文 雯,陳宇軍,王 玨,鄧曉華,楊雅瓊
(1.中國科學技術(shù)大學,安徽 合肥 230026;2.云南省地震局,云南 昆明 650224;3.中國地震局地球物理勘探中心,河南 鄭州 450023;4.河北省地震局,河北 石家莊 050021)
目前的地震安全性評價工作仍然是以地震危險性概率分析方法(CPSHA)為主,在這一方法中基巖地震動衰減關(guān)系的選取是一個重要的環(huán)節(jié),其適宜性直接關(guān)系到地震安全性評價結(jié)果的可靠性。實際工作中,通常主要考慮評價區(qū)域的地震強度、震源深度、衰減特性等等是否與用來擬合衰減關(guān)系的地震資料特性相一致,常常忽視了衰減關(guān)系的類型也應是影響衰減關(guān)系適宜性的重要因素。
隨著強震記錄的不斷增加以及有關(guān)震源物理方面的深入研究,眾多學者建立了大量的基巖地震動衰減關(guān)系[1-4]。這些衰減關(guān)系呈現(xiàn)出不同的類型。本文首先回顧衰減關(guān)系的演變過程,進而分析不同類型衰減關(guān)系的特點,然后以兩個工程實例介紹不同類型衰減關(guān)系的應用。
早期的衰減關(guān)系簡單的表達為震級和距離的函數(shù),地震動的對數(shù)滿足隨震級增大而線性增大,隨距離的對數(shù)增大而減小的衰減規(guī)律。幾個有代表性的早期的衰減關(guān)系如下:
麥圭爾
巴蒂斯
胡聿賢
上述麥圭爾的衰減關(guān)系是最簡單最直觀的,也符合中、小地震記錄不十分充足情況下實際數(shù)據(jù)的分布情況,寫成一般的形式為
人們很快發(fā)現(xiàn)在震中區(qū)R=0處式(4)在數(shù)學上不能成立,為了滿足數(shù)學上的合理性,將(4)式改寫成
胡、巴蒂斯的衰減關(guān)系即為此種形式,R0的數(shù)值一般在10~30之間,這里胡假定R0=30,巴蒂斯假定R0=25,可能是出于對震源深度的考慮。
隨后獲得的地震記錄,特別是大震的記錄,用上述簡單,直觀的衰減形式無法解釋。如地震動并不隨震級增大而顯著增加,在震中區(qū)亦并不隨距離減小而顯著增大的情況,更有學者認為震中區(qū)的地震動與震級無關(guān)。將式(5)改寫成更一般的形式為
設(shè)R=0,則lnY=C1+C2M+C4lnC5+C4C6M。由此式可以看出,地震動的對數(shù)隨震級增大而線性增大。令C2=-C4C6,則
即震中區(qū)的地震動與震級無關(guān)。
D為斷層距,在震中區(qū)D=0處Y是常量,與震級無關(guān)。
在震中區(qū)地震動與震級無關(guān)的觀點令人難以接受,但震中區(qū)地震動不隨震級加大的結(jié)論也得到了部分強震記錄的印證。從式(5)看出,在相同的距離上即R相同時地震動參數(shù)的對數(shù)值隨震級線性增大,且不同震級的地震動衰減曲線互相平行。而世界各地的強震記錄表明,地震動并不隨震級線性增加,特別是控制加速度的高頻地震動在大震級情況下趨于飽和,震源物理理論結(jié)合實際發(fā)生的強震記錄給出了理論上的解釋,也得到了廣泛的認同。新的地震動衰減關(guān)系形式為
式(9)中的第三項C3M2是震級M的非線性衰減因素。地震動隨M增加的同時,其增加的幅值隨M的增大而迅速減少,不同震級的衰減曲線彼此靠近,這與實際強震記錄的衰減曲線形狀相符,故一般稱C3M2項為高頻地震動的震級飽和因子。式(9)中的R0=C5eC6M。根據(jù)對潛在震源的理解,潛源范圍內(nèi)都是各級地震的震中區(qū),其規(guī)模相當于各震級震源體尺度,震源體各部具有震級、頻度相同的發(fā)震條件,所以與震源體尺度相當?shù)恼鹬袇^(qū)內(nèi)地震動基本相同。這樣,R0便與震級M相連,即與震源體尺度大小相連,是個距離因子,它起到在震源體尺度范圍內(nèi),即在震中區(qū)內(nèi)地震動不因地點不同而不同。這也與實際記錄相符,故稱R0為加速度近場飽和因子。C3M2和C5eC6M聯(lián)合作用有力抑制了高震級情況下近場地震動過大的虛假信息,達到與實際情況相符的水平。
