地震动衰减模型在玛多Mw7.3级地震影响场快速评估中的应用

2022-08-04王韶鹏卢育霞石玉成贺海浪

世界地震工程 2022年3期

王韶鹏，卢育霞，石玉成，刘北，李韬，贺海浪

（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州 730000；2.中国地震局（甘肃省）黄土地震工程重点实验室，甘肃兰州 730000）

引言

地震影响场快速评估是指破坏性地震发生后，在没有或只有少量地震现场信息时，为政府快速有效开展抗震救灾活动，根据地震台网信息和经验模型判定地震影响的强弱程度，快速确定灾区受灾程度和受灾范围的地震应急工作［1］。地震影响场快速评估通常采用烈度衰减模型、地震动衰减模型或密集地震台网数据来获得。

在地震频发的美国、日本和我国台湾地区，政府投入巨资布设了密集的数字化强震网络，能在破坏性地震发生后很短时间（2～10 min）提供地面运动峰值和仪器烈度分布图。美国自1994 年北岭地震后，开始震动图（ShakeMap）的研究，并于1996年率先成功用于加州地震实时强震台网。日本气象厅（JMA）建成了世界上最密集的地震观测网络，平均每隔5km 就有一个地震台，在地震之后基本上不进行烈度调查，直接以烈度计得到的烈度为准［2］。我国在“十五计划”期间建设的全国地震应急指挥技术系统利用地震烈度衰减模型进行地震影响场的快速判定，但其在实际地震灾害应用中存在很大偏差；在“十一五”和“十二五”期间，开展了包括ShakeMap、仪器烈度和破裂过程强地面运动等多个方面的研究［3－5］，并于2015年启动了“国家地震烈度速报与预警工程”建设，未来将为中国大陆及其周边地区提供高质量和高密度的地震监测台网，并可在震后快速产出仪器烈度分布图［6］。

仪器烈度是由地震观测仪器获取的地震动记录计算得到的地震烈度。美国ShakeMap 系统根据峰值加速度PGA，峰值速度PGV 与MMI 烈度之间的关系计算仪器烈度；我国台湾地区根据统计得到的震度与PGV的经验关系式计算仪器烈度［7］；日本和我国使用等效峰值参数计算仪器烈度［8］。仪器烈度的发展经历了由峰值加速度为标准转为以峰值速度和频谱参数为标准，再到当前以多种地震动参数表示的阶段。我国的地震烈度表经历了4 次大的修正，现行地震烈度表《中国地震烈度表》（GB/T 17742－2020）［9］充分应用了汶川8.0级地震、玉树7.1级地震、芦山7.0级地震等多次中强地震的震害资料和强震动记录，不仅给出了各烈度对应的PGA和PGV取值范围，还提供了仪器地震烈度计算方法，仪器烈度判定结果的准确性相对提高。

由于地震和震害本身的复杂性，地震影响场评估结果与实际情况往往会存在差异。在震后应急评估过程中，影响场一般抽象为椭圆，其影响范围主要受衰减模型控制。对于大地震，地震能量的释放并不集中在震中位置，而是在整个断层破裂带上均有释放，极震区以断层迹线为中心呈条带状分布。由于椭圆模型没有有效考虑断层破裂尺度，其结果与实际地震影响场存在明显差异，这一问题在汶川地震中表现突出。近地表的地层和地形等条件对地震影响场也会有影响，近地表场地条件所引起的地震动差别可以造成不同场地上建筑物震害的显著差异［10］。

2021 年5 月22 日青海省果洛州玛多县发生Mw7.3（Ms7.4）级地震，此次地震发生在强震台网稀疏的高原地区，青海省境内仅有16个台站获得强震记录，最近的台站距震中约175 km。由于缺乏近场强震记录，无法获得可靠的地震动峰值分布图和仪器烈度图，本文基于四种地震动衰减模型在震后快速绘制了地震动分布图和理论烈度图，通过进一步对比模型预测值与台站记录值的偏差分布以及理论烈度与调查烈度的吻合度，分析了四种衰减模型在地震影响场快速评估中的适用性，探讨了运用地震动衰减模型在台网稀疏地区进行地震影响场快速评估所面临的关键性问题。

