美国地震区划图的新动向-场地效应模型与盆地效应模型1

2023-03-01纪志伟陈学良高孟潭李宗超

震灾防御技术 2023年4期

黄亭纪志伟陈学良吴清高孟潭李宗超

（中国地震局地球物理研究所, 北京 100081）

引言

近40 年来，美国地质调查局开展的国家地震灾害模型项目以现有研究为基础开发了美国地震危险图、模型和数据，其中考虑了未来地震可能发生的位置、频率和地震动强度等因素。1976 年，美国地质调查局出版了美国第一张地震区划图（Algermissen 等，1976）；1990 年，美国地质调查局对该区划图进行了更新（Algermissen 等，1990）；1996 年以后，美国地质调查局约每隔6 年会更新一版地震区划图，目前已更新至第5 版（Frankel 等，1996，2002b；Petersen 等，2008，2014，2020）。这些地震区划图为建筑规范中使用的地震动参数提供了依据，同时也为美国抗震设防和地震危险性分析提供了坚实的保障。

2018 版《美国地震危险性图》（以下简称“2018 版美国区划图”）的编制以2014 版《美国地震危险性图》（以下简称“2014 版美国区划图”）的数据和方法为基础，纳入了2 组31 个新的美国中部和东部地区地震动模型。此外，对于美国西部地区，通过调整地震动模型考虑了盆地效应项。该图依然采用50 年超越概率2%、5%和10%的概率水准，但反应谱周期和场地类别数量均有所增加。2014 版美国区划图可以计算美国东部和中部地区7 个反应谱周期和2 个场地类别及美国西部地区11 个反应谱周期和8 个场地类别的概率地震危险性曲线，生成美国地震区划图。2018 版美国区划图将美国大陆的反应谱周期扩展到22 个反应谱周期（PGA、0.01、0.02、0.03、0.05、0.075、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5、2、3、4、5、7.5、10 s），场地类别扩展到 8 类（30 m 深度范围等效剪切波速Vs30为1 500 m/s （A 类）、1 080 m/s （B 类）、760 m/s （BC 类）、530 m/s （C 类）、365 m/s （CD 类）、260 m/s （D 类）、185 m/s （DE 类）、150 m/s（E 类））。

下一代美国中部和东部项目（Next Generation Attenuation-East，NGA-East）为震级较大的地震建立了模拟数据库，建模人员利用数据库对地震动模型进行更新或开发。NGA-East 团队对新的模型进行调整（PEER，2015），使其适用于22 个反应谱周期和8 个场地类别。最终得到的美国中部和东部地区地震动模型包括NGA-East 地震动模型（以下称“A-GMMs”）和调整的地震动模型（以下称“B-GMMs”）。美国西部地震动模型依然采用2014 版美国区划图使用的模型。由于长周期地震动的作用，美国西部使用了包括盆地效应项的地震动模型，但AB08 模型（Atkinson 等，2008）和I14 模型（Idriss，2014）无法考虑长周期地震动的深部盆地效应，2018 版美国区划图删除了这2 个模型，最终在美国西部使用ASK14（Abrahamson 等，2014）、BSSA14（Boore 等，2014）、CB14（Chiou 等，2014）和CY14（Campbell 等，2014）模型考虑盆地效应，并建立了长周期地震动的盆地放大系数与深度的关系。

本文在文献调研的基础上，对2018 版美国区划图场地效应模型及盆地效应模型进行论述。基于其国际化的防灾理念，借鉴其先进的技术方法和科学数据，引发对我国新一代地震区划图的思考，以期为我国防震减灾工作提供一定参考。

1 场地效应模型

1.1 美国中部和东部地区地震动模型

地震动模型（GMMs）是描述地震动强度概率分布的模型，可估计某一地震的平均地震动及其不确定性。在多反应谱周期点和广泛的场地适用范围条件下确定地震动模型的一致性更困难，因此2018 版美国区划图为计算整个美国地区多反应谱周期和场地类别的概率地震危险性曲线，对基础地震动模型进行了重大更改，生成了全新的美国中部和东部地区地震动模型（Goulet 等，2018）。新的地震动模型是基于场地条件Vs30=3 000 m/s 的加速度反应谱（阻尼比5%）。其中，傅里叶频谱高频衰减系数K=0.006 s，矩震级（以下称“震级”）为4.0～8.0 级，震中距（以下称“距离”）为0～1 500 km，反应谱周期为0.01～10 s。该模型有2 组共31 个地震动模型，第1 组17 个模型使用了A-GMMs，第2 组14 个模型使用了B-GMMs。上述2 组模型适用于美国中部和东部地区22 个反应谱周期和8 类场地，开发人员对2 组地震动模型建立了逻辑树，AGMMs 权重分布与周期有关，且每个模型的相对权重考虑了地震动模型的连续分布，占总权重的2/3；BGMMs 权重主要根据模型种类和几何扩展特性确定，占总权重的1/3。

