lambda(s) = \mu(s) + Z(s)$ 。
- 协变量： 平均趋势 $\mu(s)$ $μ (s)$ 是两个具有物理可解释性的构造协变量的对数线性函数：
  - 间歇期耦合 ( $\phi$ )： 巽他海沟界面耦合的比率（源自大地测量反演），该比率在仍处于锁定状态的门塔威（Mentawai）地震缺口处达到峰值。
  - 断层距离 ( $D_{fault}$ )： 到大苏门答腊断层（GSF）的垂直距离。
- 潜场： $Z(s)$ 是一个具有指数协方差结构的高斯随机场 (GRF)，用于捕捉协变量无法解释的残余中尺度变异性。
- 估计： 参数通过在 $60 \times 60$ 网格上的泊松对数线性极大似然估计 (MLE) 进行估算。
触发组分：
- 触发的聚类组分由自激型 ETAS 模型单独描述，该模型采用 Omori–Utsu 时间核。该模型解释了协变量驱动的背景项无法解释的事件间触发现象。
危险性集成：
- 拟合的 LGCP 强度曲面直接作为 Cornell 危险性积分中的空间源项，消除了对区域划分的需求。
- 使用 Gutenberg–Rich_ter 震级分布和 Youngs 等人 (1997) 的俯冲界面地表运动预测方程 (GMPE) 计算峰值地面加速度 (PGA) 的年超越率。
验证与比较：
- 模型选择： 将 LGCP 与 Neyman–Scott Thomas 聚类过程（一种不含物理协变量的统计基准）进行比较，使用了赤池信息准则 (AIC) 和非均匀 L 函数。
- 预测验证： 使用时间留出测试（训练集 1998–2015，测试集 2016–2024）以及区域地震可能性模型 (RELM) 测试套件来评估空间预测性能。

关键结果

模型性能： 协变量驱动的 LGCP 显著优于 Thomas 聚类基准，其似然比提升为 $2\Delta\ell = 645.7$ ( $\chi^2_2, p < 10^{-4}$ )， $\Delta$ AIC 为 643.7。LGCP 成功重现了观测到的危险性梯度，包括高风险的门塔威缺口，且无需预定义边界。
协变量显著性： 两类协变量均高度显著（Cox–Snell 伪 $R^2 \approx 0.61$ ）。耦合系数为正（耦合越高 $\rightarrow$ 发生率越高），断层距离系数为负（距离 GSF 越近 $\rightarrow$ 发生率越高）。
危险性估计： 该框架得出的 475 年设计加速度显著高于印度尼西亚国家规范 (SNI 1726:2019)。LGCP 得出的 PGA 与规范 PGA 的比例约为：
- 巴东 (Padang)：2.7 倍 (1.79 g)
- 佩干巴鲁 (Pekanbaru)：2.5 倍
- 棉ों (Medan)：2.1 倍
- 班达亚齐 (Banda Aceh)：1.5 倍
空间模式： 最高危险性集中在西北部以及沿巴东走廊，这直接对应于高耦合的门塔威缺口。相比之下，由于 2004 年破裂后剩余耦合度较低，班达亚齐表现出较低的危险性。
验证： 时间留出测试证实了 LGCP 的空间模式在未见数据上得以保持（L-检验分位数 $\gamma = 0.21$ ）。然而，绝对发生率在测试期间被高估了 3.3 倍，这归因于训练窗口包含了升高的 2004 年后余震活动。

意义与主张
本文声称展示了拟合的、协变量驱动的 Cox 强度与 Cornell 危险性积分之间的直接数学耦合，这种结合此前从未在俯冲带环境中得到展示。其主要意义在于能够从连续的随机源模型而非预定义的区域中导出设计地面运动。

作者强调，该框架：

重现物理梯度： 它仅使用物理协变量（耦合度和断层距离）即可捕捉门塔威地震缺口和苏门答腊的危险性梯度，而无需输入破裂历史或区域边界。
提供保守指导： 与国家规范相比更高的危险性数值归因于两个特定的、有据可查的模型选择：(a) 使用与目录一致的震级完整性下限 ( $M_c=4.5$ )，这使得大震权重更高；(b) 在 GMPE 中应用了未截断的偶然变异项。
区分时间尺度： 作者澄清，虽然 LGCP 适用于由构造载荷控制发生率的长期工程设计（数十年/数世纪），但自激型 ETAS 模型更适用于由触发聚类占主导地位的短期运行预测（数天/数月）。

论文结论指出，无区域 LGCP 框架为传统的面积源 PSHA 提供了一个在地质学上合理且可重复的替代方案，特别是在构造载荷变化平滑或历史破裂数据稀缺（如锁定的门塔威缺口）的地区。

技术摘要：用于苏门答腊无区域概率地震危险性评估的对数高斯科克斯过程框架

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