黃 亭 紀(jì)志偉 陳學(xué)良 吳 清 高孟潭 李宗超

（中國地震局地球物理研究所, 北京 100081）

引言

近40 年來，美國地質(zhì)調(diào)查局開展的國家地震災(zāi)害模型項目以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)開發(fā)了美國地震危險圖、模型和數(shù)據(jù)，其中考慮了未來地震可能發(fā)生的位置、頻率和地震動強度等因素。1976 年，美國地質(zhì)調(diào)查局出版了美國第一張地震區(qū)劃圖 （Algermissen 等，1976）；1990 年，美國地質(zhì)調(diào)查局對該區(qū)劃圖進行了更新（Algermissen 等，1990）；1996 年以后，美國地質(zhì)調(diào)查局約每隔6 年會更新一版地震區(qū)劃圖，目前已更新至第5 版 （Frankel 等，1996，2002b；Petersen 等，2008，2014，2020）。這些地震區(qū)劃圖為建筑規(guī)范中使用的地震動參數(shù)提供了依據(jù)，同時也為美國抗震設(shè)防和地震危險性分析提供了堅實的保障。

2018 版《美國地震危險性圖》（以下簡稱“2018 版美國區(qū)劃圖”）的編制以2014 版《美國地震危險性圖》（以下簡稱“2014 版美國區(qū)劃圖”）的數(shù)據(jù)和方法為基礎(chǔ)，納入了2 組31 個新的美國中部和東部地區(qū)地震動模型。此外，對于美國西部地區(qū)，通過調(diào)整地震動模型考慮了盆地效應(yīng)項。該圖依然采用50 年超越概率2%、5%和10%的概率水準(zhǔn)，但反應(yīng)譜周期和場地類別數(shù)量均有所增加。2014 版美國區(qū)劃圖可以計算美國東部和中部地區(qū)7 個反應(yīng)譜周期和2 個場地類別及美國西部地區(qū)11 個反應(yīng)譜周期和8 個場地類別的概率地震危險性曲線，生成美國地震區(qū)劃圖。2018 版美國區(qū)劃圖將美國大陸的反應(yīng)譜周期擴展到22 個反應(yīng)譜周期 （PGA、0.01、0.02、0.03、0.05、0.075、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5、2、3、4、5、7.5、10 s），場地類別擴展到 8 類 （30 m 深度范圍等效剪切波速Vs30為1 500 m/s （A 類）、1 080 m/s （B 類）、760 m/s （BC 類）、530 m/s （C 類）、365 m/s （CD 類）、260 m/s （D 類）、185 m/s （DE 類）、150 m/s（E 類））。

下一代美國中部和東部項目（Next Generation Attenuation-East，NGA-East）為震級較大的地震建立了模擬數(shù)據(jù)庫，建模人員利用數(shù)據(jù)庫對地震動模型進行更新或開發(fā)。NGA-East 團隊對新的模型進行調(diào)整（PEER，2015），使其適用于22 個反應(yīng)譜周期和8 個場地類別。最終得到的美國中部和東部地區(qū)地震動模型包括NGA-East 地震動模型（以下稱“A-GMMs”）和調(diào)整的地震動模型 （以下稱“B-GMMs”）。美國西部地震動模型依然采用2014 版美國區(qū)劃圖使用的模型。由于長周期地震動的作用，美國西部使用了包括盆地效應(yīng)項的地震動模型，但AB08 模型（Atkinson 等，2008）和I14 模型（Idriss，2014）無法考慮長周期地震動的深部盆地效應(yīng)，2018 版美國區(qū)劃圖刪除了這2 個模型，最終在美國西部使用ASK14（Abrahamson 等，2014）、BSSA14（Boore 等，2014）、CB14（Chiou 等，2014）和CY14（Campbell 等，2014）模型考慮盆地效應(yīng)，并建立了長周期地震動的盆地放大系數(shù)與深度的關(guān)系。

