上海及周边潜在震源区对上海长周期基岩地震动参数影响分析*

袁桂芳

（上海雨辰工程技术有限公司，上海 201108）

引言

研究人员通过对以往的地震记录研究发现，大震远场地震记录的长周期成分明显要比小震近场的地震记录丰富，对长周期结构的影响较大，造成的震害较严重[1]。在1985年墨西哥8级地震以及2008年四川汶川8级地震等特大地震的相关研究中均发现，这些地震记录的长周期地震动十分显著，距离震中较远距离的地方的高层建筑同样受到较大影响[2-3]。

上海市强震台网获取了2008年5月12日中国汶川8.0级地震、2020年5月3日日本九州6.0级地震、2016年10月20日中国江苏射阳4.4级地震3次地震记录。通过分析处理，分别计算了基岩台和地表台站地震加速度记录的傅里叶谱和反应谱。结果表明：在两次震中距超过700 km的地震中，台站所处区域软土对频率为0.3—0.4 Hz的地震波存在明显放大作用，反映了上海市深厚软土覆盖层对长周期地震波的放大作用[4]。

由于上海地区属于深厚覆盖层分布地区，第四纪覆盖层普遍厚度约为300—400 m，场地卓越周期较长。同时，上海地区超高层建筑林立，这些建筑物自振周期较长，对长周期地震动参数比较敏感。本文通过地震危险性分析的方法，从概率贡献的角度分析上海及周边潜在震源区对上海地区基岩长周期地震动参数的影响。

1 上海及临近地区潜在震源区划分简介

本研究采用的潜在震源区划分是新编中国地震动参数区划图（即五代区划图）潜在震源区方案。上海及临近区域共划分出46个潜在震源区（图1），其中，震级上限8.5级的潜在震源区1个（由于距离场地较远未绘入图1中）、震级上限7.5级的潜在震源区3个、震级上限7级的潜在震源区3个、震级上限6.5级的潜在震源区8个、震级上限6级的潜在震源区17个、震级上限5.5级的潜在震源区2个、震级上限5.5级的背景源7个以及震级上限5级的背景源5个。上海地区地震构造以及对上海起主要影响的潜在震源区情况如下：

（1）上海位于长江三角洲平原，其上覆盖有300 m左右厚度的第四纪松散沉积物，区内代表性断裂包括NE向的枫泾—川沙断裂和张堰—南汇断裂、NW向的南通—上海断裂和太仓—奉贤断裂、近EW向的昆山—嘉定断裂和吴江—黄渡断裂等，断裂的最新活动时间一般为早更新世—中更新世，其中以NE向断裂最为发育[5-6]。上海地区历史上曾发生过1624年上海4¾级地震，上海西侧的昆山和吴江等地历史上发生过多次4—5级地震，最大地震为1731年昆山淞南5级地震[7]。根据地震构造和历史地震的分布，上海中心及南部地区位于奉贤潜在震源区（20号源），震级上限为6.0级；上海北部地区大部分位于嘉定潜在震源区（31号源），震级上限为6.5级。

（2）长江口外潜在震源区（39号源）位于上海市东北角，距离上海市中心最近距离约60 km。长江口外海域断裂构造发育，以NE、NW向断裂为主，断裂以上新世—早更新世活动为主，最新活动可至中更新世，断裂的最大断距一般为几十米[8]。历史上曾发生过1505年6¾级地震。该潜在震源区震级上限为7.0级。

（3）大丰海外潜在震源区（40号源）位于上海以北约200 km，该潜在震源区位于苏北大丰海外南部坳陷及附近地区，南黄海盆地南部坳陷断裂比较发育，苏北—滨海断裂从区内穿过[9]。区内曾发生过多次6级以上地震，其中包括1846年7级地震，震级上限为7.5 级。

（4）郯城潜在震源区（46号源）位于上海市以北约500 km处。由于距离较远，图1中未绘入。郯庐断裂带东边界断裂及带内白芬子—浮来山断裂和安丘—莒县断裂纵贯该潜源区，区内安丘—莒县断裂新活动强度最大，多处见到安丘—莒县断裂错断的全新统、冲沟和水系，断裂具有右旋逆冲性质。区内曾发生1668年郯城8½级地震，震级上限为8.5级。

图1 上海及周边潜在震源区分布图Fig. 1 Distribution map of potential seismic sources area of Shanghai and its adjacent areas

上述奉贤潜在震源区和嘉定潜在震源区位于上海及临近区域，属于近场潜在震源区；长江口外潜在震源区、大丰海外潜在震源区、郯城潜在震源区等，由于距离场地相对较远，且震级上限相对较大，本文中称为远距离高震级潜在震源区。

2 基岩地震危险分析

2.1 计算原理

本次基岩地震动参数计算采用了《工程场地地震安全性评价》（GB 17741-2005）推荐的CPSHA概率地震危险性分析方法[10]。为合理考虑不同震级段地震活动空间分布特征的差异，重视中强地震活动的地震危险性影响，本次地震活动性模型使用了五代区划图中采用的三级潜在震源区模型[11]。三级潜在震源区分别为地震统计区、背景地震活动潜在震源区（简称背景源）和构造潜在震源区（简称构造源）。

