引言

地震是一种严重危及人类生命财产安全的突发性自然灾害。强烈地震频繁发生,给人类和社会都带来了巨大的损失。地震本身很少造成直接的人员伤亡,然而由地震引起的对建筑物和工程设施的破坏往往会造成重大的损失,因此,只有建筑物和工程设施具备适当的抗震能力,才能有效减轻地震造成的人员伤亡和经济损失。依据大量记载历史地震的资料,研究地震灾害及其设防是一条有效的途径(Xie等,2011)。地震灾害评估的目的是对其3个参数进行定量的评估:地面运动水平或烈度、空间和时间度量、相关的不确定性(Wang等,2009;2011)。目前地震动参数的确定方法有几种,其中最为常用的有2种方法:概率地震危险性分析(probabilistic seismic hazard analysis——PSHA)、确定性地震灾害分析(deterministic seismic hazard analysis——DSHA)。概率性和确定性分析使用相同的地震与地质信息,但所定义的地震灾害不同,并且计算的方式也不同。概率地震危险性分析是根据地震与强地面运动统计关系的数学模型来计算地震灾害:在一个场点的强地面运动水平与年超越频率或超越周期(Cornell,1968;McGiure,2004)。确定性地震灾害分析是根据一个单一的或一组设定地震来确定地震灾害:在一个场点的强地面运动水平(Krinitzsky,1995;2002)。虽然概率性分析方法是当前应用最普遍的,如中国地震动参数区划图(高孟潭等,2008)和美国国家地震动参数图(Petersen等,2008)都是应用概率性分析方法编制的,但是该方法存在一些缺陷(Wang等,2009;2011)。概率性分析方法给出的场址地震动参数不能反映未来实际地震发生时场址的实际地震动过程,如“一致概率反应谱”只能是代表一群震级、距离各异的地震综合特征的包络谱。如何给确定性的地震事件赋予概率的含义,或者给出具体的地震事件来代替概率方法分析结果,是地震灾害评估的发展方向,即通常所说的设定地震(Scenario Earthquake)研究方法(张翠然等,2010;陈厚群等,2005)。

本文利用华北地区1700年历史地震烈度资料,首先对河北廊坊地区进行了地震灾害分析。类似于洪水和风的灾害分析,一个场点的地震烈度与其超越频率或周期可以根据历史地震烈度资料来确定(Milne等,1969;刘静伟等,2010;Xie等,2011)。然后应用烈度灾害分析的结果,并结合地震与地质资料来确定设定地震。最后利用复合震源模型(Composite source model)(Zeng等,1994)来确定设定地震所产生的强地面运动。

1 河北廊坊地区的区域地质概况

廊坊市位于华北平原沉降带的二级构造区——冀中坳陷北部。坳陷具有多凸,多凹,多断裂的特点,它的主体由一系列北北东和北东向雁列排列的凸起和凹陷相间组成。坳陷北部和西北部为大兴隆起,东南为沧县隆起。北东向展布的平谷-三河-廊坊构造带控制了冀中坳陷的发育,构造带中的一系列断层,如:马坊-夏垫断裂、大兴断裂、河西务断裂等,将冀中坳陷分隔为大厂、廊坊、固安、武清、霸县5个断陷盆地。

河西务断裂是控制武清凹陷的分界断裂,它北起河西务西北,向南西延伸至别古庄,全长40多km,走向北东,倾向南东,为上陡下缓的铲形正断层。断层上盘有完整的下第三系,厚达5000—6000m,其下为中生界。下盘3000m以下的下第三系之下为古生界。深地震反射剖面BJ2清楚的显示,河西务断裂错断了第四系底界面,为第四纪活动断裂1。河西务断裂总体走向为北东向,是一条倾向南东的正断层,断层视倾角50°—65°,断层错断了晚更新统(Q3)底界面2。

2 烈度分析

本文利用地震目录、历史地震和地质构造数据来构建廊坊地区的地震动灾害曲线。首先根据地震目录,对历史地震和烈度进行分析,可以得到地震烈度-频度关系,即灾害曲线(hazard curve),它反映了在历史上一个特定烈度(强度)所发生的频率(时间特征)。计算频度-烈度关系的方法类似于古登堡-里克特(Gutenberg-Richter)震级-频度关系,只是用烈度代替了震级(刘静伟等,2010;Xie等,2011):

lg(ƒ)=ab×I
(1)

式中,I为烈度;ƒ为烈度大于或等于ƒ的年发生率;ab为参数,由最小二乘拟合得出。

本文研究区的范围为东经115°—119°,北纬38°—41°,从地震目录中搜集了自公元294年以来的82个地震烈度资料,包括56个古代历史地震(294—1911年)和26个近代地震(1912—2006年)。其中有42个地震的烈度图中只给出了有感范围,没有确定烈度的等级。对于这42个烈度图,本文使用震级与烈度的关系推算出了有感范围内的烈度值,采用华北平原区平均轴烈度衰减公式为:

I=2.429+1.499M-1.391ln(R+11)
S=0.377
(2)

