天津市及鄰區地震烈度衰減關系研究[1]

谷國梁 邱 虎 王曉蕾 李雅靜 趙 穎 張 暉

?

天津市及鄰區地震烈度衰減關系研究[1]

谷國梁 邱 虎 王曉蕾 李雅靜 趙 穎 張 暉

（天津市地震局，天津 300201）

本研究立足于地震應急領域，選用天津市及鄰區34個震例的72條烈度等震線數據，利用最小二乘法擬合得到該地區的地震烈度衰減關系。依據橢圓模型的適用性，將震級上限定為6.5級。考慮到地震應急工作需求和鄰區地震對天津轄區造成破壞的可能性，以及轄區內有感地震對社會生產、群眾情緒產生的影響，研究將數據限定為天津市周邊400km范圍內的烈度外包線，震級下限為3.6級。通過與已有衰減關系對比，本研究結果對于5級以下地震應酌情降低烈度值，對于5級以上地震結果更合理。

地震應急 烈度衰減 天津市地區

引言

天津市位于華北地區的東北部，是中國北方經濟中心。有記載以來，天津境內曾發生5.0級以上地震18次，鄰區強震波及天津并造成破壞的有6次，其中唐山地震造成天津市境內死亡2.4萬人，直接經濟損失達50多億元，從而使天津成為新中國唯一遭受過Ⅷ度地震烈度破壞的省會級城市（陳宇坤等，2013）。歷史經驗告訴我們，地震后快速準確地判斷地震影響范圍、損失情況，為應急決策、物資調度以及救援工作提供依據，能夠最大限度地減少地震災害造成的人員、財產損失，地震烈度衰減關系研究是其中一個重要環節。烈度衰減規律是震源特征、場地類型、結構類型、居民點分布等多種因素綜合影響下的表現結果（田家勇等，2010），具有明顯的區域性。目前使用的天津市地震應急指揮系統是“十五”期間中國地震局統一安裝部署的，采用該系統部署的地震烈度衰減參數計算出的烈度影響場與歷史地震有一定的偏差。因此，研究適用于天津及周邊地區的地震烈度衰減模型必將提高地震災害快速評估的準確性，同時對天津市未來的規劃和建設有重要意義。

崔鑫等（2010）以華北地塊為研究區域，選擇河北省、山東省、山西省、陜西省、寧夏以及內蒙古中西部的37個5.0級以上震例擬合得到華北地區地震烈度衰減關系。沙海軍等（2004）利用大華北地區的48次4.7級以上地震，使用限定模型回歸得到了華北地區的地震烈度衰減關系，并將其一部分歷史震例選入，這對研究結果產生一定影響。高娜等（2012）選擇河北區域內的26個震例進行地震烈度衰減關系研究，其未對震級作分檔處理，橢圓模型的局限性會對結果產生影響。基于上述情況，本文利用橢圓模型，選擇天津市及鄰近區域6.5級以下地震的等震線資料擬合得到地震烈度衰減關系。

1 數據選擇與處理

天津轄區內發生的地震數量較少，本研究以天津市及鄰區作為目標區域，在震例分布范圍的選擇上一方面要代表該區域的地質構造和場地條件，另一方面參考了汪素云等（1993）對震級和影響范圍的研究結果，6.5級地震的影響范圍接近400km，所以主要選擇了天津市周邊400km范圍內的震例作為研究數據。由于歷史地震記錄的詳細程度不一致，且震級一般是通過等烈度線來確定的，從而降低了統計結果的可靠性，原則上不宜作為地震烈度衰減關系的統計資料（石樹中等，2003）。本研究震例盡量選擇、獨立測定，既有儀器測定又有宏觀地震烈度調查資料的現代地震。針對天津市的情況，作者認為對于特大城市，不僅破壞性地震會造成重大損失，有感地震也會導致群眾情緒的不穩定、疏散慌亂、停工停產等現象，從而造成人員傷亡和財產損失。歷史經驗顯示3.6級地震的局部烈度可能達到Ⅴ度，本研究將震例的震級下限擴展到3.6級，提升了模型對有感地震的適用性。

本文選擇了1945—1999年之間有烈度記錄的34個震例，震中分布如圖1所示，共72條等震線數據，如表1所示。資料來源于《中國震例》(張肇成等，1988a；1988b；1988c；1999a；1999b；陳棋福等，2002a；2002b)、《中國地震考察》（國家地震局地球物理研究所，1990）、《中國近代地震目錄（公元1912—1990年，S≥4.7）》（中國地震局震害防御司，1999）等相關文獻。在地震烈度衰減關系的統計中，采用長軸不轉向與長軸可轉向兩種測量方法得到的數據，其擬合結果差異不大，本研究在量取等震線長、短軸數據時，采用了長軸可轉向的方法。值得說明的是，由于區域內6—6.5級地震震例較少，所以在震例中增加了具有較為詳細歷史記錄的1945年灤縣地震。

