全球主要開源數據庫強震動記錄的基本分布特征

摘要：強震動數據是地震工程和工程地震領域研究的基礎，為了便于高效選取強震動記錄，基于以下全球強震動開源數據庫：美國USGS、歐洲ESM、日本K-NET和KiK-net、墨西哥RAII-UNAM和新西蘭GeoNet，收集整理5.0級以上地震的強震動記錄40余萬組，約150萬條，通過震級、臺站分布、場地條件、反應譜譜型等強震動基本信息對強震動記錄進行篩選并分類，采用兩套標準對場地進行了分類，對絕對加速度反應譜進行歸一化，對比分析5個國家和地區的平均反應譜譜型的相似性與特殊性，結果表明：①美國強震動臺站集中分布在西海岸與阿拉斯加地區，較硬的場地占比較高；②日本強震動臺站分布密度最高，較軟的場地占比較高；③給出了中、美兩套規范下的強震動臺站場地分類；④從震中距方面考慮，美國為近場強震動記錄最為集中和豐富的國家；⑤不同國家和地區相同周期段絕對加速度反應譜具有明顯的區域性差異。

關鍵詞：強震動記錄；開源數據庫；絕對加速度反應譜；場地分類

中圖分類號：P315.914文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0553-10

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0054

0引言

近年來，隨著地震觀測數據的數字化普及和信息技術的快速發展，全球范圍內的強震動數據快速增加。這一發展趨勢伴隨著強震臺站的快速發展，全球主要地震多發國家加大了對強震觀測臺網的建設投入，布設的儀器數量顯著增加。因此，獲取的強震動記錄日益豐富，數據的處理與應用也越來越受到重視。強震動數據庫為研究人員提供了大量的地震動元數據和臺站元數據，這些強震動數據是用來預測地震動強度和進行地震反應分析的主要信息源。這些數據不僅加深了人們對于抗震客觀規律的認識，而且成為了推動地震工程研究發展的重要手段。因此，對強震動記錄進行整理和研究也成為了地震工程領域的重點方向（溫瑞智等，2017；解全才等，2017）。

強震動觀測的目的就是針對各類場地和工程結構布設強震動觀測臺網，對強地震動的特性（幅值、頻譜、持續時間）及各種工程結構的地震反應進行觀測，獲取真實可靠的強地面運動記錄和工程結構地震反應數據。這些數據為研究強地面運動的特性和工程結構抗震設計方法與技術、編制地震動參數區劃圖和各類建筑結構抗震設計規范提供了重要的基礎資料，以達到減輕地震災害的最終目標。由于儀器性能的不斷改進和監測技術的快速更新，全球強震動記錄的數量增長迅速，一些新的基本認識需要更新和總結。

國內學者也多次在這方面進行過研究（樊圓等，2018），但采集的數據量并不充足，同時對地震動的劃分不夠精準，本文針對歐洲工程強震動數據庫（ESM）、美國工程強震數據中心（CESMD）、日本K-NET（Kyoshin Network）和KiK-net（Kiban Kyoshin網絡）數據庫、墨西哥IIUNAM強震網絡數據庫（RAII-UNAM）、新西蘭GeoNet數據中心5個地震多發國家或區域建立的常用強震動數據庫，收集整理了各數據庫自建庫以來至2021年12月5.0級以上的40余萬組（約150萬條）記錄，并按照震級、場地、震中距等需求對其進行篩選分類處理，建立數據庫統計計算了不同震級區間下，歐洲、日本、美國、墨西哥、新西蘭5個國家和地區在震源信息、臺站分布、場地分類、反應譜譜型等方面的強震動基本信息，并對比了各個國家和地區的特點與差異性。

地震研究47卷第4期肖裴淵等：全球主要開源數據庫強震動記錄的基本分布特征1強震動數據收集

1.1數據庫及強震動分布基本介紹

美國工程強震數據中心（Centre for Engineering Strong Motion Data，簡稱為CESMD）是一個由美國地質調查局（USGS）和加州地質調查局（CGS）共同建立的數據中心，它整合了來自USGS國家強震項目、CGS加州強震儀器項目和ANSS獲取的強震動觀測數據，可為地震工程研究提供原始的和經預處理過的強震動記錄（Cosmos Center for Engineering Strong Motion Data，2023）。本文統計處理了1954年至2021年12月CESMD數據庫中收錄的地震事件共150個，符合預期的強震動記錄共15 558條，劃分不同場地類別的臺站1 622個。

