不同地震動衰減關(guān)系在吉林中西部地區(qū)應(yīng)用分析

張 帆，魏美璇，付 琦，丁 廣，喬天罡

（1吉林省地震局，吉林長春 130117；2吉林省四平市地震臺，吉林四平 136000）

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不同地震動衰減關(guān)系在吉林中西部地區(qū)應(yīng)用分析

張 帆1，魏美璇1，付 琦1，丁 廣1，喬天罡2

（1吉林省地震局，吉林長春 130117；2吉林省四平市地震臺，吉林四平 136000）

摘 要：介紹吉林省強震分布和特點，給出強震數(shù)據(jù)。選取兩種適用于東北地震區(qū)基于基巖的GB18306—2015和東北地震區(qū)衰減關(guān)系與吉林省中西部地區(qū)土層自由地表衰減關(guān)系進行對比，統(tǒng)計回歸計算給出不同震級峰值加速度衰減曲線和反應(yīng)譜，對三種模型存在的差異進行討論和分析，為進一步開展吉林省中西部地區(qū)震害評估及預測等研究提供參考。

關(guān)鍵詞：強震；吉林中西部；衰減關(guān)系；峰值加速度衰減曲線；反應(yīng)譜

0 引言

地震動參數(shù)衰減規(guī)律與區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造特征有密切關(guān)系，不同地區(qū)存在著差異性。自胡聿賢等［1］1984年提出烈度轉(zhuǎn)換法以來，該法不斷被國內(nèi)學者改進，并廣泛應(yīng)用于全國性、區(qū)域性地震動衰減研究。例如，王玉石等［2］、孫麗娜等［3］和崔建文等［4］分別建立了川滇地區(qū)、唐山地區(qū)、云南地區(qū)地震動衰減關(guān)系。

隨著地震資料的日益豐富，目前基巖水平向地震動衰減關(guān)系模型計有十余種［5］。我國學者就中國東北地區(qū)先后給出了區(qū)域性更強的地震動衰減關(guān)系模型。吳兆營等［6］亦根據(jù)近年吉林前郭強震記錄初步建立了吉林省中西部地區(qū)土層自由地表衰減關(guān)系。強震資料對衰減關(guān)系的擬合有著重要的影響，整理給出吉林中西部地區(qū)強震資料。雖然強震數(shù)據(jù)質(zhì)量比較高，但是考慮到震例數(shù)量和震級范圍有限，故把吉林省中西部地震動衰減關(guān)系、中國東北部地震動衰減關(guān)系［7］和GB18306—2015中強震衰減關(guān)系［8］進行統(tǒng)計回歸分析，給出不同震級峰值加速度衰減曲線和反應(yīng)譜，最終將三種衰減關(guān)系計算結(jié)果同實際震害調(diào)查結(jié)果進行對比，對存在的差異進行分析和討論，為進一步完善吉林省中西部地震動衰減關(guān)系研究、進一步提高該地區(qū)震害評估及預測等研究的精度打下基礎(chǔ)。

1 強震記錄和特點

2013年11月前后吉林前郭發(fā)生5.8級震群，其中M5.0以上地震5次，M5.0以下地震1000余次，極震區(qū)烈度達到VII度，2015年該區(qū)域又發(fā)生一次M4.5地震。吉林省強震臺網(wǎng)沿地震區(qū)域長嶺—松原一線分布5個強震臺，共記錄到強震數(shù)據(jù)40余條。從吉林省地震局地震編目組提供的地震歷史資料來看，1937年以前的地震事件多由史料記載整理而出，無精確的三要素參數(shù)，使用價值不大。因此整理出1937年以后4.0級以上淺源地震共計39次，其中29次發(fā)生在吉林省中西部。強震臺網(wǎng)和震中分布（見圖1）。

風華臺（fht）、達里巴臺（dlb）、寶甸臺（dlb）、烏蘭塔拉臺（wlt）和東三家子臺（sjt）是中國地震背景場探測項目實施期間建設(shè)完成的，配套的強震儀為SLJ-100BFA-T加速度傳感器和EDAS-24GN3型數(shù)據(jù)采集器。由于強震資料對衰減關(guān)系的擬合有著重要的影響，所以對原始數(shù)據(jù)進行常規(guī)處理，給出強震數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 地震序列、強震臺及峰值加速度記錄Tab.1 Earthquake sequence，strong motion records and peak acceleration