表1 本文選用的等震線數據 Table 1 The isoseismal lines used in this study

續表

編號日期（年.月.日）震中位置地名震級/MS烈度/I長半軸/km短半軸/km 北緯 東經 71967.07.2840.55°，115.75°河北懷來東北5.4ⅣⅤⅥ74.438.914.753.622.73.8 81967.12.0337.72°，115.22°河北束鹿5.7ⅥⅦ168125 91968.04.0236.20°，115.20°大名-冠縣4.2Ⅴ2718 101970.08.1035.70°，116.88°曲阜4.6ⅣⅤⅥ1136523653311 111970.12.1236.75°，115.75°臨清3.8ⅣⅤ155144 121973.12.3138.40°，116.80°河北河間5.3ⅤⅥ46.517.54210 131981.08.1340.50°，113.43°內蒙古豐鎮東5.8ⅥⅦ201112.54.5 141981.11.0937.40°，114.97°河北隆堯5.8Ⅵ93.7 151981.12.2335.28°，115.42°菏澤4.1ⅤⅥ216154 161982.10.1939.96°，118.98°河北盧龍4.9Ⅵ3.03.0 171983.04.0340.84°，114.78°萬全3.8ⅣⅤⅥ32117.02294 181983.11.0735.28°，115.28°菏澤5.9ⅣⅤⅥⅦ272136681222080246 191985.06.2535.72°，117.67°新泰3.6ⅣⅤ3311217 201985.11.3037.18°，114.60°河北任縣4.6Ⅴ4.74.2 211987.03.2138.34°，114.32°靈壽3.9Ⅴ9.04.0 221988.07.2340.12°，113.99°陽原4.3Ⅵ5.04.0 231989.10.1939.93°，113.85°大同-高陽6.1ⅤⅥⅦⅧ3294.90.82564.30.5 241990.07.2140.65°，115.87°赤城南4.5ⅣⅤ42222911 251990.07.2339.84°，118.58°灤縣3.9Ⅵ5.03.0 261991.01.2938.47°，112.53°山西忻州5.1ⅣⅤ815583.3 271991.03.2639.97°,113.85°大同-高陽5.8ⅤⅥⅦ226.92.311.53.61.0

續表

編號日期（年.月.日）震中位置地名震級/MS烈度/I長半軸/km短半軸/km 北緯 東經 281991.05.3039.68°,118.27°河北唐山5.1ⅥⅦ82.57.51 291995.10.0639.67°,118.33°唐山5.0Ⅵ31.6 301996.12.1640.17°,116.50°北京順義4.5Ⅴ3.71.9 311999.09.2240.09°,116.55°昌平4.2ⅣⅤ278196 321999.11.139.92°,113.98°大同-高陽5.6ⅤⅥⅦ3011.34.8305.82.1 331998.01.1041.10°,114.30°河北張北6.2ⅥⅦⅧ22.713.89.118.411.07.9 341999.03.1141.15°, 114.38°河北張北5.5ⅥⅦ41.430.7

表2 地震震級和烈度分布 Table 2 Classification of maginitude and intensity in this study

通常情況下，烈度在極震區內是飽和的，該范圍內任意一點具有同一烈度值，為了使衰減曲線達到這一要求，需要在極震區內增加一些數據點，這是近場補點，近場補點僅在震中烈度為Ⅶ度以上和最內圈等震線半徑大于5km的情況下進行，震中烈度值由本地區的震級-震中烈度關系確定（郁曙君，1995）。等震線在遠場趨于圓形，需要增加遠場補點達到這樣的要求，遠場補點取有感范圍的半徑和有感烈度值（汪素云等，1993）。本研究增加近場補點4個，遠場補點28個。

2 模型選擇和計算結果

地震烈度受發震構造、場地等因素影響一般呈現橢圓或近橢圓形，本文采用的是最常用的橢圓烈度衰減模型：

其中，表示烈度，均為回歸系數，表示震級，是震中距，為回歸分析中表示不確定性的隨機變量，通常假定為對數正態分布，其均值為0，標準差分別為。0為烈度衰減近場飽和因子，為預設常數。研究地震烈度衰減，應用震源距表示衰減的距離因子，但是由于20世紀60年代以前的地震大多數沒有儀器測量深度資料（李世成等，2003）。選用的震例中僅一半有震源深度數據，已有的震源深度范圍為5—30km，故本研究采用震中距作為距離因子。

