引言

地震烈度作为表征地震动强弱的指标之一,在工程地震等方面被广泛使用。研究地震烈度的衰减关系,对于我国工程应用、抗震设防等具有重要意义。我国西部地区地震活动性强,已有的地震资料较多,有利于建立该地区地震烈度衰减关系。我国许多研究者已经对西部地区的烈度衰减关系做过研究,并给出了一些适用于各研究区的衰减关系(孙继浩等,2011;雷建成等,2007;周中红等,2010;谭明等,2011)。这些衰减关系从资料挑选到模型选取都有各自的特点,大多是对局部区域的烈度衰减特征进行研究,局限之处在于缺乏对我国西部整体大尺度的烈度衰减差异性特征的反映;在大尺度上,汪素云等(2000)给出的西部地区地震烈度衰减关系早已被广泛应用于工程抗震设防研究,但作者当时收集的该地区地震烈度资料截止于1990年。而1990年至今该地区又发生了多次地震,获得了多组地震烈度资料。这些地震烈度资料可作为1990年之前地震烈度资料的补充,对研究该地区在大尺度上的地震烈度衰减关系具有重要意义。本文利用新近补充的西部地区地震烈度资料,采用长、短轴椭圆模型,重新拟合了西部地区的地震烈度衰减关系。

1 地震烈度资料与衰减模型
1.1 地震资料

中国地震动参数区划图(2001)进行烈度衰减关系统计时将全国划分为2个区,即东部地区和西部地区。而西部地区幅员辽阔,地质构造复杂,其内部的烈度衰减也可能存在区域特征。汪素云等(2007;2008)在对地壳内横波衰减及非弹性衰减品质因子Q0的研究时指出,西部地区内部可能存在不同的衰减特征,如四川盆地为低衰减区,而天山西部具有高衰减特征。参考其研究结果,本文将西部地区划分为川藏区和新疆区2个独立的地震烈度衰减关系统计单元进行分别研究。川藏区为川藏地震区的全部区域(包括西昆仑—帕米尔地震带、龙门山地震带、六盘山—祁连山地震带、柴达木—阿尔金地震带、巴颜喀拉山地震带、鲜水河—滇东地震带、喜马拉雅地震带、滇西南地震带、藏中地震带);新疆区为新疆地震区除塔里木-阿拉善地震带的其它区域(包括阿尔泰山地震带、北天山地震带、中天山地震带、南天山地震带)。在这2个统计单元内对烈度衰减特征进行分析,结果显示在烈度衰减上新疆区与川藏区具有较为明显的差异,应当进行区别对待。

本文采用的地震烈度等震线资料,其震级M和烈度I都是独立测定的,这样在进行地震烈度衰减关系拟合时可以避免IM之间的相关性影响。由于缺少宏观实地调查资料,部分等震线用虚线勾画的地震,只采用了实线可控制地区的长或短轴资料。依照上述原则,共选取了发生在西部地区的247个4.0级以上地震的等震线图,其中有176个地震资料来自第四代区划图使用的烈度资料(汪素云等,2000)。另外新增了1991—2008年的71个地震烈度资料,其中大部分来自《中国地震年鉴》(中国地震年鉴编辑部,1991—2004),少数来自独立的地震现场烈度勘查报告或刊载烈度资料,部分震级亦参考相关文章(吴中海等,2007;石广岭等,2008;陈惠等,2007)。最终进行烈度衰减关系确定的为来自这247个地震共958条等震线记录。表1给出了所选用地震资料随震级的分布情况。

表1 地震震级分布表 Table 1 List of distribution of earthquake magnitude

根据《中国地震烈度区划图(1990)概论》(国家地震局,1996)所述,在地震烈度衰减关系的统计中,采用长轴不转向与长轴可转向数据的拟合结果差异不大。因此,在工作中量取等震线长、短轴数据时,采用了长轴可转向的方法,也就是说,以每条等震线最长方向的半径为长轴半径,与之相垂直的方向为短轴半径。