1 地震概况

北京时间2021 年5 月22 日02 时04 分，在青海省果洛藏族自治州玛多县发生Mw7.3 级地震，震源深度17 km，仪器震中位于玛多县黄河乡（34.59°N，98.34°E），宏观震中位于玛多县玛查理镇，极震区烈度为Ⅹ度，主要震害现象为桥梁少数桥墩压溃，多数落梁，地表断裂出现［11］。此次地震的发震断裂为江错断裂，运动方式为左旋走滑，地震引起的地表破裂主要表现为挤压鼓包和拉张裂缝，张裂隙从十几厘米到2～3 m不等，裂缝呈雁列状排列，并显示明显垂直位错，最大垂直位移1～2 m［12－13］。玛多地震同震破裂总体走向260°～300°，地表破裂带的走滑位移主要呈从西向东的单侧扩展－衰减特征［14］。

中国强震动观测台网在玛多Mw7.3 地震中记录到16 组48 条加速度记录，其中：PGA 在0.80～45.95 cm/s2，PGV在0.32～11.33 cm/s。台站分布稀疏尤其缺乏近场台站，仅63DAW、63XIH 和63DUL三个台站分布在震中200 km范围以内。通过对强震记录进行常规处理，分别得到水平向和三分向合成地震动参数见表1，离震中最近的63DAW台获得此次地震最大PGA和PGV记录。

表1 玛多Mw7.3地震强震记录及相关参数Table 1 Related parameters of strong motion records during Maduo Mw7.3 earthquake

2 地震动衰减模型

地震动衰减模型是表征地震动参数随震级、距离和场地等因素变化的函数关系，是预测强震台网稀疏地区地震动分布的有效方式。玛多Mw7.3 级地震震中位于青藏高原巴颜喀拉地块内部，距地块北边界东昆仑断裂带约70 km，该研究根据此次地震发生的区域和发震特征，选择2015版《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2015）［15］所使用的青藏区地震动衰减模型（简称“YU15 模型”）和美国NGA-West2（Next Generation Attenuation-West2）项目基于全球强震记录数据开发的三个经验模型进行对比研究，探讨各种地震动衰减模型对玛多Mw7.3级地震的适用性。

（1）YU15模型

俞言祥等［17－18］采用胡聿贤等［16］提出的转换方法，建立了第五代区划图《中国地震动参数区划图》（GB 18306－2015）地震动衰减模型。相比第四代模型，YU15模型增加了更加丰富可靠的强震记录和烈度资料，采用了使结果更加稳定的分步回归法，并且在地震动衰减模型分区时考虑了地震活动性特征。在第五代区划图编制工作中，地震动衰减模型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和地震活动水平的区域性特征确定的，分为青藏区、新疆区、东部强震区和中强地震区［17］。YU15模型的适用范围为MS=4.5～8.0，R=0～200 km，衰减关系表达式如下：

式中：Y为地震动参数PGA（cm/s2）或PGV（cm/s）；MS为面波震级；R为震中距；A、B、C、D和E为回归系数［18］。

（2）BSSA14模型

BSSA14 模型是BOORE 等［19］建立的地震动衰减模型，是美国NGA-West1 项目中BOORE and ATKINSON（BA08）模型的改进版本。衰减模型考虑了发震类型、覆盖层厚度和场地非线性放大等因素，推荐其适用范围Mw=3.0～8.5；RJB＜300 km；VS30=150～1 500 m/s；衰减关系表达式如下：

式中：Y为水平向地震动参数PGA或PGV；FE、FP和FS分被代表震级项、距离项和场地项函数；预测变量为Mw（矩震级）、RJB（断层投影距）、region（衰减关系分区）、VS30和z1（波速到1 000 m/s 的深度）；mech=0、1、2 和3 分别表示不明确、走滑、正断和逆断四种断层类型；PGA单位为g，PGV单位为cm/s，z1单位为km。

