俞言祥

新一代地震區(qū)劃圖地震動參數(shù)衰減關(guān)系的建立與特點(diǎn)分析

俞言祥

俞言祥，2002年獲中國地震局地球物理研究所固體地球物理學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為中國地震局地球物理研究所研究員，博士生導(dǎo)師，工程地震學(xué)與城市減災(zāi)研究室主任。國家地震安全性評定委員會委員，新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選，享受國務(wù)院政府特殊津貼。主要研究方向?yàn)榈卣饎铀p關(guān)系、長周期地震動特性、近場強(qiáng)地面運(yùn)動模擬，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目多項(xiàng)。任全國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編制委員會副主編，在區(qū)劃圖編制中負(fù)責(zé)地震動參數(shù)衰減關(guān)系建立專題。

本文介紹了GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》編制過程中，通過建立我國分區(qū)地震動參數(shù)衰減關(guān)系時(shí)所采用的總體技術(shù)思路和技術(shù)方法，從基礎(chǔ)資料、衰減關(guān)系分區(qū)、衰減關(guān)系模型、統(tǒng)計(jì)分析方法、轉(zhuǎn)換方法、計(jì)算結(jié)果等方面與上一代地震動參數(shù)區(qū)劃圖所建立的地震動參數(shù)衰減關(guān)系進(jìn)行了對比，分析了新一代區(qū)劃圖地震動衰減關(guān)系的主要特點(diǎn)。

總體思路

根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》編圖要求，需要建立我國各分區(qū)地震動參數(shù)aE（由加速度反應(yīng)譜平臺值除以2.5得到）和nE（由擬速度反應(yīng)譜平臺值除以2.5得到）的衰減關(guān)系，其中aE即GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的峰值加速度，而加速度反應(yīng)譜特征周期Tg由公式Tg=2p nE/aE計(jì)算得到。

近年來，以美國NGA（Next Generation Attenuation）為代表的地震動衰減關(guān)系研究成果（Power et al.，2008）具有較大影響，我國也借助國家科技支撐計(jì)劃課題“強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)劃關(guān)鍵技術(shù)研究”的資助，在近場強(qiáng)地震動衰減關(guān)系方面取得了重要進(jìn)展。雖然近年來我國強(qiáng)震觀測數(shù)據(jù)得到了快速積累，但全國絕大部分地區(qū)仍不足以用強(qiáng)震動數(shù)據(jù)直接統(tǒng)計(jì)得到衰減關(guān)系。因此，確定了建立地震動衰減關(guān)系所遵循的指導(dǎo)原則，即充分吸收國內(nèi)外地震動衰減關(guān)系的最新研究成果，考慮我國強(qiáng)震動數(shù)據(jù)的實(shí)際情況和工程實(shí)踐，在與上一代地震區(qū)劃圖地震動衰減關(guān)系分區(qū)、模型和技術(shù)方法保持適當(dāng)銜接的基礎(chǔ)上，建立我國分區(qū)地震動參數(shù)衰減關(guān)系。

在以上原則的指導(dǎo)下，建立地震動參數(shù)衰減關(guān)系的技術(shù)思路與上一代區(qū)劃圖基本相同，即在確定我國地震動衰減關(guān)系分區(qū)的基礎(chǔ)上，建立各分區(qū)地震烈度衰減關(guān)系；選擇美國西部為參考地區(qū)，建立該地區(qū)的地震動衰減關(guān)系，并選擇合適的參考地區(qū)地震烈度衰減關(guān)系，采用轉(zhuǎn)換方法得到我國各分區(qū)地震動參數(shù)衰減關(guān)系，在轉(zhuǎn)換過程中，還利用了我國部分強(qiáng)震數(shù)據(jù)加以控制。技術(shù)思路如圖1所示。

圖1　總體技術(shù)思路

衰減關(guān)系分區(qū)