在极震区,最内圈等烈度线烈度值等同于震中烈度的区域,要求烈度在该区内任一点取相同值。为了使烈度衰减曲线达到这样的要求,工作中采取了进行近场补点的方法,即在极震区内不同距离上适当增补一些数据点,该补点仅在震中烈度Ⅶ度以上和最内圈等震线半径>5km情况下进行。另外,为了体现远场区发震构造影响消失,衰减形状趋于圆形的特点,取有感范围的半径作为远场控制点,有感烈度值为3—4度,称为远场补点。有感半径与震级的关系如表2所示(汪素云等,1993)。

表2 有感半径与震级的关系表(汪素云等,1993 Table 2 Relationship of sensible radius to magnitude (Wang et al., 1993)

表3给出了工作中新收集的1991—2008年西部地区共计71个地震的等震线资料(未补点前)。

表3 新增等震线资料(1991—2008年) Table 3 List of recently imported intensity data (1991—2008)

图1和图2给出了西部地区2个衰减关系统计单元(即川藏区和新疆区)内地震烈度等震线的M-R分布关系,其中M为面波震级MSR为半长、短轴。可以看出,在各统计单元内,M-R分布较为理想,适合于进行统计回归。根据数据范围可以推定回归得到的衰减关系适用范围为震级5.0—8.0,距离为0—400km。

图 1 川藏区等震线资料的震级-距离关系 Fig. 1Distribution of magnitude-distance pairs of intensity data in Chuanzang Region

图 2 新疆区等震线资料的震级-距离关系 Fig. 2Distribution of magnitude-distance pairs of intensity data in Xinjiang Region
1.2 回归模型与方法

我国西部地区由于断层破裂尺度的影响,在宏观上等烈度线呈椭圆分布,即沿发震断层方向烈度衰减较慢,而与断层垂直方向上烈度衰减较快,衰减快慢的方向差别到了远场逐渐消失,等震线又趋于圆形(胡聿贤,1999)。本文使用椭圆长、短轴联合衰减模型(陈达生等,1989)来反映这种椭圆分布的特性。该模型可以保证长、短轴在R=0时烈度相近,而中间距离仍保持长、短轴烈度的差别,同时在远场也使等震线成圆形。该联合衰减模型的衰减方程为:

I=a+bM+c1lg(R1+R0a)+c2lg(R2+R0b)+ε
(1)

式中,I为地震烈度;M为震级;R0aR0b分别为长、短轴两方向烈度衰减的近场饱和因子;R1R2分别为烈度为I的椭圆等震线的半长轴和半短轴长度;abc1c2均为回归系数;ε为回归分析中表示不确定性的随机变量,通常假定为对数正态分布,其均值为0,标准差为σ

采用近、远场补点后的等震线长、短轴数据(即等震线的外包线),使用最小二乘法进行统计回归后,得到我国西部分区地震烈度衰减关系,表4给出了地震烈度衰减关系回归系数。

表4 中国西部分区地震烈度衰减系数 Table 4 Coefficients of earthquake intensity attenuation relationship in the western China
2 回归结果与分析

图3和图4分别给出了西部地区2个衰减关系统计单元(川藏区和新疆区)内地震烈度等震线实际资料与地震烈度衰减关系曲线的拟合情况。从图中可以看出,回归结果与实际资料的拟合程度较好,能较好地表现不同震级地震烈度的分布情况,同时在远场也能满足有感范围的约束,说明回归结果是可靠、合理的。回归得到的标准差在0.5—0.8之间,充分显示了烈度分布的不确定性。

图 3 川藏区等震线资料与拟合曲线对比图 Fig. 3Magnitude and distance scaling of the attenuation relationship of intensity in Chuanzang region, together with plots of intensity record data

图 4 新疆区等震线资料与拟合曲线对比图 Fig. 4Magnitude and distance scaling of the attenuation relationship of intensity in Xinjiang region, together with plots of intensity record data

图5—图7给出了不同统计单元之间得到的烈度衰减关系的对比图。从图中可以看出:新疆区烈度衰减曲线总体上要高于川藏区;将新疆区与川藏区合起来作为西部地区统计单元进行统计,得到的衰减关系曲线与川藏区相似,且低于新疆区的结果,这是因为川藏区地震资料数量远大于新疆区,在西部地区统计单元内占较大权重。由此可知,将新疆区、川藏区独立出来作为统计单元进行地震烈度衰减关系统计,可更好地体现新疆地区地震烈度较高的特点,同时也说明采用该分区方法进行烈度衰减关系统计的做法是合理的。

