地震活动模型和新地面运动预测方程对加拿大4个城市地震危险性评估的影响

G.M.Atkinson K.Goda

地震活动模型和新地面运动预测方程对加拿大4个城市地震危险性评估的影响

G.M.Atkinson K.Goda

概率地震危险性分析（PSHA）中的主要不确定性是地震活动发生率和地面运动预测方程（GMPE）。我们探索了地震学和地面运动研究中的新发现和新认识对加拿大东部和西部地区地震危险性评估的影响。更新的信息包括地震活动发生率的重新估计、震源区的说明条款及新地面运动预测方程的应用。由于我们只说明了主要不确定性的影响，并没有全面处理所有的不确定性，因此我们将我们的模型称为暂时更新地震危险性模型。根据暂时更新地震危险性模型，我们获得了加拿大4个大城市的一致危险谱（UHS）并与加拿大地质调查局基于1995年地震危险性模型编制的当今加拿大地震危险图（2005/2010）的一致危险谱做了比较。敏感性分析显示了中低地震活动区域 （加拿大东部）地震活动平滑的显著影响，而地面运动预测方程对所有地区的影响都是显著的。此外，我们的暂时更新地震危险性模型可以很容易地绘制地震危险性曲线及给出各种场地条件和多种概率水平的地震危险性分解结果，这种功能对进行进一步的地震工程分析具有重要意义。

引言

概率地震危险性分析是地震危险性评估的一个标准程序（Cornell，1968；McGuire，2004）。通常以一致危险谱（UHS）的形式给出给定超越概率 （或重现周期）的表征期望地面运动的评估结果。Adams和Halchuk（2003）使用加拿大地质调查局（GSC）提出的地震危险性模型编制了作为加拿大国家建筑规范（NBCC）2005和2010地震条款基础的第四代加拿大国家地震危险性图。现在的加拿大地质调查局模型是1990年代初使用区域水平的地震活动性和地面运动信息提出来的。在本文中，我们将这个模型称为GSC 1995模型。通过修改关于不同类型地震事件震级―频度关系 （包括震级标度的转换）的一些主要假设和地面运动预测方程，Goda等（2010）研究了更新GSC 1995模型对加拿大西部地区的影响。他们的结果表明，关于地面运动预测方程模拟和选取认识上不确定性的处理对评估具有最主要的影响。

我们是想通过本项研究更清楚地表述主要模型的不确定性对选择的加拿大大城市地震危险性评估的影响。这将为以后用于加拿大国家建筑规范和其他应用的更为详尽的地震危险性计算做准备。而且我们使用这些暂时更新地震危险性模型对加拿大东部和西部地区进行了概率液化危险性分析，其描述见另文（Goda et al，2011）。更新内容包括采用土层放大因子作为方程一部分的地面运动预测方程，所以可以对各种土层条件做评估，能够产出包括地震危险性曲线和地震危险性分解的概率地震危险性分析结果。目前，虽然通过加拿大地质调查局的出版物和向加拿大地质调查局发请求可以得到一般的信息，但还不能轻易地得到地震危险性曲线和地震危险性分解结果。这一信息对基于性能的地震工程结构内的液化危险性分析和地震风险分析很有价值，这里的多重概率水平的地震危险特性是进行其他进一步分析的基本输入。我们可以把这里的更新视为对现有GSC 1995模型的补充，而为了编制加拿大国家建筑规范2015，目前对GSC 1995模型正在进行修订（Adams，私人通信，2010）。本研究不是跨越加拿大地震危险性的全面重估。但由于它提供了从1995年至今的地震和地面运动模型变化的影响信息，它可以使加拿大国家建筑规范委员会、地震工程师和地震风险管理机构从中获益。它也显示了备选模型更完全概率处理的影响。这或许对将来更详细的重估发展方向起引导作用。

下面我们给出作为加拿大国家建筑规范2005和2010基础的GSC 1995模型的简要概述并提供了纳入本研究的更新模型部分的主要特征。接下来进行加拿大东西部4个城市的地震安全性评估，以显示模型更新部分的影响。我们比较了所得结果和当今根据GSC 1995模型的地震危险性评估结果，并讨论了产生差异的原因。

1 加拿大地质调查局模型（GSC 1995模型）

Cornell－McGuire方法（Cornell，1968；McGuire，2004）把地震发生模型、震源区模型、震级―频度关系和地面运动预测方程结合起来通过全概率定理做所研究场点地震危险性评估。通过搜集研究区域历史和仪器记录地震的地震目录开始评估。在区域地震活动的基础上，圈定震源区或断层并利用古登堡—里克特或特征关系描述中强地震的复发特征。使用提供地震发生和产生场点地面运动联系的地面运动预测方程模拟地面运动强度。通过整合所有有关不确定的模型组成部分，估计相应于特定超越概率水平的期望地面运动，并获得一致危险谱和地震危险性的分解特征（McGuire，2004）。

