上海及周邊潛在震源區(qū)對上海長周期基巖地震動參數(shù)影響分析*

袁桂芳

（上海雨辰工程技術(shù)有限公司，上海 201108）

引言

研究人員通過對以往的地震記錄研究發(fā)現(xiàn)，大震遠(yuǎn)場地震記錄的長周期成分明顯要比小震近場的地震記錄豐富，對長周期結(jié)構(gòu)的影響較大，造成的震害較嚴(yán)重[1]。在1985年墨西哥8級地震以及2008年四川汶川8級地震等特大地震的相關(guān)研究中均發(fā)現(xiàn)，這些地震記錄的長周期地震動十分顯著，距離震中較遠(yuǎn)距離的地方的高層建筑同樣受到較大影響[2-3]。

上海市強(qiáng)震臺網(wǎng)獲取了2008年5月12日中國汶川8.0級地震、2020年5月3日日本九州6.0級地震、2016年10月20日中國江蘇射陽4.4級地震3次地震記錄。通過分析處理，分別計算了基巖臺和地表臺站地震加速度記錄的傅里葉譜和反應(yīng)譜。結(jié)果表明：在兩次震中距超過700 km的地震中，臺站所處區(qū)域軟土對頻率為0.3—0.4 Hz的地震波存在明顯放大作用，反映了上海市深厚軟土覆蓋層對長周期地震波的放大作用[4]。

由于上海地區(qū)屬于深厚覆蓋層分布地區(qū)，第四紀(jì)覆蓋層普遍厚度約為300—400 m，場地卓越周期較長。同時，上海地區(qū)超高層建筑林立，這些建筑物自振周期較長，對長周期地震動參數(shù)比較敏感。本文通過地震危險性分析的方法，從概率貢獻(xiàn)的角度分析上海及周邊潛在震源區(qū)對上海地區(qū)基巖長周期地震動參數(shù)的影響。

1 上海及臨近地區(qū)潛在震源區(qū)劃分簡介

本研究采用的潛在震源區(qū)劃分是新編中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（即五代區(qū)劃圖）潛在震源區(qū)方案。上海及臨近區(qū)域共劃分出46個潛在震源區(qū)（圖1），其中，震級上限8.5級的潛在震源區(qū)1個（由于距離場地較遠(yuǎn)未繪入圖1中）、震級上限7.5級的潛在震源區(qū)3個、震級上限7級的潛在震源區(qū)3個、震級上限6.5級的潛在震源區(qū)8個、震級上限6級的潛在震源區(qū)17個、震級上限5.5級的潛在震源區(qū)2個、震級上限5.5級的背景源7個以及震級上限5級的背景源5個。上海地區(qū)地震構(gòu)造以及對上海起主要影響的潛在震源區(qū)情況如下：

（1）上海位于長江三角洲平原，其上覆蓋有300 m左右厚度的第四紀(jì)松散沉積物，區(qū)內(nèi)代表性斷裂包括NE向的楓涇—川沙斷裂和張堰—南匯斷裂、NW向的南通—上海斷裂和太倉—奉賢斷裂、近EW向的昆山—嘉定斷裂和吳江—黃渡斷裂等，斷裂的最新活動時間一般為早更新世—中更新世，其中以NE向斷裂最為發(fā)育[5-6]。上海地區(qū)歷史上曾發(fā)生過1624年上海4?級地震，上海西側(cè)的昆山和吳江等地歷史上發(fā)生過多次4—5級地震，最大地震為1731年昆山淞南5級地震[7]。根據(jù)地震構(gòu)造和歷史地震的分布，上海中心及南部地區(qū)位于奉賢潛在震源區(qū)（20號源），震級上限為6.0級；上海北部地區(qū)大部分位于嘉定潛在震源區(qū)（31號源），震級上限為6.5級。

（2）長江口外潛在震源區(qū)（39號源）位于上海市東北角，距離上海市中心最近距離約60 km。長江口外海域斷裂構(gòu)造發(fā)育，以NE、NW向斷裂為主，斷裂以上新世—早更新世活動為主，最新活動可至中更新世，斷裂的最大斷距一般為幾十米[8]。歷史上曾發(fā)生過1505年6?級地震。該潛在震源區(qū)震級上限為7.0級。

（3）大豐海外潛在震源區(qū)（40號源）位于上海以北約200 km，該潛在震源區(qū)位于蘇北大豐海外南部坳陷及附近地區(qū)，南黃海盆地南部坳陷斷裂比較發(fā)育，蘇北—濱海斷裂從區(qū)內(nèi)穿過[9]。區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過多次6級以上地震，其中包括1846年7級地震，震級上限為7.5 級。

