基于歷史地震烈度資料的云南地區(qū)地震危險性評估

文雯 隋明坤 莊儒新 王玨 陸斌斌 李圣

摘要：將云南地區(qū)按照0.1°×0.1°劃分網(wǎng)格，收集了1713—2022年6級以上和1900—2022年5級以上（或震中烈度≥Ⅵ度）地震的烈度資料，分析這些地震對各網(wǎng)格的影響，篩選影響烈度I≥Ⅴ度的地震組成地震烈度資料數(shù)據(jù)庫；建立地震烈度與其發(fā)生頻率（或重復(fù)周期）之間的關(guān)系，對云南地區(qū)的地震危險性進(jìn)行評估，給出了每個網(wǎng)格發(fā)生某一烈度的重復(fù)周期，同時預(yù)估了未來50年發(fā)生某一烈度的超越概率，并利用烈度與加速度的對應(yīng)關(guān)系，給出了50年超越概率10%的地震動峰值加速度（PGA）；將計算結(jié)果與云南地區(qū)地震構(gòu)造以及中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖進(jìn)行比較。結(jié)果表明：重復(fù)周期較短（重復(fù)頻率較高）的區(qū)域與活動斷裂展布的密集程度是基本吻合的；50年超越概率10%的峰值加速度分布區(qū)域與中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖的PGA高低區(qū)域分布大體一致，從各市（縣）的尺度上看，又有所不同，有的縣（市）的PGA比區(qū)劃圖云南部分給出的結(jié)果高，有的則偏低。

關(guān)鍵詞：地震烈度；地震危險性評估；地震災(zāi)害風(fēng)險；重復(fù)周期；超越概率；云南地區(qū)

中圖分類號：P315.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2023）03-0422-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0047

0引言

云南地區(qū)地震災(zāi)害多發(fā)，摸清該地區(qū)的地震災(zāi)害風(fēng)險隱患底數(shù)是進(jìn)一步做好防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作的重要基礎(chǔ)，最有效手段之一就是地震危險性評估。地震危險性評估有多種方法，較為常見的是地震危險性概率分析方法（Cornell，1968），但有學(xué)者認(rèn)為其應(yīng)用結(jié)果存在一些問題，在與一些實(shí)際地震所產(chǎn)生的地震動強(qiáng)度對比后發(fā)現(xiàn)，該方法可能會得出低于或高于實(shí)際的地震動強(qiáng)度（Geller，2011；Steinetal，2012；Kossobokov，Nektasova，2012；Wang，2012；Hanks，2011）。

鑒于地震危險性概率分析方法計算結(jié)果的偏差，有些學(xué)者利用烈度資料，建立地震烈度與其發(fā)生頻率的關(guān)系，進(jìn)行地震危險性評估，如：Stein等（2006）和Bozkurt等（2007）對日本東京地區(qū)，Chen等（2010）對中國臺灣地區(qū)進(jìn)行了地震危險性評估；劉靜偉等（2010，2014）估算了京津唐地區(qū)和大華北地區(qū)的地震危險性，取得了較為滿意的結(jié)果?；跉v史地震烈度資料的評估方法不需要過多的假設(shè)，而且烈度資料包含了地質(zhì)特征、場地效應(yīng)以及建筑物的響應(yīng)，但其最大的缺陷是受到觀測資料數(shù)量的限制。

云南地區(qū)記錄并積累了豐富的歷史地震烈度資料，學(xué)者們對這些歷史地震進(jìn)行了深入研究并描繪了等烈度線（地震局震害防御司，1995；中國國家地震局震害防御司，1999；陳敬，沈斯偉，2000），使云南地區(qū)具備使用歷史地震烈度資料進(jìn)行危險性評估的基礎(chǔ)。鑒于此，本文收集了云南地區(qū)有記錄史以來較為完整的歷史地震烈度資料，建立烈度數(shù)據(jù)庫；通過對歷史地震烈度資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立地震烈度與其發(fā)生頻率（或重復(fù)周期）之間的關(guān)系，對云南地區(qū)3個分區(qū)進(jìn)行地震危險性評估；將計算結(jié)果與云南地區(qū)地震構(gòu)造以及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2015）（下文簡稱區(qū)劃圖云南部分）進(jìn)行比較。以期為云南省地震災(zāi)害風(fēng)險普查工作做補(bǔ)充，也可作為制定云南地區(qū)抗震設(shè)防基本參數(shù)的參考。

