John G Anderson， Glenn P Biasi

(Nevada Seismological Laboratory， University of Nevada， Mail Stop 174，Reno， Nevada 89557 USA)

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什么是概率地震危險性評估的基本假設(shè)？*

John G Anderson， Glenn P Biasi

(Nevada Seismological Laboratory， University of Nevada， Mail Stop 174，Reno， Nevada 89557 USA)

摘要概率地震危險性分析(Probabilistic Seismic Hazard Analysis, PSHA)的目的是表現(xiàn)場點處所有地震動的發(fā)生頻率。 其基本假設(shè)是用真實存在的危險性曲線來表達場點處任一地震動振幅的超越頻率。 在程序上， PSHA依賴于對地震活動與地面運動模型相結(jié)合的完整且準確的描述， 并采用標準概率方法去評估危險性曲線。 改進輸入?yún)?shù)和識別并解決觀測數(shù)據(jù)與估算危險性之間的差異，可以實現(xiàn)對危險性曲線的改進。 然而， 這種差異并不能否定危險性曲線的存在或者用于估算該曲線的概率理論。

Wyss[1]在其文章 “測試概率地震危險性評估的基本假設(shè)： 11次失敗”(Testing the basic assumption for probabilistic seismic hazard sssessment: 11 failures)中指出， 用古登堡-里克特模型(Gutenberg-Richter， 即G-R)對小震發(fā)生率進行外推來估算大震發(fā)生率是不可靠[2]。 這使我們意識到， 在進行概率地震危險性分析時， 這種外推可能會導(dǎo)致對地震危險性的低估。

理論上講， 可以利用目標場地配置的觀測儀器獲得危險性曲線。 由微震和遠震產(chǎn)生的極弱震動每天都會發(fā)生， 弱震動(如， 峰值加速度Y=1 cm/s2)比強震動(如， 峰值加速度Y=100 cm/s2)發(fā)生的更頻繁。 將地震動Yi的觀測目錄排序并繪制曲線， 來計算任意水平Y(jié)被超越的次數(shù)。 然后根據(jù)觀測資料的時間長度將曲線分段， 就會得到實驗階段任一觀測值Y的超越頻率。 這個超越頻率是基于觀測資料γ(Y)的估值。 該過程類似于尋找G-R關(guān)系， 獲得震級M的超越頻率N(M)。

我們堅持認為， 估算危險性曲線的過程是對存在危險性曲線這一基本假設(shè)的有力支撐。 例如， 圖1是由加利福尼亞(California)一個臺站的強震動數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗危險性曲線。 該臺站已經(jīng)運行了很長時間， 而且有多種強震動記錄。

由于PSHA是工程學(xué)的一個工具， 且小震一般不會毀壞工程結(jié)構(gòu)， 因此， 對現(xiàn)代建筑物關(guān)系最大的危險性曲線通常只涉及MW≥5.0地震產(chǎn)生的地震動。 通過對觀測資料的篩選， 很容易在上述實驗中考慮這個條件。

(1)

圖1用3種方法估算的埃爾森特羅(ElCentro)臺陣9強震儀的危險性曲線。 工程強震動數(shù)據(jù)中心(CenterforEngineeringStrongMotionData)的資料顯示， 該臺站至少在1934年就開始運行了。 表1列出了該臺站的加速度記錄， 這些記錄包含在NGA-West2Flatfile中， 它們是經(jīng)驗曲線的基礎(chǔ)。 因為經(jīng)驗危險性曲線假設(shè)所有的重要地震都被記錄， 因此， 我們也采用了Milne和Davenport的方法[19]， 并使用了Abrahamson等[6](ASK14)的地震動預(yù)測方程(GMPE)評估每次地震對場點產(chǎn)生的峰值加速度。 其中， 地震目錄使用距離場點300km范圍內(nèi)Mw≥5且去除余震的地震目錄(美國地質(zhì)調(diào)查局)。 對場點有地震動貢獻的地震越多， 就越突出了獲得一個完整經(jīng)驗振動記錄的困難。 第3種方法采用根據(jù)VS30調(diào)整的2014年美國地質(zhì)調(diào)查局的國家地震災(zāi)害模型[20]。 考慮到時間間隔較短， 3種方法得到的危險性曲線不可能相同。 年超越頻率約為4×10-4(約為2500年一次)的水平線即為應(yīng)用于美國普通建筑物抗震設(shè)計的危險性圖中的發(fā)生頻率等值線。 該值遠低于實驗測量的能力， 因此， 美國地質(zhì)調(diào)查局采用的年超越頻率是公式(1)的估值

表1　埃爾森特羅臺陣9強震動記錄(來自NGA-West 2 Flatfile數(shù)據(jù)庫)

*PGA為峰值地面加速度

(2)

有些地區(qū)， 如美國東部和加拿大的大部分地區(qū)， 無法識別活動斷裂， 無法區(qū)分大地形變速率與零等值線， 沒有發(fā)現(xiàn)古地震標志(如， 古液化)， 而且也不知道控制地震發(fā)生率的過程[38-39]。 如果可用來評估地震活動性n(M,x)的資料只有歷史地震和儀器記錄的地震， 那么估算罕見破壞性地震發(fā)生率的唯一方法就是外推法。 而在其他地方， 如果存在形變率或者其他地質(zhì)學(xué)的約束條件， PSHA就應(yīng)該考慮這些資料。

為了使生成的地震子目錄的個數(shù)具有統(tǒng)計上的獨立性， 許多PSHA程序進行了余震的刪除。 事實上， 余震的刪除只是一個小細節(jié)， 不會影響危險性曲線的存在。

無論是對局部還是對系統(tǒng)的誤差識別， 都是改進地震危險性分析的必要部分。 但是， 盡管一些已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)PSHA的研究在很大程度上遭到批判， 認為其所依賴的震源模型和地震動預(yù)測方程是不適當?shù)模?但是， 這些研究并不能否定作為PSHA基本假設(shè)的危險性曲線的存在及其作用。

數(shù)據(jù)來源： NGA-West 2 Flatfile 中強震動參數(shù)來自太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center， PEER， http:∥peer.berkeley.edu/ngawest/nga_models.html， 2015年12月最后一次訪問)。 使用Milne和Davenport方法計算美國西部危險性曲線的去除余震的地震目錄來自美國地質(zhì)調(diào)查局(U.S. Geological Survey， USGS)的名為2014_wmm.c4的地震目錄(http:∥earthquake.usgs.gov/hazards/products/conterminous/， 2015年12月最后一次訪問)。 圖1展示的美國地質(zhì)調(diào)查局的危險性曲線中使用的數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局地震危險性項目(USGS Earthquake Hazards Program， http:∥earthquake.usgs.gov/hazards/products/conterminous/2014/data/， 2015年12月最后一次訪問)。

文獻來源： John G Anderson， Glenn P Biasi. What is the basic assumption for probabilistic seismic hazard assessment?. Seismol. Res. Lett.， 2016， 87(2A)： 323-326

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所劉靜偉譯)

(譯者電子信箱， 劉靜偉： ljingwei@163.com)

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* 收稿日期：2016-04-14； 采用日期： 2016-05-25。

中圖分類號：P315.9；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.006