Shakemap場地校正方法及其在云南地震動強度和烈度速報中的應(yīng)用*

張彥琪，范柱國，陳坤華，崔建文，李世成，冉 華

0 引言

當(dāng)一個破壞性地震發(fā)生后，政府部門急需要了解哪個地區(qū)地震動最強烈，破壞最嚴(yán)重，從而按照災(zāi)情程度合理分配救災(zāi)資源，提高救災(zāi)效率，最大限度減少災(zāi)害損失 (倪四道，2008)。

為了深入貫徹以人為本、執(zhí)政為民的理念，2010年的全國防震減災(zāi)會議將烈度速報工作確定為未來及今后一段時間內(nèi)的重點工作之一，之后召開的“全國地震烈度速報及預(yù)警技術(shù)專題研討會議”提出，把中強以上地震，尤其是特別大震巨災(zāi)的烈度速報作為重點問題?！笆濉逼陂g，國家將在國內(nèi)建設(shè)烈度速報和預(yù)警系統(tǒng) (王暾等，2011)。

目前國際上的烈度速報模式主要有日本模式和美國模式兩種。由于日本地震多，加之經(jīng)濟實力雄厚，利用密集型的烈度計臺網(wǎng)，在破壞性地震發(fā)生后的短時間內(nèi)直接產(chǎn)出地震動強度和烈度分布等圖件。美國國土面積大，地震沒有日本那么頻繁，也沒有日本那樣密度的強震臺網(wǎng)，因此美國大量采用了計算機模擬技術(shù)，在臺距較大的臺網(wǎng)內(nèi)內(nèi)插虛擬臺站以增加數(shù)據(jù)量，對通過一定衰減關(guān)系計算得到的虛擬臺站的理論基巖地震動參數(shù)值，根據(jù)場地條件將其校正到地表，得到地表土層的地震動參數(shù)值，從而獲得較能真實反映災(zāi)區(qū)地面運動的地震動強度和烈度分布情況。

云南地區(qū)強震臺網(wǎng)的臺站數(shù)量不多、分布比較稀疏，和美國的情況相類似。鑒于此，云南地區(qū)可以基于本土的臺網(wǎng)，以監(jiān)控系統(tǒng)的強震動觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以美國模式Shakemap(震動圖軟件)為模版，開展地震動強度和烈度分布的烈度速報工作。

如何考慮目標(biāo)區(qū)的場地影響，即不同場地條件對地震動的放大作用，這是開展本項工作需要解決的一個重要問題。為此，筆者首先分析了Shakemap場地校正方法及其要點，并在云南地區(qū)選擇典型區(qū)域?qū)hakemap場地校正方法進行實際運用;通過與實際場地情況的對比探討了局部場地條件對地震動的影響，對基于強震動臺網(wǎng)的云南地震動強度和烈度速報場地影響校正提出建議。

1 Shakemap場地校正方法研究

1.1 Shakemap現(xiàn)狀

日本地震學(xué)家金森博雄 (Kanamori)最早提出了震動圖的概念 (陳會忠等，2009)。震動圖描述地震發(fā)生后地震動的地理分布圖形，即顯示的是地震產(chǎn)生的地面運動和可能的烈度破壞情況，主要包括峰值地面加速度圖 (Peak Ground Acceleration，PGA)、峰值地面速度圖 (Peak Ground Velocity，PGV)和儀器烈度值 (Imm)分布圖等(澤仁志瑪?shù)龋?006)。

Shakemap是對地震產(chǎn)生的地震動的一種圖形表示，最早由Wald構(gòu)思，是美國USGS在國家基金會的資助下于20世紀(jì)80年代開發(fā)，由Wald等人完成，并在1996年率先成功用于加州地震實時強震臺網(wǎng)，目前仍在不斷升級完善中 (Wald et al，2006)。美國USGS于2006年開始對全球發(fā)生的大地震進行烈度速報。

