什么是概率地震危險(xiǎn)性評(píng)估的基本假設(shè)？*

John G Anderson， Glenn P Biasi

(Nevada Seismological Laboratory， University of Nevada， Mail Stop 174，Reno， Nevada 89557 USA)

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什么是概率地震危險(xiǎn)性評(píng)估的基本假設(shè)？*

John G Anderson， Glenn P Biasi

(Nevada Seismological Laboratory， University of Nevada， Mail Stop 174，Reno， Nevada 89557 USA)

摘要概率地震危險(xiǎn)性分析(Probabilistic Seismic Hazard Analysis, PSHA)的目的是表現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)處所有地震動(dòng)的發(fā)生頻率。 其基本假設(shè)是用真實(shí)存在的危險(xiǎn)性曲線來(lái)表達(dá)場(chǎng)點(diǎn)處任一地震動(dòng)振幅的超越頻率。 在程序上， PSHA依賴于對(duì)地震活動(dòng)與地面運(yùn)動(dòng)模型相結(jié)合的完整且準(zhǔn)確的描述， 并采用標(biāo)準(zhǔn)概率方法去評(píng)估危險(xiǎn)性曲線。 改進(jìn)輸入?yún)?shù)和識(shí)別并解決觀測(cè)數(shù)據(jù)與估算危險(xiǎn)性之間的差異，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)性曲線的改進(jìn)。 然而， 這種差異并不能否定危險(xiǎn)性曲線的存在或者用于估算該曲線的概率理論。

Wyss[1]在其文章 “測(cè)試概率地震危險(xiǎn)性評(píng)估的基本假設(shè)： 11次失敗”(Testing the basic assumption for probabilistic seismic hazard sssessment: 11 failures)中指出， 用古登堡-里克特模型(Gutenberg-Richter， 即G-R)對(duì)小震發(fā)生率進(jìn)行外推來(lái)估算大震發(fā)生率是不可靠[2]。 這使我們意識(shí)到， 在進(jìn)行概率地震危險(xiǎn)性分析時(shí)， 這種外推可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)地震危險(xiǎn)性的低估。

理論上講， 可以利用目標(biāo)場(chǎng)地配置的觀測(cè)儀器獲得危險(xiǎn)性曲線。 由微震和遠(yuǎn)震產(chǎn)生的極弱震動(dòng)每天都會(huì)發(fā)生， 弱震動(dòng)(如， 峰值加速度Y=1 cm/s2)比強(qiáng)震動(dòng)(如， 峰值加速度Y=100 cm/s2)發(fā)生的更頻繁。 將地震動(dòng)Yi的觀測(cè)目錄排序并繪制曲線， 來(lái)計(jì)算任意水平Y(jié)被超越的次數(shù)。 然后根據(jù)觀測(cè)資料的時(shí)間長(zhǎng)度將曲線分段， 就會(huì)得到實(shí)驗(yàn)階段任一觀測(cè)值Y的超越頻率。 這個(gè)超越頻率是基于觀測(cè)資料γ(Y)的估值。 該過程類似于尋找G-R關(guān)系， 獲得震級(jí)M的超越頻率N(M)。

我們堅(jiān)持認(rèn)為， 估算危險(xiǎn)性曲線的過程是對(duì)存在危險(xiǎn)性曲線這一基本假設(shè)的有力支撐。 例如， 圖1是由加利福尼亞(California)一個(gè)臺(tái)站的強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)危險(xiǎn)性曲線。 該臺(tái)站已經(jīng)運(yùn)行了很長(zhǎng)時(shí)間， 而且有多種強(qiáng)震動(dòng)記錄。

由于PSHA是工程學(xué)的一個(gè)工具， 且小震一般不會(huì)毀壞工程結(jié)構(gòu)， 因此， 對(duì)現(xiàn)代建筑物關(guān)系最大的危險(xiǎn)性曲線通常只涉及MW≥5.0地震產(chǎn)生的地震動(dòng)。 通過對(duì)觀測(cè)資料的篩選， 很容易在上述實(shí)驗(yàn)中考慮這個(gè)條件。

(1)