歐洲的工程強震動數據庫（Engineering Strong Motion，簡稱為ESM）提供了一套工具來搜索、選擇、下載和分析地面運動數據和相關的元數據。ESM中包含的波形與4.0級以上地震相關，主要記錄在歐洲—地中海地區和中東地區發生的地震事件（ESM-DB，2023）。本文共統計處理1969年至2021年12月ESM數據庫收錄的1 778個地震事件，符合預期的強震動記錄共32 634條，劃分不同場地類別的臺站652個。

日本K-NET（Kiban-Kyoshin Net）是一個全國性的強震動觀測臺網，由1 000多個觀測站組成，平均密度為20臺/km，均勻覆蓋日本。每個K-NET臺站都在地面上安裝了一臺配備標準化觀測設施的強震儀用以記錄強震動數據。KiK-net是由安裝在鉆孔井上/井下的一對強震儀與高靈敏度地震儀一起組成三維觀測系統，在日本共部署約700個地點。日本國家地球科學與災害防御研究所（NIED）數據管理中心接收由K-NET和KiK-net記錄的強震動數據并通過其網站發布（Kyoshin，2023）。本文統計處理1996至2021年12月日本K-NET和KiK-net收錄的地震事件共1 777個，符合預期的強震動記錄共1 349 832條，劃分不同場地類別的臺站1 744個。

墨西哥RALL-IIUNAM強震網絡數據庫提供了1964—2018年6 893次地震的18 806個三分量加速度計波形的公共目錄。該系統允許用戶通過查詢地震目錄或通過與加速度臺站、發生日期、記錄的加速度或徑向距離相關的參數組合，能夠顯示加速度記錄并且以ASCII 標準格式下載包含時程的文件（UNAM Institute of Engineering，2023）。本文統計處理1961年至2021年12月墨西哥RAII-UNAM數據庫收錄的地震事件共558個，符合預期的強震動記錄共18 678條，劃分不同場地類別的臺站209個。

新西蘭GeoNet數據中心支持監控和研究，主要負責捕獲所有來自現場儀器或第三方來源的地球物理數據流，原始數據的基本處理以及安全檔案的維護。它允許檢索基本數據集，如GPS Rinex文件、地震震源和儀器波形數據（GeoNet，2023）。本文統計處理自2001年GeoNet成立以來數據庫中的地震事件共933個，符合預期的強震動記錄共54 915條，劃分不同場地類別的臺站2 349個。

從以上5個國家和地區開源數據庫共收集了自建庫以來記錄到的5.0級以上地震事件共5 196個，總計超40萬組、150萬余條強震動數據，采集到強震動信息的臺站6 250個（圖1）。從圖1可見，震中與強震動臺站主要分布于環太平洋地震帶，這個地震帶集中了世界上80%的地震，包括大量的淺源地震、90%的中源地震、幾乎所有的深源地震和全球大部分特大地震。

1.2數據篩選與統計

考慮到部分數據庫有收錄非本地區強震動記錄的情況，如歐洲ESM數據庫收錄了我國臺灣省臺站采集到的強震信息。為進一步提高數據可靠度及未來參考可行性，刪除該數據庫中不屬于該地區的數據。最終共統計得到5個國家和地區強震動數據庫自建庫以來的5.0級以上地震事件5 196個，按照震級劃分，5.0～5.4級地震事件3 109個，5.5～5.9級地震事件1 176個，6.0～6.4級地震事件536個，6.5～6.9級地震事件219個，7.0級以上地震事件156個（表1）。

針對上述5個國家和地區的強震動記錄數據庫，本次數據篩選基本原則如下：①保證同一組數據3個分量齊全，其中2個水平分量觀測方向相互垂直；②篩除結構臺站獲取的強震動數據，僅保留地面或井下強震動儀獲取的數據；③篩除震中經緯度、震源深度等基本信息不完整的強震動記錄；④保留日本KiK-net臺站井上及井下同一組記錄的6條數據。本文最終篩選統計的強震動數據記錄如圖2所示，圖中標注的1994年數據為1994年之前5個國家和地區的全部數據數量，其他年份為每年新獲取的數據數量。從圖2可以發現，雖受到地震發生不確定性的影響，但隨時間的推進，收集到的強震動數據增長速度仍然有加快的趨勢。

