不同地震动衰减关系在吉林中西部地区应用分析

张 帆，魏美璇，付 琦，丁 广，乔天罡

（1吉林省地震局，吉林长春 130117；2吉林省四平市地震台，吉林四平 136000）



不同地震动衰减关系在吉林中西部地区应用分析

张 帆1，魏美璇1，付 琦1，丁 广1，乔天罡2

（1吉林省地震局，吉林长春 130117；2吉林省四平市地震台，吉林四平 136000）

摘 要：介绍吉林省强震分布和特点，给出强震数据。选取两种适用于东北地震区基于基岩的GB18306—2015和东北地震区衰减关系与吉林省中西部地区土层自由地表衰减关系进行对比，统计回归计算给出不同震级峰值加速度衰减曲线和反应谱，对三种模型存在的差异进行讨论和分析，为进一步开展吉林省中西部地区震害评估及预测等研究提供参考。

关键词：强震；吉林中西部；衰减关系；峰值加速度衰减曲线；反应谱

0 引言

地震动参数衰减规律与区域地震地质构造特征有密切关系，不同地区存在着差异性。自胡聿贤等［1］1984年提出烈度转换法以来，该法不断被国内学者改进，并广泛应用于全国性、区域性地震动衰减研究。例如，王玉石等［2］、孙丽娜等［3］和崔建文等［4］分别建立了川滇地区、唐山地区、云南地区地震动衰减关系。

随着地震资料的日益丰富，目前基岩水平向地震动衰减关系模型计有十余种［5］。我国学者就中国东北地区先后给出了区域性更强的地震动衰减关系模型。吴兆营等［6］亦根据近年吉林前郭强震记录初步建立了吉林省中西部地区土层自由地表衰减关系。强震资料对衰减关系的拟合有着重要的影响，整理给出吉林中西部地区强震资料。虽然强震数据质量比较高，但是考虑到震例数量和震级范围有限，故把吉林省中西部地震动衰减关系、中国东北部地震动衰减关系［7］和GB18306—2015中强震衰减关系［8］进行统计回归分析，给出不同震级峰值加速度衰减曲线和反应谱，最终将三种衰减关系计算结果同实际震害调查结果进行对比，对存在的差异进行分析和讨论，为进一步完善吉林省中西部地震动衰减关系研究、进一步提高该地区震害评估及预测等研究的精度打下基础。

1 强震记录和特点

2013年11月前后吉林前郭发生5.8级震群，其中M5.0以上地震5次，M5.0以下地震1000余次，极震区烈度达到VII度，2015年该区域又发生一次M4.5地震。吉林省强震台网沿地震区域长岭—松原一线分布5个强震台，共记录到强震数据40余条。从吉林省地震局地震编目组提供的地震历史资料来看，1937年以前的地震事件多由史料记载整理而出，无精确的三要素参数，使用价值不大。因此整理出1937年以后4.0级以上浅源地震共计39次，其中29次发生在吉林省中西部。强震台网和震中分布（见图1）。

风华台（fht）、达里巴台（dlb）、宝甸台（dlb）、乌兰塔拉台（wlt）和东三家子台（sjt）是中国地震背景场探测项目实施期间建设完成的，配套的强震仪为SLJ-100BFA-T加速度传感器和EDAS-24GN3型数据采集器。由于强震资料对衰减关系的拟合有着重要的影响，所以对原始数据进行常规处理，给出强震数据（见表1）。

表1 地震序列、强震台及峰值加速度记录Tab.1 Earthquake sequence，strong motion records and peak acceleration

续表1

根据震中位置可以看出，吉林省中强震集在中西部松原地区，该区域处于北西向查干泡-道字井断裂与北东向扶余-肇东断裂交汇部位，为轴向北北东的大型向斜。从记录的峰值加速度来看，东西向分量和南北向分量最大峰值加速度分别为88gal和63gal，是东三家子台在5.8级地震中记录到的。所有强震记录东西向分量峰值加速度均大于其他分量。根据刘启方等［9］研究表明，垂直于断裂方向的分量较其他分量峰值加速度大，且断裂活动以走滑为主，与震害调查结果大体一致。根据这些特点可以推断吉林省中西部中强地震带是受这三条断裂带影响而形成的。

2 衰减关系介绍

由于世界上绝大多数地震区尚无足够的观测记录可用于建立地震动衰减规律的统计公式，大多数衰减关系都是根据转换法提出来的。换算结果需要综合参考原始资料进行烈度与地震动换算的离散性和不确定性的因素才能给出。显然，不同衰减关系应用于同一地区所得结果会有很大差异。以下三种衰减关系都是针对中国东北地区提出的，区域性更强。

（1）GB18306—2015衰减关系［8］

该模型是在“两图”（指GB18306《中国地震动参数区划图》中的中国地震动峰值加速度区划图和中国地震动加速度反应谱特征周期区划图）基础上，采用概率地震危险性分析方法，通过修订给出基于基岩的衰减关系，公式如下：