基岩地震危险性分析计算原理介绍如下：

地震统计区内地震时间过程符合分段的泊松过程，则地震统计区内t年内发生n次地震的概率：

式中，v0为未来t年内发生震级在m0—muz之间地震的年平均发生率（m0为地震统计区起算震级；muz为地震统计区的震级上限），v0由未来的地震活动趋势来确定。

同时，地震统计区内地震震级分布满足修正的震级频度关系，相应的震级分布概率密度函数可表示为：

式中，β=bln10，b为震级频度关系的斜率。

根据全概率公式，某一地震统计区内随机发生的一次地震，影响到计算场点地震动参数值A超越给定值a的概率为：

式中，k为地震统计区编号；A(Si)为地震带内第i个潜在震源区的面积；P(A≥a|E）为地震统计区内第i个潜在震源区内发生某一特定地震事件时，计算场点地震动参数超越a的概率；fi,mj为潜在震源区的空间分布函数；f(θ)为潜源的方向性函数，与潜在震源区的构造走向有关；Ns为地震统计区内划分的潜在震源区数量；Nm为地震统计区震级分档数量。

假定共有Nz个地震统计区对场点有影响，则综合所有地震统计区的的综合影响可得：

基岩地震动衰减关系采用了俞言祥等[12]为五代区划图编制所建立的地震动衰减关系。该衰减关系具有如下特点： ① 基于更加丰富可靠的强震记录和烈度资料； ② 采用了具有大震近场饱和特征的地震动衰减模型； ③ 采用了使结果更加稳定的分步回归方法； ④ 在地震动衰减关系分区时考虑了地震活动性特征。

2.2 计算结果及分析

选取上海中心位置坐标作为计算点，计算了基岩地震反应谱，并针对不同的周期点各潜源的概率贡献比例进行了分析。选取反应谱峰值、1 s周期处、3 s周期处、6 s周期处作为研究对象，得到对反应谱概率贡献起主要影响的潜在震源区及概率贡献比例（图2）。

2.2.1 潜源对峰值加速度峰值的概率贡献

针对反应谱峰值（图2a）而言，对场址3个概率水准（50年超越概率63%、10%和2%）贡献最大的是20号源、31号源和7号源。长江口外39号源的概率贡献不到10%，40号源和46号源的概率贡献均非常小。由此可见，对于场地峰值加速度，场地附近的潜在震源区贡献占比最大，远距离高震级潜在震源区的概率贡献不大。

2.2.2 潜源对反应谱1 s和3 s的概率贡献

针对反应谱1 s和3 s周期（图2b、图2c）而言，对场址3个概率水准（50年超越概率63%、10%和2%）贡献最大的是31号源、20号源、39号源和40号源。由此可见，场地中长周期（1 s和3 s）加速度，除了受场地附近的潜在震源区影响较大外，受场地外围的长江口外潜源和大丰海外潜源等远距离高震级潜在震源区的影响也比较大。

2.2.3 潜源对反应谱6 s的概率贡献

针对反应谱6 s周期（图2d）而言，对场址3个概率水准（50年超越概率63%、10%和2%）贡献最大的是40号源、31号源、39号源、20号源和46号源。由此可见，场地长周期（6 s）加速度，受到中远距离的高震级潜源（40号源和39号源）的概率贡献已经超过场地所在的20号源；同时远距离高震级潜源（46号源）的影响也逐渐增加，同样不容忽视。

图2 反应谱不同周期处主要潜源对地震动加速度的概率贡献Fig. 2 Probabilistic contribution of ground motion acceleration by main potential sources at different periods of response spectrum

2.2.4 主要潜源不同周期概率贡献的变化

上述研究表明，在不同周期情况下对概率贡献影响较大的潜源存在一定的变化。为了进一步研究主要潜源在不同周期下概率贡献的变化趋势，本次研究绘制了主要潜源（20号源、39号源、40号源和46号源）在不同反应谱周期对应概率贡献比例变化曲线（图3）。

由图3a可见，随着反应谱周期的增加，场地所在的潜在震源区（20号源）的贡献比例逐渐降低。由图3b、图3c和图3d可见，场地周边的远距离高震级潜在震源区（39号源、40号源和46号源）随着反应谱周期的增加，贡献比例逐渐增大，部分潜源（40号源）的贡献比例甚至超过场地所在潜源。研究结果表明：远距离高震级潜源对反应谱长周期（大于1 s）的地震加速度影响已超过场地所在潜源贡献，在超高层建筑的地震安全性评价时，应充分考虑远距离的高震级潜在震源区的影响。

图3 主要潜源不同周期处概率贡献的变化曲线Fig. 3 Variation curve of probability contribution at different periods of main potential sources

3 结论

（1）上海地区属于中强地震活动区，对工程场地峰值加速度产生影响较大的，主要为近场潜在震源区，远距离高震级潜在震源区对峰值加速度概率贡献较低。而对于超高层建筑影响较大的长周期反应谱，远距离高震级潜在震源区概率贡献逐渐增大，甚至超过场地所在潜在震源区的概率贡献。

（2）大丰海外潜在震源区（40号源）和郯城潜在震源区（46号源）均位于场地150 km以外，对长周期反应谱谱值影响较大。因此，在上海地区进行长周期项目地震安全性评价中，应充分考虑150 km以外的高震级潜在震源区的影响。

（3）对上海地区长周期反应谱，周边影响较大的潜在震源区有39号源（长江口外潜源）和40号源（大丰海外潜源）。随着周期的进一步增加，距离场地500 km左右的46号源（郯城源）的概率贡献也逐渐增加。因此，对于上海地区高层建筑而言，长江口、南黄海地区的地震影响风险较大，郯城地区的地震影响也不容忽视，应引起重视。