Shakemap場地校正方法及其在云南地震動強度和烈度速報中的應用*

張彥琪，范柱國，陳坤華，崔建文，李世成，冉 華

0 引言

當一個破壞性地震發生后，政府部門急需要了解哪個地區地震動最強烈，破壞最嚴重，從而按照災情程度合理分配救災資源，提高救災效率，最大限度減少災害損失 (倪四道，2008)。

為了深入貫徹以人為本、執政為民的理念，2010年的全國防震減災會議將烈度速報工作確定為未來及今后一段時間內的重點工作之一，之后召開的“全國地震烈度速報及預警技術專題研討會議”提出，把中強以上地震，尤其是特別大震巨災的烈度速報作為重點問題?！笆濉逼陂g，國家將在國內建設烈度速報和預警系統 (王暾等，2011)。

目前國際上的烈度速報模式主要有日本模式和美國模式兩種。由于日本地震多，加之經濟實力雄厚，利用密集型的烈度計臺網，在破壞性地震發生后的短時間內直接產出地震動強度和烈度分布等圖件。美國國土面積大，地震沒有日本那么頻繁，也沒有日本那樣密度的強震臺網，因此美國大量采用了計算機模擬技術，在臺距較大的臺網內內插虛擬臺站以增加數據量，對通過一定衰減關系計算得到的虛擬臺站的理論基巖地震動參數值，根據場地條件將其校正到地表，得到地表土層的地震動參數值，從而獲得較能真實反映災區地面運動的地震動強度和烈度分布情況。

云南地區強震臺網的臺站數量不多、分布比較稀疏，和美國的情況相類似。鑒于此，云南地區可以基于本土的臺網，以監控系統的強震動觀測數據為基礎，以美國模式Shakemap(震動圖軟件)為模版，開展地震動強度和烈度分布的烈度速報工作。

如何考慮目標區的場地影響，即不同場地條件對地震動的放大作用，這是開展本項工作需要解決的一個重要問題。為此，筆者首先分析了Shakemap場地校正方法及其要點，并在云南地區選擇典型區域對Shakemap場地校正方法進行實際運用;通過與實際場地情況的對比探討了局部場地條件對地震動的影響，對基于強震動臺網的云南地震動強度和烈度速報場地影響校正提出建議。

1 Shakemap場地校正方法研究

1.1 Shakemap現狀

日本地震學家金森博雄 (Kanamori)最早提出了震動圖的概念 (陳會忠等，2009)。震動圖描述地震發生后地震動的地理分布圖形，即顯示的是地震產生的地面運動和可能的烈度破壞情況，主要包括峰值地面加速度圖 (Peak Ground Acceleration，PGA)、峰值地面速度圖 (Peak Ground Velocity，PGV)和儀器烈度值 (Imm)分布圖等(澤仁志瑪等，2006)。

Shakemap是對地震產生的地震動的一種圖形表示，最早由Wald構思，是美國USGS在國家基金會的資助下于20世紀80年代開發，由Wald等人完成，并在1996年率先成功用于加州地震實時強震臺網，目前仍在不斷升級完善中 (Wald et al，2006)。美國USGS于2006年開始對全球發生的大地震進行烈度速報。

1.2 場地校正

(1)場地條件分類指標

Borcher(1994)研究表明，土層對基巖地震動的反應譜放大系數與地下30 m深度的土層平均剪切波速 ()成比例關系。

美國NEHRP(National Earthquake Hazards Reduction Program)規范中，用地下30 m深度的土層平均剪切波速 (0S)作為場地條件的分類的量化指標 (Building Seismic Safety Council，2004)。

(2)校正方法

眾多研究者利用地表地質、Vs與土層物理性質 (年齡、顆粒大小、深度等)的關系將V30S指定給研究區內相應的地質單元，然后根據地表地質情況外推各個地質單元的剪切波速值，進而得到場地條件分類 (陳鯤等，2010)。該項操作需要事先掌握詳細的地表淺層物質信息，因此實際不好操作。

Wald和Allen(2007)研究表明，地貌指標、地形坡度、高程與具有較好的相關性，其中，地形坡度與的相關性更好。這樣，以地形坡度作為指標而生成的場地條件圖和其它直接獲取的圖形相比相關性更好。因此，以地形坡度為指標生成場地條件圖是簡單的行之有效的方法。而此項研究是基于假設地表地質狀況與地形具有相似性為前提的。

以地表地質狀況與地形坡度的相似性為原則，以地形坡度作為全球任一場點的場地條件分類指標，利用地下30 m深度的平均剪切波速 ()與地形坡度的相關性關系，使用經過坡度計算的地形數據，得到各個場點近似的值，再用量化同時依賴于幅值和頻率的場地放大系數。將由此建立的場地放大系數運用到Shakemap(圖1)，校正通過一定衰減關系計算得到的目標區虛擬臺站的理論基巖地震動參數值，從而獲得地表土層的地震動參數分布。