續(xù)表1

根據(jù)震中位置可以看出，吉林省中強震集在中西部松原地區(qū)，該區(qū)域處于北西向查干泡-道字井斷裂與北東向扶余-肇東斷裂交匯部位，為軸向北北東的大型向斜。從記錄的峰值加速度來看，東西向分量和南北向分量最大峰值加速度分別為88gal和63gal，是東三家子臺在5.8級地震中記錄到的。所有強震記錄東西向分量峰值加速度均大于其他分量。根據(jù)劉啟方等［9］研究表明，垂直于斷裂方向的分量較其他分量峰值加速度大，且斷裂活動以走滑為主，與震害調(diào)查結(jié)果大體一致。根據(jù)這些特點可以推斷吉林省中西部中強地震帶是受這三條斷裂帶影響而形成的。

2 衰減關(guān)系介紹

由于世界上絕大多數(shù)地震區(qū)尚無足夠的觀測記錄可用于建立地震動衰減規(guī)律的統(tǒng)計公式，大多數(shù)衰減關(guān)系都是根據(jù)轉(zhuǎn)換法提出來的。換算結(jié)果需要綜合參考原始資料進行烈度與地震動換算的離散性和不確定性的因素才能給出。顯然，不同衰減關(guān)系應(yīng)用于同一地區(qū)所得結(jié)果會有很大差異。以下三種衰減關(guān)系都是針對中國東北地區(qū)提出的，區(qū)域性更強。

（1）GB18306—2015衰減關(guān)系［8］

該模型是在“兩圖”（指GB18306《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖和中國地震動加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖）基礎(chǔ)上，采用概率地震危險性分析方法，通過修訂給出基于基巖的衰減關(guān)系，公式如下：

式中，Y為峰值加速度或不同周期反應(yīng)譜值，M面波震級，R為震中距，A、B、C、D和E為回歸系數(shù)。

（2）東北地震區(qū)衰減關(guān)系［7］

該模型又稱HUSA-2衰減關(guān)系模型，是1989年霍俊榮［10］先生針對中國東部地區(qū)的實際情況提出的。以此為基礎(chǔ)，鄭桐給出了東北地震區(qū)水平向基巖加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系，公式如下：

式中，Y、R和M的物理意義同前，c1、c2、c4、c5、c6為回歸系數(shù)。

（3）吉林中西部地區(qū)衰減關(guān)系［6］

吳兆營依據(jù)吉林省中西部地區(qū)強震資料提出土層自由地表衰減關(guān)系（點圓模型），公式為：

式中，Y、R和M的物理意義同前，h為虛擬埋深。a1、a1、b1、b2為回歸系數(shù)。

GB18306—2015總體仍沿用在 GB18306—2001地震區(qū)劃分方案，在全國共劃分出8個地震區(qū)，24個地震帶。東北地震區(qū)、南海地震區(qū)及東海地震區(qū)未進一步劃分地震帶。與GB18306—2001不同的是，GB18306—2015編制中采用了由地震統(tǒng)計區(qū)、背景地震活動潛在震源區(qū)和構(gòu)造潛在震源區(qū)構(gòu)成的三級潛在震源區(qū)模型，并建立了相應(yīng)的地震活動性模型，應(yīng)用廣泛；HUSA-2衰減關(guān)系是霍俊榮先生參考美國西部基巖數(shù)據(jù)利用轉(zhuǎn)換法確立的，影響深遠，為后繼學者深入研究提供重要的基礎(chǔ)依據(jù)。鄭桐借鑒此模型，收集東北三省地區(qū)積累的震例，給出了東北地震區(qū)水平向基巖加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系，在東北部地區(qū)具有很強的通用性；吉林省中西部衰減關(guān)系模型是吳兆營等根據(jù)吉林省實際震例初步確定的，由于震例較為集中，具有很高區(qū)域針對性。雖然震例較少，但是震中距分布均勻、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高、震區(qū)范圍小，利用最小二乘法和統(tǒng)計回歸給出的模型可靠性高。

