方嘉治,張 穎,汪 逵,董 奕

（福建省地震局,福州 350003）

0前言

地震災(zāi)害是由某一個具體地震引起的,而地震烈度分布圖則是地表上地震災(zāi)害嚴(yán)重程度和致災(zāi)范圍的直觀表達[1]。地震烈度速報系統(tǒng)的研發(fā)和運作理念就是利用潛在災(zāi)害區(qū)范圍內(nèi)一定數(shù)量的地震臺站第一時間接收到的地震波,讀取出可用的地震動參數(shù)值,借助物理對應(yīng)關(guān)系換算成烈度,進而生成烈度分布圖,達到震后信息快速發(fā)布的目的[2]。

目前,世界上已建或在建的地震烈度速報系統(tǒng)中,除日本因其地震臺站密度足夠大、可利用臺網(wǎng)數(shù)據(jù)直接插值生成地表烈度圖外,其它國家或地區(qū)的地震烈度速報系統(tǒng)的工作原理基本都是利用基巖臺（或不同土層臺統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成基巖場）的地震數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化插值,進而通過網(wǎng)格點場地影響校正到地表的方法,生成地表烈度分布圖[2]。

根據(jù)地震烈度速報的工作原理,即利用地面地震動參數(shù)和期望的地震烈度值之間的關(guān)系,借助數(shù)字通信技術(shù)及計算機軟硬件環(huán)境,在地震發(fā)生后及時產(chǎn)出地震影響烈度圖。本文對福建地區(qū)進行網(wǎng)格化,采用設(shè)定地震的方法,借助地震動衰減關(guān)系計算出網(wǎng)格點上的地震動參數(shù)值,利用本地區(qū)已有的場地影響區(qū)劃成果、結(jié)合局部地形的影響修正,得到實際地表網(wǎng)格化的地震動參數(shù)分布結(jié)果,再通過烈度物理指標(biāo)轉(zhuǎn)換成地震烈度,生成地表烈度分布圖。最后與文獻記載的調(diào)查地震烈度圖進行對比。以此驗證地震動場地影響校正在地震烈度速報應(yīng)用中的重要作用。

1 地震動場地影響研究現(xiàn)狀

國外在地震動場地影響方面所做的研究,多數(shù)是采用基巖和土層的地震動衰減關(guān)系計算相應(yīng)的反應(yīng)譜,用土層和基巖加速度峰值的比值作為PGA的放大系數(shù)FPGA,用反應(yīng)譜不同周期段的比值得到短周期放大系數(shù)Fa和中周期放大系數(shù)Fv。最典型的是美國的ShakeMap系統(tǒng)[3]（1994）利用Borcherdt統(tǒng)計得到的短周期段（0.1～0.5 s）和中周期段（0.4～2.0 s）的放大因子,分別用于對PGA和PGV進行場地調(diào)整。

一直以來,我國的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對設(shè)計地震動參數(shù)依據(jù)建筑場地類別不同都采取“只調(diào)整特征周期、不調(diào)整峰值”的作法。針對這種情況,李小軍[4]、呂紅山[5]等人應(yīng)用不同的方法對設(shè)計地震動的場地影響進行了研究,各自提出了針對中國場地分類標(biāo)準(zhǔn)的地震動場地調(diào)整系數(shù)。我國2015年頒布的第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》也提出了針對特征周期和峰值均進行調(diào)整的“雙參數(shù)調(diào)整”方法[6]。

2 設(shè)定地震的場地影響校正模擬

2.1 福建地區(qū)的網(wǎng)格化

震動圖的生成通常借助網(wǎng)格化的方法完成。網(wǎng)格化是在空間建立點、線、面三者有機聯(lián)系的便捷方法。借助地理信息系統(tǒng)平臺,網(wǎng)格區(qū)劃可以達到十分精細的程度,結(jié)合數(shù)據(jù)庫,每個網(wǎng)格點都可以賦予一定的屬性。在地震烈度速報系統(tǒng)中,網(wǎng)格點既是地震動參數(shù)的計算場點,同時也是場地類別信息、場地影響校正因子等數(shù)據(jù)的賦值點。網(wǎng)格化的設(shè)置直接關(guān)系到場地影響區(qū)劃的精度。

基于地震動場地影響校正在烈度速報中的示范應(yīng)用及計算量的考慮,本文以福建地區(qū)為研究區(qū),按照經(jīng)緯度0.1°×0.1°的精度將該區(qū)陸域范圍進行網(wǎng)格化,網(wǎng)格點間距約為10 km,由此共得到1104個網(wǎng)格點（圖1）。

