“抗大地震”與低超越概率水準地震動關系的討論1

陳 鯤 高孟潭

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

小地震由于釋放的能量有限，基本上不太可能成災，而大地震，特別是震級大于7.5級的地震已成為地震災害的主要原因。中國位于世界兩大地震帶——環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發育。這樣的地質環境造成我國大地震（震級大于7.5級）分布廣、頻度高、活動強、危害大（時振梁等，1973；馬宗晉等，1991；藺明河等，2006；張培震，2008）。

《中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2001）》（國家質量技術監督局，2001）是以概率性地震危險性分析方法，采用單一超越概率（50年10%）的加速度值確定的（高孟潭等，2006）。同時我國現行的《中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2001）》（國家質量技術監督局，2001）、《建設抗震設計規范（GB J11-89）》（中華人民共和國建設部，1989）、《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國建設部，2001）、《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）局部修訂》（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2010）的抗震設防體系，是三水準功能要求（即“小震不壞、中震可修、大震不倒”）和兩階段設計思想（即小震下的截面抗震驗算和大震下的結構變形驗算）。一般建設工程抗震設計時，是依據50年10%的地震動參數值和加速度分區給定的地震影響系數最大值maxα來確定罕遇地震動（50年超越概率2%）的設防值。

罕遇與極罕遇地震并不是不可能發生，只是發生的概率相對較小。近 50年來，破壞性地震中超過罕遇地震（大震）水平的特大地震多次發生（湯保新等，2011）。1966年邢臺地震，震區設防烈度為Ⅶ度，遭遇烈度X度；1975年海城地震，震區設防烈度為Ⅵ度，遭遇烈度Ⅸ—Ⅺ度；1976年唐山地震，震區設防烈度為Ⅵ度，遭遇烈度X—Ⅺ度；2008年汶川地震，震區設防烈度為Ⅶ—Ⅷ度，遭遇烈度Ⅸ—Ⅺ；2010年4月青海玉樹7.1級地震，震區設防烈度為Ⅶ度，遭遇烈度Ⅸ度。

總結和反思汶川地震的經驗和教訓，本文以第五代地震動參數區劃圖中北川-映秀潛在震源區為例，探討了大地震震中附近不同概率水準的地震危險性分析結果與大地震影響場給出的結果之間的關系，并對當前抗震設防體系提出了初步的建議。

1 大地震與罕遇、極罕遇地震作用

本文所指“大地震”為震級大于等于 7.5級的地震。大地震作用是指震級大于等于 7.5級的確定性地震，通過地震動衰減關系計算得到的地震動參數影響場。而罕遇地震作用是指相應于50年超越概率2%的地震動；極罕遇地震作用是指相應于年超越概率10-4的地震動1中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，2013．中國地震動參數區劃圖國家標準報批稿.，通過概率地震危險性分析方法得到。在設計工程時，希望了解工程使用壽命內可能遭受的地震動強弱以便做出設計決策，然而地震的發生和地震動特征不能準確預測，只能使用概率語言來描述地震的危險，這就是概率地震危險性分析。概率性地震危險性分析要求給出一個場點將來遭遇到超過給定地震動值的概率，或者稱超越概率，常用地震動超越概率曲線表示（胡聿賢，2006）。超越概率可以用年超越概率P1年表示，也可以用T年內超越概率PT表示，如太原和昆明的超越概率曲線如圖1所示。工程設計者從超越概率曲線中可以讀出不同風險水平下的設防地震動參數值，如50年超越概率63%、10%、2%和年超越概率1×10－4。進而可以根據不同的風險承受能力選擇合適的地震動設防參數進行設計。

圖1 超越概率曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of probability of exceedance curve

從上述定義可以看出，它們既相互區別又相互聯系?！按蟮卣稹笔蔷哂写_定性的震級下限明確的地震事件。而罕遇與極罕遇地震作用是從概率的角度來定義地震動的大小。從防震減災工程防御的角度所涉及到的“大地震”也主要是指地震作用，通常所說的“抗6級地震”是指建筑物能抗御6級地震的作用。因此從工程抗震角度說“抗大地震”或“防大地震”與罕遇、極罕遇地震作用一樣，其定義的內涵均是指地震作用。