（3）I14模型

I14 模型是I.M.IDRISS 和M.EERI 的研究成果，是NGA-West2 项目中基于基岩场地研究的衰减模型，对基岩场地的地震动预测相比其他NGA 模型更有针对性，但是研究报告中未给出PGV 相关的研究结果［20］。I14模型适用范围Mw=4.5～7.9；Rrup=0.2～175 km；VS30=450～2 000 m/s；衰减关系表达式如下：

式中：Y为水平向峰值加速度PGA，单位为g；Mw为矩震级；Rrup为观测点离断层面最短距离，单位为km；F表示断层类型（1为逆断层，0为走滑及其他类型断层）；α1、α2、α3、β1、β2、ξ、γ和φ表示模型回归系数。

（4）CB14模型

CB14（NGA-West2 Campbell-Bozorgnia）模型考虑了震级、断层距、断层类型、上盘效应、场地条件、盆地响应、震源深度、破裂面倾角和非弹性衰减等因素，是所有NGA 模型中考虑因素最全面的模型。CB14 模型适用范围Mw=3.3～8.5；Rrup=0～300 km；VS30=150～1 500 m/s；衰减关系表达式如下［21］：

式中：fmag表示震级项函数；fdis表示距离项函数；fflt表示断层类型函数；fhng表示上盘效应函数；fsite表示场地效应函数；fsed表示盆地效应函数；fhyp表示震源深度函数；fdip表示断层面倾角函数；fatn表示非弹性衰减函数。

3 地震影响场快速评估

地震发生后，在观测台网密集的地区，可直接依据烈度仪记录结果或地震动参数与烈度的关系得到仪器烈度分布图；在观测台网稀疏地区，目前更快速有效的方法是根据地震动衰减模型先获得理论地震动参数，然后再依据地震动参数与烈度的转换关系得到理论烈度分布图［9］。震后，随着时间推移可以获取更多资料，如震区的补充台网记录、余震分布及断层破裂尺度等，可以不断修正地震影响场分布范围，为震后应急工作提供参考依据。

3.1 地震影响场初评估

地震具有突发性，尤其是破坏性地震发生后要以最快的速度获得地震影响场，考验的是地震工作者对震区地震活动特征的研究程度，大震影响场的长轴方向一般受发震构造的控制。地震影响场评估所需的必要参数是震中位置、震级和初步估计的发震断层走向，玛多Mw7.3级地震影响场初评采用了距离震中最近的断裂带的走向，断层破裂尺度采用了中国西部地区震源破裂尺度与震级的经验关系［22］。NGA模型使用近地表30 m 等效剪切波速VS30来表征场地影响，其中：CB14模型和BSSA14模型适用于VS30大于150 m/s 的场地，可直接使用VS30数据产出考虑场地影响的地震动分布。I14 模型对VS30的适用范围在450～2 000 m/s，YU15模型为基岩地震动模型，二者均对软土场地不适用。因此，对I14模型和YU15模型，首先运用衰减关系式计算出参考基岩面的PGA 和PGV 值，再通过BORCHERDT［23］基于VS30得到的依赖于幅值和频率的放大系数对PGA 和PGV 值进行校正。该研究所使用VS30数据来自美国地质调查局（USGS）全球VS30数据库，该数据库主要基于WALD等［24］提出的地形坡度与VS30的经验关系计算得到。

图1为采用上述四种衰减模型获得的震动图，从图中可以看出：在垂直于断层走向方向，地震动衰减模型的预测值与大部分台站的观测记录处于相同数量级；在沿断层走向方向模型预测值与台站记录值偏差较大，63DAW 台的地震动记录值不仅显著高于模型预测值，也明显高于与其震中距相近的63DUL 台和63XIN台。

图1 玛多Mw7.3地震初评估震动图Fig.1 ShakeMap of initial evaluation of the Maduo Mw7.3 earthquake

图2为四种模型理论烈度与现场调查烈度对比图，从图中可以看出：沿断层走向方向，理论烈度与现场调查烈度偏差较大，表现为理论烈度不同程度低于现场调查烈度，其中：YU15 模型评估的高烈度区面积相对更小。分析原因：对于YU15 模型，一方面是由于椭圆模型自身特点的限制；另一方面在其衰减关系的建立过程中，所选震例缺乏足够数量的7级以上大地震，因此对于大震适用性不强；对于NGA-West2模型，破裂长度由经验公式计算得到，发震断层的实际破裂长度具有随机性，计算结果和实际情况可能存在差距，当这一偏差较大时，必然会影响烈度评估结果的准确性。