2強震動臺站分布特征

2.1強震動臺站場地類別確定

本文參考王大任等（2021）對臺站的選取及基本數據信息獲取的流程，主要利用等效剪切波速VSe、覆蓋土層厚度H和地表以下30 m內介質的平均剪切波速VS30作為參考依據，分別確定了各臺站在建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）和美國抗震規范（ASCE7-16）下的場地類別，具體流程如圖3所示。

方法1：對于可收集到的通過鉆孔數據獲取到VS與H的臺站場地，依照這兩個指標直接確定場地類別。

方法2：對于深度不足20 m的鉆孔，則依據Boore（2011）的外推方法估計場地VS30值，其中c₀、c₁、c₂為不同深度的參數：

logV_S30=c₀δ_E+c₀+c₁logV_Sz+c₂（logV_Sz）² （1）

方法3：對于無鉆孔數據的臺站場地，盡可能采取或參考已有文獻提供的V_S30值（Zhu et al，2021）。

方法4：對于以上皆不適用的場地，則選用Heath等（2020）給出的地形坡度相關關系估計場地的VS30值。

基于方法2～4，再依據V_S30與場地類別的對應關系可確定臺站的場地類別（Xie et al，2023）。本文得出在《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）下，5個國家和地區的場地類別分布特征（圖4）。從圖4a可以看出，美國臺站布設的空間分布合理科學，所采集到的地震事件的強震數據優質高效，強震動臺站場地條件表現出Ⅰ、Ⅱ類較硬場地占比較高的特點。如圖4b所示，歐洲臺站主要分布在地中海以北一帶，場地類別以Ⅰ、Ⅱ類為主交錯分布，Ⅲ類場地較少，而Ⅳ類較軟場地占比極低，由于歐洲多個國家都有自己的強震動研究與建設機構，所以臺站分布整體較為均勻，但與美國不同，沒有出現區域性集中的情況；與美國場地相比，歐洲的Ⅰ類場地占比較高。由

于日本地處環太平洋地震帶區域，K-NET和KiK-net臺網架構較為完善，強震動數據與臺站數量都明顯高于其他國家或地區。如圖4c所示，日本場地以Ⅱ、Ⅲ類場地居多，同時有多處集中的Ⅳ類場地，而Ⅰ類場地極少。新西蘭地理條件與日本相似，同樣地處環太平洋地震帶，屬于地震頻發地段，新西蘭海域強震數量較多，為海嘯地震的研究提供了重要依據。新西蘭臺站數量雖不及日本K-NET和KiK-net，但整體臺站密度高于除日本外的其余3個國家或地區，除Ⅳ類場地偏少外，其余場地類別分布都較為均勻（圖4d）。墨西哥同為地震頻發的沿海國家，與日本、新西蘭的臺站分布對比可以看出，墨西哥的臺站分布密度明顯低于這兩個國家，而場地類別上也缺少Ⅳ類場地，Ⅲ類場地數量占比也較少，說明墨西哥整體場地條件偏硬；除（16°N，100°S）區域附近臺站較為密集外，其他區域較為分散，并沒有出現如日本或新西蘭那樣強震動臺站分布集中的現象（圖4e）。2.2臺站場地類別占比分析

5個國家和地區臺站場地類別占比情況如表2、3所示。為避免重復，本節僅闡述在美國抗震規范（ASCE7-16）下，5個國家和地區的分布情況。由表3可見，美國、歐洲的臺站場地類別豐富，A類、E類場地的臺站占比之和約占總數1.5%，其余3類場地的臺站占主導；墨西哥的臺站場地類別主要集中在C類和D類，且無A類、E類；新西蘭的臺站場地類別較為均勻，除E類場地較少外，B類、C類、D類場地數量呈遞增趨勢；日本的臺站場地類別與新西蘭近似，僅有3個A類場地，B類、C類、D類、E類呈現兩頭小中間大的分布。總體上，除歐洲外，其他地區A、B類場地占比很小，而所有地區E類場地占比都很小，大體可以看出偏硬與偏軟的場地都數量不多，主要原因是強震動臺站選址著重考慮人口活動頻繁的地區，也就是地形相對平坦的平原地區，場地條件以C、D類為主。