圖1 考慮場地影響的Shakemap計算流程圖Fig.1 Shakemap calculation flow considering site influence

表1 坡度范圍與NEHRP、NEHRP場地分類的關系Tab.1 The relationship between slope range and NEHRP 、NEHRP site classification

表1 坡度范圍與NEHRP、NEHRP場地分類的關系Tab.1 The relationship between slope range and NEHRP 、NEHRP site classification

場地分類V30坡度范圍/m活動構造區 穩定地塊區E ＜180 ＜1×10－4 ＜ 2×10 S范圍/m·s－1－5 D 180～240 240～300 300～360 1×10－4～2.2×10－3 2.2×10－3～6.3×10－3 6.3×10－3～0.018 2×10－5～2.0×10－3 2.0×10－3～4.0×10－3 4.0×10－3～7.2×10－3 C 360～490 490～620 620～760 0.018～0.050 0.050～0.10 0.10～0.138 7.2×10－3～0.013 0.013～0.018 0.018～0.025 B ＞760 ＞0.138 ＞0.025

(3)場地放大系數

為了獲取土層的放大系數，在已知V30S的情況下，可以使用Borcherdt(1994)基于V30S得到的依賴于振幅和頻率的放大系數。他用V30S計算出了短周期 (0.1～0.5 s)和中周期 (0.4～2.0 s)4個加速度輸入檔下的放大系數 (表2)。在Shakemap中，PGA采用短周期場地放大系數校正，PGV采用中周期場地放大系數校正。

式中，Fa和Fv分別為短周期和中周期放大系數;v0為基巖的剪切波速，取1 050 m/s;v為地下30 m深度的平均剪切波速;ma和mv是與基巖峰值加速度有關的統計參數。

表2 NEHRP場地分類下的場地放大系數Tab.2 Site amplification factor in the NEHRP site classification

場地放大系數的計算步驟及過程如下所述。

(1)地形坡度值的計算。根據地形高程數據，通過 GMT工具中的“grdgradient”命令操作(Wessel，Smith，1991)。

(2)目標區的邊界范圍確定和平均坡度值計算。通過GMT“grdinfo_L2”坡度均值和標準差實現:如果平均坡度小于0.05，用穩定地塊區的坡度范圍進行分析;如果平均坡度大于0.05，使用活動構造區的坡度范圍進行分析 (表1)。需要強調的是，表1中的系數是以構造變化特征為基礎的。

(3)根據地形坡度值估計各場點的V30S和場地類別。

(4)在綜合各種場地因素、地面運動時間、(基于表2的場地放大系數)修正輸入振幅的基礎上，得到各場點的場地放大系數。

2 Shakemap場地校正方法在云南地區的實際應用

2.1 研究區的選擇

圖2 寧洱6.4地震烈度區及強震動臺站分布圖Fig.2 Distribution of seismic intensity zone and strong-motion station in Ning'er 6.4 earthquake

寧洱6.4地震發生在云南省強震動臺站分布較為密集的地區，震中四周分布有8個臺站。地震發生時，共有20多個強震動臺站記錄到該地震產生的地面運動。這改變了中國大陸以往獲取的強震動記錄以余震記錄為主 (高光伊等，2001)，而且即使取得主震記錄，也多以遠震為主的現狀。這也是我國大陸自開展強震動觀測以來在一次強震中同時獲取記錄最多的一次 (崔建文等，2007)。但值得注意的是，位于實地考察得到的Ⅵ度及以上區域(盧永坤等，2007)及Ⅵ度附近的6個強震動臺站(圖2)，其加速度峰值與烈度的對應值 (儀器烈度)與考察得到的宏觀烈度相比有一定差異 (表3)。中國地震烈度表 (GB/T 17742－2008)給出了加速度峰值與烈度的對應關系 (表4)。

基于上述考慮，筆者選擇寧洱6.4地震的Ⅵ度區及其附近以及Ⅵ度以上區域作為研究區，假設區內的強震動臺站為虛擬臺站，通過Shakemap場地校正方法，對各強震動臺站的場地影響進行了初步考量。

表3 研究區各強震動臺站記錄參數Tab.3 Recording parameters of the strong-motion station in study area

表4 烈度與加速度的對應關系Tab.4 Corresponding relationship between seismic intensity and acceleration