在GSC 1995模型中，考虑了两个备选震源区模型：H （基于历史地震活动的）模型和R（基于区域构造的）模型，这两个模型反应了研究地震区域的地质和地震特征。图1a和图1b给出了加拿大东部和西部地区的H模型和R模型。假设每个区内的地震活动是均匀的。GSC 1995模型把卡斯凯迪亚界面俯冲地震作为确定性事件处理（Satake et al，2003）。根据稳健方法评估了用于建筑法规目的的地震危险性，这种稳健方法采用了根据H模型、R模型或卡斯凯迪亚模型的最大预测地面运动。结果是卡斯凯迪亚危险性对加拿大西部地区绝大多数场点的最终地震危险性估计没有影响。然而，在概率意义下，卡斯凯迪亚危险性是地壳和板内地震的添加剂，这是因为它构成了附加的危险源 （而不是备选源）。我们也注意到在加拿大东部地区的很多地方，根据H模型和R模型得到的地震危险性估计结果差异显著，突出了低地震活动区域空间平滑的影响。稳健方法的应用明显地增加了加拿大东部地区很多地方的地震危险性估计值并可能使加拿大东西部地区之间的相对地震危险性水平发生畸变。

震源区内的震级标度率由截断的古登堡—里克特关系表征。震级大于等于Mmin的地震年发生率λ（≥Mmin）由下式给出：

式中β和N0是震级复发参数，Mmin和Mmax分别是震源区内的最小和最大地震的震级。GSC 1995模型中的β和N0值根据直到1991年的地震危险性震中文件（SHEEF）目录获得（Adams and Halchuk，2003）。在地震危险性震中文件目录中报告的震级有几种标度。在GSC 1995模型中，所有西部目录震级被假设等同于矩震级M，而东部目录的震级被假设等同于Nuttli震级mN。在本项研究中，我们改进了这些假设，先把所有的震级转换为矩震级M，再建立震级—频度关系。

地面运动预测方程对地震危险性评估具有显著的影响，因此需要慎重选取。在GSC 1995模型中，AB95关系式被用于加拿大东部地区的地壳浅源地震（Atkinson and Boore，1995），而 BJF97（Booreetal，1997）关系式和 YCSH97关系式（Youngset al，1997）分别被用于加拿大西部地区地壳浅源地震和板内及界面俯冲地震。通过常数因子 （近似等于2）基于每个地震类型的单个地面运动预测方程的逻辑树方法，说明了关于选取地面运动预测方程的不确定性：对加拿大东部地区，使用了依赖于振动周期的因子，而对于加拿大西部地区，使用了不依赖于振动周期的因子（详见 Adams and Halchuk，2003）。特别是对加拿大西部地区，大的评估不确定性可能导致期望地面运动水平的高估（Godaetal，2010）。在应用地面运动预测方程中的另一个重要方面，是对距离测度进行适当的变换，这是因为区域地震活动的空间分布与地震事件的震中有关，而大多数新地面运动预测方程基于扩展震源模型采用了距离测度 （即，到地表断层面投影的最小水平距离rjb，或Joyner–Boore距离，以及到破裂面的最短距离rrup），而不是基于点源模型的距离测度 （即，震中距repi和震源距rhypo）。在地震危险性计算中应用repi和rhypo而不用rjb和rrup显著地低估了期望地面运动 值 （Scherbaumetal，2004；Godaet al，2010）。注意，在加拿大基本上没有识别出典型的断层源（卡斯凯迪亚消减带和夏洛特皇后断层除外），所以在区域震源区内是把事件的震中模拟为随机分布的。

我们可以根据模拟做地震危险性积分的数值估算（Hongetal，2006）。正如另一篇文章（Godaetal，2011）所述，这种方法非常有利于将概率地震危险性分析扩展到概率液化危险性分析，它需要峰值地面加速度（PGA）和矩震级的联合分布。

2 主要更新的模型部分

产生地震危险性结果的主要模型部分是地震活动发生率和地面运动预测方程。本部分我们给出的更新模型部分包括下列内容：（1）对加拿大东南部地区的H模型和R模型的修改（注意：对加拿大西部地区，震源区和GSC 1995模型的相同）；（2）基于现有的地震目录（到2008年底），使用纯矩震级标度并结合改进的信息，对震级—频度关系进行重新评估；（3）将卡斯凯迪亚界面俯冲地震的概率包含在内；（4）考虑评估距离测度的扩展源模型；（5）运用新的地面运动预测方程。由于这些特性有些（例如，第2、3和4条）已在Goda等（2010）中讨论，在此对这些因素仅简单叙述。在我们的暂时更新模型中，包含显著影响地震危险性评估的两个特有新增变化：（1）使用了备选加权震源区模型而不是稳健方法；（2）采用了均值地震危险性估计而不是中值估计。GSC 1995模型使用中值地震危险性估计，部分理由是备选假设处理是初步的，不是全概率的（也就是稳健方法）。人们一般喜欢均值，因为它们是期望值（McGuire，2004）。然而，由于在选择中值还是均值上还有争论，因此可依应用情况而定（Abrahamson and Bommer，2005）。我们注意到，美国国家地震危险性图基于的是均值（Petersenetal，2008）。

