甘肅地區地震烈度影響場計算模型參數的改進研究與應用1

周中紅 何少林 陳文凱 高安泰

1) 中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2) 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000

甘肅地區地震烈度影響場計算模型參數的改進研究與應用1

周中紅1, 2)何少林1,2)陳文凱1,2)高安泰1,2)

1) 中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2) 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，蘭州 730000

針對目前甘肅地震應急指揮技術系統中使用的地震影響場模型參數存在的不足，本文結合甘肅地區活動構造特點，建立了適用于本地區的分區地震烈度影響場模型參數。并通過實例檢驗證明，使用新參數得到的不同烈度區的烈度分布與實際烈度分布的接近程度有明顯提高，可為震后合理判斷烈度分布、提高震害快速評估結果的合理性與準確性提供有益的幫助。此外，本文基于ArcGIS Engine、采用VB6.0實現了地震影響場矢量文件的自動生成，可為今后發生破壞性地震時，通過與省地震應急基礎數據庫中其他空間數據的疊加分析，在應急救援初期制作各類災區專題圖件及輔助決策提供服務。

地震烈度影響場 甘肅地區 地震應急指揮技術系統 震害快速評估

引言

“十五”期間，我國在31個省市都建立了地震應急指揮技術系統，震害快速評估模塊是其中的重要部分。在進行震害快速評估過程中，確定地震影響場（即不同烈度分布的范圍）是非常重要的環節，而確定的地震影響場范圍分布是否合理，會直接影響到評估結果的合理性與準確度。地震影響場的分析確定與該地區的地震烈度衰減規律直接相關，其模型參數依據烈度衰減關系得到。目前對甘肅地區地震烈度衰減規律的研究還較少，可依據的公開研究結果很難查到，因此，在“甘肅地震應急指揮技術系統”地震影響場與重災區快速判斷模塊的實際運行中，所用的模型參數先后依據大范圍的全國西部烈度衰減關系2中國地震局，2008. 國家“十一五”項目——中國數字地震觀測網絡應急分析軟件：區域震害評估系統文檔資料.及筆者曾給出的甘肅地區地震烈度衰減關系（周中紅等，2010）。而這兩套參數均存在以下的不足：①全國西部烈度衰減關系采用的震例資料包括了云南、四川、西藏、新疆及甘青寧區域，范圍較大，而實際地震烈度衰減關系由于不同地區震源特性、傳播介質和場地條件的不同，存在較強的地區性差異；②筆者曾對甘肅地區的地震烈度衰減關系做過初步的研究，但使用該參數計算烈度影響場時，存在極震區烈度偏低、范圍偏小，而其它烈度區范圍過大、未考慮甘肅地區活動斷裂的分區性、未納入青川交界地質構造類似地區的震例資料等。

本文通過統計近代甘肅及鄰近地區中強地震震例的等震線資料，根據地震構造環境和震害分布特點，區分出了烈度衰減的區域性特征。同時在研究烈度衰減規律時的長短軸測量中，使用了矢量化后的等震線資料，使數據更加精確和可靠，最終得到了較合理和適用性較強的甘肅地區分區地震烈度影響場模型參數，并實現了地震影響場矢量文件的自動生成，可為應急救援初期制作各類災區專題圖件及輔助決策提供服務。

1 甘肅地區分區地震烈度衰減規律研究

1.1 震例資料的選取

震例資料主要選取甘肅及青海、內蒙、四川鄰近甘肅地區的主震震級MS≥5.0的地震事件，并依據以下條件進行了篩選：

① 震級M和烈度I都是獨立測定的。

② 主震震級MS≥5.0、震中烈度I0≥V度。

③ 地震三要素、等震線圖記錄比較詳細。

④ 甘肅地區有震感。

⑤ 等震線形狀相對比較規則。對于某些震群型或雙震型的地震，由于等震線為多次

地震疊加，不好分離多次地震之間的影響，此類地震事件不予選用。

表1為經過篩選的29次地震事件，共計等震線70條。所用數據來自《中國震例》（羅蘭格等，1988；1990；張肇成等，1990；1999；2000；陳棋福等，2002；鄭大林等，2002）、《中國地震等烈度線圖集》（國家地震局，1979）、《甘肅省地震資料匯編》（國家地震局蘭州地震研究所，1989）。

