喻畑 崔建文 李小軍 楊黎薇

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京市德外西三旗 100085

2)云南省地震局，昆明 650224

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

地震動衰減關(guān)系是地震區(qū)劃和地震危險性分析確定工程設(shè)計地震動參數(shù)的重要基礎(chǔ)。對于強震記錄較多的地區(qū)，一般采用強震動觀測記錄直接統(tǒng)計獲取地震動衰減關(guān)系。對于強震記錄較少的地區(qū)，一般基于目標(biāo)區(qū)域的地震構(gòu)造、地質(zhì)與地形地貌環(huán)境、地震動資料及地震烈度資料等，通過轉(zhuǎn)換或修正參考區(qū)域的地震動衰減關(guān)系獲得。我國由于強震觀測起步較晚，取得的對工程結(jié)構(gòu)有影響的強震記錄有限，無法直接統(tǒng)計衰減關(guān)系。因此，我國現(xiàn)有的衰減關(guān)系大部分都是基于烈度資料轉(zhuǎn)換而得(霍俊榮等，1992;汪素云等，2000;俞言祥等，2006)。這些研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我國工程地震領(lǐng)域，滿足了國家經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展的需要。但是，這些衰減關(guān)系提出于10多年前，主要存在以下不足。第一，烈度是一個宏觀參數(shù)，它不僅與地面運動強度有關(guān)，還與目標(biāo)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口密度、結(jié)構(gòu)抗震性能等有關(guān)。因此，基于烈度資料的轉(zhuǎn)換方法對地震動參數(shù)的估計精度有限(李小軍等，2005;陶夏新等，2010)。第二，頻譜是地震動的主要特征量，綜合描述地震動強度的地震烈度難以表述地震動的頻譜分布特征，不能全面地描述地震動特征。“十五”期間建成的中國數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)為獲取高質(zhì)量的強震動記錄提供了機會。自2007年臺網(wǎng)試運行以來，我國地震記錄逐漸豐富，基于數(shù)字地震記錄的統(tǒng)計分析已成為我國地震動衰減關(guān)系研究的主要方向(崔建文等，2006;雷建成等，2007;盧大偉等，2010;喻畑等，2011)。例如：康蘭池等(2009)利用四川寬頻帶速度記錄得到了四川地區(qū)中小震地震動峰值加速度和峰值速度衰減規(guī)律;王玉石等(2013)等基于川滇地區(qū)強震動記錄得到了川滇地區(qū)水平向地震動峰值加速度及反應(yīng)譜衰減規(guī)律。受限于我國強震臺網(wǎng)中基巖臺站比例較小，基巖場地強震記錄更少，基于數(shù)字強震記錄獲取的地震動衰減關(guān)系均包含了場地效應(yīng)，基巖地震動衰減關(guān)系成果較少。

川滇地區(qū)位于青藏高原東南緣、南北地震帶的中南段，新構(gòu)造變形十分強烈，是我國地震活動最強烈的地區(qū)之一。自2007年中國數(shù)字強震動觀測臺網(wǎng)試運行以來，川滇地區(qū)相繼發(fā)生了2008年汶川8.0級大地震及其強余震、2009年云南姚安6.0級地震、2011年盈江5.9級地震、2012年彝良6.1級地震等一系列中強震以及大量的小地震，獲取了大量的數(shù)字強震動記錄，其中少量的基巖臺站記錄了數(shù)字強震記錄。這些數(shù)字強震記錄為建立更可靠的川滇地區(qū)的地震動衰減關(guān)系提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文擬利用川滇地區(qū)2007年以來發(fā)生的24個中小震(4.7≤MS≤6.7)共計332條強震記錄(其中，基巖場地36條)分別研究川滇地區(qū)基巖場地和土層場地的水平向地震動峰值及加速度反應(yīng)譜衰減規(guī)律。為了盡量減少余震的強震記錄對地震動衰減關(guān)系的影響，本研究中對四川地區(qū)沒有采用汶川余震強震記錄，僅采用2008年攀枝花6.1級地震及其強余震的強震動數(shù)據(jù)。

