新一代地震区划图地震动参数衰减关系的建立与特点分析

俞言祥

新一代地震区划图地震动参数衰减关系的建立与特点分析

俞言祥

俞言祥，2002年获中国地震局地球物理研究所固体地球物理学专业博士学位，现为中国地震局地球物理研究所研究员，博士生导师，工程地震学与城市减灾研究室主任。国家地震安全性评定委员会委员，新世纪百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴。主要研究方向为地震动衰减关系、长周期地震动特性、近场强地面运动模拟，承担国家自然科学基金、国家科技支撑计划项目多项。任全国地震动参数区划图编制委员会副主编，在区划图编制中负责地震动参数衰减关系建立专题。

本文介绍了GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》编制过程中，通过建立我国分区地震动参数衰减关系时所采用的总体技术思路和技术方法，从基础资料、衰减关系分区、衰减关系模型、统计分析方法、转换方法、计算结果等方面与上一代地震动参数区划图所建立的地震动参数衰减关系进行了对比，分析了新一代区划图地震动衰减关系的主要特点。

总体思路

根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》编图要求，需要建立我国各分区地震动参数aE（由加速度反应谱平台值除以2.5得到）和nE（由拟速度反应谱平台值除以2.5得到）的衰减关系，其中aE即GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》中的峰值加速度，而加速度反应谱特征周期Tg由公式Tg=2p nE/aE计算得到。

近年来，以美国NGA（Next Generation Attenuation）为代表的地震动衰减关系研究成果（Power et al.，2008）具有较大影响，我国也借助国家科技支撑计划课题“强震危险区划关键技术研究”的资助，在近场强地震动衰减关系方面取得了重要进展。虽然近年来我国强震观测数据得到了快速积累，但全国绝大部分地区仍不足以用强震动数据直接统计得到衰减关系。因此，确定了建立地震动衰减关系所遵循的指导原则，即充分吸收国内外地震动衰减关系的最新研究成果，考虑我国强震动数据的实际情况和工程实践，在与上一代地震区划图地震动衰减关系分区、模型和技术方法保持适当衔接的基础上，建立我国分区地震动参数衰减关系。

在以上原则的指导下，建立地震动参数衰减关系的技术思路与上一代区划图基本相同，即在确定我国地震动衰减关系分区的基础上，建立各分区地震烈度衰减关系；选择美国西部为参考地区，建立该地区的地震动衰减关系，并选择合适的参考地区地震烈度衰减关系，采用转换方法得到我国各分区地震动参数衰减关系，在转换过程中，还利用了我国部分强震数据加以控制。技术思路如图1所示。

图1　总体技术思路

衰减关系分区

与上一代地震区划图相比，新一代地震区划图对地震动衰减关系分区进行了更详细的划分，从原来的东、西两个分区，进一步按照地震活动特征不同划分至更小的分区，这主要是因为，虽然中国东、西部在地震烈度衰减特征上的差异是众所周知的，即东部地区地震烈度衰减较慢，西部地区相对较快，总体上，对于相同震级的地震，东部地区的地震震中烈度相对较高，影响范围也更大。但是新的研究结果表明，中国东、西部内部的地震动衰减特征差异仍然是不可忽视的。

（1）不同地区地震极震区等震线长、短轴之比的差异。上一代地震区划图编制时，曾对中国各地区的地震最内圈等震线的长、短轴比值进行过研究。该研究表明，中国东部地区地震烈度内圈等震线的长轴与短轴长度比值的均值为2.0，其最大比值在华北与华南分别为3.5（内蒙通辽6.0级地震）和2.6（广东阳江6.4级地震）；中国西部地区均值为2.6，其最大比值在云南、四川地区达13.3（四川炉霍7.6级地震），在新疆地区最大为4.3（乌什5.8级地震），有一定区域性差异。

（2）地震活动性强、弱地区的地震烈度和地震动衰减特征有差异。虽然总体上中国大陆地区地震活动性较强，但也存在活动性相对较弱、以中强地震活动为主的地区，如东部的鄂尔多斯内部、华中地区、西部的塔里木内部等，这些地区的中强地震常常造成较强的破坏，其地震烈度衰减特征与华北地区有所不同（王继、俞言祥，2008）。对欧洲地区中小震地震动衰减关系的研究表明，对于地震活动性相对较弱的欧洲大陆地区，它的中小地震的地震动衰减规律与强地震活动区的美国西部地区的中小震地震动衰减特征有所不同（靳超宇、俞言祥，2009）。

