九寨溝M 7.0地震儀器烈度計算比較分析1

李 敏 李小軍

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九寨溝7.0地震儀器烈度計算比較分析1

李 敏1）李小軍2，3）

1）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045 2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081 3）中國地震風險與保險實驗室，北京 100081

地震發(fā)生后，強震動觀測臺網(wǎng)可以獲取災區(qū)分布式臺站位置的強震動記錄，通過基于這些強震動記錄得到的地震動參數(shù)可以快速地評估地震烈度的空間分布，以迅速判定不同地區(qū)的受災程度，尤其是地震極震區(qū)的分布范圍，為政府開展應(yīng)急救援并合理地分配救援力量、物資等提供依據(jù)，以保證救援人員及時、準確地到達極震區(qū)展開搜救工作，減少人民群眾的生命財產(chǎn)損失。本文介紹了國內(nèi)外7種地震儀器的烈度計算方法，基于四川九寨溝7.0級地震獲取的強震動記錄，對這7種方法的計算烈度值進行了對比分析。結(jié)果表明，各方法計算的儀器烈度與宏觀烈度的差值均在1度誤差范圍以內(nèi)，均顯示了良好的實用性，且行業(yè)標準法和綜合判別法兩者的計算結(jié)果較為一致。

九寨溝地震 儀器烈度 烈度算法 加速度反應(yīng)譜

引言

每次破壞性地震的發(fā)生均會引起地震災害，地震烈度則被用來描述地震災害的強弱程度。我國學者根據(jù)房屋建筑震害指數(shù)、地表破壞程度及地面運動加速度等指標將地震烈度分為12度，制定了《中國地震烈度表》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2008）。實際地震災害調(diào)查中，將根據(jù)受災區(qū)調(diào)查確定的烈度值分布勾畫出烈度分布圖或等震線圖。以往的烈度等震線圖的獲得途徑主要有：①地震后實地的震害調(diào)查；②通過震源參數(shù)依據(jù)地震烈度衰減規(guī)律估算；③利用地震動參數(shù)確定烈度的方法估算（袁一凡，1998）。

2008年5月12日發(fā)生的汶川地震，震級高達8.0，震源破裂長度約300km，震源深度15km，破裂持續(xù)時間約90s，震中烈度高達Ⅺ度，并伴隨產(chǎn)生了地面斷裂和嚴重的崩滑泥石流。汶川地震為國家數(shù)字強震動臺網(wǎng)提供了一批震相完整的強震動加速度記錄，尤其是布設(shè)在龍門山斷裂帶及其周圍地區(qū)的50多個臺站獲得了大于100gal的加速度記錄，有46組三分量加速度記錄的斷層距小于100km，極大地豐富了我國強震動觀測數(shù)據(jù)庫（Li等，2008a，2008b；于海英等，2009）。基于這些記錄，發(fā)展出了一批基于強震動觀測數(shù)據(jù)計算儀器烈度的方法（王玉石等，2008，2010；李敏，2010；任葉飛等，2011）。然而，不同計算儀器烈度的方法應(yīng)用于后續(xù)發(fā)生的實際地震時能多大程度符合現(xiàn)場調(diào)查得到的宏觀烈度數(shù)據(jù)，還需在大量的地震中得到檢驗。

2017年8月8日21時19分46秒，在四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，震源深度20km，地震對九寨溝景區(qū)各類建筑物和景點造成了不同程度的破壞。此次地震屬淺源地震，極震區(qū)烈度達Ⅸ度。本研究收集了九寨溝地震共66個臺站的強震動錄加速度記錄（表1，圖1），其中最近的臺站的震中距約為30.6km，最大的地震動峰值加速度（PGA）為189.21gal（表2），為九寨百河臺（JZB）所記錄；宏觀調(diào)查結(jié)果有2個臺站（九寨百河、九寨勿角）落在Ⅶ度區(qū)內(nèi)；1個臺站（九寨永豐）落在Ⅵ度區(qū)內(nèi)；其它63個臺站落在Ⅴ度及以下區(qū)域內(nèi)，包括5個接近Ⅵ度區(qū)的臺站（沙灣，舟曲，文縣，平武木座，迭部）。本文利用九寨溝地震的強震動觀測記錄開展不同計算儀器烈度方法的比較研究。研究中，選擇了7種國內(nèi)外常見的方法和近年來發(fā)展出來的新方法，分別計算了九寨溝地震各個有強震動記錄的臺站位置的儀器烈度，并以期通過與地震災害調(diào)查得到的宏觀烈度相比較對各方法給出評價。