本文在文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，對2018 版美國區(qū)劃圖場地效應(yīng)模型及盆地效應(yīng)模型進行論述?；谄鋰H化的防災(zāi)理念，借鑒其先進的技術(shù)方法和科學(xué)數(shù)據(jù)，引發(fā)對我國新一代地震區(qū)劃圖的思考，以期為我國防震減災(zāi)工作提供一定參考。

1 場地效應(yīng)模型

1.1 美國中部和東部地區(qū)地震動模型

地震動模型（GMMs）是描述地震動強度概率分布的模型，可估計某一地震的平均地震動及其不確定性。在多反應(yīng)譜周期點和廣泛的場地適用范圍條件下確定地震動模型的一致性更困難，因此2018 版美國區(qū)劃圖為計算整個美國地區(qū)多反應(yīng)譜周期和場地類別的概率地震危險性曲線，對基礎(chǔ)地震動模型進行了重大更改，生成了全新的美國中部和東部地區(qū)地震動模型（Goulet 等，2018）。新的地震動模型是基于場地條件Vs30=3 000 m/s 的加速度反應(yīng)譜（阻尼比5%）。其中，傅里葉頻譜高頻衰減系數(shù)K=0.006 s，矩震級（以下稱“震級”）為4.0～8.0 級，震中距（以下稱“距離”）為0～1 500 km，反應(yīng)譜周期為0.01～10 s。該模型有2 組共31 個地震動模型，第1 組17 個模型使用了A-GMMs，第2 組14 個模型使用了B-GMMs。上述2 組模型適用于美國中部和東部地區(qū)22 個反應(yīng)譜周期和8 類場地，開發(fā)人員對2 組地震動模型建立了邏輯樹，AGMMs 權(quán)重分布與周期有關(guān)，且每個模型的相對權(quán)重考慮了地震動模型的連續(xù)分布，占總權(quán)重的2/3；BGMMs 權(quán)重主要根據(jù)模型種類和幾何擴展特性確定，占總權(quán)重的1/3。

2018 版美國中部和東部地區(qū)地震動模型與2014 版地震動模型相比，地震動中位數(shù)（以下稱“地震動中值”）的加權(quán)平均值發(fā)生了顯著變化，該值在中等距離至遠(yuǎn)距離處增大，在短距離處略有減小。與2014 版地震動模型和B-GMMs 相比，A-GMMs 在遠(yuǎn)距離、大震級處的地震動中值更大（Petersen 等，2021），這可能與其權(quán)重更高，距離超過60 km 時地震動參數(shù)衰減較慢有關(guān)。

1.2 美國中部和東部地區(qū)場地放大效應(yīng)

局部場地條件對地震波的傳播、地震災(zāi)害程度的分布均有明顯影響。2014 版美國區(qū)劃圖僅支持場地條件Vs30=760 m/s 的危險性計算，NGA-East 結(jié)果也僅適用于場地條件Vs30=3 000 m/s 的情況。為降低局部場地條件的影響，2018 版美國區(qū)劃圖以Vs30為參數(shù)，基于Stewart 等（2020）的線性模型和Hashash 等（2020）的非線性模型建立了場地效應(yīng)模型。新的模型將NGA-East 硬基巖場地轉(zhuǎn)化為堅硬基巖場地，再轉(zhuǎn)化為Vs30為200～2 000 m/s 的特定場地，最終模型包括梯度模型和強阻抗模型（Stewart 等，2020），權(quán)重分別為0.23 和0.77。其中，梯度模型是更漸變的場地剖面，強阻抗模型是具有明顯速度對比的剖面，這2 個模型反映了對美國中部和東部地區(qū)場地測量時Vs30=760 m/s 左右的土層剖面的差異。