1烈度資料的收集

1.1烈度數(shù)據(jù)庫的建立

云南地區(qū)有記載的最早的地震為公元886年大理51/2級地震，繪制了等烈度線的最早地震是1515年永勝西北73/4級地震。地震危險性評估需要地震資料的完整性。滇中和滇東地區(qū)自1900年至今5級地震資料基本完整，自1713年至今6級地震資料基本完整；滇西南地區(qū)20世紀(jì)20年代以前，幾乎無地震記錄，地震資料記載的年限較短、地震資料的完整性較差（黃瑋瓊等，1994；皇甫崗等，2010）。本文收集了1713—2022年6級以上和1900—2022年5級以上（或震中烈度I≥Ⅵ度）且對云南地區(qū)產(chǎn)生過影響的烈度I≥Ⅴ度的歷史地震，對其進(jìn)行余震刪除，最終得到439次地震，基于Arcgis平臺建立了烈度資料數(shù)據(jù)庫。

1.2烈度資料的分布

將云南地區(qū)按照0.1°×0.1°劃分網(wǎng)格，共計得到3421個網(wǎng)格，因此分析一個區(qū)域受到的烈度影響即可轉(zhuǎn)化為分析區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格受到的烈度影響。收集的439次地震中，有214次地震有等烈度線資料，可直接錄入數(shù)據(jù)庫，對于其余無等烈度線資料的229次地震，采用云南地區(qū)地震烈度等效圓衰減關(guān)系（周炳榮，郭若瑾，1989），估算每個網(wǎng)格點(diǎn)受到的烈度影響。云南地區(qū)地震烈度等效圓衰減關(guān)系與區(qū)劃圖所使用的川滇地區(qū)烈度衰減關(guān)系相比，前者使用的等效圓半徑與后者使用的短軸半徑相近，比較不容易高估影響烈度。限于篇幅，本文僅給出云南地區(qū)地震烈度I≥Ⅴ度的烈度資料次數(shù)分布（圖1）。從圖1可見，在滇西地區(qū)的麗江、鶴慶、賓川、大理、騰沖、盈江，滇南地區(qū)的思茅區(qū)、景谷、瀾滄，滇中的玉溪、通海、建水等地，烈度資料數(shù)量較多；在滇西北地區(qū)的貢山德欽，滇東北地區(qū)的鎮(zhèn)雄，滇東地區(qū)的富源、羅平、丘北、文山、屏邊、金平，以及再往東的縣烈度資料數(shù)量比較少，I≥Ⅴ度的地震次數(shù)不超過5次。

2災(zāi)害曲線公式的建立

類似于震級-頻率關(guān)系，本文建立每個網(wǎng)格災(zāi)害曲線即頻率-烈度關(guān)系，可以得到某個區(qū)域內(nèi)大于等于給定地震烈度的地震頻次與該地震烈度的關(guān)系（Bozkurtetal，2007；Milne，Davenport，1969）：

lg（f）=α-β×I（1）

式中：I為烈度；f為烈度≥I的年平均發(fā)生率；α和β為參數(shù)，由最小二乘法得到。

考慮到每個網(wǎng)格內(nèi)的地震烈度資料數(shù)量可能會導(dǎo)致計算結(jié)果造成較大差異，而一些地震烈度資料數(shù)量很少的網(wǎng)格可能不能充分反映當(dāng)?shù)氐摩轮?。因此本文分區(qū)域統(tǒng)計β值，并將該值應(yīng)用于每個網(wǎng)格，也就是認(rèn)為該區(qū)域的強(qiáng)弱地震發(fā)生比例是一定的，但某個網(wǎng)格受到某一烈度影響的頻率是不一樣的（Bozkurtetal，2007）。

按照區(qū)劃圖中地震帶的范圍，將云南地區(qū)劃分為3個區(qū)域：滇西南地區(qū)（滇西南地震帶云南部分）、滇中地區(qū)（鮮水河—滇東地震帶云南部分、臧中地震帶云南部分）、滇東南地區(qū)（右江地震帶云南部分、長江中游地震帶云南部分），其中滇西南地區(qū)有1504個網(wǎng)格，滇中地區(qū)有1304個網(wǎng)格，滇東南地區(qū)有613個網(wǎng)格（圖2）。

