楊歧焱 楊家亮 王振明 盛艷蕊 范 強(qiáng)

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）美國肯塔基州列克星頓市，肯塔基州地質(zhì)調(diào)查局 40506

河北廊坊地區(qū)的設(shè)定地震災(zāi)害評(píng)估1

楊歧焱1）楊家亮1）王振明2）盛艷蕊1）范 強(qiáng)1）

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）美國肯塔基州列克星頓市，肯塔基州地質(zhì)調(diào)查局 40506

本文對(duì) 1700年以來的歷史地震烈度資料進(jìn)行了分析，并結(jié)合地震地質(zhì)資料來確定設(shè)定地震（Scenario Earthquake），然后利用模擬強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)確定了廊廊地區(qū)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)災(zāi)害。研究結(jié)果表明，按照目前的地震活動(dòng)趨勢(shì)，廊廊地區(qū)出現(xiàn)大于或等于地震烈度8度的周期大約是600年。也就是說，在未來50年廊廊地區(qū)出現(xiàn)地震烈度8度的超越概率為8%。為此，本文建議廊廊地區(qū)應(yīng)該考慮0.3g峰值加速度（Ⅷ度）作為基本地震工程設(shè)計(jì)參數(shù)。

地震烈度 地震災(zāi)害 設(shè)定地震

引言

地震是一種嚴(yán)重危及人類生命財(cái)產(chǎn)安全的突發(fā)性自然災(zāi)害。強(qiáng)烈地震頻繁發(fā)生，給人類和社會(huì)都帶來了巨大的損失。地震本身很少造成直接的人員傷亡，然而由地震引起的對(duì)建筑物和工程設(shè)施的破壞往往會(huì)造成重大的損失，因此，只有建筑物和工程設(shè)施具備適當(dāng)?shù)目拐鹉芰?，才能有效減輕地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。依據(jù)大量記載歷史地震的資料，研究地震災(zāi)害及其設(shè)防是一條有效的途徑（Xie等，2011）。地震災(zāi)害評(píng)估的目的是對(duì)其3個(gè)參數(shù)進(jìn)行定量的評(píng)估：地面運(yùn)動(dòng)水平或烈度、空間和時(shí)間度量、相關(guān)的不確定性（Wang等，2009；2011）。目前地震動(dòng)參數(shù)的確定方法有幾種，其中最為常用的有2種方法：概率地震危險(xiǎn)性分析（probabilistic seismic hazard analysis——PSHA）、確定性地震災(zāi)害分析（deterministic seismic hazard analysis——DSHA）。概率性和確定性分析使用相同的地震與地質(zhì)信息，但所定義的地震災(zāi)害不同，并且計(jì)算的方式也不同。概率地震危險(xiǎn)性分析是根據(jù)地震與強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算地震災(zāi)害：在一個(gè)場點(diǎn)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)水平與年超越頻率或超越周期（Cornell，1968；McGiure，2004）。確定性地震災(zāi)害分析是根據(jù)一個(gè)單一的或一組設(shè)定地震來確定地震災(zāi)害：在一個(gè)場點(diǎn)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)水平（Krinitzsky，1995；2002）。雖然概率性分析方法是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的，如中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（高孟潭等，2008）和美國國家地震動(dòng)參數(shù)圖（Petersen等，2008）都是應(yīng)用概率性分析方法編制的，但是該方法存在一些缺陷（Wang等，2009；2011）。概率性分析方法給出的場址地震動(dòng)參數(shù)不能反映未來實(shí)際地震發(fā)生時(shí)場址的實(shí)際地震動(dòng)過程，如“一致概率反應(yīng)譜”只能是代表一群震級(jí)、距離各異的地震綜合特征的包絡(luò)譜。如何給確定性的地震事件賦予概率的含義，或者給出具體的地震事件來代替概率方法分析結(jié)果，是地震災(zāi)害評(píng)估的發(fā)展方向，即通常所說的設(shè)定地震（Scenario Earthquake）研究方法（張翠然等，2010；陳厚群等，2005）。

