河北廊坊地區(qū)的設定地震災害評估1

楊歧焱 楊家亮 王振明 盛艷蕊 范 強

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）美國肯塔基州列克星頓市，肯塔基州地質(zhì)調(diào)查局 40506

河北廊坊地區(qū)的設定地震災害評估1

楊歧焱1）楊家亮1）王振明2）盛艷蕊1）范 強1）

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）美國肯塔基州列克星頓市，肯塔基州地質(zhì)調(diào)查局 40506

本文對 1700年以來的歷史地震烈度資料進行了分析，并結合地震地質(zhì)資料來確定設定地震（Scenario Earthquake），然后利用模擬強地面運動確定了廊廊地區(qū)的強地面運動災害。研究結果表明，按照目前的地震活動趨勢，廊廊地區(qū)出現(xiàn)大于或等于地震烈度8度的周期大約是600年。也就是說，在未來50年廊廊地區(qū)出現(xiàn)地震烈度8度的超越概率為8%。為此，本文建議廊廊地區(qū)應該考慮0.3g峰值加速度（Ⅷ度）作為基本地震工程設計參數(shù)。

地震烈度 地震災害 設定地震

引言

地震是一種嚴重危及人類生命財產(chǎn)安全的突發(fā)性自然災害。強烈地震頻繁發(fā)生，給人類和社會都帶來了巨大的損失。地震本身很少造成直接的人員傷亡，然而由地震引起的對建筑物和工程設施的破壞往往會造成重大的損失，因此，只有建筑物和工程設施具備適當?shù)目拐鹉芰?，才能有效減輕地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失。依據(jù)大量記載歷史地震的資料，研究地震災害及其設防是一條有效的途徑（Xie等，2011）。地震災害評估的目的是對其3個參數(shù)進行定量的評估：地面運動水平或烈度、空間和時間度量、相關的不確定性（Wang等，2009；2011）。目前地震動參數(shù)的確定方法有幾種，其中最為常用的有2種方法：概率地震危險性分析（probabilistic seismic hazard analysis——PSHA）、確定性地震災害分析（deterministic seismic hazard analysis——DSHA）。概率性和確定性分析使用相同的地震與地質(zhì)信息，但所定義的地震災害不同，并且計算的方式也不同。概率地震危險性分析是根據(jù)地震與強地面運動統(tǒng)計關系的數(shù)學模型來計算地震災害：在一個場點的強地面運動水平與年超越頻率或超越周期（Cornell，1968；McGiure，2004）。確定性地震災害分析是根據(jù)一個單一的或一組設定地震來確定地震災害：在一個場點的強地面運動水平（Krinitzsky，1995；2002）。雖然概率性分析方法是當前應用最普遍的，如中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（高孟潭等，2008）和美國國家地震動參數(shù)圖（Petersen等，2008）都是應用概率性分析方法編制的，但是該方法存在一些缺陷（Wang等，2009；2011）。概率性分析方法給出的場址地震動參數(shù)不能反映未來實際地震發(fā)生時場址的實際地震動過程，如“一致概率反應譜”只能是代表一群震級、距離各異的地震綜合特征的包絡譜。如何給確定性的地震事件賦予概率的含義，或者給出具體的地震事件來代替概率方法分析結果，是地震災害評估的發(fā)展方向，即通常所說的設定地震（Scenario Earthquake）研究方法（張翠然等，2010；陳厚群等，2005）。

本文利用華北地區(qū) 1700年歷史地震烈度資料，首先對河北廊廊地區(qū)進行了地震災害分析。類似于洪水和風的災害分析，一個場點的地震烈度與其超越頻率或周期可以根據(jù)歷史地震烈度資料來確定（Milne等，1969；劉靜偉等，2010；Xie等，2011）。然后應用烈度災害分析的結果，并結合地震與地質(zhì)資料來確定設定地震。最后利用復合震源模型（Composite source model）（Zeng等，1994）來確定設定地震所產(chǎn)生的強地面運動。

1 河北廊坊地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)概況

廊廊市位于華北平原沉降帶的二級構造區(qū)——冀中坳陷北部。坳陷具有多凸，多凹，多斷裂的特點，它的主體由一系列北北東和北東向雁列排列的凸起和凹陷相間組成。坳陷北部和西北部為大興隆起，東南為滄縣隆起。北東向展布的平谷－三河－廊廊構造帶控制了冀中坳陷的發(fā)育，構造帶中的一系列斷層，如：馬廊-夏墊斷裂、大興斷裂、河西務斷裂等，將冀中坳陷分隔為大廠、廊廊、固安、武清、霸縣5個斷陷盆地。