（4）郯城潛在震源區(qū)（46號源）位于上海市以北約500 km處。由于距離較遠(yuǎn)，圖1中未繪入。郯廬斷裂帶東邊界斷裂及帶內(nèi)白芬子—浮來山斷裂和安丘—莒縣斷裂縱貫該潛源區(qū)，區(qū)內(nèi)安丘—莒縣斷裂新活動強(qiáng)度最大，多處見到安丘—莒縣斷裂錯斷的全新統(tǒng)、沖溝和水系，斷裂具有右旋逆沖性質(zhì)。區(qū)內(nèi)曾發(fā)生1668年郯城8?級地震，震級上限為8.5級。

圖1 上海及周邊潛在震源區(qū)分布圖Fig. 1 Distribution map of potential seismic sources area of Shanghai and its adjacent areas

上述奉賢潛在震源區(qū)和嘉定潛在震源區(qū)位于上海及臨近區(qū)域，屬于近場潛在震源區(qū)；長江口外潛在震源區(qū)、大豐海外潛在震源區(qū)、郯城潛在震源區(qū)等，由于距離場地相對較遠(yuǎn)，且震級上限相對較大，本文中稱為遠(yuǎn)距離高震級潛在震源區(qū)。

2 基巖地震危險分析

2.1 計算原理

本次基巖地震動參數(shù)計算采用了《工程場地地震安全性評價》（GB 17741-2005）推薦的CPSHA概率地震危險性分析方法[10]。為合理考慮不同震級段地震活動空間分布特征的差異，重視中強(qiáng)地震活動的地震危險性影響，本次地震活動性模型使用了五代區(qū)劃圖中采用的三級潛在震源區(qū)模型[11]。三級潛在震源區(qū)分別為地震統(tǒng)計區(qū)、背景地震活動潛在震源區(qū)（簡稱背景源）和構(gòu)造潛在震源區(qū)（簡稱構(gòu)造源）。

基巖地震危險性分析計算原理介紹如下：

地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)地震時間過程符合分段的泊松過程，則地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)t年內(nèi)發(fā)生n次地震的概率：

式中，v0為未來t年內(nèi)發(fā)生震級在m0—muz之間地震的年平均發(fā)生率（m0為地震統(tǒng)計區(qū)起算震級；muz為地震統(tǒng)計區(qū)的震級上限），v0由未來的地震活動趨勢來確定。

同時，地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)地震震級分布滿足修正的震級頻度關(guān)系，相應(yīng)的震級分布概率密度函數(shù)可表示為：

式中，β=bln10，b為震級頻度關(guān)系的斜率。

根據(jù)全概率公式，某一地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)隨機(jī)發(fā)生的一次地震，影響到計算場點地震動參數(shù)值A(chǔ)超越給定值a的概率為：

式中，k為地震統(tǒng)計區(qū)編號；A(Si)為地震帶內(nèi)第i個潛在震源區(qū)的面積；P(A≥a|E）為地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)第i個潛在震源區(qū)內(nèi)發(fā)生某一特定地震事件時，計算場點地震動參數(shù)超越a的概率；fi,mj為潛在震源區(qū)的空間分布函數(shù)；f(θ)為潛源的方向性函數(shù)，與潛在震源區(qū)的構(gòu)造走向有關(guān)；Ns為地震統(tǒng)計區(qū)內(nèi)劃分的潛在震源區(qū)數(shù)量；Nm為地震統(tǒng)計區(qū)震級分檔數(shù)量。

假定共有Nz個地震統(tǒng)計區(qū)對場點有影響，則綜合所有地震統(tǒng)計區(qū)的的綜合影響可得：

基巖地震動衰減關(guān)系采用了俞言祥等[12]為五代區(qū)劃圖編制所建立的地震動衰減關(guān)系。該衰減關(guān)系具有如下特點： ① 基于更加豐富可靠的強(qiáng)震記錄和烈度資料； ② 采用了具有大震近場飽和特征的地震動衰減模型； ③ 采用了使結(jié)果更加穩(wěn)定的分步回歸方法； ④ 在地震動衰減關(guān)系分區(qū)時考慮了地震活動性特征。

2.2 計算結(jié)果及分析

選取上海中心位置坐標(biāo)作為計算點，計算了基巖地震反應(yīng)譜，并針對不同的周期點各潛源的概率貢獻(xiàn)比例進(jìn)行了分析。選取反應(yīng)譜峰值、1 s周期處、3 s周期處、6 s周期處作為研究對象，得到對反應(yīng)譜概率貢獻(xiàn)起主要影響的潛在震源區(qū)及概率貢獻(xiàn)比例（圖2）。

2.2.1 潛源對峰值加速度峰值的概率貢獻(xiàn)