圖3為根據(jù)烈度-頻率擬合關(guān)系計算回歸得到的3個地區(qū)的β值。從圖中可以看出，3個地區(qū)統(tǒng)計的最小烈度（Ⅴ度）和最大烈度（Ⅸ度/Ⅷ度/Ⅹ度）都在擬合直線下方，這可能是受到多種因素的影響，如地震資料統(tǒng)計年限較短，不能有效地反映大地震的重復(fù)性，最小烈度的地震有所遺漏等。由于β值對地震危險性評估結(jié)果的影響比較大，對滇西南和滇中地區(qū)去掉最大烈度和最小烈度，重新擬合了β值，如圖4所示。由于滇東南地區(qū)地震烈度資料較少，Ⅴ度和Ⅵ度的影響大多是通過烈度衰減關(guān)系計算得到，不宜刪除最大烈度，所以維持原β值（0.574）擬合結(jié)果（圖3c）。滇西南和滇中地區(qū)分別得到了2個β值擬合結(jié)果，將β值應(yīng)用到每個網(wǎng)格的烈度-頻率擬合中，通過每個網(wǎng)格的回歸系數(shù)R和標(biāo)準(zhǔn)平方差σ來選擇合適的β值（表1）。表1計算結(jié)果表明，超過半數(shù)的網(wǎng)格回歸系數(shù)R＞0.9，標(biāo)準(zhǔn)平方差＜0.1。對比發(fā)現(xiàn)，滇中地區(qū)β值選為0.3495更合適，滇西南區(qū)β值選為0.3682更合適。

3地震危險性評估結(jié)果

3.1重復(fù)周期

根據(jù)式（1）烈度-頻率擬合關(guān)系計算了3個分區(qū)中每個網(wǎng)格的烈度I≥Ⅵ度、I≥Ⅶ度、I≥Ⅷ度、I≥Ⅸ度的重復(fù)周期（圖5）。滇中和滇西南地區(qū)：大部分地區(qū)I≥Ⅵ度的重復(fù)周期小于100a，少數(shù)地區(qū)的重復(fù)周期為100～200a；大部分地區(qū)I≥Ⅶ度的重復(fù)周期小于400a。I≥Ⅷ度的重復(fù)周期在滇中大部分地區(qū)多小于500a，在滇西南大部分地區(qū)小于1000a。I≥Ⅸ度的重復(fù)周期在滇中大部分地區(qū)小于1000a，在滇西南大部分地區(qū)為1000～5000a。烈度相同時，滇東南地區(qū)的重復(fù)周期較前述二者長。

重復(fù)周期的長短和云南活動斷裂展布的密集程度是相關(guān)的，即重復(fù)周期較短（重復(fù)頻率較高）的區(qū)域，其活動斷裂展布也比較密集。如小江斷裂帶、紅河斷裂帶等活動斷塊的邊界斷裂帶，麗江、鶴慶、洱源等第四紀(jì)斷陷盆地及周邊地區(qū)，龍川江斷裂以西，蘇典—大盈江斷裂以東與大盈江斷裂以北的第四紀(jì)火山巖分布地區(qū)，是晚更新世與全新世活動斷裂分布相對集中的地區(qū)（帶）（安曉文等，2018）。這些地區(qū)（帶）受到烈度I≥Ⅵ、I≥Ⅶ、I≥Ⅷ、I≥Ⅸ度的災(zāi)害頻率較高。滇東南地區(qū)的一些地方，活動斷裂相對比較稀疏，受到以上烈度災(zāi)害的頻率相對較低（圖5）。

邵志剛等（2020）、李西（2015）和程佳等（2011）通過對古地震、地質(zhì)勘探、年代測定等資料的研究，得到了云南地區(qū)活動地塊邊界帶部分?jǐn)嗔训膹?fù)發(fā)周期（表2）。本文估算的烈度I≥Ⅸ度的重復(fù)周期（圖5d）為：沿小江斷裂展布的巧家—東川—嵩明—宜良—澄江—華寧一帶重復(fù)周期最小，小于500a；沿紅河斷裂展布的彌渡—元陽重復(fù)周期為1000a左右，元陽—河口段重復(fù)周期大于5000a；沿瀾滄江斷裂展布的地區(qū)重復(fù)周期分檔比較多，主要為500～4000a，大部分區(qū)域重復(fù)周期為2000a左右。上述結(jié)果與表2對比可見，沿這些斷裂展布的地區(qū)，本文估算的烈度I≥Ⅸ度的重復(fù)周期與表2所示的對應(yīng)斷裂的大震復(fù)發(fā)周期是吻合的。