图1 震源区模型：（a）加拿大西部地区的GSC 1995H模型和R模型：GEO，PUG，JDFN和GSP（灰色）被指定为深源区并被定位在浅源区下面；（b）加拿大东南部地区的GSC 1995H模型和R模型；（c）修改的加拿大东南部地区的H模型和R模型；特征IRM区重叠了圣劳伦斯裂谷地区的分段小震源区

2.1 加拿大东南部修订的震源区模型

加拿大东南部地区相对低的地震活动发生率和对构造特征的有限认识提出了表征地震活动性的挑战。我们在研究中关注具有大城市的加拿大东部地区（我们简称为加拿大东南部），这就是安大略省和魁北克省的渥太华与圣劳伦斯河谷。在加拿大东南部观察到的最大地震事件是1663年发生在夏洛沃伊地区（即图1b中的CHV）的M7级地震（Lamontagneetal，2007），这个地区现今比加拿大东南部的其他地区更活跃（注意：历史地震的震级估计值具有很大的不确定性）。与夏洛沃伊地区现今高地震活动水平有关的一个假设是可以认为1663年地震事件是一个特征主震，它引发了邻区的地震丛集，而且这一丛集活动目前还在进行；这样的活动或许要持续数百年。随后可能出现持续数千年的一段平静（Adams and Basham，1989；Croneetal，2003；Steinetal，2009）。此外，沿雅佩滕裂谷（即图1b中的IRM）有成片分布的活跃和不活跃区域，这个地区表征了圣劳伦斯裂谷区的特点（Adams and Basham，1989； Wheeler，1995）。Tuttle和Atkinson（2010）做的古地震调查在魁北克市和三河城（即图1b中的TRR）附近全新世地层中没有发现大地震的证据，而过去1万年中可能在夏洛沃伊重复发生过大地震。这些发现对H模型的吻合程度比R模型高，由于R模型平滑了沿圣劳伦斯河谷的地震活动性，这隐含着所有震级的常活动发生率。

图2 劳伦斯裂谷区的震级—频度关系。（a）中小地震的区域曲线；（b）考虑每千年1次、2次、3次和5次特征事件和两种斜率（β＝1.842和1.151）的大震特征曲线

我们修改了圣劳伦斯裂谷地区的H模型和R模型以反映关于地震发生的更新假设。这个假设是所有地震活动（和危险）沿裂谷区均匀分布的1995R模型概念与来自Tuttle和Atkinson（2010）大震集中在夏洛沃伊附近的资料的折中。我们假设大地震（6.5≤M≤7.5）可以以与特征地震同样的概率沿裂谷区（即R模型中的IRM）的任何地方发生，而中小地震（M＜6.5）则依据最近观测的地震活动在沿裂谷区的成片区域内发生（即，H模型中圣劳伦斯裂谷区内8个历史地震丛集）。为了使和备选模型同样可信和等权，像基于H模型和R模型一样，我们考虑了圣劳伦斯裂谷区以外的震源区。图1c给出了修改的加拿大东南部H模型和R模型。可以用震级范围为6.5～7.5的特征地震模型代表修改的IRM区的震级—频度关系。这实际上是设定IRM区的最大震级为7.5，这与被认为在世界范围内类似构造区已经发生的最大事件震级一致（Adams and Basham，1989；Johnston，1989；Adamsetal，1995）。为了避免地震活动发生率的重复计算，我们把裂谷区内8个区的最大震级均设为6.5。

特征IRM区的主要参数是特征事件年发生率。根据IRM区的震级—频度关系（图2a），M≈7.0级地震的年发生率可能是每千年1次的量级。为了反映与IRM区内特征事件发生率有关的不确定性，我们考虑4种情况的特征事件（6.5≤M≤7.5）发生率，分别是每千年1次、2次、3次和5次，每种情况具有同样的权重。而且，通过考虑2种斜率参数值β＝1.842和1.151（b＝0.8和0.5）改变特征事件的震级分布。β＝1.842大致相当于加拿大东南部的区域斜率参数值，而β＝1.151被认为给较大地震加了更多的权重（即更多的特征行为）。简言之，对特征IRM区我们研究了如图2b所示的8条震级—频度曲线（4个发生率乘2个斜率）。

