新一代地震區劃圖地震動參數衰減關系的建立與特點分析

俞言祥

新一代地震區劃圖地震動參數衰減關系的建立與特點分析

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專業博士學位，現為中國地震局地球物理研究所研究員，博士生導師，工程地震學與城市減災研究室主任。國家地震安全性評定委員會委員，新世紀百千萬人才工程國家級人選，享受國務院政府特殊津貼。主要研究方向為地震動衰減關系、長周期地震動特性、近場強地面運動模擬，承擔國家自然科學基金、國家科技支撐計劃項目多項。任全國地震動參數區劃圖編制委員會副主編，在區劃圖編制中負責地震動參數衰減關系建立專題。

本文介紹了GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》編制過程中，通過建立我國分區地震動參數衰減關系時所采用的總體技術思路和技術方法，從基礎資料、衰減關系分區、衰減關系模型、統計分析方法、轉換方法、計算結果等方面與上一代地震動參數區劃圖所建立的地震動參數衰減關系進行了對比，分析了新一代區劃圖地震動衰減關系的主要特點。

總體思路

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

近年來，以美國NGA（Next Generation Attenuation）為代表的地震動衰減關系研究成果（Power et al.，2008）具有較大影響，我國也借助國家科技支撐計劃課題“強震危險區劃關鍵技術研究”的資助，在近場強地震動衰減關系方面取得了重要進展。雖然近年來我國強震觀測數據得到了快速積累，但全國絕大部分地區仍不足以用強震動數據直接統計得到衰減關系。因此，確定了建立地震動衰減關系所遵循的指導原則，即充分吸收國內外地震動衰減關系的最新研究成果，考慮我國強震動數據的實際情況和工程實踐，在與上一代地震區劃圖地震動衰減關系分區、模型和技術方法保持適當銜接的基礎上，建立我國分區地震動參數衰減關系。

在以上原則的指導下，建立地震動參數衰減關系的技術思路與上一代區劃圖基本相同，即在確定我國地震動衰減關系分區的基礎上，建立各分區地震烈度衰減關系；選擇美國西部為參考地區，建立該地區的地震動衰減關系，并選擇合適的參考地區地震烈度衰減關系，采用轉換方法得到我國各分區地震動參數衰減關系，在轉換過程中，還利用了我國部分強震數據加以控制。技術思路如圖1所示。

圖1　總體技術思路

衰減關系分區

與上一代地震區劃圖相比，新一代地震區劃圖對地震動衰減關系分區進行了更詳細的劃分，從原來的東、西兩個分區，進一步按照地震活動特征不同劃分至更小的分區，這主要是因為，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，即東部地區地震烈度衰減較慢，西部地區相對較快，總體上，對于相同震級的地震，東部地區的地震震中烈度相對較高，影響范圍也更大。但是新的研究結果表明，中國東、西部內部的地震動衰減特征差異仍然是不可忽視的。

（1）不同地區地震極震區等震線長、短軸之比的差異。上一代地震區劃圖編制時，曾對中國各地區的地震最內圈等震線的長、短軸比值進行過研究。該研究表明，中國東部地區地震烈度內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）；中國西部地區均值為2.6，其最大比值在云南、四川地區達13.3（四川爐霍7.6級地震），在新疆地區最大為4.3（烏什5.8級地震），有一定區域性差異。

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

（3）非彈性衰減的地區差異性。地震動強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都是相同的，而非彈性衰減則隨地區變化而變化。對于構造穩定的地區，非彈性衰減小，介質品質因子Q值相對較高。根據對全國非彈性衰減橫向變化的研究結果（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造穩定的地臺地區，有較高的Q值，即非彈性衰減較慢，這些地區的地震活動以中強地震為主，而在華北、天山、祁連山及川滇、渤海灣等構造活動地區，有較低的Q值，即非彈性衰減較高，這些地區也是強震多發地區。

（4）國際上地震動衰減關系分區成果的借鑒。目前，國際上傾向于依據區域地震活動特征的不同來劃分地震動衰減關系分區。例如美國新區劃圖編制時，除板塊俯沖帶地區外，將淺源地震影響地區分為以美國西部地區為代表的構造活動地區和以美國中東部地區為代表的構造穩定地區（US Geological Survey，2008），分別建立各自的地震動衰減關系。我們的研究結果（靳超宇、俞言祥，2009）也在一定程度上支持這種分區原則。因此，我們認為在進行地震動衰減關系分區時，也應考慮地震活動水平的區域性。