2.2 研究區各強震動臺站的場地情況判定

按照前述Shakemap場地校正方法，我們對研究區各強震動臺站的場地情況進行了判定。

(1)地形坡度值。通過30″的SRTM地形高程數據，得到各強震動臺站的地形坡度值，同時確定研究區的平均坡度為0.324。

(2)活動構造區還是穩定地塊區的判斷。研究區的平均坡度值0.324大于0.05，故使用活動構造區的地形坡度與V30S的相關性關系 (表1)進行V30S的估算。

(3)根據活動構造區的地形坡度與V30S的相關性關系 (表1)、地形坡度值等估計各強震動臺站的V30S和場地類型 (表5)。在實際運用中，只需得到V30S所處場地分類的范圍即可，以達到節約時間的目的。

(4)場地放大系數。德化臺的場地類型為B類、地表土層的地震動參數值為431.2 cm/s2，依據表2判定德化臺的基巖地震動參數值為431.2 cm/s2，場地放大系數為1.00。同理，得到正興、勐先和益智3個臺站的基巖地震動參數值和場地放大系數 (表6)。

表5 研究區各強震動臺站的場地類型Tab.5 Site style of the strong-motion station in study area

表6 美國場地分類下各強震臺站的場地放大系數Tab.6 Site amplification factor of the strong-motion station in U.S.site classification

曼歇壩臺的場地類型為C類、地表土層的地震動參數值為58.4 cm/s2，依據表2判定曼歇壩臺的基巖地震動參數值為50.8 cm/s2，場地放大系數為1.15。同理，得到六順臺的基巖地震動參數值和場地放大系數 (表6)。

2.3 研究區各強震臺站的實際場地情況

依據現場鉆孔揭露的地層顯示，研究區各強震動臺站場址均建于土層之上，其場地類型按建筑抗震設計規范 (GB 50011-2010)的方法，即先算出每個場地的等效剪切波速，然后根據等效剪切波速和覆蓋層厚度這兩個參數確定場地類型(表7)。

表7 研究區各強震動臺站的場地情況Tab.7 Site condition of the strong-motion station in study area

2.4 結果比較

美國NEHRP規范中的基巖是指V30S大于760 m/s的場地，且將場地分為A、B、C、D、E五類;而中國規范則規定V20S大于500 m/s的場地為基巖;把場地劃分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類。兩國規范對不同場地的分類指標參數范圍的規定也不同，所以無法直接比較各強震動臺站的場地類型。故只能根據各臺站的場地類別和地表土層的地震動參數值，得到其在兩國場地分類下的基巖地震動參數值及場地放大系數，進而對各臺站在兩國場地分類下的場地放大系數進行粗略比較。

(1)中國場地分類下研究區各臺站的場地放大系數

呂紅山和趙鳳新 (2007)根據研究，給出了適用于中國場地分類的場地放大系數 (表8)。

表8 適用于中國場地分類的場地放大系數Tab.8 Site amplification factor applies to the China site classification

根據表8中的對應關系，由德化臺的場地類型為Ⅱ類、地表土層的地震動參數值為431.2 cm/s2判定該臺站的基巖地震動參數值為392 cm/s2，場地放大系數為1.1。同理，推出另外3個臺站的場地放大系數 (表9)。

表9 中國場地分類下各臺站的場地放大系數Tab.9 Site amplification factor of the strong-motion station in China site classification

(2)中美兩國場地分類下場地放大系數的比較

根據上述計算結果，通過對比表6和表9可以得到如下認識:在美國場地分類下，研究區的場地類型更為細化;美國場地分類下各臺站的場地放大系數值要略小，但差別不大。

3 Shakemap場地校正方法在云南地區的應用分析

3.1 場地校正相關參數的考慮

(1)場地條件分類指標

Shakemap場地校正方法只基于地形坡度單指標的場地條件分類，這樣得到的結果顯然有很大的離散性。在一些特定地區，如當地形坡度與的對應關系比較弱時，特別是在地形坡度較緩的地區，基本上不能區分NEHRP場地分類中的E類場地 (＜180 m/s)、我國建筑抗震設計規范中的Ⅳ類場地 (大致相當于＜150 m/s)(陳鯤等，2010)。這可能因為30″的SRTM地形高程數據的分辨率不夠，對較小地區造成不能識別或識別不夠，也可能是這些地區的地形坡度與單指標相關，本身數據的離散性太大，所以應該考慮與多指標因素相關的情況，如近地表地質狀況、高程、距離河流的距離等。對于近地表物質成分的估計，可以使用遙感技術來分析。

(2)場地信息

①地形數據

目前，云南地區可以使用的DEM(數字高程模型)地形數據為SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)地形數據。美國對國外用戶提供的可以免費下載的地形資料的分辨率為3″及其以上。

Allen和Wald(2009)認為，雖然3″和9″的地形資料比30″的分析結果的質量要高，但在大空間尺度上并不適用。因為在大空間范圍跨度下，使用高分辨率的地形數據，會導致計算時間的速度較慢，延緩地震預警的發布。

因此，云南地區可以基于30″SRTM地形高程數據、云南構造活躍區與穩定地塊區分區特點及坡度范圍與NEHRP V30S、NEHRP場地分類的關系等，計算形成云南地區的V30S數據及其分布情況。