2.2 基于更新地震目录的震级—频度关系

地震危险性震中文件目录（Halchuk，2009）以诸如地方震级ML和Nuttli震级mN等的混合震级标度报告加拿大及其邻区的地震事件。不一致的震级标度在确定震级—频度关系时可能导致震级—频度关系参数β和N0的偏差并增加不确定性（Atkinson and McCartney，2005）。本项研究中，我们把Macias等 （2010）建立的加拿大混合目录的地震震级全部转换为统一的矩震级标度（见数据来源一节）。通过结合关于位置、深度与矩震级的改进信息（Ristauetal，2003，2005；Ma and Atkinson，2006；Lamontagneetal，2007）并考虑另外的美国地震目录资料［Petersenetal，2008；ANSS（高级国家地震系统）目录］，我们把上述混合目录添加到了地震危险性震中文件目录。而且，为了去除在地震危险性震中文件和其他目录中出现的重复事件，复制时精心筛选了目录。Macias等（2010）给出了处理细节，目录在线列出（见数据来源一节）。β和N0值由最大似然法估计，这种方法对不同震级范围考虑了不同的观测时段（Weichert，1980）。

加拿大东南部历史地震目录中1960年以前使用的主要震级类型是ML，1960年以后主要使用的震级类型是mN。使用经验转换关系把这些震级转换成矩震级（Maciaset al，2010）。为了获得与这种转换关系式有关的显著认识不确定性，我们使用了2个ML—M转换关系式：（1）Kim （1998）的ML—mN转换关系式加Sonley与Atkinson（2005）的mN—M转换关系式；（2）ML—mN经验转换关系式加Atkinson与Boore（1995）的mN—M转换关系式。震级越大，两种方法的差异就会越大，最大的不确定性出现于从ML到mN的转换中。在评估震级—频度关系时，根据Adams和Halchuk（2003）给出的完整表确定了完整的信息。相应的震级范围向下调了半个震级单位，这是因为加拿大地质调查局1995模型把mN作为代表性的震级标度，而我们的模型把M作为代表性的震级标度（注意：M≈mN－0.5）。所以通过考虑把ML转换成M的两种可能的情况，我们得到了两组震级—频度参数β和N0。

对加拿大西部的地震，ML是主要使用的震级类型。在不列颠哥伦比亚省的西南部地区ML—M的转换关系是复杂的（Ristauet al，2003，2005；Atkinson and McCartney，2005）。数据集分为3个子集：陆地事件、近海事件和深部板内事件（震源深度H大于35km）。对于陆区我们假设M＝ML，而对于近海区和深部板内区，我们使用M＝ML＋0.6（Ristauetal，2003，2005）。对于位于从近海到陆地的过渡区域的震源区（即图1a中的CASR），我们认为两种转换情况都可以使用（Atkinson and McCartney，2005）。所以我们考虑了两种可能性，得到了2组β和N0值。

在基于更新地震危险性模型产生合成地震目录中，通过指定相等的权重我们考虑了H和R这二种模型。对加拿大东南部的震源区模型，圣劳伦斯裂谷区内的特征IRM区和地方震源区分派的权重都等于1.0（因为它们的震级没有重叠），而对于圣劳伦斯裂谷区以外的其他震源区，我们均等地分配了H模型和R模型之间的权重。应该强调，震级—频度关系的更新应被看作一种有限的改进，对进行敏感性研究是适用的，但在将来的研究中应该考虑对参数不确定性和震级—频度关系认识的不确定性进行更为严格的处理。此外，为了表征时空地震活动而使用诸如无区核平滑（Woo，1996；Beauval et al，2006）和 Voronoi棋盘形布置（Hong et al，2006）等不同方法的影响也可能需要研究。

2.3 卡斯凯迪亚俯冲事件

修改的加拿大西部H模型和R模型没有包括可能的巨型逆冲断层卡斯凯迪亚俯冲事件（Satake et al，2003），这种逆冲断层事件以500～600年的复发周期准周期地发生（Adams and Halchuk，2003；Petersen et al，2008）。Goldfinger等（2008）指出这些事件的平均复发周期是520年。为了包含卡斯凯迪亚俯冲事件的地震危险性，可能的卡斯凯迪亚俯冲情景被模拟如下（更多细节见Goda et al，2010）：（1）主事件之间的时间间隔被模拟为均值等于500或600年、变异系数（CoV）等于0.25或0.5的对数正态变量，且自上次主事件的消逝时间是310年；（2）用均值等于8.5、标准差等于0.5，且在8.0和9.0被截断的正态分布模拟矩震级；（3）使用0.5、0.25和0.25的权重，考虑了最接近破裂面的3个位置 ［这些是Adams和Halchuk（2003）考虑的破裂面（见图1b）和两个由向西或东移动15km得到的备选破裂面］；（4）使用同样0.25的权重考虑了15、20、25和30km的4个深度。注意，我们对破裂面位置不确定性的处理集中在其东―西向的定位，这对温哥华和维多利亚的危险性关系最大。与Petersen等 （2008）所做的相同，我们没有企图模拟南北方向位置的不确定性。