最終，以地震區或地震帶為基本單元，將我國的地震動衰減關系分區劃分為東部強震區、中強地震區、青藏區和新疆區。

（1）東部強震區：華北地震區（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。

（2）中強地震區：東北地震區、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：新疆地震區除塔里木—阿拉善地震帶的其他區域（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：青藏地震區（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）。

中國分區地震烈度衰減關系

在建立我國分區地震烈度衰減關系時，與上一代區劃圖相比，除分區從2個增加至4個外，地震烈度資料篩選和處理原則、地震烈度衰減模型、統計回歸方法均沒有變化，但地震烈度資料有了較大增加，除繼續使用上一代區劃圖的地震烈度數據外，補充了1991年至2008年期間我國發生的140個地震的等震線資料，共使用了377個4.0級以上地震、973條等震線資料。

地震烈度衰減關系模型采用橢圓模型，表達式為

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。

為了保證烈度衰減關系長短軸在R=0時烈度相等，而中間距離仍保持長短軸烈度的差別，同時在遠場也使等震線成圓形的特征，采取了在遠、近場補點的步驟，即在極震區內不同距離上適當增補一些數據點，使震中區的烈度大致相同，另外，為了體現遠場區發震構造影響消失、衰減形狀趨于圓形的特點，取有感范圍的半徑作為遠場控制點，有感烈度值為Ⅲ—Ⅳ度（汪素云、時振梁，1993）。

在回歸地震烈度衰減關系時，采用橢圓長短軸聯合衰減模型（陳達生、劉漢興，1989），使用最小二乘法進行統計回歸，得到我國各分區地震烈度衰減關系，與式（1）相應的系數見表1。具體方法與步驟可參見（肖亮、俞言祥，2011；盧建旗等，2009）。

表1　地震烈度衰減關系系數

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

地震動參數衰減關系模型及統計分析

與上一代區劃圖相比，強震動數據的處理原則、衰減關系模型沒有變化，但所用強震動數據的數量有了較大增加，強震動數據的篩選對場地條件的要求更加一致，統計回歸方法有了進一步改進，統計結果更好地反映了地震動的大震近場飽和的特點。

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

選取了16個地震在基巖場地的水平方向記錄共268條進行衰減關系的確定。將同一臺站的兩個水平向記錄視為獨立的兩條記錄。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劃分標準，本次工作選取Vs30達500m/s以上的場地，將其視為基巖場地。

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

衰減關系模型的形式與上一代區劃圖相同，如式（2）：

式中：Y為地震動參數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。

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）中的系數是不同的。雖然衰減關系模型的形式與上一代區劃圖相同，但由于采用了震級分段，它與國內常用的模型中包含M2項的效果相似，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系進行統計分析（肖亮、俞言祥，2010），并對截尾效應進行了消除（Chiou & Youngs，2008），得到了參考地區地震動參數aE和nE的衰減關系系數，分別見表2和表3，式中s為標準差。

表2　aE衰減關系系數

表3　nE衰減關系系數

表4　中國分區aE衰減關系參數

表5　中國分區nE衰減關系參數

中國分區地震動參數衰減關系

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

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

圖2　東部強震區aE衰減關系曲線

圖3　中強地震區aE衰減關系曲線

圖4　新疆區aE衰減關系曲線

圖5　青藏區aE衰減關系曲線

結語

新一代地震地區劃圖編制所采用的地震動參數衰減關系，是在充分吸收國內外地震動衰減關系的最新研究成果，考慮我國強震動數據的實際情況和工程實踐，與上一代地震動區劃圖地震動衰減關系分區、模型和技術方法保持適當銜接的基礎上所建立的，具有如下主要特點。

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

（2）衰減關系模型和回歸分析方法有所提高。充分吸收國內外地震動衰減關系最新研究成果和國家科技支撐計劃課題研究成果，獲得的地震動參數衰減關系更加合理地反映了地震動的震級和距離飽和特征。在統計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定。

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