②斷層數據

通過云南地區的斷層數據，可以為確定地震動強度和烈度速報發震斷層和烈度圈長軸展布方向提供依據。筆者認為云南地區的斷層數據內容應該包括:地震構造背景及其區域分布特征;主要地震構造帶的展布、組合和活動等特征，各構造帶與地震活動的關系特征;地震構造帶與地震烈度分布的關系及地震極震區烈度圈長軸的分區特點等。

③地理信息數據

如果想在結果中顯示更多的內容，需要事先將有關內容放到場地信息數據庫中。因此，可將全省的高程信息，主要的公路、鐵路信息，3級以上河流的信息，全省州 (市)、縣 (區)、鄉鎮、村 (寨)的坐標信息等收錄到場地信息數據庫中。這樣，通過GMT作圖工具生成的圖件中將會顯示更多的信息內容。

3.2 場地條件的考慮

(1)局部場地條件的影響

工程地震學研究中，場地條件系指場址區的工程地質條件，主要包括場址的地形地貌、巖土的組成和性質、地質構造以及水文地質條件等。

中國地震烈度表 (GB/T17742－2008)的4.7條規定:當有自由場地強震動記錄時，水平向地震動峰值加速度和峰值速度可作為綜合評定地震烈度的參考指標。地震動幅值的大小和震級的大小有直接關系，但同時也和地震波的傳播途徑及場地條件等因素有關。

一般認為局部場地條件對地震動 (峰值加速度、反應譜等)有著顯著的影響，具體表現為局部場地附近出現明顯的地震動放大或縮小效應，從而直接影響到地震災害的嚴重程度。

(2)局部場地條件放大作用的修正

在把Shakemap場地校正方法應用于云南地區時，應該從以下幾個方面重點把握局部場地條件對地震動的影響，以便對局部場地條件放大作用的修正，達到提高預測結果精度的效果。

①盆地軟弱土層

盆地軟弱土層，主要包括場地近地表土層特性、覆蓋土層厚度和土層結構等。一方面，利用相關資料及文獻 (如1∶20萬區域地質、區域水文地質報告和地震安全性評價資料等);另一方面，收集全省的鉆孔資料，根據鉆孔揭示的地層信息，開展盆地軟弱土層工作。

基于云南地區現有的強震動資源，通過強震動觀測和地脈動觀測等技術手段，開展有關盆地場地土特征、土層厚度及土層結構反演等方面的分析。

②地質構造條件

由于斷層發震時兩側的地震動強度不同，從而造成斷層兩側一定范圍內震害的顯著差異，因此，首先要充分考慮斷層的上盤效應。同時，由于斷層的破裂方式一般是不規則的，需要把握活動斷層是否會產生地表破裂及產生地表破裂的方式、活動斷層及其附近地震動場分布特征等。

③局部砂土液化場地

發生砂土液化的土層主要是飽和粉細砂、粉土層。可以通過地震安全性評價資料，根據場地工程條件和水文地質條件，開展云南地區有關砂土液化場地的統計分析;另外，通過全省的鉆孔資料，根據鉆孔揭示的地層信息開展相關工作。

3.3 地形數據的補充

雖然在大空間范圍上30″SRTM地形高程數據已經可以解決問題。但是，Allen和Wald(2009)的分析結果認為:9″和3″等高分辨率資料對陡峭地形的情況更適用;高分辨率資料能夠更加詳細地顯示地形坡度的變化以及地質體邊緣地帶 (盆地邊緣、毗鄰盆地的丘陵突出地帶、山谷等一些由于坡度變化明顯的地帶)的坡度變化情況;另外，高分辨率資料能夠反映出小規模地質體的特征。

對于大地震，上述邊緣地帶是估計地面運動變化的重要因素。因此，在一些特殊場地，利用高分辨率資料對其地形進行詳細分析是有必要的。

所以，云南地區有必要建立基于9″SRTM地形高程數據 (甚至更高分辨率)的V30S數據庫，以作補充和對比分析。

4 結語

基于強震動臺網的云南地區地震動強度和烈度速報場地影響校正，在使用Shakemap場地校正方法進行具體分析時，首先要對其只基于地形坡度單指標的場地條件分類進行補充，因為只基于地形坡度單指標的場地條件分類得到的結果有很大的離散性。因此，應該考慮V30S與多指標因素的相關性，如近地表地質狀況、高程、距離河流的距離等。同時，要從盆地軟弱土層、地質構造條件和局部砂土液化場地等方面，修正局部場地條件對地震動的放大作用。這樣，在完善理論計算結果的基礎上結合對實際場地情況的修正，達到提高預測結果精度的效果，為震后的應急決策提供有用的信息和幫助。

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