3.2給定烈度的50年超越概率

假設(shè)地震的發(fā)生在時間上遵守穩(wěn)態(tài)泊松分布，在某一地區(qū)的地震危險性在特定時間t內(nèi)，超過某個特定烈度I發(fā)生的概率P估算公式為（Gupta，1989；Sachs，1978）：

P=1-e-t/τ（2）

式中：τ為烈度大于或等于I的平均重復(fù)周期。

按照式（2），本文計算了各網(wǎng)格的烈度I≥Ⅵ度、I≥Ⅶ度、I≥Ⅷ度、I≥Ⅸ度的50年超越概率（圖6）。從圖6可見，滇中地區(qū)和滇西南地區(qū)的騰沖、龍陵、盈江一帶，耿馬、瀾滄、普洱一帶，發(fā)生I≥Ⅷ度的50年超越概率為10%～30%，地震危險性較強(qiáng)；滇東南地區(qū)的富寧、硯山、丘北等地，發(fā)生烈度I≥Ⅵ度的50年超越概率小于20%，地震危險性相對較弱。

3.350年超越概率10%的PGA

按照地震烈度I與地PGA的對應(yīng)關(guān)系（表3），本文使用插值法計算得到了云南地區(qū)50年超越概率10%的PGA（圖7），與區(qū)劃圖云南部分（GB8306—2015）對比發(fā)現(xiàn)，二者PGA高低區(qū)域大體一致：滇中地區(qū)和滇西南地區(qū)西部騰沖附近、南部瀾滄附近，PGA值較高；滇西南地區(qū)的貢山，滇東南地區(qū)的大部分區(qū)域，PGA值較低。

從各市（縣）尺度的PGA分布可以看出，滇中和滇西南地區(qū)與區(qū)劃圖上的有一定的差異：PGA高值區(qū)（PGA≥0.3g）的范圍有所擴(kuò)大，如寧蒗、巧家、大姚、姚安、南華、楚雄、隴川、思茅區(qū)、寧洱等市（縣、區(qū)）的PGA=0.3g。PGA=0.4g的區(qū)域在滇中地區(qū)從區(qū)劃圖上的東川嵩明區(qū)變成了2個區(qū)，即會澤東川區(qū)和嵩明通海區(qū)；滇西南地區(qū)PGA=0.4g區(qū)域范圍有所縮小。云縣、鳳慶、永德、德欽等縣PGA較區(qū)劃圖給出的值低。滇東南的各縣（市）PGA分布與區(qū)劃圖給出的相似，文山、羅平，師宗，富源等地區(qū)PGA=0.10g，再往東，各縣PGA=0.05g。

與圖1進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，PGA較低的區(qū)域大都是烈度資料較少的區(qū)域，其原因可能是這些區(qū)域本來地震活動就不強(qiáng)，也有可能是地震資料統(tǒng)計時間太短，不足以反映該區(qū)域的地震活動背景。

4結(jié)論

本文將云南地區(qū)分成3個區(qū)：滇西南、滇東、滇東南，對這3個地區(qū)的歷史地震烈度資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，給出了云南某地發(fā)生某一烈度的重復(fù)周期，同時預(yù)估了未來50年發(fā)生某一烈度的超越概率，并利用烈度與加速度的對應(yīng)關(guān)系，給出了50年超越概率10%的PGA，主要得出以下結(jié)論：

（1）滇中地區(qū)和滇西南地區(qū)的騰沖、龍陵、盈江一帶，耿馬、瀾滄、普洱一帶，發(fā)生烈度I≥Ⅷ度的50年超越概率為10%～30%，地震危險性較強(qiáng)；滇東南地區(qū)的富寧、硯山、丘北等地，發(fā)生烈度I≥Ⅵ度的50年超越概率小于20%，地震危險性相對較弱。

（2）將本文的結(jié)果與云南地區(qū)地震構(gòu)造進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：重復(fù)周期較短（重復(fù)頻率較高）的區(qū)域與活動斷裂展布的密集程度是基本吻合的；前人通過對古地震、地質(zhì)勘探、年代測定等資料研究得到的云南活動地塊邊界帶部分?jǐn)嗔训拇蟮卣饛?fù)發(fā)周期與本文估算的沿這些斷裂展布的地區(qū)烈度I≥Ⅸ度的重復(fù)周期較一致。

（3）本文得出的50年超越概率10%的PGA分布與區(qū)劃圖上云南部分的PGA分布區(qū)域分布是一致的。滇中地區(qū)和滇西南地區(qū)西部騰沖附近、南部瀾滄附近PGA較高，滇西南地區(qū)的貢山，滇東南地區(qū)的大部分區(qū)域PGA較低。從各市（縣）的PGA分布來看，與區(qū)劃圖云南部分給出的結(jié)果有所不同。有的縣（市）的PGA比區(qū)劃圖云南部分的PGA高，有的比其低。