Petersen 等（2020）對比了2018 版與2014 版美國區(qū)劃圖在Vs30=760 m/s 的硬基巖場地效應(yīng)模型放大系數(shù)（Frankel 等，1996；Atkinson 等，2011），如圖1（a）所示。由圖1（a）可知，當(dāng)周期＞0.3 s 時，2018版美國區(qū)劃圖模型放大系數(shù)較低；模型變化引起的整體變化小，且場地放大系數(shù)多小于1，這可能與對場地土層敏感的梯度模型權(quán)重分配過高有關(guān)。2018 版美國區(qū)劃圖場地效應(yīng)模型線性、非線性和總放大系數(shù)在場地條件Vs30分別為2 000、260 m/s 時的對比結(jié)果分別如圖1（b）、圖1（c）所示。由圖1（b）、圖1（c）可知，同一場地條件下，線性放大系數(shù)大于或等于總放大系數(shù)，且土層越軟二者差異越明顯；隨著場地土層變硬（Vs30逐漸增大），線性和總放大系數(shù)逐漸擬合，非線性放大系數(shù)逐漸增至1。

圖1 場地放大系數(shù)分布情況（Petersen 等，2020）Fig.1 Distribution of site magnification factors （Petersen et al., 2020）

為更直觀地反映場地類別對地震動的影響，Rezaeian 等（2021）使用距離為50 km 的7 級地震反應(yīng)譜，對比參考場地條件Vs30為3 000、1 080 、760 、365 、260 、185 、150 m/s 時7 類場地地震動中值的加權(quán)平均值，如圖2 所示?？傮w而言，因存在淺土層和硬巖上的巖石風(fēng)化等強阻抗現(xiàn)象，所有場地類別的反應(yīng)譜均在周期0.1 s 處達到峰值。周期相同時，場地條件Vs30=3 000 m/s 的反應(yīng)譜較其他土層場地的反應(yīng)譜小。不同場地類別的反應(yīng)譜分布不均勻，短周期內(nèi)場地條件Vs30=760 m/s 對反應(yīng)譜的放大更顯著；而在0.2 s 及更長周期內(nèi)，場地條件Vs30為365、260 m/s 時對反應(yīng)譜的放大更明顯，這可能是由軟土層的非線性效應(yīng)所致。

圖2 不同模型、不同場地類別條件下地震動中值加權(quán)平均值分布情況（Rezaeian 等, 2021）Fig.2 Comparison of the 2018 GMM medians at original models and smoothed models, a range of site classes （Rezaeian et al.,2021）

2 盆地效應(yīng)模型

2.1 美國西部地區(qū)地震動模型

2018 版和2014 版美國區(qū)劃圖在美國西部地區(qū)使用了相同的地震動模型（Shumway 等，2018），但不包括2014 版美國區(qū)劃圖中Atkinson 等（2008）的俯沖地震動模型 （簡稱“AB08”）以及Idriss（2014） 的NGA-West2 地殼地震動模型 （簡稱“I14”），因為這2 個模型不支持2018 版美國區(qū)劃圖要求的更廣泛周期范圍（0.01～10 s）和更寬泛場地條件（Vs30為150～1 500 m/s）。最終，2018 版美國區(qū)劃圖使用了4 種地殼地震動模型 （ASK14、BSSA14、CY14、CB14 模型）考慮盆地效應(yīng)，它們的權(quán)重均為1/4。

2.2 美國西部地區(qū)深部沉積盆地效應(yīng)

在美國西部地區(qū)地震危險性計算中，2014 版美國區(qū)劃圖以Vs30場地條件代表盆地深度，未直接考慮盆地深度項，這使其在某些區(qū)域的適用性較差。研究發(fā)現(xiàn)，軟土場地的長周期地震動對盆地深度敏感，盆地效應(yīng)可使地震動放大1 倍以上（Hartzell 等，1997；Frankel 等，2002a），這一結(jié)論與軟巖場地和短周期條件下盆地效應(yīng)可忽略不計的理論相悖。因此，為估計盆地結(jié)構(gòu)中地震動的盆地放大效應(yīng)（Frankel 等，2002a，2018；Stephenson 等，2006；Aagaard 等，2008；Graves 等，2011；Moschetti 等，2017），2018 版美國區(qū)劃圖在美國西部覆蓋沉積層較厚的洛杉磯、舊金山、鹽湖城和西雅圖首次采用了空間變化的盆地深度數(shù)據(jù)。