0的取值原則，目前主要有兩種：一種是陳達生（1989）研究了不同的預設常數對衰減曲線的影響，得出結論：隨著選取的0的增大，回歸分析結果在近場與遠場的烈度值逐漸減小，而在中場的烈度值逐漸增大，反之相反，建議0取值應使震中烈度和震級關系更接近真實情況；另一種是以烈度標準差最小為原則取值，該方法較為常用。本文的取值原則是兼顧兩者，選取的0使最小，同時盡量滿足震中烈度與震級關系，保持近場長軸烈度始終大于短軸烈度，使模型更加合理。

對表1中的等震線數據進行最小二乘擬合，得到的結果為：

長軸：

短軸：

3 與已有衰減模型比較

圖2是本研究的模型與“十五”期間部署的天津市地震應急指揮系統中的地震烈度衰減模型以及高娜等（2012）的研究模型在長軸方向的對比，分別選取了4、5、6級地震。

高娜等（2012）的河北地區地震烈度衰減關系如下：

長軸：

短軸：

目前天津市應急指揮系統使用的是《中國地震動參數區劃圖（2001）》中的華北地區地震烈度衰減關系（盧建旗等，2009）：

長軸：

短軸：

由圖2可見，與“十五”模型對比，本研究模型的各級地震衰減曲線隨震中距的增大衰減較慢，主要是由于所選震例大部分位于京津冀地區，有較深沉積層。對于6級地震，本研究模型在近場的烈度值相對較低。就5級地震而言，兩個模型的衰減曲線十分接近，本研究曲線在近場和遠場略高。4級地震，本研究模型較高，一是因為震例中4級左右地震的震源深度大部分位于5—15km之間，屬淺源地震，震中烈度較大。二是震例選擇時考慮到其震中烈度達到Ⅴ度以上，所以出現“小震重災”現象，使得本研究模型在小震的烈度值相對較高。

與高娜等（2012）的模型相比，曲線的衰減趨勢基本一致，分析認為，這是由于選擇的震例有一部分相同，同處于沉積層較厚的河北平原地區。6級地震的曲線兩個模型比較接近。4、5級地震本文烈度衰減曲線相對較高，分析原因，高娜在研究過程中參考了工程地震研究地震動衰減的方法（俞言祥等，2004），對等震線資料進行了處理，在工程地震研究中考慮到如果不適當的提高抗震設防標準，則會加大基礎設施的投資成本，造成不必要的資源浪費，對于城市的開發等都有較大的負面影響（石樹中等，2003），所以要對等震線進行處理，但本研究針對地震應急領域，烈度等震線勾畫的是各個烈度的外包線，正是地震應急用于進行震害損失快速評估的數據，所以未進行處理，造成本研究結果烈度較高。

本文選擇未列入擬合震例的三個地震進行對比，這三個地震發生在天津市轄區及臨近區域，分別是2006年文安5.1級地震、1998年古冶4.7級地震和1977年漢沽6.2級地震，計算結果如表3。

表3 震例長短軸半徑對比 Table 3 Comparison of the radius of long and short axis

利用本研究模型和“十五”模型對檢驗震例進行計算（表3）。對于5級以下地震，本研究模型曲線較高。文安5.1級地震和古冶4.7級地震，兩個模型計算結果相近，且均偏大。文安地震發生在2006年，其建筑質量抗震性能總體得到提高，使地震的宏觀烈度降低。古冶地震震中一帶的建筑大部分建于1979—1986年，1976年唐山大地震后該地區的房屋按Ⅷ度設防（王紹杰等，1999）得到加固，所以本次地震的極震區面積較小。本研究模型對于5級以下地震應酌情降低烈度值。天津地區唐山大地震之后的建筑抗震設計按Ⅷ度設防設計，對于漢沽6.2級地震，本模型評估結果較真實情況略有偏大，但明顯比“十五”模型更為準確。本研究對5級以上震表現出更好的適用性。在烈度衰減關系的適用性上應考慮建筑物質量對宏觀烈度的影響，建筑抗震能力的提高減輕了宏觀震害現象。

4 總結

本文選擇天津市及鄰區內34個震例，利用最小二乘法擬合得到適用于該地區的地震烈度衰減模型。天津市轄區面積較小，地震應急工作應考慮鄰區的強震可能會對天津市造成影響，本文參考了其他學者對震級和影響范圍的研究結果，將震例分布范圍確定在天津市周邊400km內，且擬合震例和驗證震例大多位于平原地區，有較深的沉積層，本模型的適用范圍為天津市及周邊400km的平原地區。橢圓模型對有明顯地表破裂的強震已經不再適用，因此適用震級的上限定為6.5級。同時也考慮了對于天津這類特大城市，社會穩定是保證群眾生命、經濟發展的基礎，將震例的下限降到3.6級，一方面豐富了震例，另一方面為有感地震的應急處理提供合理依據。本研究目的是提高震后災情信息快速評估的準確度，應急領域中使用的地震烈度等震線應與地震災害現場評估工作中給出的地震烈度等震線盡可能接近，這樣應急處理范圍和災情評估更為準確，所以作者認為對于應急工作中的地震烈度衰減關系研究，地震等震線數據應采用外包線數據而非處理后平均線數據。通過歷史震例和已有模型進行對比，在地震應急工作中本模型對于5級以下地震應適當降低烈度值，對5—6.5級地震具有更為合理的計算結果。