河西務斷裂是控制武清凹陷的分界斷裂，它北起河西務西北，向南西延伸至別古莊，全長40多km，走向北東，傾向南東，為上陡下緩的鏟形正斷層。斷層上盤有完整的下第三系，厚達5000—6000m，其下為中生界。下盤3000m以下的下第三系之下為古生界。深地震反射剖面BJ2清楚的顯示，河西務斷裂錯斷了第四系底界面，為第四紀活動斷裂1北京市地震局，中國地震局地質(zhì)研究所，2007. 北京市活動斷層探測與地震危險性評價工程技術報告．。河西務斷裂總體走向為北東向，是一條傾向南東的正斷層，斷層視傾角50°—65°，斷層錯斷了晚更新統(tǒng)（Q3）底界面2河北省工程地震勘察研究院，2010. 河北省城市地震活斷層探測與地震危險性評價項目（廊廊）．。

2 烈度分析

本文利用地震目錄、歷史地震和地質(zhì)構造數(shù)據(jù)來構建廊廊地區(qū)的地震動災害曲線。首先根據(jù)地震目錄，對歷史地震和烈度進行分析，可以得到地震烈度-頻度關系，即災害曲線（hazard curve），它反映了在歷史上一個特定烈度（強度）所發(fā)生的頻率（時間特征）。計算頻度-烈度關系的方法類似于古登堡-里克特（Gutenberg-Richter）震級-頻度關系，只是用烈度代替了震級（劉靜偉等，2010；Xie等，2011）：

式中，I為烈度；f為烈度大于或等于f的年發(fā)生率；a和b為參數(shù)，由最小二乘擬合得出。

本文研究區(qū)的范圍為東經(jīng)115°—119°，北緯38°—41°，從地震目錄中搜集了自公元294年以來的82個地震烈度資料，包括56個古代歷史地震（294—1911年）和26個近代地震（1912—2006年）。其中有42個地震的烈度圖中只給出了有感范圍，沒有確定烈度的等級。對于這42個烈度圖，本文使用震級與烈度的關系推算出了有感范圍內(nèi)的烈度值，采用華北平原區(qū)平均軸烈度衰減公式為：

式中，I為烈度；M為震級；R為平均軸半徑（km）；S為標準差。

烈度—頻率災害曲線（圖1）表明：在廊廊地區(qū)烈度超8度的平均復發(fā)周期為600年；超越9度的平均復發(fā)周期為1200年；超越10度的平均復發(fā)周期為2400年。

圖1 廊廊地震烈度擬合曲線Fig.1 The frequency-intensity curve for Langfang

3 設定地震災害分析

從圖1可以看出，廊廊地區(qū)的最高影響烈度是8度，分別受1507年北京南地震和1679年三河—平谷地震的影響。1679年三河—平谷8級地震是夏墊斷裂最新一次地表破裂型地震事件，也是廊廊地區(qū)受影響最大的一次地震事件，因此，選擇1679年三河—平谷8級地震作為地震災害分析的設定地震事件Scenario A；同時河西務斷裂以被證實為第四紀活動斷層，該斷層與廊廊市的垂直距離不足10km，因此選擇河西務活動斷裂作為Scenario B加以研究。

對于設定地震，采用Composite source model（Zeng等，1994）模型，地震動時程曲線以0.5°空間網(wǎng)格取點（圖2）。模型中所用到的地殼速度結構（孫武城等，1987；孫若昧等，1995；1996；鄭建常等，2007）列于表1。對于Scenario A的震源參數(shù)，本文采用了潘波等（2009）、冉勇康等（1997）的研究結果。對于Scenario B，可以由斷層長度40km，應用華北地區(qū)地震活斷層的震級－破裂長度、破裂面積的經(jīng)驗關系（龍鋒等，2006）：

華北地區(qū)震級M、地表破裂長度L和位移量D三者的關系式為（鄧起東等，1992）：

地震矩公式為：

式中，μ為剪切模量；D為位錯位移量；A為斷層面面積。

根據(jù)區(qū)域地震相似原則，借鑒和利用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，則L=4km，這是因為華北地區(qū)第四系覆蓋較厚，出露的地表破裂帶長度偏小。

對于每個設定地震，應力降Δσ可以用以下公式計算（Stein等，2002）：

式中，W是斷層寬度；L是斷層長度。

類似于其他地震破裂模型（Macpherson，2009），每個設定地震的斷層破裂速度取剪切波速的80%。表2是Scenario A與Scenario B的震源參數(shù)。