表1 本文所使用的強震動記錄列表

表2 有強震動記錄臺站的統(tǒng)計情況

續(xù)表

續(xù)表

圖1 九寨溝M 7.0級地震震中及臺站分布圖（圖中的烈度圈分別為Ⅸ、Ⅷ、Ⅶ和Ⅵ度等值線）

1 儀器烈度計算方法

國內(nèi)外相繼建立了諸多基于強震動加速度記錄資料的地震烈度計算方法，不同方法利用地震動的不同參數(shù)，包括時域和頻域強度及能量等，建立地震烈度與地震動參數(shù)之間的關(guān)系，并利用這一關(guān)系結(jié)合實際地震中獲得的強震動記錄計算地震的烈度，通常把這樣得到的地震烈度稱為儀器烈度。本文選擇了國內(nèi)外常見的和近年來發(fā)展出來的7種方法開展具體比較研究。

1.1 中國地震烈度表評定法（記為烈度表法）

《中國地震烈度表（GB/T 17742—2008）》（表3）中給出了地震烈度與水平向地震參數(shù)PGA水平的對應(yīng)關(guān)系：

PGA水平取兩個相互垂直的水平方向地震動峰值加速度的較大值，單位為m/s2。規(guī)定烈度X度對應(yīng)的PGA水平為10.00m/s2（7.08—14.14m/s2），PGV水平為1.00m/s（0.72—1.41m/s），且烈度每降1度，PGA水平和PGV水平降為原來的1/2。

表3 中國地震烈度表中列出的參考物理標準

注：表中給出的PGA水平和PGV水平是參考值，括號中給出的是變動范圍。

1.2 美國ShakeMap系統(tǒng)中采用的計算方法（記為美國ShakeMap法）

美國ShakeMap系統(tǒng)基于峰值加速度和峰值速度估計地震烈度分布，具體根據(jù)式（2）計算修正默卡尼烈度mm。該方法在中國應(yīng)用，則需再進一步根據(jù)mm與我國烈度標準的對應(yīng)關(guān)系（金星等，2013）計算得到儀器烈度（表4）。

其中，PGA水平取兩個相互垂直的水平方向地震動峰值加速度的較大值，單位為gal，PGV水平取兩個相互垂直的水平方向地震動峰值速度的較大值，單位為cm/s。

1.3 日本氣象廳（JMA）計測烈度（記為日本JMA法）

日本氣象廳計測烈度JP的計算公式為：

其中，PGA0.3為地震動記錄的0.3s持時的有效峰值加速度，即三分量地震動記錄的合成加速度時程中，加速度絕對值大于PGA0.3的累計持續(xù)時間為0.3s。PGA0.3為滿足式（4）的最大值：

其中，

()為時刻（單位為s）的三方向的合成加速度值，單位為gal：

其中，()EW、()NS、()UD分別為時刻兩個相互垂直的水平方向和一個豎向加速度值，單位為gal。

日本氣象廳計測烈度分為7檔，可通過與我國烈度體系的對應(yīng)關(guān)系（金星等，2013）轉(zhuǎn)化為我國標準儀器烈度（表4）。

表4 中國、美國、日本三種烈度標準對應(yīng)關(guān)系（金星等，2013）

1.4 金星等提出的烈度評定法（記為金星烈度法）

金星等（2013）在比較了國內(nèi)外多種烈度評定標準后，參考日本有效峰值加速度的算法，結(jié)合我國實際情況，提出了以0.5s取代0.3s作為計算有效峰值加速度的總時程閾值，從而提出以下公式：