本研究選取的地震震級分布在3.6—6.5級之間，所以作者認為給出的模型有待進行完善。主要從兩個方面，一是豐富震例，使各個震級段的震例分布更為均勻；二是對于6.5級以上的地震，橢圓模型已經不再適用，應該與小于6.5級地震分開進行處理，具體工作留待以后完成。

陳達升，劉漢興，1989．地震烈度橢圓衰減關系．華北地震科學，7（3）：31—42．

陳棋福，鄭大林，劉桂萍等，2002a．中國震例（1995—1996）．北京：地震出版社．

陳棋福，鄭大林，高榮勝等，2002b．中國震例（1997—1999）．北京：地震出版社．

陳宇坤，趙國敏等，2013．天津市活動斷層探測與地震危險性評價．北京：科學出版社．

崔鑫，苗慶杰等，2010．華北地區地震烈度衰減模型的建立．華北地震科學，28（2）：18—21．

高娜，賈君鵬等，2012．地震災害評估軟件烈度衰減系數研究．華北地震科學，30（1）：6—11．

國家地震局地球物理研究所，1990．中國地震考察．北京：地震出版社．

李世成，崔建文等，2003．云南地區地震烈度衰減特征研究．中國地震，19（3）：287—294．

盧建旗，李山有等，2009．中強地震活動區地震動衰減關系確定．世界地震工程，25（4）：33—43．

石樹中，沈建文，2003．上海及鄰近地區地震烈度衰減規律研究．防災減災工程學報，23（1）：50—54．

沙海軍，呂悅軍等，2004．地震烈度橢圓衰減的限定模型及其華北地區的應用．防災減災工程學報，24（1）：28—36．

田家勇，蘭曉雯，謝周敏等，2010．地形對地震烈度衰減的影響．震災防御技術，5（3）：281—287．

汪素云，時振梁，1993．國家地震局震害防御司編．中國地震區劃文集．北京：地震出版社，179—184．

王紹杰，蘇幼坡．1999．古冶4.7級地震多層磚房的震害分析．工程抗震，3：43—45．

郁曙君，1995．中國東部平原和西北部地區烈度衰減關系的研究．地震學報，17（2）：203—211．

俞言祥，汪素云，2004．青藏高原東北地區水平向基巖加速度峰值與反映普衰減關系．地震學報，26（6）：597—600．

張肇成，羅蘭格，李海華等，1988a．中國震例（1966—1975）．北京：地震出版社．

張肇成，羅蘭格，李海華等，1988b．中國震例（1976—1980）．北京：地震出版社．

張肇成，羅蘭格，李海華等，1988c．中國震例（1981—1985）．北京：地震出版社．

張肇成，鄭大林，徐京華等，1999a．中國震例（1986—1988）．北京：地震出版社．

張肇成，鄭大林，徐京華等，1999b．中國震例（1989—1991）．北京：地震出版社．

中國地震局震害防御司，1999．中國近代地震目錄（公元1912年—1990年S≥4.7）．北京：中國科學技術出版社．

Attenuation Relationship of Seismic Intensity in Tianjin City and Its Adjacent areas

Gu Guoliang, Qiu Hu, Wang Xiaolei, Li Yajing, Zhao Ying and Zhanghui

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China)

By using least square method, we achieve the attenuation relationship of seismic intensity in Tianjin city and its adjacent areas with 72 isoseismal lines from 34 earthquakes. According to applicability of the elliptical model, the upper limit of magnitude is 6.5. In the consideration of practical application in earthquake emergency management, the damage caused by the earthquake in adjacent areas and the social production and populace mood from felt earthquakes, the data range in this study distributes in a 400 km radius around Tianjin city, with the lower limit of magnitude of 3.6. In contrast to pre-existing attenuation relationships of seismic intensity, it proves that our result will reduce the intensity of earthquakes of magnitude 5 or lower and is more reasonable at the earthquakes of magnitude 5 or over.

Earthquake emergency; Intensity attenuation; Tianjin city

谷國梁，邱虎，王曉蕾，李雅靜，趙穎，張暉，2016．天津市及鄰區地震烈度衰減關系研究．震災防御技術，11（1）：35—43．

doi：10.11899/zzfy20160104