本文利用華北地區(qū) 1700年歷史地震烈度資料，首先對(duì)河北廊廊地區(qū)進(jìn)行了地震災(zāi)害分析。類似于洪水和風(fēng)的災(zāi)害分析，一個(gè)場點(diǎn)的地震烈度與其超越頻率或周期可以根據(jù)歷史地震烈度資料來確定（Milne等，1969；劉靜偉等，2010；Xie等，2011）。然后應(yīng)用烈度災(zāi)害分析的結(jié)果，并結(jié)合地震與地質(zhì)資料來確定設(shè)定地震。最后利用復(fù)合震源模型（Composite source model）（Zeng等，1994）來確定設(shè)定地震所產(chǎn)生的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)。

1 河北廊坊地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)概況

廊廊市位于華北平原沉降帶的二級(jí)構(gòu)造區(qū)——冀中坳陷北部。坳陷具有多凸，多凹，多斷裂的特點(diǎn)，它的主體由一系列北北東和北東向雁列排列的凸起和凹陷相間組成。坳陷北部和西北部為大興隆起，東南為滄縣隆起。北東向展布的平谷－三河－廊廊構(gòu)造帶控制了冀中坳陷的發(fā)育，構(gòu)造帶中的一系列斷層，如：馬廊-夏墊斷裂、大興斷裂、河西務(wù)斷裂等，將冀中坳陷分隔為大廠、廊廊、固安、武清、霸縣5個(gè)斷陷盆地。

河西務(wù)斷裂是控制武清凹陷的分界斷裂，它北起河西務(wù)西北，向南西延伸至別古莊，全長40多km，走向北東，傾向南東，為上陡下緩的鏟形正斷層。斷層上盤有完整的下第三系，厚達(dá)5000—6000m，其下為中生界。下盤3000m以下的下第三系之下為古生界。深地震反射剖面BJ2清楚的顯示，河西務(wù)斷裂錯(cuò)斷了第四系底界面，為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂1北京市地震局，中國地震局地質(zhì)研究所，2007. 北京市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工程技術(shù)報(bào)告．。河西務(wù)斷裂總體走向?yàn)楸睎|向，是一條傾向南東的正斷層，斷層視傾角50°—65°，斷層錯(cuò)斷了晚更新統(tǒng)（Q3）底界面2河北省工程地震勘察研究院，2010. 河北省城市地震活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目（廊廊）．。

2 烈度分析

本文利用地震目錄、歷史地震和地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)來構(gòu)建廊廊地區(qū)的地震動(dòng)災(zāi)害曲線。首先根據(jù)地震目錄，對(duì)歷史地震和烈度進(jìn)行分析，可以得到地震烈度-頻度關(guān)系，即災(zāi)害曲線（hazard curve），它反映了在歷史上一個(gè)特定烈度（強(qiáng)度）所發(fā)生的頻率（時(shí)間特征）。計(jì)算頻度-烈度關(guān)系的方法類似于古登堡-里克特（Gutenberg-Richter）震級(jí)-頻度關(guān)系，只是用烈度代替了震級(jí)（劉靜偉等，2010；Xie等，2011）：

式中，I為烈度；f為烈度大于或等于f的年發(fā)生率；a和b為參數(shù)，由最小二乘擬合得出。

本文研究區(qū)的范圍為東經(jīng)115°—119°，北緯38°—41°，從地震目錄中搜集了自公元294年以來的82個(gè)地震烈度資料，包括56個(gè)古代歷史地震（294—1911年）和26個(gè)近代地震（1912—2006年）。其中有42個(gè)地震的烈度圖中只給出了有感范圍，沒有確定烈度的等級(jí)。對(duì)于這42個(gè)烈度圖，本文使用震級(jí)與烈度的關(guān)系推算出了有感范圍內(nèi)的烈度值，采用華北平原區(qū)平均軸烈度衰減公式為：