（4）大部分PGA值較低的區(qū)域烈度資料較少，可能是因?yàn)檫@些區(qū)域本來地震活動就不強(qiáng)，也有可能是其地震資料統(tǒng)計時間太短，不足以反映該區(qū)域的地震活動背景。

參考文獻(xiàn)：

安曉文，常祖峰，毛先進(jìn)，等.2018.云南第四紀(jì)活動斷裂暨云南第四紀(jì)活動斷裂分布圖［J］.北京：地震出版社：488.

陳敬，沈斯偉.2000.云貴地區(qū)地震等震線圖集［J］.地震研究，23（S）：1-112.

程佳，劉杰，甘衛(wèi)軍，等.2011.川滇菱形塊體東邊界各斷層段強(qiáng)震演化特征研究［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，41（9）：1317.

國家地震局震害防御司.1995.中國歷史強(qiáng)震目錄（公元前23世紀(jì)－公元1911年）［M］.北京：地震出版社.

皇甫崗，陳顒，秦嘉政，等.2010.云南地震活動性［M］.昆明：云南科技出版社.

黃瑋瓊，李文香，曹學(xué)峰.1994.中國大陸地震資料完整性研究之二——分區(qū)地震資料基本完整的起始年分圖象［J］.地震學(xué)報，16（4）：423-432.

李西.2015.川滇地塊云南地區(qū)不同發(fā)育階段邊界斷裂破裂特征研究［D］.北京：中國地震局地質(zhì)研究所.

劉靜偉，王振明，謝富仁，等.2010.京津唐地區(qū)地震災(zāi)害和危險性評估［J］.地球物理學(xué)報，53（2）：318-325.

劉靜偉，王振明，謝富仁，等.2014.大華北地區(qū)地震災(zāi)害與風(fēng)險性評估［J］.地震工程學(xué)報，36（1）：134-143.

邵志剛，馮蔚，王芃，等.2020.中國大陸活動地塊邊界帶的地震活動特征研究綜述［J］.地震地質(zhì)，42（2）：271-282.

中國地震局震害防御司.1999.中國近代地震目錄（公元1912年－1990年MS≥4.7）［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社.

周炳榮，郭若瑾.1989.云貴地區(qū)地震危險性研究文集［M］.昆明：云南科技出版社.

BozkurtSB，SteinRS，TodaS.2007.ForecastingprobabilisticseimicshakingforgrearerTokyofrom400yearsofintensityobservations［J］.EarthquakeSpectra，23（3）：525-546.

ChenKP，TsaiYB，ChengCT.2010.EstimatedseismicintensitydistributionforearthquakesinTaiwanform1900to2008.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica［J］.100（6）：2905-2913.

CornellCA.1968.Engineeringseismicriskanalysis［J］.BulletinoftheSeimologicalSocietyofAmerica，58（5）：1583-1606.

GellerRJ.2011.Shake-uptimeforJapaneseseismology［J］.Nature，472（7344）：407-409.

GuptaRS.1989.HydrologyandHydraulicSystems［M］.EnglewoodCliffsNJPrenticeHall，739.

HanksTC.2011.Verifyingacomputationalmethodforpredictingextremegroundmotion［J］.SeismologicalResearchLetters，82（5）：638-644.

KossobokovVG，NektasovaAK.2012.Globalseismichazardassessmentprogrammapsareerroneous［J］.SeismicInstruments，48（2）：162-170.

MilneWG，DavenportAG.1969.DistributionofearthquakeriskinCanada［J］.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica，59：729-754.

SachsP.1978.Windforcesinengineering（2ndEd）［M］.ElmsfordNYPergamonPressInc，400.

SteinRS，TodaS，ParsonsT.2006.AnewprobabilisticseismichazardassessmentforgreaterTokyo［J］.PhiloTransRsocA，364（1845）：1965-1988.

SteinS，GellerRJ，LiuM.2012.Whyearthquakehazardmapsoftenfailandwhattodoaboutit［J］.Tectonophysics，562-563：1-25.

WangZ.2012.Commenton“PSHAValidatedbyQuasiObservationalMeans”byRMWMusson［J］.SeismologicalResearchletters，83（4）：714-716.

GB18306—2015，中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖［S］.