圖1 福建地區(qū)網(wǎng)格化結(jié)果Fig.1 Gridding results in Fujian

每個網(wǎng)格點就相當(dāng)于一臺安裝在基巖場地的“虛擬”地震臺站。文獻[7]將福建地區(qū)以200米等高線為界劃分為沿海區(qū)和山地區(qū),利用DEM數(shù)據(jù)結(jié)合大量實際鉆孔對福建地區(qū)進行工程場地類別劃分和地形坡度識別,同時建立大量土層力學(xué)模型,通過地震反應(yīng)分析分別統(tǒng)計得到福建地區(qū)的場地影響校正因子（表1和表2）。

表1 福建沿海區(qū)峰值加速度放大因子表Table 1 Amplification factor table of peak acceleration in Fujian coastal area

表2 福建山地區(qū)峰值加速度放大因子表Table 2 Amplification factor table of peak acceleration in Fujian mountainous area

2.2 研究區(qū)地形影響分析

圖2 福建地形高程圖Fig.2 Terrain elevation map of Fujian

考慮到局部地形變化對地震動產(chǎn)生的影響,本文收集了福建省地震局于2011年完成的“福建省防震減災(zāi)體系二期工程成果報告”,并從中提取了福建省地形高程圖（圖2）和福建省地形坡度分級圖（圖3）。

圖3 福建地形坡度等級圖Fig.3 Terrain gradient map of Fujian

由圖2、圖3可以看出,福建地區(qū)山地和丘陵占了較大比重,在地震烈度分布上不能忽略局部地形的影響。參照《中國1:100萬地貌制圖規(guī)范》(1987)中地貌類型劃分標(biāo)準(zhǔn)[8],結(jié)合福建省地形地貌實際情況,本文依據(jù)形態(tài)分類法,將福建地區(qū)劃分為五大工程地質(zhì)單元（表3）。

表3 福建地區(qū)工程地質(zhì)單元劃分Table 3 Division of engineering geological units in Fujian province

綜合國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于局部地形對地震動影響的研究成果[9,18],可得出以下一致性的結(jié)論：

(1)山體地形對水平地震運動有顯著放大作用。山體越陡峻,放大倍數(shù)越大；山頂放大效應(yīng)最明顯,山脊次之。

(2)山體地形對地震動的放大作用主要表現(xiàn)在地震動峰值和反應(yīng)譜高頻段。

(3)山腳附近地面地震動放大效應(yīng)一般不大,有時甚至縮小,可不做修正。

(4)凹陷地形對地震動的影響不大。谷底地面對高頻地震動幾乎無放大,甚至略有減?。欢桧斶吘壐浇杂蟹糯?但最大譜比不會超過1.25。

表4 福建地區(qū)地震動局部地形影響因子表Table 4 Local topographic influencing factors table of ground motion in Fujian area

結(jié)合表4和2.1節(jié)中文獻[7]的研究成果,本文將每個網(wǎng)格點與格點所在位置的場地類別區(qū)劃結(jié)果、工程地質(zhì)單元分區(qū)、地形坡度分布一一進行對應(yīng),最后就能得到每個網(wǎng)格點上各自的場地影響因子和地形影響因子數(shù)據(jù)。

(5)隨著山體高度和坡度的變化,山體地形對地震動的放大系數(shù)優(yōu)勢分布應(yīng)在1.1～2.1之間。

基于以上研究結(jié)論,本文認(rèn)為福建地區(qū)平原、臺地、盆地和谷地這三種工程地質(zhì)單元在地形上可不做進一步修正；而丘陵的峰頂絕對海拔高度均低于500 m,其與周邊谷地間的相對高程應(yīng)不超過300 m,對丘陵單元以地形坡度25°為界確定地形影響因子；山地單元的地形影響因子結(jié)合海拔高度和地形坡度因素確定。綜上本文給出了福建地區(qū)地震動的局部地形影響因子表（表4）。

2.3 基巖地震動的獲取

獲取一個具體地震的基巖地震動分布最直接也最接近真實的方法就是讀取基巖臺站接收到的地震數(shù)據(jù),但該方法受到臺站數(shù)量和臺址場地條件的限制。在地震工程研究領(lǐng)域,通常采用衰減關(guān)系模型方法計算得到基巖地震動,借助地理信息系統(tǒng)和計算機軟硬件平臺,該方法可以獲取地震動在空間內(nèi)詳細的分布情況。此外,在臺站空區(qū)的數(shù)據(jù)插值應(yīng)用中,衰減關(guān)系模型也是關(guān)鍵的借助手段。

地震動橢圓衰減關(guān)系的一般形式如下：

式中,Ya和Yb為地震動參數(shù)值,M為震級,Ra和Rb為震中距,C1-C6和D1-D6為回歸系數(shù)。

利用地震動橢圓衰減關(guān)系模型計算場地地震動的過程[19]如下：

對于一個具體的地震,其震中經(jīng)緯度、震級M和方向角θ（橢圓長軸與正東方向的夾角）已知；任一確定的計算場點的經(jīng)緯度也是已知的。取震中為原點,建立以正東、正北方向為X、Y軸的直角坐標(biāo)系。通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換,將X、Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)θ角度,可得到計算場點在以橢圓長短軸為X、Y軸的新的直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（xc、yc）（圖4）。