與上一代地震區(qū)劃圖相比，新一代地震區(qū)劃圖對地震動衰減關(guān)系分區(qū)進(jìn)行了更詳細(xì)的劃分，從原來的東、西兩個(gè)分區(qū)，進(jìn)一步按照地震活動特征不同劃分至更小的分區(qū)，這主要是因?yàn)?，雖然中國東、西部在地震烈度衰減特征上的差異是眾所周知的，即東部地區(qū)地震烈度衰減較慢，西部地區(qū)相對較快，總體上，對于相同震級的地震，東部地區(qū)的地震震中烈度相對較高，影響范圍也更大。但是新的研究結(jié)果表明，中國東、西部內(nèi)部的地震動衰減特征差異仍然是不可忽視的。

（1）不同地區(qū)地震極震區(qū)等震線長、短軸之比的差異。上一代地震區(qū)劃圖編制時(shí)，曾對中國各地區(qū)的地震最內(nèi)圈等震線的長、短軸比值進(jìn)行過研究。該研究表明，中國東部地區(qū)地震烈度內(nèi)圈等震線的長軸與短軸長度比值的均值為2.0，其最大比值在華北與華南分別為3.5（內(nèi)蒙通遼6.0級地震）和2.6（廣東陽江6.4級地震）；中國西部地區(qū)均值為2.6，其最大比值在云南、四川地區(qū)達(dá)13.3（四川爐霍7.6級地震），在新疆地區(qū)最大為4.3（烏什5.8級地震），有一定區(qū)域性差異。

（2）地震活動性強(qiáng)、弱地區(qū)的地震烈度和地震動衰減特征有差異。雖然總體上中國大陸地區(qū)地震活動性較強(qiáng)，但也存在活動性相對較弱、以中強(qiáng)地震活動為主的地區(qū)，如東部的鄂爾多斯內(nèi)部、華中地區(qū)、西部的塔里木內(nèi)部等，這些地區(qū)的中強(qiáng)地震常常造成較強(qiáng)的破壞，其地震烈度衰減特征與華北地區(qū)有所不同（王繼、俞言祥，2008）。對歐洲地區(qū)中小震地震動衰減關(guān)系的研究表明，對于地震活動性相對較弱的歐洲大陸地區(qū)，它的中小地震的地震動衰減規(guī)律與強(qiáng)地震活動區(qū)的美國西部地區(qū)的中小震地震動衰減特征有所不同（靳超宇、俞言祥，2009）。

（3）非彈性衰減的地區(qū)差異性。地震動強(qiáng)度隨距離的衰減包括了幾何衰減和非彈性衰減兩部分。對于震源深度相同的地震，地震動的幾何衰減對于任何地區(qū)都是相同的，而非彈性衰減則隨地區(qū)變化而變化。對于構(gòu)造穩(wěn)定的地區(qū)，非彈性衰減小，介質(zhì)品質(zhì)因子Q值相對較高。根據(jù)對全國非彈性衰減橫向變化的研究結(jié)果（汪素云等，2007；汪素云等，2008），在塔里木盆地、四川盆地、華南地塊及鄂爾多斯高原等構(gòu)造穩(wěn)定的地臺地區(qū)，有較高的Q值，即非彈性衰減較慢，這些地區(qū)的地震活動以中強(qiáng)地震為主，而在華北、天山、祁連山及川滇、渤海灣等構(gòu)造活動地區(qū)，有較低的Q值，即非彈性衰減較高，這些地區(qū)也是強(qiáng)震多發(fā)地區(qū)。

（4）國際上地震動衰減關(guān)系分區(qū)成果的借鑒。目前，國際上傾向于依據(jù)區(qū)域地震活動特征的不同來劃分地震動衰減關(guān)系分區(qū)。例如美國新區(qū)劃圖編制時(shí)，除板塊俯沖帶地區(qū)外，將淺源地震影響地區(qū)分為以美國西部地區(qū)為代表的構(gòu)造活動地區(qū)和以美國中東部地區(qū)為代表的構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)（US Geological Survey，2008），分別建立各自的地震動衰減關(guān)系。我們的研究結(jié)果（靳超宇、俞言祥，2009）也在一定程度上支持這種分區(qū)原則。因此，我們認(rèn)為在進(jìn)行地震動衰減關(guān)系分區(qū)時(shí)，也應(yīng)考慮地震活動水平的區(qū)域性。

