天津市及邻区地震烈度衰减关系研究[1]

谷国梁 邱 虎 王晓蕾 李雅静 赵 颖 张 晖



天津市及邻区地震烈度衰减关系研究[1]

谷国梁 邱 虎 王晓蕾 李雅静 赵 颖 张 晖

（天津市地震局，天津 300201）

本研究立足于地震应急领域，选用天津市及邻区34个震例的72条烈度等震线数据，利用最小二乘法拟合得到该地区的地震烈度衰减关系。依据椭圆模型的适用性，将震级上限定为6.5级。考虑到地震应急工作需求和邻区地震对天津辖区造成破坏的可能性，以及辖区内有感地震对社会生产、群众情绪产生的影响，研究将数据限定为天津市周边400km范围内的烈度外包线，震级下限为3.6级。通过与已有衰减关系对比，本研究结果对于5级以下地震应酌情降低烈度值，对于5级以上地震结果更合理。

地震应急 烈度衰减 天津市地区

引言

天津市位于华北地区的东北部，是中国北方经济中心。有记载以来，天津境内曾发生5.0级以上地震18次，邻区强震波及天津并造成破坏的有6次，其中唐山地震造成天津市境内死亡2.4万人，直接经济损失达50多亿元，从而使天津成为新中国唯一遭受过Ⅷ度地震烈度破坏的省会级城市（陈宇坤等，2013）。历史经验告诉我们，地震后快速准确地判断地震影响范围、损失情况，为应急决策、物资调度以及救援工作提供依据，能够最大限度地减少地震灾害造成的人员、财产损失，地震烈度衰减关系研究是其中一个重要环节。烈度衰减规律是震源特征、场地类型、结构类型、居民点分布等多种因素综合影响下的表现结果（田家勇等，2010），具有明显的区域性。目前使用的天津市地震应急指挥系统是“十五”期间中国地震局统一安装部署的，采用该系统部署的地震烈度衰减参数计算出的烈度影响场与历史地震有一定的偏差。因此，研究适用于天津及周边地区的地震烈度衰减模型必将提高地震灾害快速评估的准确性，同时对天津市未来的规划和建设有重要意义。

崔鑫等（2010）以华北地块为研究区域，选择河北省、山东省、山西省、陕西省、宁夏以及内蒙古中西部的37个5.0级以上震例拟合得到华北地区地震烈度衰减关系。沙海军等（2004）利用大华北地区的48次4.7级以上地震，使用限定模型回归得到了华北地区的地震烈度衰减关系，并将其一部分历史震例选入，这对研究结果产生一定影响。高娜等（2012）选择河北区域内的26个震例进行地震烈度衰减关系研究，其未对震级作分档处理，椭圆模型的局限性会对结果产生影响。基于上述情况，本文利用椭圆模型，选择天津市及邻近区域6.5级以下地震的等震线资料拟合得到地震烈度衰减关系。

1 数据选择与处理

天津辖区内发生的地震数量较少，本研究以天津市及邻区作为目标区域，在震例分布范围的选择上一方面要代表该区域的地质构造和场地条件，另一方面参考了汪素云等（1993）对震级和影响范围的研究结果，6.5级地震的影响范围接近400km，所以主要选择了天津市周边400km范围内的震例作为研究数据。由于历史地震记录的详细程度不一致，且震级一般是通过等烈度线来确定的，从而降低了统计结果的可靠性，原则上不宜作为地震烈度衰减关系的统计资料（石树中等，2003）。本研究震例尽量选择、独立测定，既有仪器测定又有宏观地震烈度调查资料的现代地震。针对天津市的情况，作者认为对于特大城市，不仅破坏性地震会造成重大损失，有感地震也会导致群众情绪的不稳定、疏散慌乱、停工停产等现象，从而造成人员伤亡和财产损失。历史经验显示3.6级地震的局部烈度可能达到Ⅴ度，本研究将震例的震级下限扩展到3.6级，提升了模型对有感地震的适用性。

