谷國梁 邱 虎 王曉蕾 李雅靜 趙 穎 張 暉

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天津市及鄰區(qū)地震烈度衰減關(guān)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(yīng)急領(lǐng)域，選用天津市及鄰區(qū)34個震例的72條烈度等震線數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合得到該地區(qū)的地震烈度衰減關(guān)系。依據(jù)橢圓模型的適用性，將震級上限定為6.5級?？紤]到地震應(yīng)急工作需求和鄰區(qū)地震對天津轄區(qū)造成破壞的可能性，以及轄區(qū)內(nèi)有感地震對社會生產(chǎn)、群眾情緒產(chǎn)生的影響，研究將數(shù)據(jù)限定為天津市周邊400km范圍內(nèi)的烈度外包線，震級下限為3.6級。通過與已有衰減關(guān)系對比，本研究結(jié)果對于5級以下地震應(yīng)酌情降低烈度值，對于5級以上地震結(jié)果更合理。

地震應(yīng)急 烈度衰減 天津市地區(qū)

引言

天津市位于華北地區(qū)的東北部，是中國北方經(jīng)濟(jì)中心。有記載以來，天津境內(nèi)曾發(fā)生5.0級以上地震18次，鄰區(qū)強(qiáng)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(nèi)死亡2.4萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)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(jīng)驗告訴我們，地震后快速準(zhǔn)確地判斷地震影響范圍、損失情況，為應(yīng)急決策、物資調(diào)度以及救援工作提供依據(jù)，能夠最大限度地減少地震災(zāi)害造成的人員、財產(chǎn)損失，地震烈度衰減關(guān)系研究是其中一個重要環(huán)節(jié)。烈度衰減規(guī)律是震源特征、場地類型、結(jié)構(gòu)類型、居民點分布等多種因素綜合影響下的表現(xiàn)結(jié)果（田家勇等，2010），具有明顯的區(qū)域性。目前使用的天津市地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)是“十五”期間中國地震局統(tǒng)一安裝部署的，采用該系統(tǒng)部署的地震烈度衰減參數(shù)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(qū)的地震烈度衰減模型必將提高地震災(zāi)害快速評估的準(zhǔn)確性，同時對天津市未來的規(guī)劃和建設(shè)有重要意義。

崔鑫等（2010）以華北地塊為研究區(qū)域，選擇河北省、山東省、山西省、陜西省、寧夏以及內(nèi)蒙古中西部的37個5.0級以上震例擬合得到華北地區(qū)地震烈度衰減關(guān)系。沙海軍等（2004）利用大華北地區(qū)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(qū)的地震烈度衰減關(guān)系，并將其一部分歷史震例選入，這對研究結(jié)果產(chǎn)生一定影響。高娜等（2012）選擇河北區(qū)域內(nèi)的26個震例進(jìn)行地震烈度衰減關(guān)系研究，其未對震級作分檔處理，橢圓模型的局限性會對結(jié)果產(chǎn)生影響?；谏鲜銮闆r，本文利用橢圓模型，選擇天津市及鄰近區(qū)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(guān)系。

1 數(shù)據(jù)選擇與處理

天津轄區(qū)內(nèi)發(fā)生的地震數(shù)量較少，本研究以天津市及鄰區(qū)作為目標(biāo)區(qū)域，在震例分布范圍的選擇上一方面要代表該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)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(jié)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(nèi)的震例作為研究數(shù)據(jù)。由于歷史地震記錄的詳細(xì)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(tǒng)計結(jié)果的可靠性，原則上不宜作為地震烈度衰減關(guān)系的統(tǒng)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(diào)查資料的現(xiàn)代地震。針對天津市的情況，作者認(rèn)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(dǎo)致群眾情緒的不穩(wěn)定、疏散慌亂、停工停產(chǎn)等現(xiàn)象，從而造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。歷史經(jīng)驗顯示3.6級地震的局部烈度可能達(dá)到Ⅴ度，本研究將震例的震級下限擴(kuò)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(shù)據(jù)，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(guān)文獻(xiàn)。在地震烈度衰減關(guān)系的統(tǒng)計中，采用長軸不轉(zhuǎn)向與長軸可轉(zhuǎn)向兩種測量方法得到的數(shù)據(jù)，其擬合結(jié)果差異不大，本研究在量取等震線長、短軸數(shù)據(jù)時，采用了長軸可轉(zhuǎn)向的方法。值得說明的是，由于區(qū)域內(nèi)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(xì)歷史記錄的1945年灤縣地震。

表1 本文選用的等震線數(shù)據(jù) Table 1 The isoseismal lines used in this study

續(xù)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(jīng) 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(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)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(xù)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(jīng) 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(qū)內(nèi)是飽和的，該范圍內(nèi)任意一點具有同一烈度值，為了使衰減曲線達(dá)到這一要求，需要在極震區(qū)內(nèi)增加一些數(shù)據(jù)點，這是近場補(bǔ)點，近場補(bǔ)點僅在震中烈度為Ⅶ度以上和最內(nèi)圈等震線半徑大于5km的情況下進(jìn)行，震中烈度值由本地區(qū)的震級-震中烈度關(guān)系確定（郁曙君，1995）。等震線在遠(yuǎn)場趨于圓形，需要增加遠(yuǎn)場補(bǔ)點達(dá)到這樣的要求，遠(yuǎn)場補(bǔ)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(bǔ)點4個，遠(yuǎn)場補(bǔ)點28個。