縱觀地震動衰減研究的演進過程,目前有三種類型:
對工程場地進行地震安全性評價工作時,衰減關(guān)系的適宜與否與建立衰減關(guān)系的數(shù)據(jù)集有關(guān),也與其類型有關(guān)。因此在評價衰減關(guān)系的適宜性時也應對衰減關(guān)系的類型加以考慮。應根據(jù)場地所處的地震環(huán)境與主要潛源的相對位置選擇地震動衰減關(guān)系的類型。
如上一節(jié)所述,I型衰減是衰減關(guān)系較為早期的形式,在震源體尺度的考慮上較Ⅱ型、Ⅲ型差,與目前實際記錄到的強震記錄較為不合,因而通常不予選用。下面主要對Ⅱ型、Ⅲ型衰減關(guān)系做一分析比較。
選取俞言祥研究員的西部地區(qū)水平向基巖加速度峰值衰減關(guān)系[3]和西南地區(qū)水平向基巖加速度峰值衰減關(guān)系①俞言祥.昆明市呈貢新區(qū)地震小區(qū)劃(二期)報告.中國地震局地球物理研究所,2008.(表1)分別代表Ⅱ、Ⅲ型衰減加以對比分析,并以實際工作中的兩個例子進行說明。
表1 地震動峰值加速度衰減關(guān)系Table 1 Attenuation relations of peak acceleration
這兩套衰減關(guān)系基于的數(shù)據(jù)集和轉(zhuǎn)換方法具有一定的共同性,兩衰減關(guān)系的短周期部分都是采用我國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編制工作時使用的美國西部地區(qū)強震資料建立,而長周期部分亦同是采用美國南加州地區(qū)數(shù)字寬頻帶記錄建立。綜合得到的參考區(qū)水平向基巖加速度反應譜衰減關(guān)系,使用的強震數(shù)據(jù)均包括了如1989年Loma Prieta地震、1992年Landers地震、1994年 Northridge地震、1999年Hector Mine地震等大震中獲得的較多強震記錄。參考地區(qū)的烈度衰減關(guān)系則采用了Chandra的結(jié)果[10]。采用胡聿賢等[11]提出的轉(zhuǎn)換方法得到的反應譜衰減關(guān)系。因此,兩套衰減關(guān)系在類型上具有一定的可比性。
圖1(a)和(b)分別為上述兩種衰減關(guān)系長軸方向和短軸方向一定震級的衰減曲線對比圖。當M=8時,Ⅱ型衰減與Ⅲ型衰減隨距離變化的曲線形態(tài)相似,但Ⅱ型衰減曲線位于Ⅲ型衰減曲線的上方,即同距離處Ⅱ型對應的峰值加速度較Ⅲ型的大。當M=7時,在近距離處Ⅱ型曲線與Ⅲ型曲線幾近重合,R=1時Ⅱ型衰減對應的峰值加速度約為791 gal,Ⅲ型衰減對應的峰值加速度約為834gal,數(shù)值上Ⅲ型略大些;長軸方向在R>15km后,短軸方向在R>5km后,同距離處Ⅲ型對應的峰值加速度較Ⅱ型小,可看出Ⅲ型較Ⅱ型衰減的快。當M=6時,長軸方向在R<15km時,同距離處Ⅲ型對應的峰值加速度較Ⅱ型大,在R>15km后,同距離處Ⅲ型對應的峰值加速度較Ⅱ型?。欢梯S方向與M=7情況類似,在近距離處兩種曲線幾近重合,數(shù)值上Ⅲ型略大些,在距離大于某一數(shù)值后Ⅲ型對應的峰值加速度較Ⅱ型小??偟目磥恚笮洼^Ⅱ型衰減的快,隨著距離的增大均出現(xiàn)Ⅲ型對應的峰值加速度較Ⅱ型小的狀態(tài)。在地震安全性評價中,如偏于保守的角度考慮,評價近距離處潛源的影響應選用Ⅲ型衰減關(guān)系,而評價遠距離處潛源的影響則應選用Ⅱ型衰減關(guān)系。
圖1 兩種衰減關(guān)系的對比Fig.1 Comparison of attenuation relation between two types