圖4 橢圓衰減關(guān)系模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of ellipse attenuation relationship model

可得到以下兩個方程：

聯(lián)立兩個方程,借助Excel規(guī)劃求解方法即可求出任一計算場點上的地震動參數(shù)值。

本文采用設(shè)定地震的方法,對地震動場地影響校正在烈度圖生成中進行示范應(yīng)用,并對最后生成的烈度分布圖進行分析。

由于福建地區(qū)缺乏強震觀測記錄,近年來發(fā)生的幾次破壞性地震均為中等強度地震,如2007年3月13日順昌4.7級地震、2008年3月6日古田4.6級地震、2013年9月4日仙游4.8級地震等。這些地震的最大影響烈度僅為Ⅵ度,且分布范圍較小。

經(jīng)過比較,本文依據(jù)歷史地震法選擇1918年2月13日發(fā)生在廣東南澳島東面的7.3級大震作為本文研究的設(shè)定地震,該地震的震中坐標(biāo)和震級參數(shù)直接取自有關(guān)文獻[20]。而地震衰減的長軸方向取用震中所處的濱海斷裂帶南澳海外段的走向角度（表5）。

表5 設(shè)定地震主要參數(shù)Table 5 The main parameters of the scenario earthquake

在地震動衰減關(guān)系上,本文選用俞言祥等人[21]（2006）得到的我國東部地區(qū)基巖PGA衰減關(guān)系研究成果：

沿長軸方向：(σ=0.240)

沿短軸方向：(σ=0.240 )

式中,PGA為基巖地震動峰值加速度；R為震中距、M為震級。

由此,計算得到1918年南澳海外7.3級地震衰減到1104個網(wǎng)格點上的基巖PGA值在6.12～245.19gal間,采用線性插值方法生成基巖PGA分布圖（圖5）。

圖5 基巖PGA分布圖Fig.5 PGA distribution of bedrock

圖6 地表PGA分布圖Fig.6 PGA distribution of the earth's surface

2.4 地震動的場地影響校正

利用場地影響和地形影響校正得到地表地震動的過程可以用以下公式來表述：

其中,AS為地表地震動參數(shù),AG為基巖地震動參數(shù),f代表場地影響因子, 代表地形影響因子。

根據(jù)1104個網(wǎng)格點上各自的基巖PGA值分布區(qū)間,結(jié)合每個網(wǎng)格點上各自的場地影響因子f和地形修正因子 數(shù)據(jù)信息,就可得到實際地表的PGA值,其分布范圍在10.22～367.79 gal之間,插值生成地表PGA分布圖（圖6）。

通過對基巖PGA分布圖和經(jīng)過場地修正后的地表PGA分布圖的對比,可以發(fā)現(xiàn)場地土層和地形對地震動空間分布有明顯的影響。對于不同場地類別上,不同PGA值分檔的分布范圍都有明顯的擴大,地形陡峻的地方比周邊相對平緩的地方的PGA值大,這與已有研究成果是相符合的。

3 烈度分布圖的生成

本文利用《中國地震烈度表（GB/T 17742-2008）》給出的PGA與烈度值間的參考物理關(guān)系[22]：

將網(wǎng)格點上的地表PGA值轉(zhuǎn)化為烈度值,插值后生成Ⅴ度以上的地表烈度分布圖（圖7）。

圖7 烈度分布圖Fig.7 Distribution map of seismic intensity

通過觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)：1918年南澳海外7.3級地震對福建地區(qū)的烈度影響范圍較大,最大影響烈度為Ⅸ度,為漳州的詔安和東山南部以及云霄北部部分地區(qū)；詔安、云霄、東山和漳浦大部分地區(qū)遭受的地震烈度為Ⅷ度；漳州地區(qū)大部、龍巖永定南部地區(qū)遭受的地震烈度Ⅶ度；漳州地區(qū)北部、龍巖大部、泉州地區(qū)遭受的地震烈度為Ⅵ度。此外,各個烈度內(nèi),還分布有面積不等的烈度異常區(qū)域,結(jié)合過程數(shù)據(jù)分析可以初步判定,這主要與該區(qū)域的地勢和地形條件有關(guān)。

4 對比分析

1918年南澳海外7.3級地震是17世紀(jì)以來發(fā)生在我國東南沿海一帶最強烈的地震[23],對福建地區(qū)造成嚴(yán)重的破壞影響,根據(jù)史料記載[20]：“（詔安）民房倒塌3000余間、人員死傷眾多”、“（云霄）各村屋宇有全倒者,尚堪用者不到十分之一,人民死傷甚多”,連遠離震中300公里以外的福州都“個別舊土墻倒塌”。