本文选择了1945—1999年之间有烈度记录的34个震例，震中分布如图1所示，共72条等震线数据，如表1所示。资料来源于《中国震例》(张肇成等，1988a；1988b；1988c；1999a；1999b；陈棋福等，2002a；2002b)、《中国地震考察》（国家地震局地球物理研究所，1990）、《中国近代地震目录（公元1912—1990年，S≥4.7）》（中国地震局震害防御司，1999）等相关文献。在地震烈度衰减关系的统计中，采用长轴不转向与长轴可转向两种测量方法得到的数据，其拟合结果差异不大，本研究在量取等震线长、短轴数据时，采用了长轴可转向的方法。值得说明的是，由于区域内6—6.5级地震震例较少，所以在震例中增加了具有较为详细历史记录的1945年滦县地震。

表1 本文选用的等震线数据 Table 1 The isoseismal lines used in this study

续表

编号日期（年.月.日）震中位置地名震级/MS烈度/I长半轴/km短半轴/km 北纬 东经 71967.07.2840.55°，115.75°河北怀来东北5.4ⅣⅤⅥ74.438.914.753.622.73.8 81967.12.0337.72°，115.22°河北束鹿5.7ⅥⅦ168125 91968.04.0236.20°，115.20°大名-冠县4.2Ⅴ2718 101970.08.1035.70°，116.88°曲阜4.6ⅣⅤⅥ1136523653311 111970.12.1236.75°，115.75°临清3.8ⅣⅤ155144 121973.12.3138.40°，116.80°河北河间5.3ⅤⅥ46.517.54210 131981.08.1340.50°，113.43°内蒙古丰镇东5.8ⅥⅦ201112.54.5 141981.11.0937.40°，114.97°河北隆尧5.8Ⅵ93.7 151981.12.2335.28°，115.42°菏泽4.1ⅤⅥ216154 161982.10.1939.96°，118.98°河北卢龙4.9Ⅵ3.03.0 171983.04.0340.84°，114.78°万全3.8ⅣⅤⅥ32117.02294 181983.11.0735.28°，115.28°菏泽5.9ⅣⅤⅥⅦ272136681222080246 191985.06.2535.72°，117.67°新泰3.6ⅣⅤ3311217 201985.11.3037.18°，114.60°河北任县4.6Ⅴ4.74.2 211987.03.2138.34°，114.32°灵寿3.9Ⅴ9.04.0 221988.07.2340.12°，113.99°阳原4.3Ⅵ5.04.0 231989.10.1939.93°，113.85°大同-高阳6.1ⅤⅥⅦⅧ3294.90.82564.30.5 241990.07.2140.65°，115.87°赤城南4.5ⅣⅤ42222911 251990.07.2339.84°，118.58°滦县3.9Ⅵ5.03.0 261991.01.2938.47°，112.53°山西忻州5.1ⅣⅤ815583.3 271991.03.2639.97°,113.85°大同-高阳5.8ⅤⅥⅦ226.92.311.53.61.0

续表

编号日期（年.月.日）震中位置地名震级/MS烈度/I长半轴/km短半轴/km 北纬 东经 281991.05.3039.68°,118.27°河北唐山5.1ⅥⅦ82.57.51 291995.10.0639.67°,118.33°唐山5.0Ⅵ31.6 301996.12.1640.17°,116.50°北京顺义4.5Ⅴ3.71.9 311999.09.2240.09°,116.55°昌平4.2ⅣⅤ278196 321999.11.139.92°,113.98°大同-高阳5.6ⅤⅥⅦ3011.34.8305.82.1 331998.01.1041.10°,114.30°河北张北6.2ⅥⅦⅧ22.713.89.118.411.07.9 341999.03.1141.15°, 114.38°河北张北5.5ⅥⅦ41.430.7

表2 地震震级和烈度分布 Table 2 Classification of maginitude and intensity in this study

通常情况下，烈度在极震区内是饱和的，该范围内任意一点具有同一烈度值，为了使衰减曲线达到这一要求，需要在极震区内增加一些数据点，这是近场补点，近场补点仅在震中烈度为Ⅶ度以上和最内圈等震线半径大于5km的情况下进行，震中烈度值由本地区的震级-震中烈度关系确定（郁曙君，1995）。等震线在远场趋于圆形，需要增加远场补点达到这样的要求，远场补点取有感范围的半径和有感烈度值（汪素云等，1993）。本研究增加近场补点4个，远场补点28个。