2018 版美国中部和东部地区地震动模型与2014 版地震动模型相比，地震动中位数（以下称“地震动中值”）的加权平均值发生了显著变化，该值在中等距离至远距离处增大，在短距离处略有减小。与2014 版地震动模型和B-GMMs 相比，A-GMMs 在远距离、大震级处的地震动中值更大（Petersen 等，2021），这可能与其权重更高，距离超过60 km 时地震动参数衰减较慢有关。

1.2 美国中部和东部地区场地放大效应

局部场地条件对地震波的传播、地震灾害程度的分布均有明显影响。2014 版美国区划图仅支持场地条件Vs30=760 m/s 的危险性计算，NGA-East 结果也仅适用于场地条件Vs30=3 000 m/s 的情况。为降低局部场地条件的影响，2018 版美国区划图以Vs30为参数，基于Stewart 等（2020）的线性模型和Hashash 等（2020）的非线性模型建立了场地效应模型。新的模型将NGA-East 硬基岩场地转化为坚硬基岩场地，再转化为Vs30为200～2 000 m/s 的特定场地，最终模型包括梯度模型和强阻抗模型（Stewart 等，2020），权重分别为0.23 和0.77。其中，梯度模型是更渐变的场地剖面，强阻抗模型是具有明显速度对比的剖面，这2 个模型反映了对美国中部和东部地区场地测量时Vs30=760 m/s 左右的土层剖面的差异。

Petersen 等（2020）对比了2018 版与2014 版美国区划图在Vs30=760 m/s 的硬基岩场地效应模型放大系数（Frankel 等，1996；Atkinson 等，2011），如图1（a）所示。由图1（a）可知，当周期＞0.3 s 时，2018版美国区划图模型放大系数较低；模型变化引起的整体变化小，且场地放大系数多小于1，这可能与对场地土层敏感的梯度模型权重分配过高有关。2018 版美国区划图场地效应模型线性、非线性和总放大系数在场地条件Vs30分别为2 000、260 m/s 时的对比结果分别如图1（b）、图1（c）所示。由图1（b）、图1（c）可知，同一场地条件下，线性放大系数大于或等于总放大系数，且土层越软二者差异越明显；随着场地土层变硬（Vs30逐渐增大），线性和总放大系数逐渐拟合，非线性放大系数逐渐增至1。

图1 场地放大系数分布情况（Petersen 等，2020）Fig.1 Distribution of site magnification factors （Petersen et al., 2020）

为更直观地反映场地类别对地震动的影响，Rezaeian 等（2021）使用距离为50 km 的7 级地震反应谱，对比参考场地条件Vs30为3 000、1 080 、760 、365 、260 、185 、150 m/s 时7 类场地地震动中值的加权平均值，如图2 所示。总体而言，因存在浅土层和硬岩上的岩石风化等强阻抗现象，所有场地类别的反应谱均在周期0.1 s 处达到峰值。周期相同时，场地条件Vs30=3 000 m/s 的反应谱较其他土层场地的反应谱小。不同场地类别的反应谱分布不均匀，短周期内场地条件Vs30=760 m/s 对反应谱的放大更显著；而在0.2 s 及更长周期内，场地条件Vs30为365、260 m/s 时对反应谱的放大更明显，这可能是由软土层的非线性效应所致。

图2 不同模型、不同场地类别条件下地震动中值加权平均值分布情况（Rezaeian 等, 2021）Fig.2 Comparison of the 2018 GMM medians at original models and smoothed models, a range of site classes （Rezaeian et al.,2021）

2 盆地效应模型

2.1 美国西部地区地震动模型

2018 版和2014 版美国区划图在美国西部地区使用了相同的地震动模型（Shumway 等，2018），但不包括2014 版美国区划图中Atkinson 等（2008）的俯冲地震动模型（简称“AB08”）以及Idriss（2014）的NGA-West2 地壳地震动模型（简称“I14”），因为这2 个模型不支持2018 版美国区划图要求的更广泛周期范围（0.01～10 s）和更宽泛场地条件（Vs30为150～1 500 m/s）。最终，2018 版美国区划图使用了4 种地壳地震动模型（ASK14、BSSA14、CY14、CB14 模型）考虑盆地效应，它们的权重均为1/4。

