为新区划图编制所建立的地震动衰减关系1

俞言祥 李山有 肖 亮

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080

引言

在地震区划工作中，建立地震动参数衰减关系是一个重要的技术环节。在我国第四代地震区划图编制完成后的10多年间，国内外在强震记录特别是大震近场记录的获取方面有了明显改观，在地震动衰减关系分区、强地震动特性等方面的研究也取得了新的认识。为满足我国新一代地震区划图编制工作的要求，在建立地震动衰减关系时，需要根据我国的实际情况和工程实践，及时吸收和反映国内外相关研究成果，同时保持适当的继承性。本文简要介绍了建立新一代地震区划图所采用的地震动参数衰减关系的总体思路，并从资料、衰减关系分区、衰减关系模型、回归方法、转换等方面说明了地震动参数衰减关系的建立过程，给出了我国分区地震烈度和地震动参数衰减关系。

1 总体思路

在建立我国新一代地震区划图编制工作所需的地震动参数衰减关系时，充分吸收和借鉴了国内外有关最新研究成果、特别是美国NGA（Next Generation Attenuation）的成果（Power等，2008），考虑我国强震数据的实际情况和工程实践，在与第四代地震区划图的地震动衰减关系保持适当衔接的基础上，以观测数据为基础，建立我国分区地震动参数衰减关系。

虽然近年来我国强震观测数据得到了快速积累，但全国大部分地区仍不足以用强震数据直接回归得到衰减关系。因此，本次工作中仍以转换方法（胡聿贤等，1984）建立我国分区地震动衰减关系，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；同时，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，并在转换过程中利用了我国部分强震数据加以控制。

考虑到我国新一代地震区划图编制原则和方法的要求，在建立地震动衰减关系时，地震动参数仍然为基岩水平向加速度反应谱和速度反应谱平台值除以2.5（用这2个参数即可构建标准反应谱），地震震级M采用面波震级，距离参数也仍然采用震中距。

2 衰减关系分区

强地震动的衰减特征存在区域性差异，因此大多数地震动衰减关系均只适合于特定的地区。在我国第三代和第四代地震区划图编制时，大致以东经105°为界，将全国分为2个地震动衰减关系分区，这主要考虑了我国东、西部地区地震烈度衰减的主要特征，如烈度衰减的快慢、最内圈等震线的长短轴比值等（汪素云等，2000）。对于我国新一代地震区划图编制工作中的地震动衰减关系是否沿用上述分区，作者专门进行了分析与研究。

目前，国际上倾向于依据区域地震构造活动特征的不同来划分地震动衰减关系分区。例如：美国新版地震区划图编制时，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。近来的一些研究表明，即使在我国东部地区，地震烈度衰减特征也存在着分区性，例如：华南内陆地区，中强地震甚至小震常常造成较重的破坏，其地震烈度衰减特征与华北地区有所不同（王继等，2008）。对于地震活动性相对较弱的欧洲地区，它的中小地震的地震动衰减规律与美国西部地区的中小地震的地震动衰减规律有所不同（靳超宇等，2009）。

地震动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。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；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。以上证据表明，以浅源地震为主的我国，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。

在本次地震区划图编制工作中，我国地震动衰减关系分区是以地震区带为基本单元，综合考虑地震烈度衰减的分区特征、地震活动水平的区域性特征确定的，具体分区方案如下：

（1）青藏区：青藏地震区。

（2）新疆区：新疆地震区除塔里木－阿拉善地震带的其它区域。

（3）东部强震区：华北地震区除鄂尔多斯地震统计区外的其它地震带、华南沿海地震带、台湾地震区。

（4）中强地震区：东部地区的其它区域、塔里木－阿拉善地震统计区。

3 地震烈度衰减关系

在本次地震区划图编制工作中，除了衰减关系分区方案不同和地震烈度资料扩充外，地震烈度衰减关系的模型与建立方法均与第四代区划图相同。

共选取了发生在我国境内研究地区的377个4.0级以上地震的等震线图，其中，1990年前的地震资料与第四代区划图相同，另外新增1991—2008年140个地震的烈度资料，其中大部分来自中国地震年鉴，少数来自独立的地震现场烈度勘查报告。最终进行地震烈度衰减关系确定的为来自这377个地震、共973条等震线记录。地震震级分布的统计见表1。