2.4 扩展震源模型

编辑的地震目录中的地震位置相应于震中和/或震源，而大多数地面运动预测方程采用的是基于扩展震源模型的距离测度，如rjb和rrup。使用不一致的距离测度通常导致地震危险性的低估 （Scherbaum et al，2004），所以需要进行距离转换。在基于模拟的概率地震危险性分析方法中，对包含在合成地震目录中的每个地震事件可以生成假设的震源断层几何。人们可以有选择地使用把repi转换成rjb或把rhypo转换成rrup的转换关系式，而后评估概率地震危险性分析中的地面运动预测方程。后一种方法显著地减少了计算工作量。Goda等（2010）建立了浅源和深源地震的转换关系式，其精度和稳健性在概率地震危险性分析中得到了研究和证实。我们使用Goda等（2010）的距离测度转换模型，把距离测度间隙（即repi－rjb或rhypo－rrup）近似为γ变量（即，概率分布），并给出了作为基于点源模型的震级M和距离测度R函数的均值和变异系数。

2.5 地面运动预测方程

地面运动预测方程预测的地面运动中值不确定性是认识不确定性的重要组成部分。通过对每个地震类型选取若干个备选方程，我们可以粗略地模拟这种不确定性。表1中归纳了本研究中对不同地震类型所考虑的地面运动预测方程和分派的权重。采用数套地面运动预测方程仅为说明这种不确定性源的影响，进一步的研究可以显著地改进这种方法。特别是，关于认识不确定性，我们应该探索更综合性的方法（相对于简单地使用几个备选的关系式。见Atkinson，2011）。选择适宜地面运动预测方程的一个重要方面或许关系到它们对各种场地条件的可能应用。在选择的地面运动预测方程只适用于坚硬岩石场地（即，加拿大东部地区的地面运动预测方程）情况下，我们使用了一个由Choi和Stewart（2005）建立而后又由Boore和 Atkinson（2008）修改的经验土层放大方程，以调整相对于参考场地条件的不同场地条件的地面运动。

对加拿大东部地区的地壳浅源地震，我们考虑了4个备选地面运动预测方程：SGD02关系式（Silvaetal，2002；基于单和双拐角频率饱和模型的点源随机方法）、C03关系式（Campbell，2003；混合经验方法）、AB06关系式 （Atkinson and Boore，2006；应力降参数等于140和200巴的有限断层随机方法）和A08关系式（Atkinson，2008；参考经验方法）。由于AB06关系式考虑了有限的断层资料并仔细地由观测的地面运动数据（尽管可用的数据有限）导出，相对于SGD02、C03和A08关系式，我们给予了它较大的权重（见表1）。最近的数据显示，AB06关系式可能低估了近距离中等事件（即魁北克瓦勒德布瓦M5.0级地震）的地面运动，但这种低估可以由潜在的高估近源大震地面运动所补偿（Atkinson and Assatourians，2010），这样一来对地震危险性结果总的影响不大。由于最近发生的地震有助于更好理解加拿大东部的地面运动预测方程的涵义，这个问题尚需进一步的研究。

对于加拿大西部地区的地壳浅源地震，我们考虑了3个地面运动预测方程：A05关系 式 （Atkinson，2005）、HG07关系式（Hong and Goda，2007）和 BA08 关系式（Boore and Atkinson，2008）。A05关系式对获取区域地面运动标度特征和不列颠哥伦比亚省西南部地区的衰减很有用，而HG07和BA08关系式都是根据PEER－NGA（下一代衰减）数据库建立起来的（它们在用于分析的地面运动记录和函数形式方面不同）。我们没有考虑其他的PEER－NGA方程，因为它们对破裂机制、破裂深度效应、断层崖效应和土层/沉积层深度效应具有相当复杂的参数化设置，而且它们大致类似（Abrahamson et al，2008）。在加拿大西部地区，无法得到额外的基于断层的参数。我们对BA08关系式分派了一个相对于A05和HG07关系式较大的权重（见表1），因为它是通过广泛的同行评审过程建立的，并结合了地震学上的最新发现。