2 模型选择和计算结果

地震烈度受发震构造、场地等因素影响一般呈现椭圆或近椭圆形，本文采用的是最常用的椭圆烈度衰减模型：

其中，表示烈度，均为回归系数，表示震级，是震中距，为回归分析中表示不确定性的随机变量，通常假定为对数正态分布，其均值为0，标准差分别为。0为烈度衰减近场饱和因子，为预设常数。研究地震烈度衰减，应用震源距表示衰减的距离因子，但是由于20世纪60年代以前的地震大多数没有仪器测量深度资料（李世成等，2003）。选用的震例中仅一半有震源深度数据，已有的震源深度范围为5—30km，故本研究采用震中距作为距离因子。

0的取值原则，目前主要有两种：一种是陈达生（1989）研究了不同的预设常数对衰减曲线的影响，得出结论：随着选取的0的增大，回归分析结果在近场与远场的烈度值逐渐减小，而在中场的烈度值逐渐增大，反之相反，建议0取值应使震中烈度和震级关系更接近真实情况；另一种是以烈度标准差最小为原则取值，该方法较为常用。本文的取值原则是兼顾两者，选取的0使最小，同时尽量满足震中烈度与震级关系，保持近场长轴烈度始终大于短轴烈度，使模型更加合理。

对表1中的等震线数据进行最小二乘拟合，得到的结果为：

长轴：

短轴：

3 与已有衰减模型比较

图2是本研究的模型与“十五”期间部署的天津市地震应急指挥系统中的地震烈度衰减模型以及高娜等（2012）的研究模型在长轴方向的对比，分别选取了4、5、6级地震。

高娜等（2012）的河北地区地震烈度衰减关系如下：

长轴：

短轴：

目前天津市应急指挥系统使用的是《中国地震动参数区划图（2001）》中的华北地区地震烈度衰减关系（卢建旗等，2009）：

长轴：

短轴：

由图2可见，与“十五”模型对比，本研究模型的各级地震衰减曲线随震中距的增大衰减较慢，主要是由于所选震例大部分位于京津冀地区，有较深沉积层。对于6级地震，本研究模型在近场的烈度值相对较低。就5级地震而言，两个模型的衰减曲线十分接近，本研究曲线在近场和远场略高。4级地震，本研究模型较高，一是因为震例中4级左右地震的震源深度大部分位于5—15km之间，属浅源地震，震中烈度较大。二是震例选择时考虑到其震中烈度达到Ⅴ度以上，所以出现“小震重灾”现象，使得本研究模型在小震的烈度值相对较高。

与高娜等（2012）的模型相比，曲线的衰减趋势基本一致，分析认为，这是由于选择的震例有一部分相同，同处于沉积层较厚的河北平原地区。6级地震的曲线两个模型比较接近。4、5级地震本文烈度衰减曲线相对较高，分析原因，高娜在研究过程中参考了工程地震研究地震动衰减的方法（俞言祥等，2004），对等震线资料进行了处理，在工程地震研究中考虑到如果不适当的提高抗震设防标准，则会加大基础设施的投资成本，造成不必要的资源浪费，对于城市的开发等都有较大的负面影响（石树中等，2003），所以要对等震线进行处理，但本研究针对地震应急领域，烈度等震线勾画的是各个烈度的外包线，正是地震应急用于进行震害损失快速评估的数据，所以未进行处理，造成本研究结果烈度较高。

本文选择未列入拟合震例的三个地震进行对比，这三个地震发生在天津市辖区及临近区域，分别是2006年文安5.1级地震、1998年古冶4.7级地震和1977年汉沽6.2级地震，计算结果如表3。