（3）非弹性衰减的地区差异性。地震动强度随距离的衰减包括了几何衰减和非弹性衰减两部分。对于震源深度相同的地震，地震动的几何衰减对于任何地区都是相同的，而非弹性衰减则随地区变化而变化。对于构造稳定的地区，非弹性衰减小，介质品质因子Q值相对较高。根据对全国非弹性衰减横向变化的研究结果（汪素云等，2007；汪素云等，2008），在塔里木盆地、四川盆地、华南地块及鄂尔多斯高原等构造稳定的地台地区，有较高的Q值，即非弹性衰减较慢，这些地区的地震活动以中强地震为主，而在华北、天山、祁连山及川滇、渤海湾等构造活动地区，有较低的Q值，即非弹性衰减较高，这些地区也是强震多发地区。

（4）国际上地震动衰减关系分区成果的借鉴。目前，国际上倾向于依据区域地震活动特征的不同来划分地震动衰减关系分区。例如美国新区划图编制时，除板块俯冲带地区外，将浅源地震影响地区分为以美国西部地区为代表的构造活动地区和以美国中东部地区为代表的构造稳定地区（US Geological Survey，2008），分别建立各自的地震动衰减关系。我们的研究结果（靳超宇、俞言祥，2009）也在一定程度上支持这种分区原则。因此，我们认为在进行地震动衰减关系分区时，也应考虑地震活动水平的区域性。

最终，以地震区或地震带为基本单元，将我国的地震动衰减关系分区划分为东部强震区、中强地震区、青藏区和新疆区。

（1）东部强震区：华北地震区（银川—河套地震带、汾渭地震带、华北平原地震带、郯庐地震带、长江下游—南黄海地震带）、华南沿海地震带、台湾地震区。

（2）中强地震区：东北地震区、长江中游地震带、右江地震带、鄂尔多斯地震带、塔里木—阿拉善地震带。

（3）新疆区：新疆地震区除塔里木—阿拉善地震带的其他区域（阿尔泰地震带、北天山地震带、中天山地震带、南天山地震带）。

（4）青藏区：青藏地震区（西昆仑—帕米尔地震带、龙门山地震带、六盘山—祁连山地震带、柴达木—阿尔金地震带、巴颜喀拉山地震带、鲜水河—滇东地震带、喜马拉雅地震带、滇西南地震带、藏中地震带）。

中国分区地震烈度衰减关系

在建立我国分区地震烈度衰减关系时，与上一代区划图相比，除分区从2个增加至4个外，地震烈度资料筛选和处理原则、地震烈度衰减模型、统计回归方法均没有变化，但地震烈度资料有了较大增加，除继续使用上一代区划图的地震烈度数据外，补充了1991年至2008年期间我国发生的140个地震的等震线资料，共使用了377个4.0级以上地震、973条等震线资料。

地震烈度衰减关系模型采用椭圆模型，表达式为

式中：I为地震烈度；M为面波震级；R为震中距（单位km）；A、B、C和R0为回归系数。

为了保证烈度衰减关系长短轴在R=0时烈度相等，而中间距离仍保持长短轴烈度的差别，同时在远场也使等震线成圆形的特征，采取了在远、近场补点的步骤，即在极震区内不同距离上适当增补一些数据点，使震中区的烈度大致相同，另外，为了体现远场区发震构造影响消失、衰减形状趋于圆形的特点，取有感范围的半径作为远场控制点，有感烈度值为Ⅲ—Ⅳ度（汪素云、时振梁，1993）。

在回归地震烈度衰减关系时，采用椭圆长短轴联合衰减模型（陈达生、刘汉兴，1989），使用最小二乘法进行统计回归，得到我国各分区地震烈度衰减关系，与式（1）相应的系数见表1。具体方法与步骤可参见（肖亮、俞言祥，2011；卢建旗等，2009）。

表1　地震烈度衰减关系系数

经对比表明，新一代区划图中的新疆区地震烈度稍高于上一代结果，青藏区地震烈度稍低于上一代结果。东部强震区烈度衰减关系与上一代区划图中国东部烈度衰减关系相接近，高震级稍低；青藏区与新疆区烈度衰减差异明显，最大差别可达0.3度。中强地震区小震级烈度高于上一代中国东部结果，体现了中强区地震震级小破坏大的特点。由于资料的限制，中强地震区地震烈度衰减关系对于高震级约束不强，为避免可能造成的烈度值低估，中强地震区烈度衰减关系建议使用震级范围为4.0 7.0级。

地震动参数衰减关系模型及统计分析

与上一代区划图相比，强震动数据的处理原则、衰减关系模型没有变化，但所用强震动数据的数量有了较大增加，强震动数据的筛选对场地条件的要求更加一致，统计回归方法有了进一步改进，统计结果更好地反映了地震动的大震近场饱和的特点。