表1 采用的地面运动预测方程一览表

表1（续）

对卡斯凯迪亚俯冲带内的板内地震，我们考虑了3个地面运动预测方程：AB03关系式（Atkinson and Boore，2003）、Z06关系式（Zhao et al，2006）和 GA09 关系式（Goda and Atkinson，2009）。AB03关系式是根据世界范围的地面运动资料建立的而又为卡斯凯迪亚俯冲带做了调整，而Z06关系式和GA09关系式是根据日本的板内俯冲地震记录建立的（它们在应用的记录集和函数形式方面不同）。我们使用Z06关系式和GA09关系式打算利用基于日本大量丰富板内俯冲地震记录的经验证据（Atkinson and Casey，2003）。相对其他的关系式，我们给AB03（卡斯凯迪亚）关系式分派了较大的权重，由于这个关系式对卡斯凯迪亚俯冲带更为特定。

对卡斯凯迪亚界面俯冲地震，我们采用了4个地面运动预测方程：GSWY02关系式（Gregor et al，2002）、AB03关系式（Atkinson and Boore，2003）、Z06关 系式（Zhao et al，2006）和 AM09关系式（Atkinson and Macias，2009）。AB03和Z06关系式分别是根据全球和日本资料建立的，而GSWY02和AM09关系式则是根据有限断层随机模拟建立的。因为没有直接可用的实际记录，后一种方法对很多可能的卡斯凯迪亚俯冲地震是合理的选择。我们对这4个关系式的每一个都分派了相等的权重。

为了检查采用的地面运动预测方程的特征，在图3中比较了4个地震类型在0.2和1.0s的谱加速度 （SA）的中值关系。我们设定最上层30m内的平均剪切波速VS30为555m/s。为了在同一图上画出具有不同距离测度的地面运动预测方程，实施了（平均）距离测度转换，这样图3的水平轴代表距断层面的最短距离rrup。对加拿大东部地区的地壳事件（图3a），我们观察到由震源表述（即，单拐角频率模型对双拐角频率模型/有限断层模型）不确定性引起的地面运动预测方程之间和衰减率在30和150km范围内有大离散性。对加拿大西部地区的地壳事件（图3b），在短距离范围内（小于10km），地面运动预测方程之间有些差异，这个范围内可用的资料相对有限，这样预测结果更加不稳定。对于深部板内地震事件（图3c），地面运动预测方程之间有些变化，特别是YCSH97关系式的距离衰减比其他4个关系式慢。对于卡斯凯迪亚界面俯冲事件（图3d），我们观察到在75和150km的距离范围内（温哥华和维多利亚所在的位置）预测的地面运动值有很大的差异，衰减率的变化也大。AB03关系式具有特别慢的衰减，这可能反应了由来自墨西哥地面运动资料引起的偏差（Atkinson and Macias，2009）。

3 结果

我们研究了地震危险性估计值对在主要更新模型部分讨论过的模型部分的敏感性。我们对使用暂时更新地震活动参数和多种新地面运动预测方程的分析结果与基于GSC 1995模型（带有H和R震源区）得到的现有地震危险性估计结果做了比较。为了对比，我们考虑了VS30＝555（m/s）的参考场地条件的相当于50年超越概率2%（即2 475年的复发周期）的均值地震危险性估计值，而且我们集中研究的是蒙特利尔、渥太华、魁北克和温哥华4个大城市，以调查更新的模型部分的区域影响。应该强调，我们是在试图研究地震危险性估计值对主要模型部分的敏感性和将来可以探索、详细研究的趋向，而不是为这些城市提供特定场地基础的综合概率地震危险性分析计算结果。

图4 不同地震活动模型和不同组地面运动预测方程50年2%超越概率的均值一致危险谱比较。（a）蒙特利尔；（b）渥太华；（c）魁北克；（d）温哥华

3.1 对主要模型部分的敏感性

通过更新不同的模型部分获得了4组一致危险谱，考虑下列情况在图4中对4个城市的这4组一致危险谱做了对比：（1）更新地震活动参数和地面运动预测方程（这种情况相应于我们的暂时更新地震危险性估计值）；（2）只更新地震活动性参数；（3）只更新地面运动预测方程；（4）地震活动性参数和地面运动预测方程与GSC 1995模型中给出的相同。为了使对比更有代表性，我们对GSC 1995模型使用了均值估计（而没有使用加拿大国家建筑规范2005采用的稳健中值估计）并对H和R模型分派了同样的权重。表2中列出了根据更新模型（即情况1）的一致危险谱值。

更新的地震活动性参数对一致危险谱的影响（即，圆对三角）依赖于地区，蒙特利尔和温哥华的结果显示出相对小的差异，而渥太华和魁北克市的结果显示出显著的差异。由于地震活动应该如何被平滑的再考虑和考虑震级转换不确定性的震级—频度关系参数的再评估，渥太华和魁北克市的一致危险谱减少了20%～30%。考虑更新地震活动参数产生的温哥华一致危险谱的微小增加，是由于在加拿大西部地区对近海和板内事件震级从ML到M的转换引起的。