圖2 1679年三河—平谷8級地震等震線圖（據(jù)《中國歷史地震目錄》，1995）Fig. 2 Isoseismal map of 1679 Sanhe-Pinggu earthquake (M8.0) from Historical Strong Earthquake Catalog of China, 1995

表1 廊坊地區(qū)的地殼速度結構Table 1 Crustal velocity structure for Langfang area

表2 Scenario A和Scenario B的震源參數(shù)Table 2 Source parameters for Scenario A and Scenario B

每個設定地震的合成地震動模型在所有空間網(wǎng)格點產(chǎn)生三分量地震動時程曲線（見圖 3和圖4），從而得到其等震線圖（見圖5和圖6），Scenario A與1679年三河—平谷地震的等震線圖可很好的對應，表明了用該方法構建地震動模型的有效性。正是基于這種方法的有效性，可通過Scenario B來評估河西務活動斷裂對廊廊的地震災害。Scenario A和Scenario B在廊廊的地面峰值加速度分別為：0.72g和0.33g。根據(jù)地震烈度與地面峰值加速度的對應關系，2個設定地震對廊廊的影響均超過了8度。

圖3 Scenario A在廊廊的加速度時程曲線Fig. 3 Acceleration time-history used in Scenario A

圖4 Scenario B在廊廊的加速度時程曲線Fig. 4 Acceleration time-history used in Scenario B

圖5 三河—平谷地震等震線圖（黑色）和由Scenario A所得到的等震線圖（藍色）Fig. 5 Isoseismal map of Sanhe-Pinggu (black) and from Scenario A (blue)

圖6 由Scenario B所得到的等震線圖Fig. 6 Isoseismal map from Scenario B

4 討論與結論

本文對 1700年以來的歷史地震烈度資料進行了分析，并結合地震地質(zhì)資料來確定設定地震（Scenario Earthquake）。然后利用模擬強地面運動，來評估廊廊地區(qū)的地震災害。這種方法的優(yōu)點是：①不需要過多的假設；②所得到的結果（強地面運動）具有明確的物理和統(tǒng)計意義；③該結果容易被地球科學家和工程師理解；④能充分利用強地面運動模擬技術。這些優(yōu)點使得本方法所得到的結果更易于在地震工程中使用。

從本文的研究結果可以看出，按照目前的地震活動趨勢，廊廊地區(qū)出現(xiàn)大于或等于地震烈度8度的周期大約是600年。也就是說，在未來50年廊廊地區(qū)出現(xiàn)地震烈度8度的超越概率為8%。根據(jù)中國地震烈度與地面峰值加速度的對應關系（表3）以及設定地震的合成地震動模擬結果，我們建議廊廊地區(qū)應該考慮 0.3g峰值加速度（Ⅷ度）作為基本地震工程設計參數(shù)。

表3 中國地震烈度與地面峰值加速度的對應關系（中國地震動區(qū)劃圖，2001）Table 3 Relationship between intensity and peak ground acceleration (PRNCS, 2001)

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Scenario Earthquake Hazard Evaluation in Langfang Area

Yang Qiyan1), Yang Jialiang1), Wang Zhenming2), Sheng Yanrui1)and Fan Qiang1)

1) Earthquake Administration of Hebei province, Shijiazhuang 050021, China
2) Kentucky Geological Survey, Lexington, Kentucky 40506, US

This paper attempts to analyze the data from 1700-year intensity observation, and to combine seismology and geology data to determine the scenario earthquake, then to simulate strong ground motion to evaluate seismic hazard in Langfang. The study results show that the period of greater than or equal to Ⅷ intensity is about 600 years according to the current seismic activity trend. In other words, the probability of exceedance ofⅧintensity in 50 years is 8 percent in Langfang area. We suggest that it should be considered 0.3g peak ground acceleration (Ⅷ intensity ) as the basic earthquake engineering design parameters in Langfang area.

楊歧焱，楊家亮，王振明，盛艷蕊，范強，2012．河北廊廊地區(qū)的設定地震災害評估．震災防御技術，7（3）：285—293.

河北省科學技術研究與發(fā)展計劃項目“強震動記錄在唐山地區(qū)抗震設防中的應用研究”（編號11276905D）資助

2012-04-23

楊歧焱，男，生于1982年。2009年畢業(yè)于中國地震局地殼應力研究所，獲碩士學位。主要從事地震安全性評價和淺層地震勘探工作。E-mail：yangqiyan413@163.com

致謝：衷心感謝中國地震局地殼應力研究所謝富仁研究員和劉靜偉給與的幫助和指導！

Κey words: Seismic intensity; Seismic hazard; Scenario earthquake