图2 玛多Mw7.3地震初评估理论烈度和调查烈度对比Fig.2 Comparison of initial evaluation theory intensity and actual investigation intensity of the Maduo Mw7.3 earthquake

3.2 地震影响场修正

大型走滑地震，地震断层的破裂尺度可达几十甚至上百公里，地震断层的空间分布特征对地震影响场形状影响很大。根据地震现场考察结果，玛多地震地表破裂长约130 km，而地震反演结果显示破裂长度甚至可达140～160 km［12，14］，与本文所使用经验模型计算的断层破裂尺度相差较大。为论证断层破裂尺度对预测结果的重要性，同时考虑到现场调查具有一定的局限性，可能一定程度低估真实的破裂尺度。因此，以反演结果160 km 作为断层破裂尺度参数，重新生成地震动分布（图3），并得到修正后的理论烈度图（图5）。由图3（a）和图3（b）可以看出：相比初评估结果，NGA-West2衰减模型与63DAW 台强震记录的吻合度有了明显改善，同时YU15模型与NGA模型在长轴方向的差异也与愈发明显。图3（c）和图3（d）为经强震记录校正的震动图，修正时根据计算得到的模型预测值相对台站记录值的放大系数对台站周围一定范围的模型预测值进行了重新计算，由于台站分布过于稀疏，对震动图的校正效果不明显。

图3 玛多Mw7.3地震修正断层破裂尺度的震动图Fig.3 ShakeMap after modifying fault rupture scale of the Maduo Mw7.3 earthquake

图5 玛多Mw7.3地震修正断层破裂尺度后理论烈度和调查烈度对比Fig.5 Comparison of theoretical intensity and actal intensity after modifying fault rupture scale of the Maduo Mw7.3 earthquake

图4 为模型估计值相对台站记录的偏离度分布结果，从图中可以看出：如果仅仅以离震中最近的63DAW 台来评判，在PGA、PGV 和仪器烈度三个维度，CB14 模型的估计值与台站记录值的偏差均最小，而YU15模型的预测偏差最大。随着距离增加，CB14模型对PGA 的预测偏差出现明显波动，而YU15模型的预测偏差在逐渐减小；CB14 模型对PGV 和烈度的预测偏差处于四个模型中的较低水平。总体来看：三种NGA-West2模型对玛多地震的预测效果好于YU15模型，其中：CB14模型相对更优。

图4 玛多Mw7.3地震模型预测值相对台站记录的偏离度分布Fig.4 Deviation distribution of the results predicted by model relative to station records at the Maduo Mw7.3 earthquake

图5为修正后的烈度对比图，可以看出：修正后的NGA-West2 模型理论烈度与调查烈度吻合度显著提高。通过在图5 中增加11 个调查点，对四种模型的烈度评估结果进行对比分析。表2 列出了全部调查点在不同衰减模型下的理论烈度与调查烈度对比结果，YU15 模型烈度结果低于三种NGA-West2 模型；在NGA-West2 模型中，CB14 模型的最高烈度为Ⅹ度，其余两个模型的最高烈度均为Ⅸ度。总体来看：CB14 模型的评估结果与现场调查结果更相符。

表2 玛多Mw7.3地震调查点地震烈度对比Table 2 Comparison of seismic intensity at investigation points

4 讨论

YU15 模型建立过程中选取了中国境内377 个4.0 级以上地震的973 条等震线图，在转换过程中加入了近年来得到的部分基岩强震动数据，包括美国NGA项目数据库和汶川地震的强震记录。衰减模型采用了具有大震近场饱和特征的地震动衰减模型［17］。但该模型所选取的强震记录或是等震线资料大部分为7 级以下中强地震，因此对7 级以下地震适用性相对较好。该研究引入2016 年新疆呼图壁Mw6.0 地震对地震动衰减模型预测效果进行补充讨论。