表1 本文選用的甘肅及鄰近地區地震事件Table 1 The earthquake events in the Gansu region and its adjacent area used in this study

續表

圖1 本文所用地震事件地震震中分布圖Fig. 1 Epicenter distribution of the earthquake events in this study

從圖1可以看出，發生在甘肅省境內的各次5級以上地震在空間上呈現出分區的特點，分別集中分布在甘肅西北部地區和甘肅東南部地區，這與甘肅省的活動斷裂分布大致分為祁連山-河西走廊構造區及甘東南活動構造區（袁道陽等，2006）是相吻合的。此外，地震烈度最內圈等震線長短軸比值的區域性差異也是地震烈度衰減關系分區的最直觀表現，而在祁連山-河西走廊構造區比值的均值為2.599，在甘東南地區比值的均值為2.333，為此本文將地震烈度衰減規律的研究區域分為2個：祁連山-河西走廊區、甘東南區。

1.2 烈度衰減關系的確定

從表1中的震例可發現，絕大部分等震線均呈橢圓或近橢圓形，故本文采用橢圓長短軸衰減模型進行擬合（陳達生等，1989），回歸模型中長、短軸的衰減方程形式為：

式中，系數a1、b1、c1、a2、b2、c2均為回歸常數；R0a、R0b分別為長軸、短軸2個方向烈度衰減的近場距離飽和因子，為預設常數；εa、εb為回歸分析中表示不確定性的隨機變量，通常假定為對數正態分布，其均值為零，標準差分別為σa、σb。

預設常數R0a、R0b的選取通常可通過回歸搜索過程中使衰減公式中σ為最小的原則確定，在滿足這個條件的同時，R0a、R0b的預設值還要盡量使得長短軸的震中烈度相等，并滿足震中烈度與震級的關系表達式。除此之外，R0a、R0b的值還要滿足極震區Ra/Rb的比例關系。同時，烈度在極震區內應達到飽和，即該范圍內任一點都具有同一震中烈度值。為了使衰減曲線達到上述要求, 參照汪素云等（2000）的做法，在極震區內不同距離上適當增補一些數據點，這種近場補點的工作只在震中烈度為Ⅶ度以上和最內圈等震線半徑大于5km時進行。為體現遠場區發震構造影響的消失以及等震線形狀趨于圓形的特點，依據中國西部地震烈度IV度等效圓半徑R（km）與震級M的關系（國家地震局震害防御司，1995)：M=1.681ogR+2.24，以及部分震例資料有感范圍（Ⅲ度—Ⅳ度）的半徑作為了遠場控制點，經過補點后的等震線長軸和短軸個數隨震級、距離的分布情況如表2、表3所示。

表2 等震線長短軸個數在各個震級檔的分布Table 2 Number of long axis and short axis of isoseisms with different magnitudes

表3 等震線長短軸個數在各個距離檔的分布Table 3 Number of long axis and short axis of isoseisms with different distances

依據上述資料及方法，本文進行了統計回歸，得到了甘肅地區分區地震烈度衰減關系的表達式（注：對于表1中地震烈度為Ⅶ+的樣本按去除+后的烈度值參與計算）：

祁連山-河西走廊地區：

圖2 甘肅地區分區地震烈度衰減曲線Fig. 2 Curves of seismic intensity attenuation in different areas of Gansu region

從圖2（a）可以看出，M=5.0、6.0、7.0、8.0時的曲線能夠較明顯地區分M5.0—5.9、M6.0—6.9及M＞7.0的數據點，說明所得的衰減關系與實際資料吻合較好。而相對來說，甘東南區域的衰減曲線（圖2（b））與實際震例吻合要差一些，這與樣本數據點本身很離散有關。此外，上述2個區域（a區、b區）在長軸和短軸方向的衰減曲線均在R=0處差值較小（a區相差0.2—0.39；b區相差0.12—0.33），而在遠場（Ⅲ度—Ⅳ度）也是趨于重合的，說明該模型是較合理的。