三種衰減模型在吉林地區(qū)通用性和針對性都很強，通過綜合對比分析和討論，給出目前針對吉林省中西部地區(qū)精度最高的模型。

3 計算和分析

下面分別對GB18306—2015、東北部地區(qū)、吉林省中西部地區(qū)三種地震動衰減關(guān)系模型長軸和短軸方向進行統(tǒng)計回歸，給出各個模型的回歸系數(shù)（見表2）。

表2 各個模型回歸系數(shù)Tab.2 Regression coefficient of different models

根據(jù)各個模型的回歸周期和系數(shù)，針對不同震級和震中距，將回歸系數(shù)、震級和震中距分別代入到各個模型中進行運算，給出了峰值加速度衰減曲線分析對比圖和反應(yīng)譜圖（見圖2、3）。

從峰值加速度衰減曲線圖（圖2）可以看出：（1）長軸對比，吉林省中西部峰值加速度衰減曲線小于中國東北部衰減，中國東北部衰減小于GB18306—2015衰減。（2）短軸對比，吉林省中西部峰值加速度衰減曲線總體小于GB18306—2015衰減，GB18306—2015小于中國東北部衰減。（3）無論是長軸還是短軸的曲線衰減，震中距在0～20km之間，3條峰值加速度曲線衰減差異約1.5倍左右，吉林省中西部峰值加速度曲線衰減最小，GB18306—2015峰值加速度曲線衰減最大，原因是GB18306—2015衰減模型和中國東北部衰減模型都是基于美國西部基巖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來。不同的是，中國東北部衰減模型是借鑒了中國東北部地區(qū)的震例進行回歸給出的，由于提出的時間較早，當時吉林省的強震資料不夠豐富，從一定程度上會產(chǎn)生這種差異性。而GB18306—2015衰減模型是利用地震烈度等震線擬合烈度衰減關(guān)系時，選用的資料要求震級和烈度都是獨立測定的，對比缺少宏觀實地調(diào)查資料、部分等震線用虛線勾畫的地震，對于地震動衰減關(guān)系分區(qū)也是以地震帶為基本單元，綜合考慮地震烈度衰減的分區(qū)特征、地震活動水平的區(qū)域特征確定的，將東北震區(qū)、長江中游地震帶等都歸結(jié)為中強地震區(qū)。該模型適用于大區(qū)域，并不是專門針對吉林中西部活躍地震帶提出的，也是產(chǎn)生差異性的主要因素。震中距在20～40km之間，3條峰值加速度曲線衰減整體關(guān)系差異性不大，吉林省中西部衰減曲線依然小于其他兩種模型。震中距大于40km后，3條峰值曲線衰減整體差異性不大，震中距大于75km后，吉林省中西部衰減曲線略高于GB18306—2015。

由加速度反應(yīng)譜圖（圖3）可以看出：（1）當震級為4.5和5.0時，無論是長軸還是短軸方向中國東北部反應(yīng)譜總體都高于吉林省中西部和GB18306—2015，吉林省中西部總體水平高于GB18306—2015，且吉林省中西部和GB18306—2015的反應(yīng)譜走勢斜率相當，中國東北部反應(yīng)譜走勢相對平滑。（2）當震級為5.8時，吉林省中西部長軸和短軸反應(yīng)譜稍高于中國東北部和GB18306—2015，GB18306—2015最小。吉林省中西部短軸反應(yīng)譜走勢與中國東北部短軸走勢相當。

當峰值加速度為40gal和90gal時，對三種衰減關(guān)系分別計算分析得到以下結(jié)果（見表3）。

震害調(diào)查結(jié)果顯示：Ⅵ度區(qū)長軸、短軸半徑分別為43km、30km，面積為4050.6km2；Ⅶ度區(qū)長軸、短軸半徑分別為 24km、15.5km，面積為1168.08km2。

通過反應(yīng)譜和加速度衰減曲線對比分析、計算結(jié)果與實際考察結(jié)果對比驗證可以看出，吉林西部地區(qū)土層地表地震動衰減關(guān)系預測的震害范圍精度較高，與實際震害調(diào)查結(jié)果大體一致，可用于在吉林省中西部地震活躍區(qū)中小地震的震害預測。吉林中西部衰減關(guān)系模型以吉林省震例為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，其中強震數(shù)據(jù)非常完善，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，避免使用轉(zhuǎn)換法帶來的弊端。但是震例不算豐富，震級范圍有限，所以同其他兩種模型存在差異性。另外一個主要原因是，利用轉(zhuǎn)換法模型計算出的結(jié)果相對比吉林省中西部地震動衰減關(guān)系給出的結(jié)果相對保守，主要是因為轉(zhuǎn)換法模型考慮了中國東北部大區(qū)域的地震動換算的離散性、參考區(qū)域和研究地區(qū)衰減關(guān)系不確定性造成的。