表1 地震震级分布统计表Table 1 Statistical classification of earthquake magnitude distribution

地震烈度衰减关系模型为：

式中，I为地震烈度；M为面波震级；R为震中距；A、B、C和R0为回归系数。

地震烈度衰减关系模型采用椭圆模型，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，以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3—4度（汪素云等，1993）。

在回归衰减关系时，采用椭圆长短轴联合衰减模型（陈达生等，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2。具体方法与步骤可参考肖亮等（2011）和卢建旗等（2009）。

表2 地震烈度衰减关系系数Table 2 Coefficients for the seismic intensity attenuation models

续表

4 参考地区地震动参数衰减关系

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加利福尼亚。为增加高震级地震的强震数据，加入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。地震目录见表3。

表3 强震地震目录Table 3 Catalog of strong earthquakes

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选取这16个地震在基岩场地的水平方向记录共268条进行衰减关系模型的确定。同一台站的2个水平向记录视为独立的2条记录。对于场地的划分主要使用基于Vs30（场地地表30m土层的平均剪切波波速）的NEHRP划分标准。本次工作选取Vs30在500m/s以上的场地，将其视为基岩场地。强震资料的震级－距离分布如图1所示。

图1 强震资料的震级－距离分布Fig. 1 Distribution of magnitude-distance of strong earthquakes

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 2个值 aE和vE，aE在数值上对应了新区划图的峰值加速度参数，而通则得到反应谱特征周期。

衰减关系模型的形式与第四代区划图相同：

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

为更准确地反映地震动的大震近场饱和特征，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。

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（肖亮等，2010），并对截尾效应进行了消除（Chiou等，2008），得到了参考地区地震动参数aE和vE的衰减关系系数，分别见表4和表5，式中σ为标准差。

表4 aE衰减关系系数Table 4 Coefficients of attenuation relation of aE

表5 vE衰减关系系数Table 5 Coefficients of attenuation relation of vE

5 我国分区地震动衰减关系

采用转换方法（胡聿贤等，1984）建立我国各分区的地震动参数衰减关系。利用本文建立的参考地区地震动参数衰减关系和我国各分区地震烈度衰减关系，以及参考地区地震烈度衰减关系（Chandra, 1979），采用中线映射原则，可以得到我国各分区的地震动参数衰减关系，衰减关系模型同式（2）。一般建议在以下范围适用：M=4.5－8.0（中强地震区M=4.5－7.0），R=0－200km。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6和表7分别是我国各分区aE和vE的衰减关系系数，图2—图5是4个分区的aE衰减曲线。

表6 中国分区aE衰减关系参数Table 6 Coefficients of attenuation relation of aE for China

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表7 中国分区vE衰减关系参数Table 7 Coefficients of attenuation relation of vE for China

图2 新疆区aE衰减关系曲线Fig. 2 Attenuation relation curves for aE in Xingjiang zone

图3 青藏区aE衰减关系曲线Fig. 3 Attenuation relation curves for aE in Qinghai-Xizang zone

图4 东部强震区aE衰减关系曲线Fig. 4 Attenuation relation curves for aE in tectonic active regions of east China

图5 中强地震区aE衰减关系曲线Fig. 5 Attenuation relation curves for aE in tectonic stable regions of China

6 结语

新的地震动衰减关系的建立，在继承的基础上，有如下特点：一是基于更加丰富可靠的强震记录和烈度资料；二是采用了具有大震近场饱和特征的地震动衰减模型；三是采用了使结果更加稳定的分步回归方法；四是在地震动衰减关系分区时考虑了地震活动性特征。与第四代地震区划图衰减关系相比，由于地震动衰减模型的变化和高震级强震记录的增加，高震级下的峰值加速度有所降低，而中强地震区的峰值加速度则在低震级时有所提高。致谢：本文使用了国家强震动台网中心和美国NGA项目的强震动数据。参加本工作的还有卢建旗、靳超宇、李伟、于海英、常莹、王继、吕坚、袁媛、刘志坚、杨丽萍、唐丽华、童远林等。

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