2022年1月8日青海门源6.9级地震仪器烈度与宏观烈度对比分析

潘章容,周扬,苗在鹏,石文兵,高岗,王峰

(甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000)

0 引 言

地震烈度是地震工程学中最重要的指标之一,其能够综合反映出地面运动地震能量对建筑物造成的破坏,标定地震引起地震动及其影响的强弱程度,以人的感觉、器物反应、房屋等结构和地表破坏程度综合评定,反应的是一定地区范围内的平均水平[1]。

宏观烈度主要基于震害调查实现,通过观察地震过后结构物、地表、器物、河谷、山坡等的变化或者通过现代的遥感等手段绘制出烈度图[2]。宏观烈度在震后相对较长时间内由测评专家实地考察,根据现场震害情况客观评估所得,在指导抗震应急救灾、指导抗震设计等方面均具重要意义,具有较强的模糊性和主观性。仪器烈度实际反映的是地震动的强度[3],可以在震后利用实时回传的地震记录数据在震后几分钟至几十分钟内通过一定的计算流程快速获得,具有产出快、直观简便的特点,可为震后灾情快速评估、应急救援决策定制等提供重要依据[4],目前已认定为地震烈度评定的指标方法之一。

2022年1月8日1时45分,青海省门源县(北纬37.77°、东经101.26°)发生M6.9地震。震后,国家地震烈度速报与预警工程青海子项目和甘肃子项目建设的地震预警站网获取了丰富的强震动记录数据,本文以青海门源地震发布的宏观烈度图为基础,将门源地震宏观烈度图Ⅵ度区以上站点与仪器测定烈度做对比分析,以验证仪器烈度《中国地震烈度表》(GB17742-2020)中关于仪器烈度计算方法(以下简称“仪器烈度计算方法”)与地震宏观烈度结果的异同和适用性。

1 仪器烈度计算

1.1 强震动记录获取

2022年1月8日青海门源发生M6.9地震,震后根据《中国地震烈度表》计算国家预警工程甘肃省及青海省境内站点获取的强震动记录相关参数,站点仪器烈度及位置分布图如图1所示。应急管理部中国地震局发布的《青海门源6.9级地震烈度图》显示,此次地震造成地表破裂约22 km,最高烈度为Ⅸ度(9度),Ⅵ度(6度)区及以上面积约23 417 km2,其中青海省Ⅵ度(6度)区及以上面积约13 723 km2,甘肃省Ⅵ度(6度)区及以上面积约9 694 km2,等震线长轴呈北西西走向,长轴约200 km,短轴约153 km。此次地震共涉及青海省3个市州6个区县32个乡镇,甘肃省3个市6个区县29个乡镇以及中牧山丹马场、大黄山林场。

图1 门源地震烈度分布图与台站位置

1.2 仪器烈度计算方法

对这72条未校正的加速度记录,根据《中国地震烈度表》(GB17742-2020)进行了格式转换、基线校正等常规数据处理[5-11]后,再采用以下方法计算仪器烈度值。

(1)按照公式(1)和公式(2)计算三分向合成的加速度记录和速度记录。

(1)

(2)

式中,a(ti),v(ti)分别为ti时刻合成的加速度值和速度值。

(2)根据式(3)和式(4)计算合成地震动加速度记录的最大值PGA值、合成地震动速度记录的最大值PGV值[6]。

PGA=max[a(ti)]

(3)

PGV=max[v(ti)]

(4)

(3)按公式(5)、公式(6)计算IA及IV。

IA=3.17log10(PGA)+6.59

(5)

IV=3.00log10(PGV)+9.77

(6)

(4)根据《中国地震烈度表》(GB17742-2020)中地震烈度与地震烈度计算值II的对应关系,计算地震烈度值。按公式(7)计算地震烈度计算值II,结果可取小数点后一位有效数字,III小于1.0时取1.0,I大于12.0取12.0。

(7)

1.3 计算结果

根据上述计算方法,门源地震强震动记录Ⅵ度以上区域内的72个站点的相关参数及仪器烈度值分别列于表1。

表1 门源地震强震动记录相关参数及仪器烈度值

2 仪器地震烈度与宏观地震烈度对比分析

2.1 计算结果分析

将表1中站点的仪器烈度值均按四舍五入取整数,站点仪器烈度值与站点所在区域内的宏观烈度区值进行对比验证,涉及Ⅵ度以上区域站点72个,其中极震区Ⅸ度(9 度)区内无监测站点。5个站点位于Ⅷ度(8 度)区内;7个站点位于Ⅶ度(7 度)区内,55个站点位于Ⅵ度(6 度)内,其余站点位于Ⅵ度区外。其统计结果如图2、表2所示。

表2 统计分析结果

图2 仪器地震烈度误差分布

表2的结果显示:

(1)总体上,参与计算的72个站点中,站点测定的仪器烈度值能够完全与地震烈度图中烈度区值吻合的占44.44%,误差在±1度以内的占88.89%,Ⅷ度及Ⅶ度区内误差在±1度以内占比100%,Ⅵ度区内误差在±1度以内的占比85.45%。如果判定烈度计算结果与所在震区宏观烈度相差±1度是可接受的[10],采用仪器烈度计算方法处理计算的仪器烈度与宏观烈度客观上整体比较吻合。