1.2 場地校正

(1)場地條件分類指標(biāo)

Borcher(1994)研究表明，土層對基巖地震動的反應(yīng)譜放大系數(shù)與地下30 m深度的土層平均剪切波速 ()成比例關(guān)系。

美國NEHRP(National Earthquake Hazards Reduction Program)規(guī)范中，用地下30 m深度的土層平均剪切波速 (0S)作為場地條件的分類的量化指標(biāo) (Building Seismic Safety Council，2004)。

(2)校正方法

眾多研究者利用地表地質(zhì)、Vs與土層物理性質(zhì) (年齡、顆粒大小、深度等)的關(guān)系將V30S指定給研究區(qū)內(nèi)相應(yīng)的地質(zhì)單元，然后根據(jù)地表地質(zhì)情況外推各個地質(zhì)單元的剪切波速值，進而得到場地條件分類 (陳鯤等，2010)。該項操作需要事先掌握詳細的地表淺層物質(zhì)信息，因此實際不好操作。

Wald和Allen(2007)研究表明，地貌指標(biāo)、地形坡度、高程與具有較好的相關(guān)性，其中，地形坡度與的相關(guān)性更好。這樣，以地形坡度作為指標(biāo)而生成的場地條件圖和其它直接獲取的圖形相比相關(guān)性更好。因此，以地形坡度為指標(biāo)生成場地條件圖是簡單的行之有效的方法。而此項研究是基于假設(shè)地表地質(zhì)狀況與地形具有相似性為前提的。

以地表地質(zhì)狀況與地形坡度的相似性為原則，以地形坡度作為全球任一場點的場地條件分類指標(biāo)，利用地下30 m深度的平均剪切波速 ()與地形坡度的相關(guān)性關(guān)系，使用經(jīng)過坡度計算的地形數(shù)據(jù)，得到各個場點近似的值，再用量化同時依賴于幅值和頻率的場地放大系數(shù)。將由此建立的場地放大系數(shù)運用到Shakemap(圖1)，校正通過一定衰減關(guān)系計算得到的目標(biāo)區(qū)虛擬臺站的理論基巖地震動參數(shù)值，從而獲得地表土層的地震動參數(shù)分布。

圖1 考慮場地影響的Shakemap計算流程圖Fig.1 Shakemap calculation flow considering site influence

表1 坡度范圍與NEHRP、NEHRP場地分類的關(guān)系Tab.1 The relationship between slope range and NEHRP 、NEHRP site classification

表1 坡度范圍與NEHRP、NEHRP場地分類的關(guān)系Tab.1 The relationship between slope range and NEHRP 、NEHRP site classification

場地分類V30坡度范圍/m活動構(gòu)造區(qū) 穩(wěn)定地塊區(qū)E ＜180 ＜1×10－4 ＜ 2×10 S范圍/m·s－1－5 D 180～240 240～300 300～360 1×10－4～2.2×10－3 2.2×10－3～6.3×10－3 6.3×10－3～0.018 2×10－5～2.0×10－3 2.0×10－3～4.0×10－3 4.0×10－3～7.2×10－3 C 360～490 490～620 620～760 0.018～0.050 0.050～0.10 0.10～0.138 7.2×10－3～0.013 0.013～0.018 0.018～0.025 B ＞760 ＞0.138 ＞0.025

(3)場地放大系數(shù)

為了獲取土層的放大系數(shù)，在已知V30S的情況下，可以使用Borcherdt(1994)基于V30S得到的依賴于振幅和頻率的放大系數(shù)。他用V30S計算出了短周期 (0.1～0.5 s)和中周期 (0.4～2.0 s)4個加速度輸入檔下的放大系數(shù) (表2)。在Shakemap中，PGA采用短周期場地放大系數(shù)校正，PGV采用中周期場地放大系數(shù)校正。

式中，F(xiàn)a和Fv分別為短周期和中周期放大系數(shù);v0為基巖的剪切波速，取1 050 m/s;v為地下30 m深度的平均剪切波速;ma和mv是與基巖峰值加速度有關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)。