2.3臺站震中距分布

5個國家和地區開源數據庫所有強震動記錄對應的震級、震中距與記錄數量的關系情況如圖5a所示，從震中距和記錄數量的關系可以看出，震中距大于400 km的記錄數量分布較為分散，呈穩定遞減趨勢；震中距大部分分布在300 km范圍內，集中分布在200 km范圍內，說明數據庫整體以近場強震動記錄為主。如圖5b所示，與數據庫整體相比不同的是，在美國強震動數據中，僅有5%的記錄的震中距大于336 km，有67.6%的記錄分布在震中距200 km以內，震中距為0～50 km的記錄數量最多；而在震中距超過450 km的記錄數量大幅度減少，占比僅約1%，說明美國CESMD數據庫相比數據庫整體，臺站震中距分布更為集中，近場臺站數量所占比例更多，近場臺站記錄更豐富。

3加速度反應譜譜型對比

強震動記錄是工程結構抗震分析的激勵輸入，為評價國外記錄在我國工程應用中的的適用性，有必要對本文收集的5個國家和地區主要開源數據庫中的記錄開展反應譜譜型的區域性對比研究。對強震動記錄進行基線校正處理后（溫瑞智等，2021；張穎楚，2018），計算了其阻尼比為5%、周期范圍為0.01～10 s的絕對加速度反應譜，兩水平方向取幾何平均值。限于篇幅原因，本文僅篩選出MW6.0～6.5、震源深度50 km以內、震中距150～200 km、場地條件為C類的水平方向強震動記錄作為示例進行加速度反應譜譜型的對比分析，最終共篩選出美國160條、墨西哥104條、歐洲地區216條、新西蘭122條、日本1 296條強震動記錄的絕對加速度反應譜。為直接體現出相同條件下不同國家和地區的區域性差異，對數據進行歸一化處理，并計算對數平均反應譜與對數平均反應譜±1倍對數標準差，如圖6所示。同時給出了這5個國家和地區的平均反應譜對比情況，如圖7所示。

從圖6可見，平均意義上墨西哥與日本的強震動記錄的反應譜譜型在小于0.2 s短周期段整體較為貼合，與新西蘭強震動記錄在短周期末端0.1～0.2 s周期段也趨于一致。在0.1～0.2 s周期段內，日本與墨西哥的強震動記錄的平均譜相關系數ρ0.1～0.2日本，墨西哥=0.995，為相關系數最高的兩組數據，新西蘭強震動記錄的歸一化反應譜略低于墨西哥與日本、而略高于美國和歐洲地區，區域差異性較為明顯。

在中周期段（0.2～0.5 s），所有強震動記錄的反應譜變化較為迅速，且相互之間差距不明顯。從相關系數來看，僅有日本與墨西哥的ρ0.2～0.3日本，墨西哥=0.989表現為強相關，其余該周期段的反應譜的相關系數皆小于0.7，表現為相關性較弱，故在圖中顯示為相互交錯無顯著差異。整體上，美國強震動記錄的反應譜略高于歐洲，但譜型變化趨勢基本一致，墨西哥與日本強震動記錄的反應譜在中周期段（0.2～0.3 s）幾乎重合，隨著周期的增加兩者逐漸分離，且墨西哥低于日本；新西蘭的反應譜在此周期段初始為整體最高，而后被美國的反應譜超越。

在中長周期段（0.5～1 s），所有強震動記錄的反應譜變化趨于穩定，墨西哥強震動記錄的反應譜略低于歐洲地區，而此時墨西哥和歐洲地區強震動記錄的反應譜明顯低于其他3個國家，美國強震動記錄的反應譜也從該周期段的初期為最高，且與歐洲地區重合，之后開始下降，在末期低于新西蘭；歐洲地區除此階段前期與美國重合外，其余周期段遠高于其他4個國家，同時其下降速度明顯低于其他4個國家；中長周期段歐洲地區與其他國家的相關系數分別ρ0.5～1歐洲，美國=0.882，ρ0.5～1歐洲，墨西哥=0.959，ρ0.5～1歐洲，新西蘭=0.957，ρ0.5～1歐洲，日本=0.925，而其他國家相互之間相關系數皆大于0.96，各個國家和地區的反應譜顯示出明顯差異性特征。