表3 震例长短轴半径对比 Table 3 Comparison of the radius of long and short axis

利用本研究模型和“十五”模型对检验震例进行计算（表3）。对于5级以下地震，本研究模型曲线较高。文安5.1级地震和古冶4.7级地震，两个模型计算结果相近，且均偏大。文安地震发生在2006年，其建筑质量抗震性能总体得到提高，使地震的宏观烈度降低。古冶地震震中一带的建筑大部分建于1979—1986年，1976年唐山大地震后该地区的房屋按Ⅷ度设防（王绍杰等，1999）得到加固，所以本次地震的极震区面积较小。本研究模型对于5级以下地震应酌情降低烈度值。天津地区唐山大地震之后的建筑抗震设计按Ⅷ度设防设计，对于汉沽6.2级地震，本模型评估结果较真实情况略有偏大，但明显比“十五”模型更为准确。本研究对5级以上震表现出更好的适用性。在烈度衰减关系的适用性上应考虑建筑物质量对宏观烈度的影响，建筑抗震能力的提高减轻了宏观震害现象。

4 总结

本文选择天津市及邻区内34个震例，利用最小二乘法拟合得到适用于该地区的地震烈度衰减模型。天津市辖区面积较小，地震应急工作应考虑邻区的强震可能会对天津市造成影响，本文参考了其他学者对震级和影响范围的研究结果，将震例分布范围确定在天津市周边400km内，且拟合震例和验证震例大多位于平原地区，有较深的沉积层，本模型的适用范围为天津市及周边400km的平原地区。椭圆模型对有明显地表破裂的强震已经不再适用，因此适用震级的上限定为6.5级。同时也考虑了对于天津这类特大城市，社会稳定是保证群众生命、经济发展的基础，将震例的下限降到3.6级，一方面丰富了震例，另一方面为有感地震的应急处理提供合理依据。本研究目的是提高震后灾情信息快速评估的准确度，应急领域中使用的地震烈度等震线应与地震灾害现场评估工作中给出的地震烈度等震线尽可能接近，这样应急处理范围和灾情评估更为准确，所以作者认为对于应急工作中的地震烈度衰减关系研究，地震等震线数据应采用外包线数据而非处理后平均线数据。通过历史震例和已有模型进行对比，在地震应急工作中本模型对于5级以下地震应适当降低烈度值，对5—6.5级地震具有更为合理的计算结果。

本研究选取的地震震级分布在3.6—6.5级之间，所以作者认为给出的模型有待进行完善。主要从两个方面，一是丰富震例，使各个震级段的震例分布更为均匀；二是对于6.5级以上的地震，椭圆模型已经不再适用，应该与小于6.5级地震分开进行处理，具体工作留待以后完成。

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Attenuation Relationship of Seismic Intensity in Tianjin City and Its Adjacent areas

Gu Guoliang, Qiu Hu, Wang Xiaolei, Li Yajing, Zhao Ying and Zhanghui

(Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China)

By using least square method, we achieve the attenuation relationship of seismic intensity in Tianjin city and its adjacent areas with 72 isoseismal lines from 34 earthquakes. According to applicability of the elliptical model, the upper limit of magnitude is 6.5. In the consideration of practical application in earthquake emergency management, the damage caused by the earthquake in adjacent areas and the social production and populace mood from felt earthquakes, the data range in this study distributes in a 400 km radius around Tianjin city, with the lower limit of magnitude of 3.6. In contrast to pre-existing attenuation relationships of seismic intensity, it proves that our result will reduce the intensity of earthquakes of magnitude 5 or lower and is more reasonable at the earthquakes of magnitude 5 or over.

Earthquake emergency; Intensity attenuation; Tianjin city

[1] 基金项目 天津市地震局局内科研项目（20131014）和2014年地震应急青年重点任务（CEA-EDEM-201401）共同资助

［收稿日期］2015-03-19

［作者简介］谷国梁，男，生于1986年。助理工程师。主要从事于地震应急技术工作。E-mail:guguoliang1986@163.com

谷国梁，邱虎，王晓蕾，李雅静，赵颖，张晖，2016．天津市及邻区地震烈度衰减关系研究．震灾防御技术，11（1）：35—43．

doi：10.11899/zzfy20160104