最終，以地震區(qū)或地震帶為基本單元，將我國的地震動衰減關(guān)系分區(qū)劃分為東部強(qiáng)震區(qū)、中強(qiáng)地震區(qū)、青藏區(qū)和新疆區(qū)。

（1）東部強(qiáng)震區(qū)：華北地震區(qū)（銀川—河套地震帶、汾渭地震帶、華北平原地震帶、郯廬地震帶、長江下游—南黃海地震帶）、華南沿海地震帶、臺灣地震區(qū)。

（2）中強(qiáng)地震區(qū)：東北地震區(qū)、長江中游地震帶、右江地震帶、鄂爾多斯地震帶、塔里木—阿拉善地震帶。

（3）新疆區(qū)：新疆地震區(qū)除塔里木—阿拉善地震帶的其他區(qū)域（阿爾泰地震帶、北天山地震帶、中天山地震帶、南天山地震帶）。

（4）青藏區(qū)：青藏地震區(qū)（西昆侖—帕米爾地震帶、龍門山地震帶、六盤山—祁連山地震帶、柴達(dá)木—阿爾金地震帶、巴顏喀拉山地震帶、鮮水河—滇東地震帶、喜馬拉雅地震帶、滇西南地震帶、藏中地震帶）。

中國分區(qū)地震烈度衰減關(guān)系

在建立我國分區(qū)地震烈度衰減關(guān)系時(shí)，與上一代區(qū)劃圖相比，除分區(qū)從2個(gè)增加至4個(gè)外，地震烈度資料篩選和處理原則、地震烈度衰減模型、統(tǒng)計(jì)回歸方法均沒有變化，但地震烈度資料有了較大增加，除繼續(xù)使用上一代區(qū)劃圖的地震烈度數(shù)據(jù)外，補(bǔ)充了1991年至2008年期間我國發(fā)生的140個(gè)地震的等震線資料，共使用了377個(gè)4.0級以上地震、973條等震線資料。

地震烈度衰減關(guān)系模型采用橢圓模型，表達(dá)式為

式中：I為地震烈度；M為面波震級；R為震中距（單位km）；A、B、C和R0為回歸系數(shù)。

為了保證烈度衰減關(guān)系長短軸在R=0時(shí)烈度相等，而中間距離仍保持長短軸烈度的差別，同時(shí)在遠(yuǎn)場也使等震線成圓形的特征，采取了在遠(yuǎn)、近場補(bǔ)點(diǎn)的步驟，即在極震區(qū)內(nèi)不同距離上適當(dāng)增補(bǔ)一些數(shù)據(jù)點(diǎn)，使震中區(qū)的烈度大致相同，另外，為了體現(xiàn)遠(yuǎn)場區(qū)發(fā)震構(gòu)造影響消失、衰減形狀趨于圓形的特點(diǎn)，取有感范圍的半徑作為遠(yuǎn)場控制點(diǎn)，有感烈度值為Ⅲ—Ⅳ度（汪素云、時(shí)振梁，1993）。

在回歸地震烈度衰減關(guān)系時(shí)，采用橢圓長短軸聯(lián)合衰減模型（陳達(dá)生、劉漢興，1989），使用最小二乘法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，得到我國各分區(qū)地震烈度衰減關(guān)系，與式（1）相應(yīng)的系數(shù)見表1。具體方法與步驟可參見（肖亮、俞言祥，2011；盧建旗等，2009）。

表1　地震烈度衰減關(guān)系系數(shù)