針對反應(yīng)譜峰值（圖2a）而言，對場址3個概率水準(zhǔn)（50年超越概率63%、10%和2%）貢獻(xiàn)最大的是20號源、31號源和7號源。長江口外39號源的概率貢獻(xiàn)不到10%，40號源和46號源的概率貢獻(xiàn)均非常小。由此可見，對于場地峰值加速度，場地附近的潛在震源區(qū)貢獻(xiàn)占比最大，遠(yuǎn)距離高震級潛在震源區(qū)的概率貢獻(xiàn)不大。

2.2.2 潛源對反應(yīng)譜1 s和3 s的概率貢獻(xiàn)

針對反應(yīng)譜1 s和3 s周期（圖2b、圖2c）而言，對場址3個概率水準(zhǔn)（50年超越概率63%、10%和2%）貢獻(xiàn)最大的是31號源、20號源、39號源和40號源。由此可見，場地中長周期（1 s和3 s）加速度，除了受場地附近的潛在震源區(qū)影響較大外，受場地外圍的長江口外潛源和大豐海外潛源等遠(yuǎn)距離高震級潛在震源區(qū)的影響也比較大。

2.2.3 潛源對反應(yīng)譜6 s的概率貢獻(xiàn)

針對反應(yīng)譜6 s周期（圖2d）而言，對場址3個概率水準(zhǔn)（50年超越概率63%、10%和2%）貢獻(xiàn)最大的是40號源、31號源、39號源、20號源和46號源。由此可見，場地長周期（6 s）加速度，受到中遠(yuǎn)距離的高震級潛源（40號源和39號源）的概率貢獻(xiàn)已經(jīng)超過場地所在的20號源；同時遠(yuǎn)距離高震級潛源（46號源）的影響也逐漸增加，同樣不容忽視。

圖2 反應(yīng)譜不同周期處主要潛源對地震動加速度的概率貢獻(xiàn)Fig. 2 Probabilistic contribution of ground motion acceleration by main potential sources at different periods of response spectrum

2.2.4 主要潛源不同周期概率貢獻(xiàn)的變化

上述研究表明，在不同周期情況下對概率貢獻(xiàn)影響較大的潛源存在一定的變化。為了進(jìn)一步研究主要潛源在不同周期下概率貢獻(xiàn)的變化趨勢，本次研究繪制了主要潛源（20號源、39號源、40號源和46號源）在不同反應(yīng)譜周期對應(yīng)概率貢獻(xiàn)比例變化曲線（圖3）。

由圖3a可見，隨著反應(yīng)譜周期的增加，場地所在的潛在震源區(qū)（20號源）的貢獻(xiàn)比例逐漸降低。由圖3b、圖3c和圖3d可見，場地周邊的遠(yuǎn)距離高震級潛在震源區(qū)（39號源、40號源和46號源）隨著反應(yīng)譜周期的增加，貢獻(xiàn)比例逐漸增大，部分潛源（40號源）的貢獻(xiàn)比例甚至超過場地所在潛源。研究結(jié)果表明：遠(yuǎn)距離高震級潛源對反應(yīng)譜長周期（大于1 s）的地震加速度影響已超過場地所在潛源貢獻(xiàn)，在超高層建筑的地震安全性評價時，應(yīng)充分考慮遠(yuǎn)距離的高震級潛在震源區(qū)的影響。

圖3 主要潛源不同周期處概率貢獻(xiàn)的變化曲線Fig. 3 Variation curve of probability contribution at different periods of main potential sources

3 結(jié)論

（1）上海地區(qū)屬于中強(qiáng)地震活動區(qū)，對工程場地峰值加速度產(chǎn)生影響較大的，主要為近場潛在震源區(qū)，遠(yuǎn)距離高震級潛在震源區(qū)對峰值加速度概率貢獻(xiàn)較低。而對于超高層建筑影響較大的長周期反應(yīng)譜，遠(yuǎn)距離高震級潛在震源區(qū)概率貢獻(xiàn)逐漸增大，甚至超過場地所在潛在震源區(qū)的概率貢獻(xiàn)。

（2）大豐海外潛在震源區(qū)（40號源）和郯城潛在震源區(qū)（46號源）均位于場地150 km以外，對長周期反應(yīng)譜譜值影響較大。因此，在上海地區(qū)進(jìn)行長周期項目地震安全性評價中，應(yīng)充分考慮150 km以外的高震級潛在震源區(qū)的影響。

（3）對上海地區(qū)長周期反應(yīng)譜，周邊影響較大的潛在震源區(qū)有39號源（長江口外潛源）和40號源（大豐海外潛源）。隨著周期的進(jìn)一步增加，距離場地500 km左右的46號源（郯城源）的概率貢獻(xiàn)也逐漸增加。因此，對于上海地區(qū)高層建筑而言，長江口、南黃海地區(qū)的地震影響風(fēng)險較大，郯城地區(qū)的地震影響也不容忽視，應(yīng)引起重視。