2 模型選擇和計算結(jié)果

地震烈度受發(fā)震構(gòu)造、場地等因素影響一般呈現(xiàn)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(shù)，表示震級，是震中距，為回歸分析中表示不確定性的隨機(jī)變量，通常假定為對數(shù)正態(tài)分布，其均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差分別為。0為烈度衰減近場飽和因子，為預(yù)設(shè)常數(shù)。研究地震烈度衰減，應(yīng)用震源距表示衰減的距離因子，但是由于20世紀(jì)60年代以前的地震大多數(shù)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(shù)據(jù)，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(dá)生（1989）研究了不同的預(yù)設(shè)常數(shù)對衰減曲線的影響，得出結(jié)論：隨著選取的0的增大，回歸分析結(jié)果在近場與遠(yuǎn)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(yīng)使震中烈度和震級關(guān)系更接近真實情況；另一種是以烈度標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，得到的結(jié)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(yīng)急指揮系統(tǒng)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(qū)地震烈度衰減關(guān)系如下：

長軸：

短軸：

目前天津市應(yīng)急指揮系統(tǒng)使用的是《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（2001）》中的華北地區(qū)地震烈度衰減關(guān)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(qū)，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(yuǎn)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(dá)到Ⅴ度以上，所以出現(xiàn)“小震重災(zāi)”現(xiàn)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(rèn)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(qū)。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(jìn)行了處理，在工程地震研究中考慮到如果不適當(dāng)?shù)奶岣呖拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，則會加大基礎(chǔ)設(shè)施的投資成本，造成不必要的資源浪費，對于城市的開發(fā)等都有較大的負(fù)面影響（石樹中等，2003），所以要對等震線進(jìn)行處理，但本研究針對地震應(yīng)急領(lǐng)域，烈度等震線勾畫的是各個烈度的外包線，正是地震應(yīng)急用于進(jìn)行震害損失快速評估的數(shù)據(jù)，所以未進(jìn)行處理，造成本研究結(jié)果烈度較高。

本文選擇未列入擬合震例的三個地震進(jìn)行對比，這三個地震發(fā)生在天津市轄區(qū)及臨近區(qū)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(jié)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(jìn)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(jié)果相近，且均偏大。文安地震發(fā)生在2006年，其建筑質(zhì)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(qū)的房屋按Ⅷ度設(shè)防（王紹杰等，1999）得到加固，所以本次地震的極震區(qū)面積較小。本研究模型對于5級以下地震應(yīng)酌情降低烈度值。天津地區(qū)唐山大地震之后的建筑抗震設(shè)計按Ⅷ度設(shè)防設(shè)計，對于漢沽6.2級地震，本模型評估結(jié)果較真實情況略有偏大，但明顯比“十五”模型更為準(zhǔn)確。本研究對5級以上震表現(xiàn)出更好的適用性。在烈度衰減關(guān)系的適用性上應(yīng)考慮建筑物質(zhì)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(xiàn)象。

4 總結(jié)

本文選擇天津市及鄰區(qū)內(nèi)34個震例，利用最小二乘法擬合得到適用于該地區(qū)的地震烈度衰減模型。天津市轄區(qū)面積較小，地震應(yīng)急工作應(yīng)考慮鄰區(qū)的強(qiáng)震可能會對天津市造成影響，本文參考了其他學(xué)者對震級和影響范圍的研究結(jié)果，將震例分布范圍確定在天津市周邊400km內(nèi)，且擬合震例和驗證震例大多位于平原地區(qū)，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(qū)。橢圓模型對有明顯地表破裂的強(qiáng)震已經(jīng)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(wěn)定是保證群眾生命、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，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(yīng)急處理提供合理依據(jù)。本研究目的是提高震后災(zāi)情信息快速評估的準(zhǔn)確度，應(yīng)急領(lǐng)域中使用的地震烈度等震線應(yīng)與地震災(zāi)害現(xiàn)場評估工作中給出的地震烈度等震線盡可能接近，這樣應(yīng)急處理范圍和災(zāi)情評估更為準(zhǔn)確，所以作者認(rèn)為對于應(yīng)急工作中的地震烈度衰減關(guān)系研究，地震等震線數(shù)據(jù)應(yīng)采用外包線數(shù)據(jù)而非處理后平均線數(shù)據(jù)。通過歷史震例和已有模型進(jìn)行對比，在地震應(yīng)急工作中本模型對于5級以下地震應(yīng)適當(dāng)降低烈度值，對5—6.5級地震具有更為合理的計算結(jié)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(rèn)為給出的模型有待進(jìn)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(jīng)不再適用，應(yīng)該與小于6.5級地震分開進(jìn)行處理，具體工作留待以后完成。

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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(qū)地震烈度衰減關(guān)系研究．震災(zāi)防御技術(shù)，11（1）：35—43．

doi：10.11899/zzfy20160104