經(jīng)對比表明，新一代區(qū)劃圖中的新疆區(qū)地震烈度稍高于上一代結(jié)果，青藏區(qū)地震烈度稍低于上一代結(jié)果。東部強(qiáng)震區(qū)烈度衰減關(guān)系與上一代區(qū)劃圖中國東部烈度衰減關(guān)系相接近，高震級稍低；青藏區(qū)與新疆區(qū)烈度衰減差異明顯，最大差別可達(dá)0.3度。中強(qiáng)地震區(qū)小震級烈度高于上一代中國東部結(jié)果，體現(xiàn)了中強(qiáng)區(qū)地震震級小破壞大的特點(diǎn)。由于資料的限制，中強(qiáng)地震區(qū)地震烈度衰減關(guān)系對于高震級約束不強(qiáng)，為避免可能造成的烈度值低估，中強(qiáng)地震區(qū)烈度衰減關(guān)系建議使用震級范圍為4.0 7.0級。

地震動參數(shù)衰減關(guān)系模型及統(tǒng)計(jì)分析

與上一代區(qū)劃圖相比，強(qiáng)震動數(shù)據(jù)的處理原則、衰減關(guān)系模型沒有變化，但所用強(qiáng)震動數(shù)據(jù)的數(shù)量有了較大增加，強(qiáng)震動數(shù)據(jù)的篩選對場地條件的要求更加一致，統(tǒng)計(jì)回歸方法有了進(jìn)一步改進(jìn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果更好地反映了地震動的大震近場飽和的特點(diǎn)。

將美國西部作為參考地區(qū)，采用美國NGA強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取了1970—2002年發(fā)生在美國西部地震的基巖地震動資料，絕大部分地震發(fā)生在美國加州。為增加高震級地震的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，還加入了中國臺灣集集地震主震等少數(shù)世界其他地區(qū)淺源大震的強(qiáng)震資料，有助于對大震級地震動數(shù)值的估計(jì)。

選取了16個(gè)地震在基巖場地的水平方向記錄共268條進(jìn)行衰減關(guān)系的確定。將同一臺站的兩個(gè)水平向記錄視為獨(dú)立的兩條記錄。對于場地的劃分使用基于Vs30（場地地表30米土層的平均剪切波波速）的NEHRP劃分標(biāo)準(zhǔn)，本次工作選取Vs30達(dá)500m/s以上的場地，將其視為基巖場地。

對所有268條記錄計(jì)算臨界阻尼比0.05的絕對加速度反應(yīng)譜和擬速度反應(yīng)譜，分別確定加速度反應(yīng)譜和擬速度反應(yīng)譜的平臺值，再將它們分別除以2.5，得到兩個(gè)值aE和nE，aE對應(yīng)了區(qū)劃圖的峰值加速度參數(shù)，而通過Tg=2p nE/aE則得到另一參數(shù)反應(yīng)譜特征周期。

衰減關(guān)系模型的形式與上一代區(qū)劃圖相同，如式（2）：

式中：Y為地震動參數(shù)aE或nE；M為面波震級；R為震中距；A、B、C、D和E為回歸系數(shù)。

注意式（2）是震級分段的，即以震級6.5為界，震級高于6.5和低于6.5的地震，式（2）中的系數(shù)是不同的。雖然衰減關(guān)系模型的形式與上一代區(qū)劃圖相同，但由于采用了震級分段，它與國內(nèi)常用的模型中包含M2項(xiàng)的效果相似，都可較好地反映地震動的大震近場飽和特征。

采用一種新的分步回歸方法對地震動衰減關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（肖亮、俞言祥，2010），并對截尾效應(yīng)進(jìn)行了消除（Chiou & Youngs，2008），得到了參考地區(qū)地震動參數(shù)aE和nE的衰減關(guān)系系數(shù)，分別見表2和表3，式中s為標(biāo)準(zhǔn)差。

表2　aE衰減關(guān)系系數(shù)

表3　nE衰減關(guān)系系數(shù)

表4　中國分區(qū)aE衰減關(guān)系參數(shù)