為充分考慮盆地結(jié)構(gòu)對長周期地震動（周期T≥1 s）的影響，美國地質(zhì)勘探局（USGS）對美國西部地區(qū)4 個地震動模型的盆地效應(yīng)項進行了改進，改進后的模型（以下稱“USGS 地震動模型”）使用深度參數(shù)Z1.0（剪切波速為1.0 km/s 時的深度）或Z2.5（剪切波速為2.5 km/s 時的深度）解釋盆地效應(yīng)。但美國西部地區(qū)地震動模型中無深度參數(shù)Z1.0或Z2.5，使用時需要合并地震動模型中的盆地系數(shù)，進而對這2 個深度參數(shù)進行調(diào)整（Campbell 等，2014）。最終，ASK14、BSSA14 和CY14 模型使用深度參數(shù)Z1.0，CB14 模型使用深度參數(shù)Z2.5。地震動模型的盆地效應(yīng)項用包含Vs30和盆地深度（Z1.0或Z2.5）的函數(shù)表示，當(dāng)盆地深度未知時，用場地條件（Vs30的函數(shù)，不包括Z1.0或Z2.5）表示平均盆地效應(yīng)項；當(dāng)盆地深度已知時，盆地效應(yīng)項是對Vs30默認(rèn)場地的調(diào)整。

厚覆蓋層場地的盆地放大作用一直存在，在淺層區(qū)域，地震波受到了約束，是否在所有深度范圍內(nèi)應(yīng)用盆地效應(yīng)還有待進一步研究。盆地放大系數(shù)是美國西部地區(qū)4 個地震動模型與Vs30基礎(chǔ)模型的地震動比值，其中，Vs30基礎(chǔ)模型為不包含盆地效應(yīng)項的地震動模型。當(dāng)盆地放大系數(shù)為1 時，各類場地條件下對應(yīng)的盆地深度稱為默認(rèn)盆地深度（以下稱“默認(rèn)值”）。當(dāng)盆地深度較默認(rèn)值小時，美國西部地區(qū)4 個地震動模型盆地放大系數(shù)通常較Vs30標(biāo)準(zhǔn)模型小。因此，2018 版美國區(qū)劃圖對盆地效應(yīng)項中的深盆地進行了劃分。對于CB14 模型，當(dāng)盆地深度為1.0～3.0 km 時，深盆地近似為Z2.5≥3.0 km；對于ASK14、BSSA14 和CY14模型，當(dāng)線性深度為0.3～0.5 km 時，深盆地近似為Z1.0≥0.5 km。在此基礎(chǔ)上，對于Z2.5＜1.0 km 或Z1.0＜0.5 km的淺盆地區(qū)域及深盆地之外的區(qū)域，使用基于Vs30的默認(rèn)盆地效應(yīng)，從而在盆地和周圍區(qū)域之間提供平滑過渡。

在給定Vs30條件下，美國西部地區(qū)4 個地震動模型和USGS 地震動模型在5 s 反應(yīng)譜周期處的盆地放大系數(shù)隨深度變化趨勢如圖3 所示（Powers 等，2021）。由圖3 可知，BSSA14 模型和CY14 模型均在短周期內(nèi)抑制了盆地效應(yīng)，USGS 地震動模型周期依賴性與它們一致?；赯1.0的模型相較Vs30基礎(chǔ)模型是放大還是縮小地震動取決于盆地深度相對于默認(rèn)值的大小，如果盆地深度等于基于Vs30的默認(rèn)值，則盆地放大系數(shù)為1；如果盆地深度較基于Vs30的默認(rèn)值大，則盆地放大系數(shù)＞1；如果盆地深度較基于Vs30的默認(rèn)值小，則盆地放大系數(shù)＜1。CB14 模型使用固定深度縮放Vs30基礎(chǔ)模型，默認(rèn)場地條件下可能存在盆地放大或縮小地震動，盆地效應(yīng)不完全取決于Vs30。當(dāng)Z2.5為1～3 km 時，盆地放大系數(shù)固定為1；當(dāng)盆地深度較默認(rèn)值小時，盆地效應(yīng)項通常較Vs30基礎(chǔ)模型地震動小。