式中，I為烈度；M為震級(jí)；R為平均軸半徑（km）；S為標(biāo)準(zhǔn)差。

烈度—頻率災(zāi)害曲線（圖1）表明：在廊廊地區(qū)烈度超8度的平均復(fù)發(fā)周期為600年；超越9度的平均復(fù)發(fā)周期為1200年；超越10度的平均復(fù)發(fā)周期為2400年。

圖1 廊廊地震烈度擬合曲線Fig.1 The frequency-intensity curve for Langfang

3 設(shè)定地震災(zāi)害分析

從圖1可以看出，廊廊地區(qū)的最高影響烈度是8度，分別受1507年北京南地震和1679年三河—平谷地震的影響。1679年三河—平谷8級(jí)地震是夏墊斷裂最新一次地表破裂型地震事件，也是廊廊地區(qū)受影響最大的一次地震事件，因此，選擇1679年三河—平谷8級(jí)地震作為地震災(zāi)害分析的設(shè)定地震事件Scenario A；同時(shí)河西務(wù)斷裂以被證實(shí)為第四紀(jì)活動(dòng)斷層，該斷層與廊廊市的垂直距離不足10km，因此選擇河西務(wù)活動(dòng)斷裂作為Scenario B加以研究。

對(duì)于設(shè)定地震，采用Composite source model（Zeng等，1994）模型，地震動(dòng)時(shí)程曲線以0.5°空間網(wǎng)格取點(diǎn)（圖2）。模型中所用到的地殼速度結(jié)構(gòu)（孫武城等，1987；孫若昧等，1995；1996；鄭建常等，2007）列于表1。對(duì)于Scenario A的震源參數(shù)，本文采用了潘波等（2009）、冉勇康等（1997）的研究結(jié)果。對(duì)于Scenario B，可以由斷層長度40km，應(yīng)用華北地區(qū)地震活斷層的震級(jí)－破裂長度、破裂面積的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（龍鋒等，2006）：

華北地區(qū)震級(jí)M、地表破裂長度L和位移量D三者的關(guān)系式為（鄧起東等，1992）：

地震矩公式為：

式中，μ為剪切模量；D為位錯(cuò)位移量；A為斷層面面積。

根據(jù)區(qū)域地震相似原則，借鑒和利用1679年三河—平谷地震取剪切模量 μ=4× 104MPa（潘波等，2009）。若取M=6.8，D=2m，則L=4km，這是因?yàn)槿A北地區(qū)第四系覆蓋較厚，出露的地表破裂帶長度偏小。

對(duì)于每個(gè)設(shè)定地震，應(yīng)力降Δσ可以用以下公式計(jì)算（Stein等，2002）：

式中，W是斷層寬度；L是斷層長度。

類似于其他地震破裂模型（Macpherson，2009），每個(gè)設(shè)定地震的斷層破裂速度取剪切波速的80%。表2是Scenario A與Scenario B的震源參數(shù)。

圖2 1679年三河—平谷8級(jí)地震等震線圖（據(jù)《中國歷史地震目錄》，1995）Fig. 2 Isoseismal map of 1679 Sanhe-Pinggu earthquake (M8.0) from Historical Strong Earthquake Catalog of China, 1995

表1 廊坊地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)Table 1 Crustal velocity structure for Langfang area

表2 Scenario A和Scenario B的震源參數(shù)Table 2 Source parameters for Scenario A and Scenario B

每個(gè)設(shè)定地震的合成地震動(dòng)模型在所有空間網(wǎng)格點(diǎn)產(chǎn)生三分量地震動(dòng)時(shí)程曲線（見圖 3和圖4），從而得到其等震線圖（見圖5和圖6），Scenario A與1679年三河—平谷地震的等震線圖可很好的對(duì)應(yīng)，表明了用該方法構(gòu)建地震動(dòng)模型的有效性。正是基于這種方法的有效性，可通過Scenario B來評(píng)估河西務(wù)活動(dòng)斷裂對(duì)廊廊的地震災(zāi)害。Scenario A和Scenario B在廊廊的地面峰值加速度分別為：0.72g和0.33g。根據(jù)地震烈度與地面峰值加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，2個(gè)設(shè)定地震對(duì)廊廊的影響均超過了8度。