表5　中國分區(qū)nE衰減關(guān)系參數(shù)

中國分區(qū)地震動參數(shù)衰減關(guān)系

與上一代地震區(qū)劃圖相同，在建立分區(qū)地震動衰減關(guān)系時(shí)，仍然采用了胡聿賢等（1984）提出的轉(zhuǎn)換方法，但轉(zhuǎn)換方法有了改進(jìn)，同時(shí)在轉(zhuǎn)換過程中還加入了我國近年來得到的部分基巖強(qiáng)地震動數(shù)據(jù)，以使結(jié)果更能反映我國各區(qū)域的地震動衰減特征。

利用所建立的參考地區(qū)地震動參數(shù)衰減關(guān)系［式（2）及表2和表3］和我國各分區(qū)地震烈度衰減關(guān)系［式（1）和表1］，以及參考地區(qū)地震烈度衰減關(guān)系（Chandra，1979），采用中線映射原則，可以得到我國分區(qū)的地震動參數(shù)衰減關(guān)系。衰減關(guān)系模型同式（2），建議適用范圍：M=4.5 8.0（中強(qiáng)地震區(qū)M=4.5 7.0），R=0 200 km。在轉(zhuǎn)換過程中，還加入了我國部分地區(qū)的基巖強(qiáng)震動數(shù)據(jù)，包括汶川地震的強(qiáng)震記錄。表4和表5分別是我國各分區(qū)aE和nE的衰減關(guān)系參數(shù)，圖2至圖5分別是4個(gè)分區(qū)的aE衰減關(guān)系曲線。

圖2　東部強(qiáng)震區(qū)aE衰減關(guān)系曲線

圖3　中強(qiáng)地震區(qū)aE衰減關(guān)系曲線

圖4　新疆區(qū)aE衰減關(guān)系曲線

圖5　青藏區(qū)aE衰減關(guān)系曲線

結(jié)語

新一代地震地區(qū)劃圖編制所采用的地震動參數(shù)衰減關(guān)系，是在充分吸收國內(nèi)外地震動衰減關(guān)系的最新研究成果，考慮我國強(qiáng)震動數(shù)據(jù)的實(shí)際情況和工程實(shí)踐，與上一代地震動區(qū)劃圖地震動衰減關(guān)系分區(qū)、模型和技術(shù)方法保持適當(dāng)銜接的基礎(chǔ)上所建立的，具有如下主要特點(diǎn)。

（1）所依據(jù)的基礎(chǔ)資料有了大幅度增加。隨著國內(nèi)外強(qiáng)震臺站數(shù)量的增加，從近年來國際國內(nèi)幾次地震中獲得了大量強(qiáng)震記錄，NGA強(qiáng)震動數(shù)據(jù)庫的使用使數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量均有較大提升，并且高震級和近場強(qiáng)震動數(shù)據(jù)顯著增加，數(shù)據(jù)的震級—距離分布也更加合理。

（2）衰減關(guān)系模型和回歸分析方法有所提高。充分吸收國內(nèi)外地震動衰減關(guān)系最新研究成果和國家科技支撐計(jì)劃課題研究成果，獲得的地震動參數(shù)衰減關(guān)系更加合理地反映了地震動的震級和距離飽和特征。在統(tǒng)計(jì)分析方法上采用了一種新的分步回歸方法，使回歸分析過程更為穩(wěn)定。

（3）地震動衰減關(guān)系分區(qū)更加合理。吸收國際上按地震活動性強(qiáng)弱分區(qū)的最新做法，并參考我國地震烈度分區(qū)特征，細(xì)分了我國地震動衰減關(guān)系分區(qū)。新的分區(qū)使中強(qiáng)地震區(qū)的地震動參數(shù)相比于上一代區(qū)劃圖有了明顯提高，客觀上對新一代區(qū)劃圖中峰值加速度＜0.05 g分區(qū)的消失起到了一定作用。