1 基礎(chǔ)資料

本文采用的24個地震序列見表1。從表1可以看出，地震序列中包含了主震及其強余震，例如2007年寧洱6.7級地震以及其4.9級余震，2008年攀枝花6.1級地震及其5.8級余震等;同時也有包含前震的地震序列，例如2008年盈江4.9級地震之后又發(fā)生的5.3和6.1級地震。從表1可以看出，地震序列最大震級MS6.7，最小震級MS4.8，其中4.7～4.9級地震5個，5.0～5.9級15個，6.0級以上4個。

本文采用的地震記錄共332條，其中36條基巖場地記錄分布于14個基巖場地臺站。圖1和圖2給出了基巖場地記錄和土層場地記錄的震級-震中距分布圖。從圖1、2可以看出，基巖場地記錄大部分分布于震中距75km以內(nèi);大部分強震記錄均產(chǎn)生于5.7級以下的地震。

圖1 基巖場地記錄震級-震中距分布

圖2 土層場地記錄震級-震中距分布

表1 本文分析所用的地震序列

2 強地震動參數(shù)以及衰減關(guān)系式

為了研究川滇地區(qū)中小震水平向地震動峰值及加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系，本文采用的衰減關(guān)系為(王國新，2001)

式中，Y為地震動參數(shù)兩個水平向分量的合成矢量模，地震動參數(shù)包括PGA、PGV以及不同周期對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜;R為震中距;C1、C2、C4、C5、R0為回歸系數(shù);R0為近場飽和因子，其取值對近場地震動衰減關(guān)系影響顯著。本文采用兩步法進(jìn)行回歸：首先對每個地震進(jìn)行回歸處理，假設(shè)回歸值為R0，發(fā)現(xiàn)R0均很小到幾乎為0時擬合方差最小。為了更好地估計近場的結(jié)果，參考NGA模型(Abrahamson et al，2008)對R0的取值，本文設(shè)定R0=5km;第二步回歸C1、C2和C4，方差最小者的回歸系數(shù)為最終結(jié)果。

3 統(tǒng)計結(jié)果

利用36條基巖場地強震動記錄和296條土層場地強震動記錄回歸得到基巖與土層場地上的PGA、PGV以及加速度反應(yīng)譜的衰減關(guān)系式(1)的回歸系數(shù)(表2)。為了驗證結(jié)果的可靠性，將獲取的地震動衰減關(guān)系與俞言祥的的西部基巖水平向地震動衰減關(guān)系(俞言祥，2006)(長軸定義模型Ⅰ，短軸定義模型Ⅱ)進(jìn)行了對比。圖3～6分別比較了震級檔為5.0、5.5、6.0、6.5時震中距分別為10km、50km、100km及200km時的加速度反應(yīng)譜。從圖3～6可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)本文的基巖場地地震動衰減關(guān)系與模型Ⅱ在5.0、5.5以及6.0震級檔的高頻部分(3Hz以上)比較接近，對長周期地震動的估計前者要小于后者。在6.5震級檔，前者要整體小于后者。從圖1可以看出，本文的基巖場地數(shù)據(jù)點主要分布在5.0以及5.5震級檔，這說明在5.0以及5.5級震級檔模型II高估了3Hz以下的地震動。而在高震級檔，因數(shù)據(jù)稀少而導(dǎo)致本文結(jié)果的可靠性不高。

(2)本文土層場地地震動衰減曲線與模型Ⅱ整體上非常接近，但在中遠(yuǎn)場長周期反應(yīng)譜估計時前者高于后者。這主要是由于距離的增加導(dǎo)致地震動長周期成分增加，土層的放大作用明顯。

(3)本文土層場地地震動衰減曲線與基巖地震動衰減曲線在高頻段非常接近，在0.8s附近土層的放大作用明顯。隨著距離的增加，土層場地的反應(yīng)譜特征周期增加，譜形狀變寬。

表2 川滇地區(qū)水平向地震動峰值及加速度反應(yīng)譜(ζ=0.05)衰減系數(shù)

圖3 本文結(jié)果與俞言祥等(2006)結(jié)果對比(MS=5)

圖4 本文結(jié)果與俞言祥等(2006)結(jié)果對比(MS=5.5)

圖5 本文結(jié)果與俞言祥等(2006)結(jié)果對比(MS=6.0)

圖6 本文結(jié)果與俞言祥等(2006)結(jié)果對比(MS=6.5)