式中，Y为峰值加速度或不同周期反应谱值，M面波震级，R为震中距，A、B、C、D和E为回归系数。

（2）东北地震区衰减关系［7］

该模型又称HUSA-2衰减关系模型，是1989年霍俊荣［10］先生针对中国东部地区的实际情况提出的。以此为基础，郑桐给出了东北地震区水平向基岩加速度反应谱衰减关系，公式如下：

式中，Y、R和M的物理意义同前，c1、c2、c4、c5、c6为回归系数。

（3）吉林中西部地区衰减关系［6］

吴兆营依据吉林省中西部地区强震资料提出土层自由地表衰减关系（点圆模型），公式为：

式中，Y、R和M的物理意义同前，h为虚拟埋深。a1、a1、b1、b2为回归系数。

GB18306—2015总体仍沿用在 GB18306—2001地震区划分方案，在全国共划分出8个地震区，24个地震带。东北地震区、南海地震区及东海地震区未进一步划分地震带。与GB18306—2001不同的是，GB18306—2015编制中采用了由地震统计区、背景地震活动潜在震源区和构造潜在震源区构成的三级潜在震源区模型，并建立了相应的地震活动性模型，应用广泛；HUSA-2衰减关系是霍俊荣先生参考美国西部基岩数据利用转换法确立的，影响深远，为后继学者深入研究提供重要的基础依据。郑桐借鉴此模型，收集东北三省地区积累的震例，给出了东北地震区水平向基岩加速度反应谱衰减关系，在东北部地区具有很强的通用性；吉林省中西部衰减关系模型是吴兆营等根据吉林省实际震例初步确定的，由于震例较为集中，具有很高区域针对性。虽然震例较少，但是震中距分布均匀、数据质量较高、震区范围小，利用最小二乘法和统计回归给出的模型可靠性高。

三种衰减模型在吉林地区通用性和针对性都很强，通过综合对比分析和讨论，给出目前针对吉林省中西部地区精度最高的模型。

3 计算和分析

下面分别对GB18306—2015、东北部地区、吉林省中西部地区三种地震动衰减关系模型长轴和短轴方向进行统计回归，给出各个模型的回归系数（见表2）。

表2 各个模型回归系数Tab.2 Regression coefficient of different models

根据各个模型的回归周期和系数，针对不同震级和震中距，将回归系数、震级和震中距分别代入到各个模型中进行运算，给出了峰值加速度衰减曲线分析对比图和反应谱图（见图2、3）。

从峰值加速度衰减曲线图（图2）可以看出：（1）长轴对比，吉林省中西部峰值加速度衰减曲线小于中国东北部衰减，中国东北部衰减小于GB18306—2015衰减。（2）短轴对比，吉林省中西部峰值加速度衰减曲线总体小于GB18306—2015衰减，GB18306—2015小于中国东北部衰减。（3）无论是长轴还是短轴的曲线衰减，震中距在0～20km之间，3条峰值加速度曲线衰减差异约1.5倍左右，吉林省中西部峰值加速度曲线衰减最小，GB18306—2015峰值加速度曲线衰减最大，原因是GB18306—2015衰减模型和中国东北部衰减模型都是基于美国西部基岩数据转换而来。不同的是，中国东北部衰减模型是借鉴了中国东北部地区的震例进行回归给出的，由于提出的时间较早，当时吉林省的强震资料不够丰富，从一定程度上会产生这种差异性。而GB18306—2015衰减模型是利用地震烈度等震线拟合烈度衰减关系时，选用的资料要求震级和烈度都是独立测定的，对比缺少宏观实地调查资料、部分等震线用虚线勾画的地震，对于地震动衰减关系分区也是以地震带为基本单元，综合考虑地震烈度衰减的分区特征、地震活动水平的区域特征确定的，将东北震区、长江中游地震带等都归结为中强地震区。该模型适用于大区域，并不是专门针对吉林中西部活跃地震带提出的，也是产生差异性的主要因素。震中距在20～40km之间，3条峰值加速度曲线衰减整体关系差异性不大，吉林省中西部衰减曲线依然小于其他两种模型。震中距大于40km后，3条峰值曲线衰减整体差异性不大，震中距大于75km后，吉林省中西部衰减曲线略高于GB18306—2015。

由加速度反应谱图（图3）可以看出：（1）当震级为4.5和5.0时，无论是长轴还是短轴方向中国东北部反应谱总体都高于吉林省中西部和GB18306—2015，吉林省中西部总体水平高于GB18306—2015，且吉林省中西部和GB18306—2015的反应谱走势斜率相当，中国东北部反应谱走势相对平滑。（2）当震级为5.8时，吉林省中西部长轴和短轴反应谱稍高于中国东北部和GB18306—2015，GB18306—2015最小。吉林省中西部短轴反应谱走势与中国东北部短轴走势相当。

当峰值加速度为40gal和90gal时，对三种衰减关系分别计算分析得到以下结果（见表3）。

震害调查结果显示：Ⅵ度区长轴、短轴半径分别为43km、30km，面积为4050.6km2；Ⅶ度区长轴、短轴半径分别为 24km、15.5km，面积为1168.08km2。

