芦山7.0级地震强震台仪器烈度与调查点烈度的对比分析

冯 蔚 姜立新 杨天青 李 洋 郑通彦

1)中国地震台网中心，北京 100045

2)中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3)中国地震局，北京 100036

0 引言

2013年4月20日08时02分四川省雅安市芦山县(30.3°N，103.0°E)发生7.0级地震。这次地震是继汶川8.0级地震后，四川地区再次发生的强烈地震。这2次地震均发生在龙门山地震带上。

在地震烈度信息方面，国内外存在显著差异。欧洲地震烈度表(EMS)主要依据建筑物易损性与破坏等级划分为12度。日本采用8度划分，但是把5度和6度分别划分为5－、5+、6－、6+。日本气象厅(JMA)对强震台站加速度记录滤波后，合成三分向记录，选取一定持时的有效峰值加速度来换算仪器烈度值，通过各种媒体发布城市烈度速报(震度速报)。其评定方法与烈度表有本质的区别，并不追求与传统宏观烈度描述的一致性。美国地质调查局(USGS)通过ShakeMap系统发布峰值加速度等值图、峰值速度等值图、仪器烈度图、反应谱等值图等应急产品;仪器烈度计算主要采用修正麦加利地震烈度(MMI)与地震动峰值加速度、地震动峰值速度关系(Wald et al.，1999)。中国烈度表示地震引起的地面震动及其影响的强弱程度，其表述带有地震动强度与震害后果的双重含义。现行的地震烈度评定主要依据震后现场调查点建筑物破坏的程度，评定距震中不同地区的地震烈度。

为了有效地开展震后烈度快速评估工作，许多专家学者利用丰富的地震烈度等震线资料，多运用统计回归的方法，对不同区域的烈度衰减关系进行了研究，得出了适用于各地区的统计规律(汪素云等，2000;李英民等，2007;雷建成等，2007;孙继浩等，2011)。基于统计规律的点源或线源模型应用，达到了快速灾害评估的目的，但是评估过程缺少具体地震的针对性信息，其评估结果存在一定偏差。

近年来随着强震台网的建设，国内部分专家与学者开展了基于地震动参数的烈度计算方法研究，提出了多种地震动参数与烈度关系的计算方法①金星等，2010，地震仪器烈度标准研究报告。②袁一凡，1998，由地震动三要素确定地震动强度(烈度)的研究。(张明，2010;李亮，2011;林淋等，2011)。本文根据震中位置选取区域(29°～31°N，102°～104°E)，利用国家强震动台网中心提供的强震记录计算仪器烈度，分析地震仪器烈度与周边5km内调查点烈度的对应关系，以便今后运用地震动参数作为判断地震烈度范围的辅助信息。

1 利用强震记录计算仪器烈度

强震动台网直接记录的地震动加速度数值，缺少建筑物结构和破坏机理等信息要素，不能直接体现震害结果。金星等(2010)充分考虑中国房屋结构物的主要频带范围(0.3～3.0Hz)，对加速度记录滤波后，通过统计分析建立有效峰值加速度A0.5与地震仪器烈度值的对应关系。此方法综合考虑了幅值、频谱、持时、震动方向等因素，并且其统计关系基于大量统计样本。因此，我们采用金星的计算方法，选取区域(29°～31°N，102°～104°E)，利用国家强震动台网中心提供的28个台站的强震记录计算仪器烈度(图1)。地震仪器烈度计算步骤如下:

(1)读取数据文件，对台站未校正加速度记录进行校正;采用纯幅值滤波器H(f)对三分向加速度时程分别进行滤波。滤波器表达式为

图1 震中位置与使用强震动台站分布图Fig.1 The distribution of epicenters and the strong motion stations used in this study.

式(1)中:α=0.8064，ξ1=0.54，f1=0.28，ξ2=1.00，f2=2.15，有效频带宽度为0.28～3.00Hz。(2)由滤波后的三分向地震动加速度时程采用式(3)计算合成加速度时程a(t)。

式(2)中:a(t)ew为滤波后EW向加速度时程，a(t)ns为滤波后SN向加速度时程，a(t)ud为滤波后垂直向加速度时程。

(3)基岩台站的地震动参数修正到土层地表。对于没有30m平均剪切波速度的点位，通过计算高程倾斜率，再根据倾斜率与速度的相关性求得场地类型与速度，从而确定校正因子。

(4)选取合成加速度时程中持续时间≥0.5s的幅值作为有效峰值加速度A0.5带入式(3)中计算地震仪器烈度值II。

2 地震仪器烈度与调查点对比分析

地震烈度评定主要根据建筑物破坏的程度和地表面变化状况等指标判定。地震仪器烈度主要根据等效峰值加速度(A0.5)来换算，直接体现地表的震动强弱程度，但并不能完全反映地震的破坏程度。同时，由于台站经纬度不可能与调查点经纬度完全重合(图2)，我们筛选烈度Ⅵ度以上地区强震台站周边半径5km内的调查点，然后将台站仪器烈度与周边调查点烈度进行对比分析(表1)。

图2 四川省芦山7.0级地震现场调查点与强震动台站分布图Fig.2 The distribution map of Lushan M7.0 earthquake field survey spots and strong motion stations.