式中,I为烈度;M为震级;R为平均轴半径(km);S为标准差。

烈度—频率灾害曲线(图1)表明:在廊坊地区烈度超8度的平均复发周期为600年;超越9度的平均复发周期为1200年;超越10度的平均复发周期为2400年。

图 1 廊坊地震烈度拟合曲线 Fig. 1The frequency-intensity curve for Langfang
3 设定地震灾害分析

从图1可以看出,廊坊地区的最高影响烈度是8度,分别受1507年北京南地震和1679年三河—平谷地震的影响。1679年三河—平谷8级地震是夏垫断裂最新一次地表破裂型地震事件,也是廊坊地区受影响最大的一次地震事件,因此,选择1679年三河—平谷8级地震作为地震灾害分析的设定地震事件Scenario A;同时河西务断裂以被证实为第四纪活动断层,该断层与廊坊市的垂直距离不足10km,因此选择河西务活动断裂作为Scenario B加以研究。

对于设定地震,采用Composite source model(Zeng等,1994)模型,地震动时程曲线以0.5°空间网格取点(图2)。模型中所用到的地壳速度结构(孙武城等,1987;孙若昧等,1995;1996;郑建常等,2007)列于表1。对于Scenario A的震源参数,本文采用了潘波等(2009)、冉勇康等(1997)的研究结果。对于Scenario B,可以由断层长度40km,应用华北地区地震活断层的震级-破裂长度、破裂面积的经验关系(龙锋等,2006):

MS=3.821+1.860lg(L)
(3)
MS=4.134+0.9541lg(A)
(4)

华北地区震级M、地表破裂长度L和位移量D三者的关系式为(邓起东等,1992):

M=5.90+lg(L)+lg(D)
(5)

地震矩公式为:

M0μDA
(6)

式中,μ为剪切模量;D为位错位移量;A为断层面面积。

根据区域地震相似原则,借鉴和利用1679年三河—平谷地震取剪切模量μ=4×104MPa(潘波等,2009)。若取M =6.8,D=2m,则L=4km,这是因为华北地区第四系覆盖较厚,出露的地表破裂带长度偏小。

对于每个设定地震,应力降Δσ可以用以下公式计算(Stein等,2002):

(7)
Δσ 2
π
M0
W2L

式中,W是断层宽度;L是断层长度。

类似于其他地震破裂模型(Macpherson,2009),每个设定地震的断层破裂速度取剪切波速的80%。表2是Scenario A与Scenario B的震源参数。

圆点表示0.5°空间网格

图 2 1679年三河—平谷8级地震等震线图(据《中国历史地震目录》,1995 ) Fig. 2Isoseismal map of 1679 Sanhe-Pinggu earthquake (M8.0) from Historical Strong Earthquake Catalog of China, 1995
表1 廊坊地区的地壳速度结构 Table 1 Crustal velocity structure for Langfang area
表2 Scenario A和Scenario B的震源参数 Table 2 Source parameters for Scenario A and Scenario B

每个设定地震的合成地震动模型在所有空间网格点产生三分量地震动时程曲线(见图3和图4),从而得到其等震线图(见图5和图6),Scenario A与1679年三河—平谷地震的等震线图可很好的对应,表明了用该方法构建地震动模型的有效性。正是基于这种方法的有效性,可通过Scenario B来评估河西务活动断裂对廊坊的地震灾害。Scenario A和Scenario B在廊坊的地面峰值加速度分别为:0.72g和0.33g。根据地震烈度与地面峰值加速度的对应关系,2个设定地震对廊坊的影响均超过了8度。

图 3 Scenario A在廊坊的加速度时程曲线 Fig. 3Acceleration time-history used in Scenario A
图 4 Scenario B在廊坊的加速度时程曲线 Fig. 4Acceleration time-history used in Scenario B
图 5 三河—平谷地震等震线图(黑色)和由Scenario A所得到的等震线图(蓝色) Fig. 5Isoseismal map of Sanhe-Pinggu (black) and from Scenario A (blue)
图 6 由Scenario B所得到的等震线图 Fig. 6Isoseismal map from Scenario B
4 讨论与结论

本文对1700年以来的历史地震烈度资料进行了分析,并结合地震地质资料来确定设定地震(Scenario Earthquake)。然后利用模拟强地面运动,来评估廊坊地区的地震灾害。这种方法的优点是:①不需要过多的假设;②所得到的结果(强地面运动)具有明确的物理和统计意义;③该结果容易被地球科学家和工程师理解;④能充分利用强地面运动模拟技术。这些优点使得本方法所得到的结果更易于在地震工程中使用。

从本文的研究结果可以看出,按照目前的地震活动趋势,廊坊地区出现大于或等于地震烈度8度的周期大约是600年。也就是说,在未来50年廊坊地区出现地震烈度8度的超越概率为8%。根据中国地震烈度与地面峰值加速度的对应关系(表3)以及设定地震的合成地震动模拟结果,我们建议廊坊地区应该考虑0.3g峰值加速度(Ⅷ度)作为基本地震工程设计参数。

表3 中国地震烈度与地面峰值加速度的对应关系(中国地震动区划图 2001 ) Table 3 Relationship between intensity and peak ground acceleration (PRNCS 2001 )

致谢:衷心感谢中国地震局地壳应力研究所谢富仁研究员和刘静伟给与的帮助和指导!

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