表3 各個衰減關(guān)系計算結(jié)果Tab.3 Each attenuation relationship results

4 結(jié)論與討論

通過三種地震動衰減關(guān)系應(yīng)用對比，分析了峰值加速度衰減關(guān)系和加速度反應(yīng)譜在不同模型呈現(xiàn)特點，確定了適用于吉林省地震活躍區(qū)衰減關(guān)系，與中國東北部基巖地震動衰減關(guān)系、GB18306—2015衰減關(guān)系和現(xiàn)場震害調(diào)查進行了對比分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）相同條件下，吉林西部地區(qū)土層地震動衰減關(guān)系給出的結(jié)果明顯低于中國東北部地震動衰減關(guān)系和GB18306—2015的地震動衰減關(guān)系。

（2）吉林省中西部地震動衰減模型以震例為基礎(chǔ)提出，避免了利用轉(zhuǎn)換法模型計算結(jié)果存在的不確定因素。

（3）由于震例和震級范圍有限，目前采用相對保守的以長軸為準的點圓模型。

（4）通過三種模型的對比分析，用統(tǒng)計得到經(jīng)過修正的吉林西部地區(qū)土層地表峰值加速度衰減關(guān)系推斷的破壞區(qū)范圍與此次震群震害調(diào)查結(jié)果基本一致，精度進一步提高。利用震例統(tǒng)計得到的區(qū)域衰減關(guān)系可作為預測本地區(qū)中小地震的震害預測使用。

吉林省中西部區(qū)域?qū)儆谥袕娬饚В谑迤陂g強震記錄的建設(shè)才更加豐富和完善。采用不同地震動模型進行對比分析，發(fā)現(xiàn)目前吉林省中西部衰減關(guān)系模型比較貼近實際震害調(diào)查結(jié)果，但所使用的數(shù)據(jù)有限，可能影響統(tǒng)計結(jié)果的可靠性，但結(jié)果與目前由轉(zhuǎn)換方法得到的本區(qū)常使用的我國東北部基巖地震動參數(shù)衰減規(guī)律和GB18306—2015存在較大差異，隨著地震資料的累積與豐富，為進一步深入研究適用于本地區(qū)地震動參數(shù)衰減規(guī)律提供重要的參考依據(jù)。

致謝：所有數(shù)據(jù)均來自吉林省地震局地震與火山監(jiān)測中心數(shù)據(jù)共享平臺。國家青年應(yīng)急項目評審專家組對研究成果提出了寶貴意見，在此表示感謝！

參考文獻

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中圖分類號：P315.3

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8047（2016）02-0095-08

收稿日期：2016-03-01

基金項目：2015年地震應(yīng)急青年重點項目（CEA_EDEM-201502）

作者簡介：張帆（1982—），男，本科，助理工程師，主要從事地震與火山監(jiān)測工作。

Applicability of Different Ground Motion Attenuation Models in the Midwest of Jilin Province

Zhang Fan1，Wei Meixuan1，F(xiàn)u Qi1，Ding Guang1，Qiao Tiangang2
（1.Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China；2.Siping Seismic Station，Siping，Jilin 136000，China）

Abstract：The distribution and characteristics of strong earthquakes in Jilin province are introduced，and the data of strong earthquake are given.We select and compare the GB18306—2015 and Northeast seismic region attenuation relationship，which is applicable in Northeast seismic region，and the soil surface free attenuation relationship in the central and western area of Jilin province，calculate different magnitude peak acceleration attenuation curves and response spectra，discuss and analyze three kinds of model differences.It has certain significance to further improve the Midwest earthquake disaster evaluation and prediction of Jilin province.

Keywords：strong earthquake；central and western Jilin；attenuation relationship；peak acceleration attenuation curve；response spectrum