将美国西部作为参考地区，采用美国NGA强震数据库作为基础数据，选取了1970—2002年发生在美国西部地震的基岩地震动资料，绝大部分地震发生在美国加州。为增加高震级地震的强震数据，还加入了中国台湾集集地震主震等少数世界其他地区浅源大震的强震资料，有助于对大震级地震动数值的估计。

选取了16个地震在基岩场地的水平方向记录共268条进行衰减关系的确定。将同一台站的两个水平向记录视为独立的两条记录。对于场地的划分使用基于Vs30（场地地表30米土层的平均剪切波波速）的NEHRP划分标准，本次工作选取Vs30达500m/s以上的场地，将其视为基岩场地。

对所有268条记录计算临界阻尼比0.05的绝对加速度反应谱和拟速度反应谱，分别确定加速度反应谱和拟速度反应谱的平台值，再将它们分别除以2.5，得到两个值aE和nE，aE对应了区划图的峰值加速度参数，而通过Tg=2p nE/aE则得到另一参数反应谱特征周期。

衰减关系模型的形式与上一代区划图相同，如式（2）：

式中：Y为地震动参数aE或nE；M为面波震级；R为震中距；A、B、C、D和E为回归系数。

注意式（2）是震级分段的，即以震级6.5为界，震级高于6.5和低于6.5的地震，式（2）中的系数是不同的。虽然衰减关系模型的形式与上一代区划图相同，但由于采用了震级分段，它与国内常用的模型中包含M2项的效果相似，都可较好地反映地震动的大震近场饱和特征。

采用一种新的分步回归方法对地震动衰减关系进行统计分析（肖亮、俞言祥，2010），并对截尾效应进行了消除（Chiou & Youngs，2008），得到了参考地区地震动参数aE和nE的衰减关系系数，分别见表2和表3，式中s为标准差。

表2　aE衰减关系系数

表3　nE衰减关系系数

表4　中国分区aE衰减关系参数

表5　中国分区nE衰减关系参数

中国分区地震动参数衰减关系

与上一代地震区划图相同，在建立分区地震动衰减关系时，仍然采用了胡聿贤等（1984）提出的转换方法，但转换方法有了改进，同时在转换过程中还加入了我国近年来得到的部分基岩强地震动数据，以使结果更能反映我国各区域的地震动衰减特征。

利用所建立的参考地区地震动参数衰减关系［式（2）及表2和表3］和我国各分区地震烈度衰减关系［式（1）和表1］，以及参考地区地震烈度衰减关系（Chandra，1979），采用中线映射原则，可以得到我国分区的地震动参数衰减关系。衰减关系模型同式（2），建议适用范围：M=4.5 8.0（中强地震区M=4.5 7.0），R=0 200 km。在转换过程中，还加入了我国部分地区的基岩强震动数据，包括汶川地震的强震记录。表4和表5分别是我国各分区aE和nE的衰减关系参数，图2至图5分别是4个分区的aE衰减关系曲线。

图2　东部强震区aE衰减关系曲线

图3　中强地震区aE衰减关系曲线

图4　新疆区aE衰减关系曲线

图5　青藏区aE衰减关系曲线

结语

新一代地震地区划图编制所采用的地震动参数衰减关系，是在充分吸收国内外地震动衰减关系的最新研究成果，考虑我国强震动数据的实际情况和工程实践，与上一代地震动区划图地震动衰减关系分区、模型和技术方法保持适当衔接的基础上所建立的，具有如下主要特点。

（1）所依据的基础资料有了大幅度增加。随着国内外强震台站数量的增加，从近年来国际国内几次地震中获得了大量强震记录，NGA强震动数据库的使用使数据的数量和质量均有较大提升，并且高震级和近场强震动数据显著增加，数据的震级—距离分布也更加合理。

（2）衰减关系模型和回归分析方法有所提高。充分吸收国内外地震动衰减关系最新研究成果和国家科技支撑计划课题研究成果，获得的地震动参数衰减关系更加合理地反映了地震动的震级和距离饱和特征。在统计分析方法上采用了一种新的分步回归方法，使回归分析过程更为稳定。

（3）地震动衰减关系分区更加合理。吸收国际上按地震活动性强弱分区的最新做法，并参考我国地震烈度分区特征，细分了我国地震动衰减关系分区。新的分区使中强地震区的地震动参数相比于上一代区划图有了明显提高，客观上对新一代区划图中峰值加速度＜0.05 g分区的消失起到了一定作用。