2.2 美国西部地区深部沉积盆地效应

在美国西部地区地震危险性计算中，2014 版美国区划图以Vs30场地条件代表盆地深度，未直接考虑盆地深度项，这使其在某些区域的适用性较差。研究发现，软土场地的长周期地震动对盆地深度敏感，盆地效应可使地震动放大1 倍以上（Hartzell 等，1997；Frankel 等，2002a），这一结论与软岩场地和短周期条件下盆地效应可忽略不计的理论相悖。因此，为估计盆地结构中地震动的盆地放大效应（Frankel 等，2002a，2018；Stephenson 等，2006；Aagaard 等，2008；Graves 等，2011；Moschetti 等，2017），2018 版美国区划图在美国西部覆盖沉积层较厚的洛杉矶、旧金山、盐湖城和西雅图首次采用了空间变化的盆地深度数据。

为充分考虑盆地结构对长周期地震动（周期T≥1 s）的影响，美国地质勘探局（USGS）对美国西部地区4 个地震动模型的盆地效应项进行了改进，改进后的模型（以下称“USGS 地震动模型”）使用深度参数Z1.0（剪切波速为1.0 km/s 时的深度）或Z2.5（剪切波速为2.5 km/s 时的深度）解释盆地效应。但美国西部地区地震动模型中无深度参数Z1.0或Z2.5，使用时需要合并地震动模型中的盆地系数，进而对这2 个深度参数进行调整（Campbell 等，2014）。最终，ASK14、BSSA14 和CY14 模型使用深度参数Z1.0，CB14 模型使用深度参数Z2.5。地震动模型的盆地效应项用包含Vs30和盆地深度（Z1.0或Z2.5）的函数表示，当盆地深度未知时，用场地条件（Vs30的函数，不包括Z1.0或Z2.5）表示平均盆地效应项；当盆地深度已知时，盆地效应项是对Vs30默认场地的调整。

厚覆盖层场地的盆地放大作用一直存在，在浅层区域，地震波受到了约束，是否在所有深度范围内应用盆地效应还有待进一步研究。盆地放大系数是美国西部地区4 个地震动模型与Vs30基础模型的地震动比值，其中，Vs30基础模型为不包含盆地效应项的地震动模型。当盆地放大系数为1 时，各类场地条件下对应的盆地深度称为默认盆地深度（以下称“默认值”）。当盆地深度较默认值小时，美国西部地区4 个地震动模型盆地放大系数通常较Vs30标准模型小。因此，2018 版美国区划图对盆地效应项中的深盆地进行了划分。对于CB14 模型，当盆地深度为1.0～3.0 km 时，深盆地近似为Z2.5≥3.0 km；对于ASK14、BSSA14 和CY14模型，当线性深度为0.3～0.5 km 时，深盆地近似为Z1.0≥0.5 km。在此基础上，对于Z2.5＜1.0 km 或Z1.0＜0.5 km的浅盆地区域及深盆地之外的区域，使用基于Vs30的默认盆地效应，从而在盆地和周围区域之间提供平滑过渡。

在给定Vs30条件下，美国西部地区4 个地震动模型和USGS 地震动模型在5 s 反应谱周期处的盆地放大系数随深度变化趋势如图3 所示（Powers 等，2021）。由图3 可知，BSSA14 模型和CY14 模型均在短周期内抑制了盆地效应，USGS 地震动模型周期依赖性与它们一致。基于Z1.0的模型相较Vs30基础模型是放大还是缩小地震动取决于盆地深度相对于默认值的大小，如果盆地深度等于基于Vs30的默认值，则盆地放大系数为1；如果盆地深度较基于Vs30的默认值大，则盆地放大系数＞1；如果盆地深度较基于Vs30的默认值小，则盆地放大系数＜1。CB14 模型使用固定深度缩放Vs30基础模型，默认场地条件下可能存在盆地放大或缩小地震动，盆地效应不完全取决于Vs30。当Z2.5为1～3 km 时，盆地放大系数固定为1；当盆地深度较默认值小时，盆地效应项通常较Vs30基础模型地震动小。

图3 NGA-West2 的4 个地震动模型在T=5 s 时盆地效应系数与盆地深度的关系（Powers 等，2021）Fig.3 The relationship between basin effect coefficient and basin depth at T=5 s for the four ground motion models of NGA-West2（Powers et al., 2021）