圖3 Scenario A在廊廊的加速度時(shí)程曲線Fig. 3 Acceleration time-history used in Scenario A

圖4 Scenario B在廊廊的加速度時(shí)程曲線Fig. 4 Acceleration time-history used in Scenario B

圖5 三河—平谷地震等震線圖（黑色）和由Scenario A所得到的等震線圖（藍(lán)色）Fig. 5 Isoseismal map of Sanhe-Pinggu (black) and from Scenario A (blue)

圖6 由Scenario B所得到的等震線圖Fig. 6 Isoseismal map from Scenario B

4 討論與結(jié)論

本文對(duì) 1700年以來的歷史地震烈度資料進(jìn)行了分析，并結(jié)合地震地質(zhì)資料來確定設(shè)定地震（Scenario Earthquake）。然后利用模擬強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)，來評(píng)估廊廊地區(qū)的地震災(zāi)害。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：①不需要過多的假設(shè)；②所得到的結(jié)果（強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)）具有明確的物理和統(tǒng)計(jì)意義；③該結(jié)果容易被地球科學(xué)家和工程師理解；④能充分利用強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)。這些優(yōu)點(diǎn)使得本方法所得到的結(jié)果更易于在地震工程中使用。

從本文的研究結(jié)果可以看出，按照目前的地震活動(dòng)趨勢(shì)，廊廊地區(qū)出現(xiàn)大于或等于地震烈度8度的周期大約是600年。也就是說，在未來50年廊廊地區(qū)出現(xiàn)地震烈度8度的超越概率為8%。根據(jù)中國地震烈度與地面峰值加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表3）以及設(shè)定地震的合成地震動(dòng)模擬結(jié)果，我們建議廊廊地區(qū)應(yīng)該考慮 0.3g峰值加速度（Ⅷ度）作為基本地震工程設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 中國地震烈度與地面峰值加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（中國地震動(dòng)區(qū)劃圖，2001）Table 3 Relationship between intensity and peak ground acceleration (PRNCS, 2001)

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Scenario Earthquake Hazard Evaluation in Langfang Area

Yang Qiyan1), Yang Jialiang1), Wang Zhenming2), Sheng Yanrui1)and Fan Qiang1)

1) Earthquake Administration of Hebei province, Shijiazhuang 050021, China
2) Kentucky Geological Survey, Lexington, Kentucky 40506, US

This paper attempts to analyze the data from 1700-year intensity observation, and to combine seismology and geology data to determine the scenario earthquake, then to simulate strong ground motion to evaluate seismic hazard in Langfang. The study results show that the period of greater than or equal to Ⅷ intensity is about 600 years according to the current seismic activity trend. In other words, the probability of exceedance ofⅧintensity in 50 years is 8 percent in Langfang area. We suggest that it should be considered 0.3g peak ground acceleration (Ⅷ intensity ) as the basic earthquake engineering design parameters in Langfang area.

楊歧焱，楊家亮，王振明，盛艷蕊，范強(qiáng)，2012．河北廊廊地區(qū)的設(shè)定地震災(zāi)害評(píng)估．震災(zāi)防御技術(shù)，7（3）：285—293.

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“強(qiáng)震動(dòng)記錄在唐山地區(qū)抗震設(shè)防中的應(yīng)用研究”（編號(hào)11276905D）資助

2012-04-23

楊歧焱，男，生于1982年。2009年畢業(yè)于中國地震局地殼應(yīng)力研究所，獲碩士學(xué)位。主要從事地震安全性評(píng)價(jià)和淺層地震勘探工作。E-mail：yangqiyan413@163.com

致謝：衷心感謝中國地震局地殼應(yīng)力研究所謝富仁研究員和劉靜偉給與的幫助和指導(dǎo)！

Κey words: Seismic intensity; Seismic hazard; Scenario earthquake