通过反应谱和加速度衰减曲线对比分析、计算结果与实际考察结果对比验证可以看出，吉林西部地区土层地表地震动衰减关系预测的震害范围精度较高，与实际震害调查结果大体一致，可用于在吉林省中西部地震活跃区中小地震的震害预测。吉林中西部衰减关系模型以吉林省震例为基础研究数据，其中强震数据非常完善，数据质量高，避免使用转换法带来的弊端。但是震例不算丰富，震级范围有限，所以同其他两种模型存在差异性。另外一个主要原因是，利用转换法模型计算出的结果相对比吉林省中西部地震动衰减关系给出的结果相对保守，主要是因为转换法模型考虑了中国东北部大区域的地震动换算的离散性、参考区域和研究地区衰减关系不确定性造成的。

表3 各个衰减关系计算结果Tab.3 Each attenuation relationship results

4 结论与讨论

通过三种地震动衰减关系应用对比，分析了峰值加速度衰减关系和加速度反应谱在不同模型呈现特点，确定了适用于吉林省地震活跃区衰减关系，与中国东北部基岩地震动衰减关系、GB18306—2015衰减关系和现场震害调查进行了对比分析，可以得到以下结论：

（1）相同条件下，吉林西部地区土层地震动衰减关系给出的结果明显低于中国东北部地震动衰减关系和GB18306—2015的地震动衰减关系。

（2）吉林省中西部地震动衰减模型以震例为基础提出，避免了利用转换法模型计算结果存在的不确定因素。

（3）由于震例和震级范围有限，目前采用相对保守的以长轴为准的点圆模型。

（4）通过三种模型的对比分析，用统计得到经过修正的吉林西部地区土层地表峰值加速度衰减关系推断的破坏区范围与此次震群震害调查结果基本一致，精度进一步提高。利用震例统计得到的区域衰减关系可作为预测本地区中小地震的震害预测使用。

吉林省中西部区域属于中强震带，在十五期间强震记录的建设才更加丰富和完善。采用不同地震动模型进行对比分析，发现目前吉林省中西部衰减关系模型比较贴近实际震害调查结果，但所使用的数据有限，可能影响统计结果的可靠性，但结果与目前由转换方法得到的本区常使用的我国东北部基岩地震动参数衰减规律和GB18306—2015存在较大差异，随着地震资料的累积与丰富，为进一步深入研究适用于本地区地震动参数衰减规律提供重要的参考依据。

致谢：所有数据均来自吉林省地震局地震与火山监测中心数据共享平台。国家青年应急项目评审专家组对研究成果提出了宝贵意见，在此表示感谢！

参考文献

［1］ 胡聿贤，张敏政.缺乏强震观测资料地区地震动参数的估算方法［J］.地震工程与工程振动，1984，（1）：1-11.

［2］ 王玉石，李小军，周正华.川滇地区水平向强地震动衰减关系研究［J］.地震学报，2013，35（2）：238-249.

［3］ 孙丽娜，齐玉妍，吕国军，等.唐山地区基岩地震动峰值衰减特性研究［J］.震灾防御技术，2013，8 （3）：261-274.

［4］ 崔建文，李世成，高东，等.云南分区地震动衰减关系［J］.地震研究，2006，29（4）：386-391.

［5］ 李小军，阎秀杰，潘华.中小震近场地震动估计中地震动衰减关系的适用性分析［J］.地震工程与工程震动，2005，25（1）：1-7.

［6］ 吴兆营，刘红帅，迟天峰.吉林西部中强地震土层地表地震动衰减关系［J］.自然灾害学报，2015，24 （4）：219-226.

［7］ 郑桐.东北地震区水平向基岩加速度反应谱衰减关系［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2012.

［8］ 高孟潭.GB18306—2015中国地震动参数区划图宣贯教材［M］.北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2015.

［9］ 刘启方，袁一凡，金星，等.近断层地震动的基本特征［J］.地震工程与工程振动，2006，26（1）：1-10.

［10］ 霍俊荣.近场强地面运动衰减规律的研究［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，1989.

中图分类号：P315.3

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）02-0095-08

收稿日期：2016-03-01

基金项目：2015年地震应急青年重点项目（CEA_EDEM-201502）

作者简介：张帆（1982—），男，本科，助理工程师，主要从事地震与火山监测工作。

Applicability of Different Ground Motion Attenuation Models in the Midwest of Jilin Province

Zhang Fan1，Wei Meixuan1，Fu Qi1，Ding Guang1，Qiao Tiangang2
（1.Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China；2.Siping Seismic Station，Siping，Jilin 136000，China）

Abstract：The distribution and characteristics of strong earthquakes in Jilin province are introduced，and the data of strong earthquake are given.We select and compare the GB18306—2015 and Northeast seismic region attenuation relationship，which is applicable in Northeast seismic region，and the soil surface free attenuation relationship in the central and western area of Jilin province，calculate different magnitude peak acceleration attenuation curves and response spectra，discuss and analyze three kinds of model differences.It has certain significance to further improve the Midwest earthquake disaster evaluation and prediction of Jilin province.

Keywords：strong earthquake；central and western Jilin；attenuation relationship；peak acceleration attenuation curve；response spectrum