圖3 NGA-West2 的4 個地震動模型在T=5 s 時盆地效應(yīng)系數(shù)與盆地深度的關(guān)系（Powers 等，2021）Fig.3 The relationship between basin effect coefficient and basin depth at T=5 s for the four ground motion models of NGA-West2（Powers et al., 2021）

2 類場地和3 個盆地深度組合如表1 所示，不同組合下美國西部地區(qū)4 個地震動模型和USGS 地震動模型反應(yīng)譜對比結(jié)果如圖4、圖5 所示（Powers 等，2021），其中，場地類型包括BC 類和DE 類，盆地按深度劃分為默認(rèn)盆地（深度對應(yīng)于基于Vs30的默認(rèn)值）、淺盆地（深度小于基于Vs30的默認(rèn)值）和深盆地（深度大于基于Vs30的默認(rèn)值），反應(yīng)譜對應(yīng)的震級為7 級，距離為10 km。DE 類場地產(chǎn)生了明顯的盆地效應(yīng)，BC 類場地盆地效應(yīng)相對較小，可見場地類別對盆地效應(yīng)的影響不容忽視。由圖4（a）、圖5（a）可知，在3 個盆地深度下，BSSA14 模型和CY14 模型短周期地震動相同，盆地效應(yīng)對短周期地震動放大作用并不明顯。由圖4（b）、圖5（b）可知，在BC 類和DE 類場地中，USGS 地震動模型在默認(rèn)盆地和淺盆地條件下生成的地震動相同，而在深盆地條件下，地震動的長周期部分會被放大。

表1 場地類別和盆地深度組合（Powers 等，2021）Table 1 Site class and basin-depth combinations for plots （ Powers et al., 2021）

圖4 原始發(fā)布和 2018 年美國地質(zhì)勘探局修改后實施的地震動模型在不同盆地深度條件下對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜中值對比結(jié)果（Powers 等，2021）Fig.4 The models as published and the 2018 USGS implementation of the median spectral acceleration at different basin depth conditions（Powers et al., 2021）

圖5 原始發(fā)布和 2018 年美國地質(zhì)勘探局修改后實施的地震動模型在不同盆地深度條件下對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜中值對比結(jié)果（Powers 等，2021）Fig.5 The models as published and the 2018 USGS implementation of the median spectral acceleration at different basin depth conditions （Powers et al., 2021）

3 基于美國地震區(qū)劃圖對我國地震區(qū)劃圖的思考

我國地震區(qū)劃圖的地震危險性分析方法同美國一致，均使用概率地震危險性分析方法，但由于我國和美國建筑抗震設(shè)計理念與方法存在差異，如美國地震區(qū)劃圖通過對場地條件的精細(xì)化劃分，在部分高地震危險性地區(qū)采用概率地震危險性分析方法和設(shè)定地震方法，在地震區(qū)劃圖編制過程中更先進、充分和客觀，值得我國借鑒。

3.1 基于場地效應(yīng)的思考

我國GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）中場地分類依據(jù)的指標(biāo)、土層計算深度、基巖定義等與美國區(qū)劃圖不同。我國基于場地覆蓋土層等效剪切波速Vse和場地覆蓋層厚度對場地類別進行劃分，將場地劃分為4 類。其中，Vse計算深度取地表以下20 m 深度和覆蓋土層厚度中的較小值；場地覆蓋層厚度一般取為地面至剪切波速＞500 m/s 且其下層各巖土剪切波速均≥500 m/s 的土層頂面的距離。美國主要以地表以下30 m 深度內(nèi)土層平均剪切波速Vs30作為劃分場地類別的依據(jù)，當(dāng)缺乏剪切波速資料時，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和不排水抗剪強度進行場地類別劃分，最終將場地劃分為8 類。顯然，相對于我國基于場地類別和土體非線性對場地效應(yīng)影響的考慮，美國基于線性模型和非線性模型建立場地放大模型，更全面地考慮了場地效應(yīng)。周健等（2021）建立了我國和美國場地類別的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明，美國規(guī)范對場地的劃分種類更多、范圍更精細(xì)，對基巖規(guī)定的參數(shù)值更大。