圖1用3種方法估算的埃爾森特羅(ElCentro)臺(tái)陣9強(qiáng)震儀的危險(xiǎn)性曲線。 工程強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)中心(CenterforEngineeringStrongMotionData)的資料顯示， 該臺(tái)站至少在1934年就開始運(yùn)行了。 表1列出了該臺(tái)站的加速度記錄， 這些記錄包含在NGA-West2Flatfile中， 它們是經(jīng)驗(yàn)曲線的基礎(chǔ)。 因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)危險(xiǎn)性曲線假設(shè)所有的重要地震都被記錄， 因此， 我們也采用了Milne和Davenport的方法[19]， 并使用了Abrahamson等[6](ASK14)的地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程(GMPE)評(píng)估每次地震對(duì)場(chǎng)點(diǎn)產(chǎn)生的峰值加速度。 其中， 地震目錄使用距離場(chǎng)點(diǎn)300km范圍內(nèi)Mw≥5且去除余震的地震目錄(美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)。 對(duì)場(chǎng)點(diǎn)有地震動(dòng)貢獻(xiàn)的地震越多， 就越突出了獲得一個(gè)完整經(jīng)驗(yàn)振動(dòng)記錄的困難。 第3種方法采用根據(jù)VS30調(diào)整的2014年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的國(guó)家地震災(zāi)害模型[20]。 考慮到時(shí)間間隔較短， 3種方法得到的危險(xiǎn)性曲線不可能相同。 年超越頻率約為4×10-4(約為2500年一次)的水平線即為應(yīng)用于美國(guó)普通建筑物抗震設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)性圖中的發(fā)生頻率等值線。 該值遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的能力， 因此， 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局采用的年超越頻率是公式(1)的估值

表1　埃爾森特羅臺(tái)陣9強(qiáng)震動(dòng)記錄(來(lái)自NGA-West 2 Flatfile數(shù)據(jù)庫(kù))

*PGA為峰值地面加速度

(2)

有些地區(qū)， 如美國(guó)東部和加拿大的大部分地區(qū)， 無(wú)法識(shí)別活動(dòng)斷裂， 無(wú)法區(qū)分大地形變速率與零等值線， 沒有發(fā)現(xiàn)古地震標(biāo)志(如， 古液化)， 而且也不知道控制地震發(fā)生率的過程[38-39]。 如果可用來(lái)評(píng)估地震活動(dòng)性n(M,x)的資料只有歷史地震和儀器記錄的地震， 那么估算罕見破壞性地震發(fā)生率的唯一方法就是外推法。 而在其他地方， 如果存在形變率或者其他地質(zhì)學(xué)的約束條件， PSHA就應(yīng)該考慮這些資料。

為了使生成的地震子目錄的個(gè)數(shù)具有統(tǒng)計(jì)上的獨(dú)立性， 許多PSHA程序進(jìn)行了余震的刪除。 事實(shí)上， 余震的刪除只是一個(gè)小細(xì)節(jié)， 不會(huì)影響危險(xiǎn)性曲線的存在。

無(wú)論是對(duì)局部還是對(duì)系統(tǒng)的誤差識(shí)別， 都是改進(jìn)地震危險(xiǎn)性分析的必要部分。 但是， 盡管一些已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)PSHA的研究在很大程度上遭到批判， 認(rèn)為其所依賴的震源模型和地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程是不適當(dāng)?shù)模?但是， 這些研究并不能否定作為PSHA基本假設(shè)的危險(xiǎn)性曲線的存在及其作用。

數(shù)據(jù)來(lái)源： NGA-West 2 Flatfile 中強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)來(lái)自太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center， PEER， http:∥peer.berkeley.edu/ngawest/nga_models.html， 2015年12月最后一次訪問)。 使用Milne和Davenport方法計(jì)算美國(guó)西部危險(xiǎn)性曲線的去除余震的地震目錄來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(U.S. Geological Survey， USGS)的名為2014_wmm.c4的地震目錄(http:∥earthquake.usgs.gov/hazards/products/conterminous/， 2015年12月最后一次訪問)。 圖1展示的美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的危險(xiǎn)性曲線中使用的數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地震危險(xiǎn)性項(xiàng)目(USGS Earthquake Hazards Program， http:∥earthquake.usgs.gov/hazards/products/conterminous/2014/data/， 2015年12月最后一次訪問)。

文獻(xiàn)來(lái)源： John G Anderson， Glenn P Biasi. What is the basic assumption for probabilistic seismic hazard assessment?. Seismol. Res. Lett.， 2016， 87(2A)： 323-326

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所劉靜偉譯)

(譯者電子信箱， 劉靜偉： ljingwei@163.com)

參 考 文 獻(xiàn)

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* 收稿日期：2016-04-14； 采用日期： 2016-05-25。

中圖分類號(hào)：P315.9；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.006