表2 NEHRP場地分類下的場地放大系數(shù)Tab.2 Site amplification factor in the NEHRP site classification

場地放大系數(shù)的計算步驟及過程如下所述。

(1)地形坡度值的計算。根據(jù)地形高程數(shù)據(jù)，通過 GMT工具中的“grdgradient”命令操作(Wessel，Smith，1991)。

(2)目標(biāo)區(qū)的邊界范圍確定和平均坡度值計算。通過GMT“grdinfo_L2”坡度均值和標(biāo)準(zhǔn)差實現(xiàn):如果平均坡度小于0.05，用穩(wěn)定地塊區(qū)的坡度范圍進行分析;如果平均坡度大于0.05，使用活動構(gòu)造區(qū)的坡度范圍進行分析 (表1)。需要強調(diào)的是，表1中的系數(shù)是以構(gòu)造變化特征為基礎(chǔ)的。

(3)根據(jù)地形坡度值估計各場點的V30S和場地類別。

(4)在綜合各種場地因素、地面運動時間、(基于表2的場地放大系數(shù))修正輸入振幅的基礎(chǔ)上，得到各場點的場地放大系數(shù)。

2 Shakemap場地校正方法在云南地區(qū)的實際應(yīng)用

2.1 研究區(qū)的選擇

圖2 寧洱6.4地震烈度區(qū)及強震動臺站分布圖Fig.2 Distribution of seismic intensity zone and strong-motion station in Ning'er 6.4 earthquake

寧洱6.4地震發(fā)生在云南省強震動臺站分布較為密集的地區(qū)，震中四周分布有8個臺站。地震發(fā)生時，共有20多個強震動臺站記錄到該地震產(chǎn)生的地面運動。這改變了中國大陸以往獲取的強震動記錄以余震記錄為主 (高光伊等，2001)，而且即使取得主震記錄，也多以遠震為主的現(xiàn)狀。這也是我國大陸自開展強震動觀測以來在一次強震中同時獲取記錄最多的一次 (崔建文等，2007)。但值得注意的是，位于實地考察得到的Ⅵ度及以上區(qū)域(盧永坤等，2007)及Ⅵ度附近的6個強震動臺站(圖2)，其加速度峰值與烈度的對應(yīng)值 (儀器烈度)與考察得到的宏觀烈度相比有一定差異 (表3)。中國地震烈度表 (GB/T 17742－2008)給出了加速度峰值與烈度的對應(yīng)關(guān)系 (表4)。

基于上述考慮，筆者選擇寧洱6.4地震的Ⅵ度區(qū)及其附近以及Ⅵ度以上區(qū)域作為研究區(qū)，假設(shè)區(qū)內(nèi)的強震動臺站為虛擬臺站，通過Shakemap場地校正方法，對各強震動臺站的場地影響進行了初步考量。

表3 研究區(qū)各強震動臺站記錄參數(shù)Tab.3 Recording parameters of the strong-motion station in study area

表4 烈度與加速度的對應(yīng)關(guān)系Tab.4 Corresponding relationship between seismic intensity and acceleration

2.2 研究區(qū)各強震動臺站的場地情況判定

按照前述Shakemap場地校正方法，我們對研究區(qū)各強震動臺站的場地情況進行了判定。

(1)地形坡度值。通過30″的SRTM地形高程數(shù)據(jù)，得到各強震動臺站的地形坡度值，同時確定研究區(qū)的平均坡度為0.324。

(2)活動構(gòu)造區(qū)還是穩(wěn)定地塊區(qū)的判斷。研究區(qū)的平均坡度值0.324大于0.05，故使用活動構(gòu)造區(qū)的地形坡度與V30S的相關(guān)性關(guān)系 (表1)進行V30S的估算。