圖 3為本文得出的祁連山-河西走廊地區與甘東南地區地震烈度衰減關系在長軸方向上的對比。從圖3可以看出，在5.0（M5.0—5.9）震級檔，相同烈度處甘東南地區的震中距較祁連山-河西走廊地區要大，同時從震例樣本看也是如此：在5.0震級檔，甘東南地區Ⅵ度區的長軸半徑平均值為17.2km、祁連山-河西走廊地區Ⅵ度區的長軸半徑平均值為13.3km，甘東南地區Ⅶ度區的長軸半徑平均值為8.7km、祁連山-河西走廊地區Ⅶ度區的長軸半徑平均值為8.3km；此外，在5.0（M5.0—5.9）震級檔，相同震中距處甘東南地區的烈度值也要稍大于祁連山-河西走廊地區。而在6.0（M6.0—6.9）震級檔，相同烈度處甘東南地區的震中距較祁連山-河西走廊地區要小，相同震中距處甘東南地區的烈度值也要稍小于祁連山-河西走廊地區。由于甘東南地區缺乏6.5級以上震例樣本，故7.0震級檔不再比較。同時，上述2個區域的烈度曲線衰減快慢也有所不同，這與該區域發震構造的規模及活動性不同存在一定的關系。

圖3 祁連山-河西走廊地區與甘東南地區地震烈度衰減長軸方向對比Fig. 3 Comparison of long axis of intensity attenuation between Qilanshan area and Gandongnan area

1.3 與該區域已有地震烈度衰減關系的比較

圖4為采用本文模型得到的烈度衰減關系曲線與筆者之前得到的甘肅地區烈度衰減關系曲線（周中紅等，2010），以及與中國西部地區的烈度衰減關系曲線（汪素云等，2000）在長軸方向上的對比。

從圖4（a）可以看出，汪素云等（2000）給出的烈度值在近30km處各個震級檔均相對偏低，震級越高越趨于明顯；而在約超過50km處，用本文模型得出的衰減曲線比其他兩種模型得到的衰減曲線快，這是由于本文模型一方面仍然以中等地震事件（M5.0—6.0）樣本居多，另一方面本文模型在擬合過程中，震中烈度有所提高，遠場的補點根據西部等效半徑公式及實際震例的有感范圍進行了調整，數值要小于汪素云等（2000）的模型，這也是導致曲線衰減較快的原因之一。

圖4 不同烈度衰減關系長軸方向對比Fig. 4 Comparison of long axis of different intensity attenuation curves

從圖4（b）也可以看出，汪素云等（2000）給出的烈度值在各個震級檔均相對偏低，而只有在7.0震級檔高于本文得到的烈度值，這是由于甘東南地區所用的數據資料中沒有7級以上的地震，此震級檔的衰減曲線是外推得到的，缺乏準確性，可比性不強。此外，用本文模型得到的衰減曲線在5.0、6.0震級檔，均快于筆者之前得到的衰減曲線（周中紅等，2010）以及汪素云等（2000）得到的衰減曲線。

2 地震影響場的自動生成

在“甘肅地震應急指揮技術系統”的快速評估模塊中，提供了“地震影響場參數修正”的平臺界面，本文得到的新參數（見上文公式（3）—（6））可以直接在此界面填寫保存后供快速評估模塊使用。

同時，本節基于ArcGIS Engine、采用VB6.0實現了地震影響場shp文件的自動生成：只要輸入地震經緯度及震級，程序會依據輸入的經緯度并結合活動斷裂分區的大致地理定位采用不同分區的模型參數，繼而自動生成地震烈度影響場矢量文件。當地震發生時，通過與地震應急基礎數據庫中其他空間數據圖層的疊加分析，可快速制作出各種震后專題圖件。圖 5為程序中地震參數輸入界面；圖6為一個應用實例結果的展示。