在長周期段（1～10 s），美國與新西蘭的強震動記錄反應譜重合度較高，相關系數ρ1～10美國，新西蘭=0.995，歐洲地區與墨西哥強震動記錄反應譜表現出明顯的差異性。

在不考慮設防烈度的前提下，假設震級大小、震源深度、場地類別與震中距皆在相似條件下，美國、墨西哥、歐洲、新西蘭和日本5個國家和地區的反應譜譜型表現出了顯著性差異，充分體現了相同條件下不同地區的反應譜存在顯著的區域性差異。

4結論

基于全球5個國家和地區開源數據庫采集到的1954—2021年5.0級以上的強震動記錄，以國家和地區為單位對震級、震源深度、臺站場地、震中距、反應譜譜型等開展了分析研究，得到以下結論：

（1）5個國家和地區開源數據庫記錄地震的震中主要分布于環太平洋地震帶，強震動臺站分布也與之對應。從臺站及場地方面考慮，美國強震動臺站集中分布在西海岸與阿拉斯加地區，較硬場地占比例較高；而日本臺站分布密度最高，較軟場地占比例較高。從震中距方面考慮，美國為近地場記錄最為集中和豐富的國家。

（2）文本給出了中、美兩套規范下每個臺站的場地參數和類別，比較分析了5個國家和地區場地類別占比情況。5個國家和地區以C類和D類場地占主導；歐洲地區和新西蘭B類場地數量較為可觀；日本是E類場地最為突出的國家。

（3）本文得出了在相同條件范圍內，不同國家或地區的絕對加速度反應譜歸一化后平均譜值與標準差的對比結果，充分驗證了不同地區的反應譜之間的區域性差異。

由于數據采集量龐大，本文僅研究了未處理的強震動記錄在不同震級、臺站分布、場地條件、反應譜譜型等基本條件下進行的篩選并分類，后續將針對不同震級、震中距和場地條件的各自工況組合開展深入研究。

衷心感謝以下幾個數據庫對完成本文研究提供的巨大支持，包括：美國地質調查局（USGS）、歐洲地震監測站（ESM）、日本K-NET和KiK-net臺網、墨西哥RAII-UNAM和新西蘭GeoNet。

本文中涉及到國界的插圖均已送相關部門審查并通過。受理號：國審受字（2024）第00573號；審圖號：GS（2024）0753號。

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Preliminary Recognition of the Data Statistics of Strong Motion Records

from the Global Major Open-source Databases

XIAO Peiyuan1，2，REN Yefei1，2，WU Yujiao1，2，ZHOU Baofeng1，2，

ZHANG Yajun3，WU Huadeng4，WEN Ruizhi1，2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，

China Earthquake Administration，Harbin 150000，Heilongjiang，China）

（2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation，Ministry of Emergency Management，

Harbin 150000，Heilongjiang，China）

（3.Ningxia Communications Construction Co.，Ltd.，Yinchuan 750004，Ningxia，China）

（4.Guangdong Earthquake Agency，Guangzhou 510070，Guangdong，China）

Abstract

Strong motion records are the basis for the research in earthquake engineering and engineering seismology.In order to efficiently select strong motion records，we collect and collate more than 400000 sets of（approximately 1.5 million）strong motion records of earthquakes（M≥5.0）from the following global open-source strong motion databases：USGS in the United States，ESM in Europe，K-NET and KiK-net in Japan，RAII-UNAM in Mexico，and GeoNet in New Zealand.Then we screen and classify these strong motion records according to some basic information such as magnitude，station distribution，site conditions，response spectrum shape，etc.In the light of the Chinese standard and the American standard，we classify the sites.We normalize the absolute acceleration response spectra.We compared the average response spectrum shapes in the US，Europe，Japan，Mexico，and New Zealand.The conclusions are as follows：（1）Strong motion stations in the United States are concentrated along the west coast and in Alaska，with a high proportion of hard sites；（2）Japan has the highest density of strong stations，with a high proportion of soft sites；（3）The site classification of strong earthquake stations is obtained according to the Chinese standard and the American standard；（4）Near-field strong motion recordings are mostly centralized and most abundant in the United States；（5）In these countries or region，the absolute acceleration response spectra in the same period have obvious regional differences.

Keywords：strong motion records；global open-source databases；absolute acceleration response spectra；site classification