(3)根據(jù)活動構(gòu)造區(qū)的地形坡度與V30S的相關(guān)性關(guān)系 (表1)、地形坡度值等估計各強震動臺站的V30S和場地類型 (表5)。在實際運用中，只需得到V30S所處場地分類的范圍即可，以達到節(jié)約時間的目的。

(4)場地放大系數(shù)。德化臺的場地類型為B類、地表土層的地震動參數(shù)值為431.2 cm/s2，依據(jù)表2判定德化臺的基巖地震動參數(shù)值為431.2 cm/s2，場地放大系數(shù)為1.00。同理，得到正興、勐先和益智3個臺站的基巖地震動參數(shù)值和場地放大系數(shù) (表6)。

表5 研究區(qū)各強震動臺站的場地類型Tab.5 Site style of the strong-motion station in study area

表6 美國場地分類下各強震臺站的場地放大系數(shù)Tab.6 Site amplification factor of the strong-motion station in U.S.site classification

曼歇壩臺的場地類型為C類、地表土層的地震動參數(shù)值為58.4 cm/s2，依據(jù)表2判定曼歇壩臺的基巖地震動參數(shù)值為50.8 cm/s2，場地放大系數(shù)為1.15。同理，得到六順臺的基巖地震動參數(shù)值和場地放大系數(shù) (表6)。

2.3 研究區(qū)各強震臺站的實際場地情況

依據(jù)現(xiàn)場鉆孔揭露的地層顯示，研究區(qū)各強震動臺站場址均建于土層之上，其場地類型按建筑抗震設(shè)計規(guī)范 (GB 50011-2010)的方法，即先算出每個場地的等效剪切波速，然后根據(jù)等效剪切波速和覆蓋層厚度這兩個參數(shù)確定場地類型(表7)。

表7 研究區(qū)各強震動臺站的場地情況Tab.7 Site condition of the strong-motion station in study area

2.4 結(jié)果比較

美國NEHRP規(guī)范中的基巖是指V30S大于760 m/s的場地，且將場地分為A、B、C、D、E五類;而中國規(guī)范則規(guī)定V20S大于500 m/s的場地為基巖;把場地劃分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類。兩國規(guī)范對不同場地的分類指標(biāo)參數(shù)范圍的規(guī)定也不同，所以無法直接比較各強震動臺站的場地類型。故只能根據(jù)各臺站的場地類別和地表土層的地震動參數(shù)值，得到其在兩國場地分類下的基巖地震動參數(shù)值及場地放大系數(shù)，進而對各臺站在兩國場地分類下的場地放大系數(shù)進行粗略比較。

(1)中國場地分類下研究區(qū)各臺站的場地放大系數(shù)

呂紅山和趙鳳新 (2007)根據(jù)研究，給出了適用于中國場地分類的場地放大系數(shù) (表8)。

表8 適用于中國場地分類的場地放大系數(shù)Tab.8 Site amplification factor applies to the China site classification

根據(jù)表8中的對應(yīng)關(guān)系，由德化臺的場地類型為Ⅱ類、地表土層的地震動參數(shù)值為431.2 cm/s2判定該臺站的基巖地震動參數(shù)值為392 cm/s2，場地放大系數(shù)為1.1。同理，推出另外3個臺站的場地放大系數(shù) (表9)。

表9 中國場地分類下各臺站的場地放大系數(shù)Tab.9 Site amplification factor of the strong-motion station in China site classification

(2)中美兩國場地分類下場地放大系數(shù)的比較

根據(jù)上述計算結(jié)果，通過對比表6和表9可以得到如下認(rèn)識:在美國場地分類下，研究區(qū)的場地類型更為細化;美國場地分類下各臺站的場地放大系數(shù)值要略小，但差別不大。

3 Shakemap場地校正方法在云南地區(qū)的應(yīng)用分析

3.1 場地校正相關(guān)參數(shù)的考慮

(1)場地條件分類指標(biāo)