(2)宏观烈度图Ⅵ度区内,部分基岩台站实测仪器烈度值明显小于该区域值,其中基岩台GS/SUNHC、GS/YCFHS的仪器烈度为Ⅴ度,GS/SDNLJ、GS/SDNDM、GS/SUNHU的仪器烈度为Ⅳ度,低于宏观烈度区2度。由于加速度记录受场地条件影响较大[7],在相同震中距条件下,基岩台站的仪器烈度值普遍较低,特别远场软弱地基和土层上的烈度值会普遍高于基岩地基上的烈度值。

因此,地震烈度采用宏观调查和仪器测定的多指标方法进行评定[6],其判定标准较为复杂,由于仪器烈度与宏观烈度评定原理不同,震后利用地震动记录进行一定计算后得到的仪器烈度值来定量衡量宏观烈度存在一定的困难,两者无法做到测量评定结果完全一致。利用震后实时回传的地震动记录来快速产出仪器烈度,在前期震区震害信息相对匮乏的情况下,利用仪器烈度来初步评估地震烈度依然具有较高的参考价值。

《中国地震烈度表》(GB17742-2020)[6]规定了宏观烈度与峰值参数合成地震动最大加速度值与最大速度值的对应关系,Ⅵ度以上烈度区具体的对应关系见表3。尽管这些参数指标是作为宏观烈度评定时规定使用的,但通常也可用于仪器烈度的计算。

表3 《中国地震烈度表》(GB17742-2020)中定义的各烈度对应地震动参数范围

本文根据表3计算了对应的仪器烈度(表4)并于震后调查的宏观烈度进行对比(图3),对比发现:

表4 根据PGA和PGV计算的仪器烈度值与宏观烈度对比

图3 仪器地震烈度误差分布

(1)基于PGA计算的仪器烈度值完全吻合宏观烈度的占比30.56%,整体要低于宏观烈度1度以上,其中有7个站点要比宏观烈度低3度;基于PGV计算的仪器烈度值完全吻合宏观烈度的占比51.39%,整体上仪器烈度值基本位于宏观烈度±1度的范围内,个别台站比宏观烈度低2度。比较而言,PGV的计算结果相对较理想一些,说明PGV在此次地震中较PGA对于建筑物影响要明显,对震害的指示作用要优于PGA。

(2)整体来看,不管是基于哪个地震动参数计算的仪器烈度值与宏观烈度均存在差异,这种差异时多方面的,既来源于我国宏观烈度划分时考虑因素的多元性和主观性,也有地震动参数和宏观烈度对应关系模糊的原因。

3 仪器地震烈度分布图

采用克里格插值法,以表1中站点的仪器地震烈度为基础数据绘制仪器地震烈度等值线分布图(图4),进一步确定仪器烈度与宏观烈度的整体对应关系。

图4 仪器地震烈度等值线

由图4可知,门源M6.9仪器烈度等值线图整体上呈北西—南东方向展布,与图1宏观烈度走向基本一致,最大烈度值位于震中附近。但由于台站分布不均匀,记录仪器烈度最大值站点(QH/C0028一般站)未位于极震区(Ⅸ度区)内,故绘制的仪器地震烈度最大值为8.4度;另外观测数据中含有基岩场地站点记录数据,受场地条件影响,基岩站点测定的仪器地震烈度值分布明显小于宏观烈度值的地区。

但整体上,仪器测定的地震烈度值基本符合宏观调查的地震烈度值,测量值可提供定量依据,以供测定地震烈度时参考使用。但仪器地震烈度与宏观烈度二者的概念不同,发挥的作用也不尽相同,不能相互代替。

4 结 论

本文计算处理了M6.9地震的加速度记录及相关参数,并对比了该地震的仪器地震烈度与宏观烈度的异同,绘制了仪器地震烈度分布图,得出如下结论:

(1)参与计算的72个站点中,仪器烈度值与地震烈度图中烈度区值完全吻合占比44.44%,88.89%站点的误差在±1度以内,《中国地震烈度表》(GB17742-2020)计算的地震仪器烈度一定程度上可以客观反映强震台站周边的震害程度。

(2)个别基岩站点仪器烈度低于宏观烈度区2度以内,在相同震中距条件下,基岩台站的仪器烈度值普遍较低。

(3)基于PGA计算的仪器烈度值完全吻合宏观烈度的占比30.56%,整体要低于宏观烈度1度以上;基于PGV计算的仪器烈度值完全吻合宏观烈度的占比51.39%,整体上仪器烈度值基本位于宏观烈度±1度的范围内。比较而言,PGV的计算结果相对较理想一些,说明PGV在此次地震中较PGA对于建筑物影响要明显,对震害的指示作用要优于PGA。

(4)门源M6.9仪器烈度等值线图整体上呈北西—南东方向展布,仪器测定的地震烈度值基本符合宏观调查的地震烈度值,测量值可提供定量依据,以供测定地震烈度时参考使用。但仪器地震烈度与宏观烈度二者的概念不同,发挥的作用也不尽相同,不能相互代替。