更新的地面运动预测方程对所有4个城市一致危险谱的影响（即，圆对正方形）都是显著的。我们观察到由于使用了新地面运动预测方程，东南部城市的一致危险谱的变化依赖于振动周期。0.2和1.0s之间的一致危险谱坐标值减少了大约40%～50%，而在2.0s的这些值增加了50%～60%。相比之下，考虑新地面运动预测方程对温哥华一致危险谱坐标值的减少没有东南部城市这些值减少的多，这是由于使用新地面运动预测方程减少的预测地面运动的相反效应和高估的距离测度的校正引起的（Godaetal，2010）。总体上，使用新地面运动预测方程显著地减少了地震危险性估计值，特别是东南部城市。我们注意到，总的危险性降低受使用处理认识不确定性的最近备选地面运动预测方程的复杂贡献和适当的距离测度转换的影响。后一因素不适用于加拿大东部地区的GSC 1995模型，因为用于评估的AB95关系式是以震源距为基础。

更新地震活动参数和地面运动预测方程对一致危险谱（即圆对反三角）的联合影响是非常显著的，特别是对东南部城市。更具体地说，显著性在于基于暂时更新模型和GSC 1995模型的一致危险谱坐标值的比率，对于蒙特利尔变化范围是0.5到1.4，对于渥太华变化范围是0.4到1.25，对于魁北克市变化范围是0.35到1.2，对于温哥华变化范围是0.7到1.05（图4）。此外，更新地震活动参数对地面运动预测方程的相对影响变化依赖于地区。在像加拿大东部地区这样的中低地震活动区，由于有限的观测地震活动和地震构造特征的不同解释，地震活动特征在概率地震危险性分析（Beauvaletal，2006；Hongetal，2006）中起着重要的作用。在较活跃的地区，地震活动性参数得到了较好的约束。地面运动预测方程中的不确定性在所有地区都是很大的。

表2 基于我们的暂时更新模型得到的VS30＝555和200（m/s）的50年2%和10%超越概率的一致危险谱值

3.2 国家地震危险性图的含义

图5 基于我们的暂时更新模型均值和基于GSC 1995模型均值与中值50年2%超越概率的一致危险谱的对比。（a）蒙特利尔；（b）渥太华；（c）魁北克市；（d）温哥华

考察如何比较更新地震危险性估计值和加拿大现行的国家地震危险性图采用的估计值（2005/2010）具有实际意义。图5给出了4个城市的4组一致危险谱曲线：基于暂时更新模型（图4）的一致危险谱均值曲线、基于GSC 1995模型的一致危险谱均值曲线、基于加拿大地质调查局H模型的一致危险谱中值曲线和基于加拿大地质调查局R模型的一致危险谱中值曲线。在加拿大国家建筑规范2005/2010中，场地的最终一致危险谱值基于H模型和R模型是一致危险谱中值的包络线（Adams and Halchuk，2003）。重要的是认识到，尽管均值估计通常高于中值估计，但均值和稳健中值（由备选源区模型的中值包络线形成）间的关系尚不明确。

我们观察到，东南部城市基于加拿大地质调查局H/R模型的一致危险谱中值曲线一般被限定在下边的暂时更新模型的一致危险谱均值曲线和上边的基于GSC 1995模型的一致危险谱均值曲线之间（注意：例外是2.0s的加速度谱，GSC 1995模型没有考虑其认识不确定性）。暂时更新模型一致危险谱均值和加拿大国家建筑规范2005/2010中应用的一致危险谱中值（稳健）的比值范围对蒙特利尔、渥太华和魁北克市分别是0.65到1.3、0.5到1.1和0.45到1.15。较低的值对应于短振动周期，而较高的值对应于长振动周期。

对于温哥华，与东南部城市相反，暂时更新模型的一致危险谱被限定在下边的基于GSC 1995模型的一致危险谱中值曲线和上边的基于GSC 1995模型的一致危险谱均值曲线之间。更新的一致危险谱和一致危险谱中值（稳健）的比值范围是1.0到1.45。因此，温哥华暂时更新地震危险性估计值比基于GSC 1995模型的一致危险谱中值高。短周期的地震危险性估计值增加是由于日本板内地震使用了地面运动预测方程（即，Z06关系式），与诸如AB03关系式等全球关系式相比，这个关系式趋于预测较高的地面运动。在将来的应用中通过考虑全球关系式的特定区域的调整因素，可以减小这种差异，但会涉及到局部土层条件和其他因素。说明确些就是，与卡斯凯迪亚地区的期望值相比，表征日本场地（和日本地面运动预测方程）的浅土层造成了大的短周期振幅（Atkinson and Casey，2003）。在长振动周期地震危险性估计值增加，是因为在概率地震危险性分析计算中并入了卡斯凯迪亚界面俯冲事件，而在GSC 1995模型的稳健方法中忽略了这些事件的贡献。