Shakemap場地校正方法只基于地形坡度單指標(biāo)的場地條件分類，這樣得到的結(jié)果顯然有很大的離散性。在一些特定地區(qū)，如當(dāng)?shù)匦纹露扰c的對應(yīng)關(guān)系比較弱時，特別是在地形坡度較緩的地區(qū)，基本上不能區(qū)分NEHRP場地分類中的E類場地 (＜180 m/s)、我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范中的Ⅳ類場地 (大致相當(dāng)于＜150 m/s)(陳鯤等，2010)。這可能因為30″的SRTM地形高程數(shù)據(jù)的分辨率不夠，對較小地區(qū)造成不能識別或識別不夠，也可能是這些地區(qū)的地形坡度與單指標(biāo)相關(guān)，本身數(shù)據(jù)的離散性太大，所以應(yīng)該考慮與多指標(biāo)因素相關(guān)的情況，如近地表地質(zhì)狀況、高程、距離河流的距離等。對于近地表物質(zhì)成分的估計，可以使用遙感技術(shù)來分析。

(2)場地信息

①地形數(shù)據(jù)

目前，云南地區(qū)可以使用的DEM(數(shù)字高程模型)地形數(shù)據(jù)為SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)地形數(shù)據(jù)。美國對國外用戶提供的可以免費下載的地形資料的分辨率為3″及其以上。

Allen和Wald(2009)認(rèn)為，雖然3″和9″的地形資料比30″的分析結(jié)果的質(zhì)量要高，但在大空間尺度上并不適用。因為在大空間范圍跨度下，使用高分辨率的地形數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致計算時間的速度較慢，延緩地震預(yù)警的發(fā)布。

因此，云南地區(qū)可以基于30″SRTM地形高程數(shù)據(jù)、云南構(gòu)造活躍區(qū)與穩(wěn)定地塊區(qū)分區(qū)特點及坡度范圍與NEHRP V30S、NEHRP場地分類的關(guān)系等，計算形成云南地區(qū)的V30S數(shù)據(jù)及其分布情況。

②斷層數(shù)據(jù)

通過云南地區(qū)的斷層數(shù)據(jù)，可以為確定地震動強度和烈度速報發(fā)震斷層和烈度圈長軸展布方向提供依據(jù)。筆者認(rèn)為云南地區(qū)的斷層數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)該包括:地震構(gòu)造背景及其區(qū)域分布特征;主要地震構(gòu)造帶的展布、組合和活動等特征，各構(gòu)造帶與地震活動的關(guān)系特征;地震構(gòu)造帶與地震烈度分布的關(guān)系及地震極震區(qū)烈度圈長軸的分區(qū)特點等。

③地理信息數(shù)據(jù)

如果想在結(jié)果中顯示更多的內(nèi)容，需要事先將有關(guān)內(nèi)容放到場地信息數(shù)據(jù)庫中。因此，可將全省的高程信息，主要的公路、鐵路信息，3級以上河流的信息，全省州 (市)、縣 (區(qū))、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村 (寨)的坐標(biāo)信息等收錄到場地信息數(shù)據(jù)庫中。這樣，通過GMT作圖工具生成的圖件中將會顯示更多的信息內(nèi)容。

3.2 場地條件的考慮

(1)局部場地條件的影響

工程地震學(xué)研究中，場地條件系指場址區(qū)的工程地質(zhì)條件，主要包括場址的地形地貌、巖土的組成和性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件等。

中國地震烈度表 (GB/T17742－2008)的4.7條規(guī)定:當(dāng)有自由場地強震動記錄時，水平向地震動峰值加速度和峰值速度可作為綜合評定地震烈度的參考指標(biāo)。地震動幅值的大小和震級的大小有直接關(guān)系，但同時也和地震波的傳播途徑及場地條件等因素有關(guān)。

一般認(rèn)為局部場地條件對地震動 (峰值加速度、反應(yīng)譜等)有著顯著的影響，具體表現(xiàn)為局部場地附近出現(xiàn)明顯的地震動放大或縮小效應(yīng)，從而直接影響到地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度。