為了檢驗本文回歸得到的衰減關(guān)系的適用性，圖7～9分別展示了基巖場地和土層場地類型地震動衰減模型對強震動數(shù)據(jù)的PGA、Sa(t=0.3s)以及Sa(t=1.0s)估計的殘差隨震中距的分布情況。從圖中可以看出：對于基巖場地和土層場地，近場小于20km范圍內(nèi)的強震動數(shù)據(jù)較少，模型估計精度差，在此范圍內(nèi)模型的估計偏大。土層場地的強震動數(shù)據(jù)較多，模型整體上對強震動數(shù)據(jù)擬合良好，沒有出現(xiàn)明顯的與距離相關(guān)的系統(tǒng)誤差。結(jié)合圖1和2的強震動數(shù)據(jù)震級-震中距分布情況，考慮到樣本特征對參數(shù)回歸的影響，本文得到的地震動衰減關(guān)系適用范圍為：震級區(qū)間為4.7～6.0，距離范圍為20km～200km。

圖7 本文衰減關(guān)系模型PGA殘差隨震中距的分布

圖8 本文衰減關(guān)系模型Sa(T=0.3s)殘差隨震中距的分布

4 與其它地震動衰減關(guān)系的對比

川滇地區(qū)地震頻繁、地震資料豐富，一直是我國地震動衰減關(guān)系研究的熱點地區(qū)，衰減關(guān)系模型較多?？紤]到本文結(jié)果的適用震級范圍，圖10展示了川滇地區(qū)基巖場地地震動衰減關(guān)系對5.5級地震產(chǎn)生的地震動參數(shù)的估計結(jié)果對比。從圖中可以看出，本文結(jié)果和康蘭池等(2009)給出的衰減趨勢一致，但本文結(jié)果約為康蘭池等(2009)結(jié)果的50%。且本文結(jié)果與雷建成等(2007)的結(jié)果相比，地震動隨距離衰減較慢。這些差異可能是由于分析方法不同以及地震動地區(qū)差異性造成的。本文結(jié)果主要是基于云南省的強震記錄直接獲取的，康蘭池等(2009)的結(jié)果是基于四川地區(qū)寬頻帶速度記錄轉(zhuǎn)換加速度時程計算反應(yīng)譜再進(jìn)行回歸分析而取得的，雷建成等(2007)是基于烈度轉(zhuǎn)換方法得到的地震動衰減關(guān)系。圖11展示了川滇地區(qū)土層場地地震動衰減關(guān)系對5.5級地震產(chǎn)生的PGA估計結(jié)果對比。其中，王玉石等(2013)的結(jié)果主要是基于汶川地震主震及其強余震的強震動數(shù)據(jù)回歸分析;崔建文等(2006)的結(jié)果主要采用的是2001年以前的模擬式記錄回歸分析。從圖中可以看出，本文結(jié)果與王玉石等(2013)的結(jié)果衰減趨勢一致，但整體上小50%，這種差異與本文基巖結(jié)果中與康蘭池等(2009)的結(jié)果差異一致。這可能是川滇兩省的地震動差異造成的。本文結(jié)果在近場與崔建文等(2006)結(jié)果一致，對于遠(yuǎn)場而言則本文的結(jié)果要大于后者。

圖9 本文衰減關(guān)系模型Sa(T=1.0s)的殘差隨震中距的分布

圖10 基巖地震動衰減關(guān)系對5.5級地震地震動參數(shù)估計結(jié)果對比

5 結(jié)論

圖11 各種土層地震動衰減關(guān)系對5.5級地震地震動參數(shù)估計結(jié)果對比

本文基于川滇地區(qū)中小震強震記錄，用統(tǒng)計分析方法得到了川滇地區(qū)中小震基巖場地和土層場地峰值加速度、峰值速度以及加速度反應(yīng)譜的衰減關(guān)系。通過與俞言祥等(2006)結(jié)果的對比，驗證了模型的合理性。同時，通過與川滇地區(qū)已有的地震動衰減關(guān)系的對比分析，研究了本文結(jié)果的適用性。由于分析所用的強震動數(shù)據(jù)的分布有缺陷，本文得到的基巖場地地震動衰減關(guān)系對于中小震的中遠(yuǎn)場地震動的估計比較可靠，但對大震以及小震的近場地震動估計可靠性不高;本文得到的土層場地地震動衰減關(guān)系對于中遠(yuǎn)場地震動估計可靠，但對于中近場地震動估計的可靠性需要進(jìn)一步資料的佐證。