綜上所述，我國地震區(qū)劃圖場地效應(yīng)研究可在以下方面向美國區(qū)劃圖借鑒學(xué)習(xí)：①基于我國現(xiàn)有強震記錄獲取相應(yīng)的詳細(xì)場地條件資料，對場地劃分和場地效應(yīng)的考慮進行深入系統(tǒng)的研究。進一步更加細(xì)致地考慮軟弱土層的影響，對場地的劃分范圍適當(dāng)縮小，實施精細(xì)劃分。②考慮場地效應(yīng)影響因素時，除考慮場地類別和土體非線性外，可將土體線性和非線性的影響進行綜合考慮。③我國規(guī)范中覆蓋層厚度和Vse“取小”原則對場地分類結(jié)果的影響較大，可將場地類別計算深度由20 m 延伸至30 m，在全國范圍內(nèi)建立平均剪切波速Vs20和Vs30轉(zhuǎn)換公式，以便利用美國最新強震記錄對中國場地分類進行場地反應(yīng)譜的研究。

3.2 基于沉積盆地效應(yīng)的思考

我國GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中僅考慮了局部場地淺層巖土層對地震動的放大效應(yīng)，由于缺乏精細(xì)化數(shù)據(jù)等原因，我國五代圖未明確考慮盆地效應(yīng)對長周期地震動的影響。但我國多座城市（北京、成都、西安等）位于松軟沉積層厚的盆地中，城市中的超高層及大跨度空間建筑、橋梁等大型長周期結(jié)構(gòu)日益增多，其地震安全性亟待關(guān)注。

受現(xiàn)有數(shù)據(jù)適用范圍的限制，我國關(guān)于盆地效應(yīng)模型的研究不夠完善。美國已開展大量三維盆地研究工作，并將其運用到最新版本的地震區(qū)劃圖中。因此，我國可在盆地結(jié)構(gòu)中開展一系列精細(xì)探測工作，為我國下一代區(qū)劃圖考慮沉積盆地對長周期地震動放大效應(yīng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；?018 版美國區(qū)劃圖盆地效應(yīng)模型，可建立一系列適合我國盆地的三維剪切波速模型，用于預(yù)測未來地震作用下場地的地震動，為坐落在盆地上的城市防震減災(zāi)及地震危險性分析提供依據(jù)，為城市高層及超高層建筑抗震性能研究提供更準(zhǔn)確的地震動參數(shù)。

4 結(jié)論

通過研究，本文得出以下結(jié)論：

（1）2018 版美國區(qū)劃圖納入了新的地震動模型和場地放大系數(shù)，新的地震動模型適用于更新后的22 個反應(yīng)譜周期和8 類場地條件。但新的模型和場地放大系數(shù)僅適用于美國中部和東部地區(qū)。關(guān)于A-GMMs 在大震級遠(yuǎn)震中地震動中值較大和認(rèn)知不確定性較高的問題，可能需進行更多的研究予以解釋。

（2）2018 版美國區(qū)劃圖首次考慮盆地效應(yīng)，但盆地效應(yīng)模型僅適用于美國西部4 個城市的長周期地震動，適用范圍較小，未來美國區(qū)劃圖可能將考慮美國西部其他地區(qū)的沉積盆地。在改進對軟土場地條件下長周期地震動的估計方面，美國還需要做更多的研究工作。

（3）我國新一代地震動區(qū)劃圖可以考慮借鑒2018 版美國區(qū)劃圖盆地效應(yīng)模型，建立一系列適合我國盆地的三維剪切波速模型，用于預(yù)測未來地震作用下場地的地震動，為坐落在盆地上的城市防震減災(zāi)及地震危險性分析提供依據(jù)。