(2)局部場地條件放大作用的修正

在把Shakemap場地校正方法應(yīng)用于云南地區(qū)時，應(yīng)該從以下幾個方面重點把握局部場地條件對地震動的影響，以便對局部場地條件放大作用的修正，達到提高預(yù)測結(jié)果精度的效果。

①盆地軟弱土層

盆地軟弱土層，主要包括場地近地表土層特性、覆蓋土層厚度和土層結(jié)構(gòu)等。一方面，利用相關(guān)資料及文獻 (如1∶20萬區(qū)域地質(zhì)、區(qū)域水文地質(zhì)報告和地震安全性評價資料等);另一方面，收集全省的鉆孔資料，根據(jù)鉆孔揭示的地層信息，開展盆地軟弱土層工作。

基于云南地區(qū)現(xiàn)有的強震動資源，通過強震動觀測和地脈動觀測等技術(shù)手段，開展有關(guān)盆地場地土特征、土層厚度及土層結(jié)構(gòu)反演等方面的分析。

②地質(zhì)構(gòu)造條件

由于斷層發(fā)震時兩側(cè)的地震動強度不同，從而造成斷層兩側(cè)一定范圍內(nèi)震害的顯著差異，因此，首先要充分考慮斷層的上盤效應(yīng)。同時，由于斷層的破裂方式一般是不規(guī)則的，需要把握活動斷層是否會產(chǎn)生地表破裂及產(chǎn)生地表破裂的方式、活動斷層及其附近地震動場分布特征等。

③局部砂土液化場地

發(fā)生砂土液化的土層主要是飽和粉細砂、粉土層。可以通過地震安全性評價資料，根據(jù)場地工程條件和水文地質(zhì)條件，開展云南地區(qū)有關(guān)砂土液化場地的統(tǒng)計分析;另外，通過全省的鉆孔資料，根據(jù)鉆孔揭示的地層信息開展相關(guān)工作。

3.3 地形數(shù)據(jù)的補充

雖然在大空間范圍上30″SRTM地形高程數(shù)據(jù)已經(jīng)可以解決問題。但是，Allen和Wald(2009)的分析結(jié)果認(rèn)為:9″和3″等高分辨率資料對陡峭地形的情況更適用;高分辨率資料能夠更加詳細地顯示地形坡度的變化以及地質(zhì)體邊緣地帶 (盆地邊緣、毗鄰盆地的丘陵突出地帶、山谷等一些由于坡度變化明顯的地帶)的坡度變化情況;另外，高分辨率資料能夠反映出小規(guī)模地質(zhì)體的特征。

對于大地震，上述邊緣地帶是估計地面運動變化的重要因素。因此，在一些特殊場地，利用高分辨率資料對其地形進行詳細分析是有必要的。

所以，云南地區(qū)有必要建立基于9″SRTM地形高程數(shù)據(jù) (甚至更高分辨率)的V30S數(shù)據(jù)庫，以作補充和對比分析。

4 結(jié)語

基于強震動臺網(wǎng)的云南地區(qū)地震動強度和烈度速報場地影響校正，在使用Shakemap場地校正方法進行具體分析時，首先要對其只基于地形坡度單指標(biāo)的場地條件分類進行補充，因為只基于地形坡度單指標(biāo)的場地條件分類得到的結(jié)果有很大的離散性。因此，應(yīng)該考慮V30S與多指標(biāo)因素的相關(guān)性，如近地表地質(zhì)狀況、高程、距離河流的距離等。同時，要從盆地軟弱土層、地質(zhì)構(gòu)造條件和局部砂土液化場地等方面，修正局部場地條件對地震動的放大作用。這樣，在完善理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合對實際場地情況的修正，達到提高預(yù)測結(jié)果精度的效果，為震后的應(yīng)急決策提供有用的信息和幫助。

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