由于該地震距今時間較短、又發(fā)生于經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū),許多學(xué)者對其開展的研究工作較為充分。文獻[20]根據(jù)歷史記錄資料和現(xiàn)場補充調(diào)查數(shù)據(jù)繪制了該地震的影響等震線圖,本文將該地震對福建地區(qū)的影響烈度分布數(shù)字化后見圖8。

圖8 文獻記載的南澳海外地震烈度等震線Fig.8 The documented isoseismic map of Nan'ao overseas M7.3 Earthquake

該等震線圖勾畫出了Ⅵ度以上影響烈度在福建地區(qū)的分布范圍,其中文獻將Ⅵ度的影響范圍線大部分畫為虛線,意即該圖的Ⅵ度分界線只是大致范圍,具體分界尚不明確。而Ⅶ～Ⅸ度的分界線因為距離震中較近、災(zāi)害數(shù)據(jù)較豐富、現(xiàn)場補充調(diào)查工作也較為集中在該區(qū)域,本文認(rèn)為相對較為可信。

通過觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)：南澳海外7.3級地震對福建的最大影響烈度達到Ⅹ度,影響范圍為詔安南部一小塊區(qū)域。

通過與本文得到的烈度分布圖（圖7）對比發(fā)現(xiàn)：文獻記載的烈度圖中Ⅸ度范圍有所擴大,而Ⅷ度和Ⅶ度的影響范圍有較大的吻合度。

為驗證本文使用地震動場地影響校正得到的烈度分布圖與文獻記載的影響等震線圖的相似程度,本文借助地理信息手段采用“射線比較法”[24]來比較兩張圖件的相似性,該方法的操作步驟如下：

（1）將本文得到的烈度分界線和文獻記載的等震線疊合在同一張圖上。

（2）以地震震中為原點,以正東方向為基準(zhǔn)線,按逆時針方向旋轉(zhuǎn),每間隔5°繪制一條射線,每條射線與以上兩張烈度圖中不同烈度等級的等震線分別有一個交點,記錄下每個交點到震中的距離。此外,射線旋轉(zhuǎn)過程中所掃過的面積,也就是地震烈度的影響范圍。

（3）比較兩套等震線與震中間的距離分布、以及烈度影響面積,分析兩張烈度圖的異同之處。

圖9為射線比較法的示意圖。圖8列出了兩套圖中Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度等烈度線到震中的距離分布。

圖9 射線比較法示意圖Fig.9 Schematic diagram of ray comparison method

圖10 兩種烈度等值線到震中的距離分布比較圖Fig.10 The comparison of the distance between the two intensity isolines and the epicenter

由圖10可以看出：本文得到的烈度圖和文獻記載的烈度圖在Ⅷ度和Ⅶ度分界線的距離分布以及走勢形態(tài)上都較為接近,兩條距離分布曲線與橫坐標(biāo)間所圍成的面積也大致相等；而在Ⅵ度和Ⅸ度分界線上吻合度較差,本文得到的烈度影響面積范圍均比文獻記載的小。

由圖7可以看出,本文得到的烈度圖在Ⅵ度線附近分布有較多的面積較大的烈度異常區(qū),由于本文的網(wǎng)格間距大約為10 km,若網(wǎng)格更精細化,生成的烈度分布圖應(yīng)能更符合實際情況。

5 結(jié)語

本文將福建地區(qū)按照經(jīng)緯度0.1°×0.1°進行網(wǎng)格化,以1918年2月13日南澳海外7.3級地震為設(shè)定地震,選用我國東部地區(qū)基巖峰值加速度衰減關(guān)系,計算了福建地區(qū)的基巖PGA分布,利用該地區(qū)的地震動場地影響和地形影響研究成果,校正到實際地表的PGA分布。通過對比,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮了場地和地形影響之后,PGA的分布范圍有了明顯的變化,分區(qū)邊界線隨著場地類別的不同和地形的變化變得明顯的不規(guī)則,對于不同場地類別,地震動峰值得到了不同程度的放大,對于地形陡峻地帶出現(xiàn)比周邊平緩地帶的PGA值放大更明顯的現(xiàn)象。利用PGA與烈度值間的參考物理關(guān)系生成烈度分布圖,并與文獻記載的烈度等震線圖進行對比,發(fā)現(xiàn)二者在Ⅷ度和Ⅶ度烈度區(qū)的界線形態(tài)和影響范圍都比較接近,而在Ⅵ度和Ⅸ度區(qū)吻合度稍差,這可能與本文的網(wǎng)格化精度有一定的關(guān)系,此外還與歷史地震調(diào)查精度的偏差有關(guān)。