圖5 地震參數輸入界面Fig. 5 Interface of seismic parameter input

圖6 地震影響場示意圖（北緯39.8°、東經97.3°，發生MS6.5級地震）Fig. 6 An example of automatic generated seismic Intensity affecting field (an earthquake at 39.8N,97.3E, MS6.5)

通過此程序，筆者依據本文得到的地震影響場模型參數，模擬生成了 20余年來發生在甘肅地區5.0級以上各次地震（共計16次）的烈度分布，并與筆者之前（周中紅等，2010）采用甘肅模型參數模擬生成的烈度分布以及真實地震烈度分布之間在各個烈度區的影響范圍（面積）做了對比，結果發現，改進后的模型參數計算得到的各烈度區影響范圍相對于之前的甘肅模型參數計算值來說，與真實地震的烈度影響范圍接近程度有明顯提高，其中Ⅷ度區最低提高了6.72%、最高提高了50.21%；Ⅶ度區最低提高了1.05%、最高提高了162.86%；Ⅵ度區最低提高了23.57%、最高提高了162%。

3 結語

針對目前甘肅地震應急指揮技術系統中使用的地震影響場模型參數存在的不足，本文結合甘肅地區活動構造特點，選取了1950—2006年間甘肅及鄰近地區主震震級MS≥5.0、震中烈度I0≥V度的29次地震事件，采用橢圓衰減模型建立了適用于本地區的分區地震烈度影響場模型參數。通過實例檢驗證明，使用新參數得到的不同烈度區的烈度分布與實際烈度分布的接近程度提高明顯，可為震后合理判斷烈度分布、提高震害快速評估結果的合理性與準確性提供有益幫助。由于甘東南區域的地震樣本數相對偏少，并且缺少6.5級以上地震事件，因此，對于甘東南地區6.5級以上大震的地震影響場生成，新的模型參數的適用性還需隨著地震烈度資料的不斷豐富而進一步完善。此外，本文基于ArcGIS Engine、采用VB6.0實現了地震影響場矢量文件的自動生成，可為今后發生破壞性地震時，通過與省地震應急基礎數據庫中其他空間數據圖層的疊加分析，快速制作出各種震后專題圖件，為應急救援及輔助決策提供服務。

陳棋福，鄭大林，劉桂萍等，2002. 中國震例（1995—1996）. 北京：地震出版社.

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鄭大林，高榮勝，2002. 中國震例（1997—1999）. 北京：地震出版社.

Parameters in Seismic Intensity Affecting Field Model of Gansu Area

Zhou Zhouhong1,2), He Shaolin1,2), Chen Wenkai1,2)and Gao Antai1,2)
1）Lanzhou Institute of seismology, CEA, Lanzhou 730000, China
2）Lanzhou National Obstrvatory of Geophysics，Lanzhou 730000，China

Aiming at the problem of the earthquake affecting field model parameters of the earthquake emergency commanding technical system of Gansu province, the new model parameters was achieved in this paper. By comparing the intensity distribution computed by new parameters with the actual one，we find that our new parameters are helpful for improve the accuracy of intensity distribution and the fast earthquake disaster evaluation.In addition，for the purposes of thematic map production and emergency rescue of post earthquake stricken-region，the automatic generation for the vector files of intensity affecting field was achieved also based on Arcgis engine&vb6.0.

Earthquake affecting field；Gansu region；Earthquake emergency commanding technical system；Fast assessment of earthquake damage

周中紅，何少林，陳文凱，高安泰，2011. 甘肅地區地震烈度影響場計算模型參數的改進研究與應用. 震災防御技術，6（2）：180—189.

甘肅省地震局青年地震科學基金（2010263）

2011-04-12

周中紅，女，生于1975年。工程師。主要從事地震應急技術工作。E-mail: zhouzh@gssb.gov.cn