其中，PGA0.5為地震動記錄的0.5s持時有效峰值加速度，即三分量地震動記錄的合成加速度時程中，加速度絕對值大于PGA0.5的累計持續(xù)時間為0.5s，計算方法與式（4）—（6）類似。

1.5 儀器地震烈度計算行業(yè)標準（送審稿）（記為行業(yè)標準法）

最近，《儀器地震烈度計算》行業(yè)標準（金星等，2017）已通過地震標準化委員會審查。該標準提出儀器烈度根據(jù)峰值加速度（PGA）和峰值速度（PGV）共同判斷。當原始數(shù)據(jù)是加速度記錄時，需要通過對時間進行積分獲得速度紀錄；相反，當原始數(shù)據(jù)為速度紀錄時，需要通過微分獲得加速度紀錄。具體計算公式如下：

其中，PGV和PGA分別為根據(jù)PGA和PGV計算出來的烈度值，計算公式如下：

PGA為由三方向合成的加速度得到的峰值加速度，單位為m/s2：

其中，()EW、()NS、()UD分別為時刻兩個相互垂直的水平方向和一個豎直向加速度值，單位為m/s2。PGV為由三方向合成的速度得到的峰值速度，單位為m/s：

其中，()EW、()NS、()UD分別為時刻兩個相互垂直的水平方向和一個豎直向速度值，單位為m/s。

1.6 基于加速度反應(yīng)譜值的儀器烈度計算方法

2010年，李敏等（2010）提出利用經(jīng)過選擇的周期點的反應(yīng)譜值計算儀器烈度。具體方法分為烈度分檔判別法（記為分檔判別法）和烈度綜合判別法（記為綜合判別法）。

烈度分檔判別法公式如下：

其中，

烈度綜合判別法公式如下：

式（14）—（16）中，a(＝)分別為周期為時的加速度反應(yīng)譜值。

2 儀器烈度計算結(jié)果及分析

按照以上方法，計算了九寨溝地震中66個有強震動記錄的臺站位置的儀器烈度。各方法計算得到的儀器烈度值計算結(jié)果列于圖2，圖2中還給出了地震災害調(diào)查的宏觀烈度值（其中5度表示小于等于5度）以便于比較。

圖2 按不同方法計算出的各臺站儀器烈度值

表2和圖2結(jié)果表明，對于九寨百河、九寨勿角和九寨永豐3個離震中較近、宏觀烈度在Ⅶ度、Ⅵ度區(qū)內(nèi)以及接近Ⅵ度區(qū)的臺站（沙灣，舟曲，文縣，平武木座，迭部），7種方法計算的儀器烈度與地震災害調(diào)查的宏觀烈度的誤差均在1度范圍以內(nèi)，顯示了各方法具有良好的實用性，且7種方法的計算結(jié)果與震中距和峰值加速度顯示了良好的相關(guān)性。綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)金星烈度法的計算結(jié)果相對偏高，其他方法的計算結(jié)果相對偏低。基于不同方法的計算儀器烈度值及宏觀烈度值隨震中距變化分布情況示于圖3。