2 类场地和3 个盆地深度组合如表1 所示，不同组合下美国西部地区4 个地震动模型和USGS 地震动模型反应谱对比结果如图4、图5 所示（Powers 等，2021），其中，场地类型包括BC 类和DE 类，盆地按深度划分为默认盆地（深度对应于基于Vs30的默认值）、浅盆地（深度小于基于Vs30的默认值）和深盆地（深度大于基于Vs30的默认值），反应谱对应的震级为7 级，距离为10 km。DE 类场地产生了明显的盆地效应，BC 类场地盆地效应相对较小，可见场地类别对盆地效应的影响不容忽视。由图4（a）、图5（a）可知，在3 个盆地深度下，BSSA14 模型和CY14 模型短周期地震动相同，盆地效应对短周期地震动放大作用并不明显。由图4（b）、图5（b）可知，在BC 类和DE 类场地中，USGS 地震动模型在默认盆地和浅盆地条件下生成的地震动相同，而在深盆地条件下，地震动的长周期部分会被放大。

表1 场地类别和盆地深度组合（Powers 等，2021）Table 1 Site class and basin-depth combinations for plots （ Powers et al., 2021）

图4 原始发布和 2018 年美国地质勘探局修改后实施的地震动模型在不同盆地深度条件下对应的加速度反应谱中值对比结果（Powers 等，2021）Fig.4 The models as published and the 2018 USGS implementation of the median spectral acceleration at different basin depth conditions（Powers et al., 2021）

图5 原始发布和 2018 年美国地质勘探局修改后实施的地震动模型在不同盆地深度条件下对应的加速度反应谱中值对比结果（Powers 等，2021）Fig.5 The models as published and the 2018 USGS implementation of the median spectral acceleration at different basin depth conditions （Powers et al., 2021）

3 基于美国地震区划图对我国地震区划图的思考

我国地震区划图的地震危险性分析方法同美国一致，均使用概率地震危险性分析方法，但由于我国和美国建筑抗震设计理念与方法存在差异，如美国地震区划图通过对场地条件的精细化划分，在部分高地震危险性地区采用概率地震危险性分析方法和设定地震方法，在地震区划图编制过程中更先进、充分和客观，值得我国借鉴。

3.1 基于场地效应的思考

我国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）中场地分类依据的指标、土层计算深度、基岩定义等与美国区划图不同。我国基于场地覆盖土层等效剪切波速Vse和场地覆盖层厚度对场地类别进行划分，将场地划分为4 类。其中，Vse计算深度取地表以下20 m 深度和覆盖土层厚度中的较小值；场地覆盖层厚度一般取为地面至剪切波速＞500 m/s 且其下层各岩土剪切波速均≥500 m/s 的土层顶面的距离。美国主要以地表以下30 m 深度内土层平均剪切波速Vs30作为划分场地类别的依据，当缺乏剪切波速资料时，根据标准贯入击数和不排水抗剪强度进行场地类别划分，最终将场地划分为8 类。显然，相对于我国基于场地类别和土体非线性对场地效应影响的考虑，美国基于线性模型和非线性模型建立场地放大模型，更全面地考虑了场地效应。周健等（2021）建立了我国和美国场地类别的对应关系，结果表明，美国规范对场地的划分种类更多、范围更精细，对基岩规定的参数值更大。

综上所述，我国地震区划图场地效应研究可在以下方面向美国区划图借鉴学习：①基于我国现有强震记录获取相应的详细场地条件资料，对场地划分和场地效应的考虑进行深入系统的研究。进一步更加细致地考虑软弱土层的影响，对场地的划分范围适当缩小，实施精细划分。②考虑场地效应影响因素时，除考虑场地类别和土体非线性外，可将土体线性和非线性的影响进行综合考虑。③我国规范中覆盖层厚度和Vse“取小”原则对场地分类结果的影响较大，可将场地类别计算深度由20 m 延伸至30 m，在全国范围内建立平均剪切波速Vs20和Vs30转换公式，以便利用美国最新强震记录对中国场地分类进行场地反应谱的研究。

3.2 基于沉积盆地效应的思考

我国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中仅考虑了局部场地浅层岩土层对地震动的放大效应，由于缺乏精细化数据等原因，我国五代图未明确考虑盆地效应对长周期地震动的影响。但我国多座城市（北京、成都、西安等）位于松软沉积层厚的盆地中，城市中的超高层及大跨度空间建筑、桥梁等大型长周期结构日益增多，其地震安全性亟待关注。

受现有数据适用范围的限制，我国关于盆地效应模型的研究不够完善。美国已开展大量三维盆地研究工作，并将其运用到最新版本的地震区划图中。因此，我国可在盆地结构中开展一系列精细探测工作，为我国下一代区划图考虑沉积盆地对长周期地震动放大效应提供数据基础。基于2018 版美国区划图盆地效应模型，可建立一系列适合我国盆地的三维剪切波速模型，用于预测未来地震作用下场地的地震动，为坐落在盆地上的城市防震减灾及地震危险性分析提供依据，为城市高层及超高层建筑抗震性能研究提供更准确的地震动参数。