2016 年12 月8 日13 时15 分，新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁县（86.35°E ，43.83°N）发生Mw6.0 地震，震源深度6 km，呼图壁地震的发震断层是位于准噶尔盆地南缘断裂附近的一条隐伏反冲断层，准噶尔南缘断裂总体走向为280°［25］。国家强震动台网共获取37组三分量加速度记录，该研究筛选了其中离震中较近18个台站（断层距10～110 km）的强震记录作为研究对象。

图6所示为四种模型估计的呼图壁Mw6.0地震PGA、PGV 等值线及强震台站分布，在断层距0～70 km范围内（图6（a）中YU15 模型PGA=30 cm/s2等值线以内）分布有4 个强震台站。图7 所示为模型预测值相对台站记录值的偏离度分布结果，从图中可以看出：模型预测结果偏差随断层距的增加而增大。在断层距小于70 km时，YU15模型地震动预测结果与台站观测值更接近；在断层距大于70 km时，YU15模型的预测偏差开始增大，并超过CB14模型和I14模型。总体而言：在中近场YU15模型对2016年新疆呼图壁Mw6.0地震的评估结果要优于三种NGA-West2模型，后者估计的地震动值相对偏小。

图6 呼图壁地震震动图Fig.6 ShakeMap of the Hutubi earthquake

图7 呼图壁Mw6.0地震模型预测值相对台站记录的偏离度分布Fig.7 Deviation distribution of the results predited by model relative to station records at the Hutubi Mw6.0 earthquake

通过以上分析可知：对于大地震，发震断层的地表破裂长度和方向对地震影响场形状影响较大，在这种情况下，考虑断层距的NGA-West2 模型适用性更好。玛多地震呈现非对称双侧破裂模式，向东的破裂占主导，主要滑动区位于震中附近及东边［26］，这些特征很大程度决定了玛多地震影响场空间分布的特殊性。对于呼图壁地震以及同等强度的其他地震，断层破裂尺度往往较小，对地震影响场的控制作用有限，而此时基于国内丰富地震资料拟合的YU15 模型会获得相对更优的预测结果。此外，本文理论烈度是直接与地震动参数或仪器烈度相关联的烈度，与现场调查烈度的评价标准具有一定的差异性，而现场调查烈度往往具有一定的模糊性。因此，理论烈度与现场调查烈度存在一定差异是一种客观现象。

基于国内丰富的等震线资料和近年来不断补充的强震记录数据，以及通过合理划分衰减关系分区，YU15模型对国内中强地震的预测结果要明显优于NGA-West2模型。虽然NGA-West2模型考虑了诸如断层破裂尺度、发震类型、震源深度及覆盖层厚度等众多因素，但受制于其是一个全球化的衰减模型，无法对局部区域的地震动衰减特征有效兼顾，NGA-West2 模型在日本和新西兰等地的应用情况也证实了这一点［27］，我国不同地区的地震动衰减特征也存在显著差异［28］。对于我们后续地震动衰减关系的研究，应该从两方面进行重点突破：（1）对YU15 模型进行改进，以一定的形式将断层破裂尺度及发震类型等因素考虑在内；（2）基于NGA-West2模型在本地区的适用性分析结果，针对本地区的实际情况，对模型函数形式进行优化调整，并利用国内强震数据对衰减关系系数进行重新拟合。

破坏性地震发生后，真实的地震动分布受震源性质、断层分布和场地条件等多种因素影响。对于大地震，发震断层的地表破裂长度和方向对地震影响场形状影响较大，发震断层在实际破裂过程中往往表现出方向的偏移以及破裂的不连续分布等特征，这都将造成影响场形状的不规则分布。因此，在地震发生后依靠实时的地震信息对影响场进行同步修正，进而准确识别并划定极震区范围是提高震后救援效率的有效途径。我国已于2015 年启动“国家地震烈度速报与预警工程”建设，总数超过100 00 个台站的地震烈度速报与预警网络即将建设完成，将为中国大陆及其周边地区提供高质量、高密度的地震监测数据，可在震后快速产出震动图及烈度分布图，为地震应急输出更加丰富的资料。