图6 对两种场地条件VS30＝555和200（m/s），基于我们暂时更新模型50年2%和10%超越概率一致均值危险性谱的比较。（a）蒙特利尔；（b）温哥华

3.3 不同场地条件的地震危险性估计

我们的暂时更新模型的优势是它能够进行不同场地条件的概率地震危险性分析。为了说明概率地震危险性分析中的场地放大和缩小效应，通过考虑VS30＝555和200（m/s）两种场地条件，我们计算了如图6所示的蒙特利尔和温哥华的50年2%和10%超越概率的一致危险谱，其值也在表2中列出。对图6的查看表明，在软土层上短周期的一致危险谱坐标值没有得到显著放大，而长周期的增加显著，而且放大效应依赖于地面运动水平，随着地震危险估计值变高土层放大效应减小。当我们将地震危险性模型扩展/并入到包括概率液化危险性分析（Goda et al，2011）在内的其他高级分析时，能够直接考虑场地条件是特别重要的。在本项研究中，我们只考虑了由Choi和Stewart（2005）建立的把加拿大东南部地区岩石场地上的地面运动调整到土层场地上的地面运动的经验土层放大关系式。相比之下，作为加拿大西部地区地面运动预测方程的一部分，包含了各种备选场地放大项。将来，应该使用其他的方程说明关于场地放大效应的认识不确定性。

4 总结与结论

本文的目的是研究主要模型不确定性对加拿大4个大城市地震危险性评估的影响，并对未来更详细的地震危险性计算给出清晰有益的引导和建议。通过把更新的区域地震活动发生率和新地面运动预测方程并入到已有的加拿大地质调查局1995地震危险性评估模型，我们评估了地震危险性估计值对概率地震危险性分析中主要假定的敏感性。这些因素对地震危险性评估具有显著的影响，因此这些因素对表征概率地震危险性分析中的不确定性是最重要的。这些并入我们暂时更新模型的更新资料包括对震源区模型和加拿大东南部地区地震活动发生率的改变，它们反映了夏洛沃伊地区地震活动定位和圣劳伦斯裂谷区可能的特征事件的长期复发的新信息，还包括结合不同震源区模型的概率权重的使用。此外，我们的暂时更新模型采用了均值地震危险性估计而不是中值估计，使用适当的距离标度转换实现了新地面运动预测方程，并能产出不同场地条件的地震危险性估计结果。后一特点特别有利于把概率地震危险性分析扩展/并入到概率液化危险性分析和基于性能的地震工程方法中的地震损失估计。

对加拿大4个城市的敏感性分析结果表明，在中低地震活动区域，由于有限的地震活动发生率和地震构造特征的不同解释，地震活动在概率地震危险性分析中起主要作用，而关于地面运动预测方程的不确定性在所有区域都是大的。修改的地震活动参数和地面运动预测方程对一致危险谱的联合影响是非常显著的，特别是对东南部城市。基于我们暂时更新模型的均值一致危险谱和基于GSC 1995模型的均值和中值稳健一致危险谱的对比表明，所有城市的暂时更新模型地震危险性估计值低于基于GSC 1995模型的均值估计值。对东南部城市暂时更新模型地震危险性估计值一般低于基于GSC 1995模型的中值稳健估计值，但对西部城市其值高于GSC 1995模型的中值稳健估计值。在计算地面运动中有时可能有达2倍差异的范围，这对抗震设计和分析关系特别重大。

在未来数代加拿大国家地震危险性模型中，有几个问题需要解决：（1）应该探索超越震源区划分方法的平滑区域和局部地震活动的技术，特别对加拿大东南部地区；（2）应该研究超越逻辑树方法的表征选取和模拟地面运动预测方程的方法；（3）在概率地震危险性分析中应该建立和应用关于在地面运动资料获取原始区域之外区域使用地面运动预测方程的特定区域调整因子/关系式；（4）为解释不同地表下深于30m的土层条件，必须评估关于不同区域的场地放大因子的适用性和不确定性。

5 数据来源

加拿大混合目录的地震资料主要根据加拿大地质调查局的地震危险性震中文件目录编辑，由美国目录补编，而且在复制时进行了精心筛选（Halchuk，2009）。本目录及其文档摘自 www.seismotoolbox.ca。危险性的计算使用了由Hong等（2006）描述的Goda编制的基于MATLAB的软件。

译自：Bull Seismol Soc Am.2011.101（1）：176～189

原题：Effects of seismicity models and new ground－motion prediction equations on seismic hazard assessment for four Canadian cities

（甘肃省地震局 杨国栋译；吕春来校）