在近距離處,如距離為1km時,Ⅲ型由于考慮了高頻地震動震級飽和因子C3M2項,各震級對應的峰值之差Ⅲ型較Ⅱ型的小,Ⅲ型衰減與實際強震記錄近距離處地震動并不隨震級增大而顯著增加的情況是相符的。以M=8.0,R=1.1km為例,取長軸方向,Ⅱ型衰減關(guān)系得到震中處的地震動值為1 236gal,而Ⅲ型的結(jié)果為933gal,二者的比值高達1.3倍。2008年汶川8.0級地震,距發(fā)震斷層南端1.1km處的四川臥龍臺的記錄,最大水平加速度為957gal,顯然Ⅲ型的更為接近。因此在地震安全性評價中,從接近實際強震記錄的角度考慮,工程場地與主要影響潛源距離較近的情況下,應選用Ⅲ型衰減關(guān)系。
上述分析表明,無論是從保守角度,還是從接近實際強震記錄的角度考慮,近距離情況下都應選用Ⅲ型衰減關(guān)系;而遠距離情況下則可保守考慮采用Ⅱ型衰減。
貴陽市某工程場地地理位置為106.71°,26.58°。圖2為場地附近150km范圍內(nèi)潛在震源區(qū)劃分圖。從圖上看,距工程場地最近的潛源為7號源,震級上限6.0級,最近距離約20km;其他潛源均距場地較遠,震級上限不超過6.5級。震級上限最大的潛源為6號源,與場地的最近距離140多公里。
圖2 貴陽市某工程場地潛在震源區(qū)劃分圖Fig.2 Zoning of potential seismic source zones for an engineering site of Guiyang city
將工程場地所在位置輸入危險性分析程序,僅改變衰減關(guān)系,其他參數(shù)不變,Ⅱ型衰減得到的工程場地50年超越概率10%的峰值加速度約為51gal,Ⅲ型衰減得到的工程場地50年超越概率10%的峰值加速度約為37gal。從偏于安全的角度考慮,應選擇Ⅱ型衰減可得到符合工程場地的基巖峰值加速度。如選擇Ⅲ型衰減,則會使基巖加速度過小。
昆明市某工程場地地理位置為102.72°,26.05°。圖3為場地附近150km范圍內(nèi)潛在震源區(qū)劃分圖。由圖看出工程場地完全處于震級上限為7.0級潛源內(nèi),東距14號8.0級潛源約18km,北距11號6.5級潛源約4km。場地處于近距離大震的環(huán)境中,須考慮高頻地震動震級飽和因子C3M2項。
圖3 昆明市某工程場地潛在震源區(qū)劃分圖Fig.3 Zoning of potential seismic source zones for an engineering site in Kunming city
將工程場地所在位置輸入危險性分析程序,僅改變衰減關(guān)系,其他參數(shù)不變,Ⅱ型衰減得到的工程場地50年超越概率10%的峰值加速度約為255 gal,Ⅲ型衰減得到的工程場地50年超越概率10%的峰值加速度約為189gal。綜合場地所處的位置與緊鄰8.0級潛源的地震環(huán)境,應選取Ⅲ型衰減。
本文通過對衰減關(guān)系發(fā)展的不同類型的敘述、分析,說明了衰減關(guān)系中高頻地震動的震級飽和因子和加速度近場飽和因子的由來和作用,這兩個因子聯(lián)合作用有力抑制了高震級情況下近場地震動過大的虛假信息,達到與實際情況相符的水平。并以實例說明在地震安全性評價工作中,在考慮建立衰減關(guān)系的數(shù)據(jù)集與被評價場地的適宜性之外,應根據(jù)不同的地震環(huán)境,選擇不同的衰減關(guān)系類型。
當然,地震動衰減關(guān)系式建立在強震記錄資料的基礎(chǔ)之上,衰減關(guān)系的類型和建立衰減關(guān)系的數(shù)據(jù)集常常是綜合在一起,難以分離開來看的。上述的分析并不能完全排除數(shù)據(jù)集的影響,但是類型對衰減關(guān)系的影響仍是明顯的。
每當獲得一批有價值的強震記錄,就會推動研究的進一步發(fā)展。地震動衰減關(guān)系的類型也將隨著地震觀測資料的日益豐富逐漸演變,期待更新更好的衰減關(guān)系類型的出現(xiàn)。
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