圖3 不同方法計算的各臺站儀器烈度按臺站震中距分布圖（圖中儀器烈度值均為整數(shù)，為避免數(shù)據(jù)點相互覆蓋，沿y軸方向加入隨機微量偏移）

為了對這些方法烈度確定結(jié)果進行定量比較，我們使用曼哈頓距離來衡量不同方法所計算的結(jié)果相似性：

其中，i和i代表方法P和方法Q計算的第個臺站的烈度值。

對7種方法兩兩比較可得相應(yīng)的距離矩陣，如圖4所示，圖中的數(shù)字表示不同方法對66個臺站儀器烈度計算結(jié)果的曼哈頓距離，即各臺站儀器烈度差的絕對值的總和。據(jù)此進行分層聚類可將這7類方法可分為兩組：日本JMA法、美國ShakeMap法和金星烈度法一組，其計算結(jié)果在Ⅰ—Ⅷ度廣泛分布；綜合判別法、行業(yè)標準法、分檔判別法、烈度表法一組，其計算結(jié)果分布于Ⅲ—Ⅶ度范圍內(nèi)。距離最近的一組方法為綜合判別法與行業(yè)標準法，但從方法原理上二者相去甚遠，前者主要依賴不同周期點的加速度反應(yīng)譜值，而后者主要依賴峰值加速度與峰值速度?？紤]到行業(yè)標準法是本文中唯一用到了峰值速度的方法，二者結(jié)果的相似性說明多周期加速度反應(yīng)譜值能反映峰值速度的某些特征。

圖4 不同儀器烈度計算方法結(jié)果相似性比較

3 結(jié)論

本文用不同方法計算了九寨溝地震66個相關(guān)臺站的儀器烈度，比較了不同方法的計算結(jié)果差異。主要結(jié)果如下：

（1）對位于地震災害調(diào)查宏觀烈度Ⅵ以內(nèi)的九寨百河、九寨勿角和九寨永豐3個臺站，各方法計算的儀器烈度與宏觀烈度的差值均在1度誤差范圍以內(nèi)，均顯示了良好的實用性。

（2）依據(jù)宏觀烈度Ⅵ范圍內(nèi)的臺站記錄和烈度資料，7種方法中，金星烈度法的計算結(jié)果相對偏高，其他方法的計算結(jié)果相對偏低。

（3）曼哈頓距離分析表明，計算儀器烈度最接近的兩個方法是行業(yè)標準法和綜合判別法。

基于九寨溝地震強震動記錄所進行的儀器烈度計算為各種儀器烈度計算方法的可靠性和實用性分析提供了客觀參考。但需要考慮的是，九寨溝地震中獲得強震動記錄的臺站位于高烈度區(qū)的較少，本文的分析結(jié)果或許具有片面性，更全面的方法評價則需要基于更多元、更豐富的強震動數(shù)據(jù)。

致謝：中國地震局工程力學研究所“國家強震動臺網(wǎng)中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持，特此感謝。

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Li X. J., Zhou Z. H., Yu H. Y., et al., 2008a. Strong motion observations and recordings from the great Wenchuan earthquake. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 7(3): 235—246.

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Comparison of Different Methods Used to Calculate Instrumental Intensities of the JiuzhaigouS7.0 Earthquake

Li Min1)and Li Xiaojun2, 3)

1) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China 2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China 3) China Earthquake Risk and Insurance Laboratory, Beijing 100081, China

After occurrence of an earthquake, strong motion observation network can record ground motion at distributed observation stations. Based on the ground motion parameters from these records, the spatial distribution of seismic intensity can be quickly determined, and then the damage degree in different areas can be estimated. This kind of information provides the technical basis for the emergency despondence, in order to ensure that rescue workers reach the extreme earthquake area with search and rescue operations timely and accurately, and to reduce the casualties and property loss. In this paper, we introduced 7 intensity algorithms and compared the results from the records of JiuzhaigouS7.0 earthquake. We found that the differences between the instrumental intensities calculated by each method and the macro intensities were within 1-degree range, which suggested good practicality of these different methods. The results calculated by the calculation code method and the integrated test showed good consistence.

JiuzhaigouS7.0 earthquake; Instrumental intensity; Intensity algorithm; Spectral acceleration

10.11899/zzfy20170409

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC1402800）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（DQJB17T01）；國家自然科學基金項目（U1434210，51421005）

2017-11-25

李敏，女，生于1985年。工程師。主要從事地震監(jiān)測工作以及工程地震研究。E-mail：limin@seis.ac.cn

李敏，李小軍，2017．九寨溝7.0地震儀器烈度計算比較分析．震災防御技術(shù)，12（4）：803—814．