2 算例

本文所指“大地震作用”是震級大于7.5級確定性的地震事件的地震動。本文以龍門山地震帶中段的北川-映秀潛在震源區為例說明二者之間的差異。分別以傳統的特定場點的地震危險性分析方法，計算不同超越概率水平（50年超越概率 10%、2%以及年超越概率 1×10－4）的峰值加速度分布，與利用確定性線源的地震動參數（PGA）影響場進行比較，揭示兩者之間的關系。

龍門山構造帶中段發生過2008年5月12日8.0級地震，導致北川-映秀斷裂和彭縣-灌縣斷裂發生了同震地表破裂，破裂長度達 220—240km，最大同震位錯達 10m左右，因此該潛在震源區在第五代地震動參數區劃圖中的震級上限確定為 8.0級。鑒于此本文概率性方法中使用的潛在震源區邊界及參數與汶川地震后中國地震局對第四代地震動參數修改的1號修改單一致。確定性方法中地震的震級與該潛在震源區的震級上限一致，確定為8.0級。確定性方法使用線源發生模型，其發震斷層長度利用 Wells等（1994）的關系得到，約為 200km。概率性和確定性方法所使用的地震動參數衰減關系為汪素云等（2000）回歸得到的中國西部衰減關系，確定性方法使用的是中國西部長軸方向的衰減關系。研究的區域范圍為東經98.82°-109.2°，北緯27.2°-35.8°，如圖2所示。通過概率性地震危險性分析方法計算 0.1°×0.1°均勻間隔的 8838個網格場點三個概率水準（50年超越概率 10%、2%和年超越概率1×10－4）的地震動參數值。然后進行插值、等值線性化得到地震動參數的空間分布，分別示于圖3a—c。確定性方法的結果是考慮確定性的震級大小以及各網格場點到線源的不同距離，利用加速度的衰減關系計算得到，其結果示于圖3d。

圖2 地震危險性分析的研究區域Fig.2 Study area for seismic risk analysis

圖3 設防峰值加速度的結果（超越概率：a. 50年10%；b. 50年2%；c. 10000年1%；d. 確定性）（震級為8.0，線源長度約200km）Fig. 3 The PGA contours predicted by the traditional seismic hazard analysis (probability of exceedance of a. 50 years, 10%; b. 50 years, 2%; c. 10000 years, 1%; and d. deterministic results with magnitude 8.0 and the length of line source about 200 km)

3 分析與討論

從圖3可以看出，隨著超越概率水平的減小，峰值加速度的值逐漸與確定性方法的結果接近。超越概率50年10%和2%的峰值加速度設防最大值分別為150gal和350gal以上，而確定性分析得到的峰值加速度最大值為650gal以上。超越概率50年10%的峰值加速度設防值遠遠低于確定性分析得到的結果，即使當超越概率水平為50年2%時，概率性的設防峰值加速度也遠低于確定性分析得到的結果。并且超越概率50年10%和2%的峰值加速度設防值中50gal以上的區域面積也遠遠小于確定性分析得到的結果。年超越概率1×10-4的水平，概率性方法的50gal以上的區域面積和空間展布大致與確定性分析得到的結果相當，但是在震中附近，或者說潛在震源區內部其數值也遠遠低于確定性分析得到的參數值。

因此，在抗震設防體系中應考慮多個概率水準的地震作用，包括罕遇或者極罕遇或更低概率水準的大地震作用。否則如果像汶川地震一樣的大地震發生，就會造成重大的人員傷亡和經濟損失?？傮w上說，“防大地震作用”就是在建（構）筑物設計時考慮低超越概率風險水平的地震動影響。

4 結論

本文以龍門山地震帶北川-映秀潛在震源區為例，利用概率性方法計算了不同超越概率水平的地震動參數值，并與確定性方法的結果進行了比較，得到了以下認識：

（1）抗震設防體系中應當考慮極罕遇地震作用?！胺来蟮卣鹱饔谩睉摽紤]極低超越概率風險水平的地震動。包括采取規避措施、合理的建筑選型和針對罕遇、極罕遇地震作用的抗震設計。

（2）在編制相關規劃中，如社會經濟發展規劃、國土利用規劃、城鄉規劃、防災減災規劃、環境保護規劃時，應該考慮極罕遇地震動的影響。并且地震應急救援重要保障措施也應該考慮極罕遇地震動的影響，同時設防工程應該考慮活動斷層的避讓。

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