从下至上依次表示MS=5、6、7、8

图 5 川藏区与新疆区烈度衰减关系对比图 Fig. 5Comparison of attenuation curves between Chuangzang and Xinjiang region

从下至上依次表示MS=5、6、7、8

图 6 川藏区与西部区烈度衰减关系对比图 Fig. 6Comparison of attenuation curves between Chuangzang region and Western China

从下至上依次表示MS=5、6、7、8

图 7 新疆区与西部区烈度衰减关系对比图 Fig. 7Comparison of attenuation curves between Xinjiang region and Western China
3 对比与讨论

中国西部地区幅员辽阔,地震活动性强,地震烈度资料丰富,很多研究者对该地区烈度衰减关系进行过研究。如汪素云等(2000)采用1990年之前的资料,对中国西部地区衰减关系进行了统计回归;雷建成等(2007)搜集了西南地区96次、四川盆地40次近代破坏性地震资料,对四川及邻区地震烈度衰减关系进行了研究;孙继浩等(2011)选取川滇及其邻区6级以上历史地震的数字化等震线资料,建立了该地区长、短轴地震烈度衰减关系;周中红等(2010)选取了甘肃省内20次地震的烈度资料,回归得到了适合该地区特点的地震烈度衰减关系;谭明等(2011)通过对新疆地区107幅破坏性地震的烈度等震线资料的研究,统计回归得出了新疆地区的地震烈度衰减关系。

图8和图9给出了本文结果与其他研究者结果的对比图。从对比结果可以看出,总体上本文结果与其他研究者结果具有相似性。在川藏区的远场范围,本文结果略低于汪素云等(2000)、雷建成等(2007)、孙继浩等(2011)的结果。这在高震级表现的尤其明显,其主要原因是本文采用了远场补点,从结果上来看符合远场有感范围的认识,而孙继浩等(2011)没有采用远场补点对有感范围进行约束,所以其远场结果偏高。汪素云等(2000)的结果为整个西部地区的衰减关系,雷建成等(2007)采用的远场补点根据的是四川及邻区的有感半径与震级的关系,这些区别导致了在远场本文结果与这二者存在一定的差异;而在近场范围内本文结果体现出长、短轴烈度的一致性,在R<10km范围内的长、短轴方向烈度估计值与其他三者相差0.2度左右。

同样,在新疆区的远场范围,本文结果略低于周中红等(2000)、谭明等(2011)的结果,其主要原因是本文采用了远场有感范围补点进行约束;而在近场范围内,沿长、短轴方向烈度估计值与其他三者结果差别不大。在MS>6.0时,与另两位研究者结果相似。本文的新疆区烈度衰减关系结果要高于该地区广泛使用的汪素云等(2000)的西部地区烈度衰减关系结果,这体现了与川藏区相比,新疆区同等震级地震烈度水平相对较高的特点。

从下至上依次表示MS=5、6、7、8

图 8 川藏区不同研究者给出的烈度衰减关系对比图 Fig. 8Comparisons of earthquake attenuation relationships given by different researchers in Chuangzang Region

从下至上依次表示MS=5、6、7、8

图 9 新疆区不同研究者给出的烈度衰减关系对比图 Fig. 9Comparisons of earthquake attenuation relationships given by different researchers in Xinjiang Region
4 结论

本文收集了1991年之后我国西部地区71个地震的烈度等震线资料,对第四代地震动参数区划图使用的1918—1989年间176次地震的烈度资料进行了补充,采用长、短轴椭圆模型重新拟合了西部地区的分区地震烈度衰减关系。结果表明,新疆区与川藏区2个统计单元内地震烈度衰减关系有显著不同,应作为不同的分区对待。同时与其他研究者给出的该地区地震烈度衰减关系的对比结果显示,本文结果较好地反映了烈度衰减的区域特征,合理地体现了近场长、短轴烈度一致,远场符合有感范围的特点。本文给出的西部地区分区地震烈度衰减关系适用震级范围为面波震级5.0—8.0,距离为0—400km。

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