通过对比表格分析，不难发现12个强震台站所计算的仪器烈度与所在震区烈度吻合度为50%，与周边调查点平均烈度值吻合度约58.6%。同时，非吻合台站仪器烈度与所在区域烈度以及调查点烈度相差不超过1度。宝兴地办台获得最大地震动峰值加速度1005.4gal，而速度和位移值较低，经仪器烈度计算为Ⅷ度，与距离最近的宝兴穆坪镇调查点Ⅷ度相同。

从建筑物受损情况来讲，本次地震灾区房屋建筑主要分为:框架结构、砖混结构和砖木结构。根据调查报告，宝兴盐井(51BXY)周边调查点盐井坪村，该自然村总户数为585户，人口约2000人。该村房屋砖混结构约占30%，土木、砖木等简易房屋约占70%。其中，砖混结构房屋5%严重破坏、14%中等破坏、61%轻微破坏(照1);砖木等结构房屋约90%不同程度受损;估计地震烈度Ⅶ，与地震仪器烈度吻合。宝兴地办(51BXD)周边调查点穆坪镇，抗震设计的框架结构房屋裂缝普遍，部分承重柱体结构贯通性裂缝，基本完好40%;砖混结构房屋墙体破坏严重(照3);砖木结构房屋垮塌，毁坏严重;估计地震烈度Ⅷ，与地震仪器烈度吻合。荥经石龙(51YAL)周边调查点石泉村，砖混结构整体表现良好，主要是非承重结构出现轻微裂缝，掉瓦普遍;砖木结构主要表现为砖墙裂缝较大、主体结构倾斜(照5)，小部分房屋由于年代久远，破坏较为严重，个别出现毁坏;估计地震烈度Ⅶ，地震仪器烈度Ⅵ，相差1度。总之，定量计算的地震仪器烈度，虽然不能达到完全吻合，但是在一定程度上反映了震害情况，特别是在前期震区烈度信息较少的情况下，具有较高的参考价值。

照1 摇盐井坪村砖混结构墙体贯通裂缝，墙皮脱落，有X型剪裂缝photo 1 摇Penetrating cracks in brick walls at Yanjingping Village.Plaster fell off and X－shaped shear crack occurred.

照2 摇蜂桶寨乡光明村砖混结构房屋墙体出现贯通性裂缝Photo 2 摇Penetrating cracks appearing on the walls of brick-concrete buildings at Guangming Village of Fengtongzhai township.

照3 摇宝兴县城砖混结构房屋墙体贯通性X裂缝Photo 3 摇Penetrating X－shaped shear crack on the walls of brick-concrete buildings at Baoxing County.

照4 摇盐垫村砖混结构民房，内墙穿透Photo 4 摇Penetration crack in the room walls at Yandian Village.

照5 摇荥经县天风乡石泉村砖木结构房屋砖墙裂缝Photo 5 摇Cracks on the brick wall of a brick timber house at Shiquan Village，Yingjing County.

照6 摇天全县两路乡水獭村砖木结构墙体出现轻微开裂，轻微破坏Photo 6 摇The slight crack and minor damage in walls of a brick timber house at Shuita Village，Tianquan County.

3 结论与讨论

通过芦山7.0级地震仪器烈度计算结果与强震台站周边现场调查点烈度评定结果对比，得到以下几点结论:

(1)地震仪器烈度与实际调查点烈度具有相同特征，都可以通过经纬度描述具体点位的烈度值;然而，仪器烈度计算的是具体的物理参数，调查点烈度评定则主要依据建筑物破坏程度，两者概念存在不同。

(2)即使宏观烈度相同，强震台站观测运动参数也存在较大离散度。单个台站测点的地震动参数值与宏观烈度的对应关系存在不确定性。地震造成的建筑物破坏受到地震动特性、建筑物类型等多因素影响，因此地震仪器烈度与实际地震烈度的差异性是不容忽视的。

(3)前人研究多对比地震仪器烈度与所在烈度区吻合度，我们则通过强震台站有效峰值加速度计算的地震仪器烈度与周边5km内调查点烈度对比，发现仪器烈度与调查点烈度存在一定吻合度，偏差不超过1度，一定程度上反映强震台站周边的震害程度。特别是在初期缺少现场调查的情况下，能提供包含经纬度坐标的定量参考指标，利于初期烈度范围的修改工作。

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