2022年1月8日青海門源6.9級(jí)地震儀器烈度與宏觀烈度對(duì)比分析

潘章容,周揚(yáng),苗在鵬,石文兵,高崗,王峰

(甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

地震烈度是地震工程學(xué)中最重要的指標(biāo)之一,其能夠綜合反映出地面運(yùn)動(dòng)地震能量對(duì)建筑物造成的破壞,標(biāo)定地震引起地震動(dòng)及其影響的強(qiáng)弱程度,以人的感覺、器物反應(yīng)、房屋等結(jié)構(gòu)和地表破壞程度綜合評(píng)定,反應(yīng)的是一定地區(qū)范圍內(nèi)的平均水平[1]。

宏觀烈度主要基于震害調(diào)查實(shí)現(xiàn),通過觀察地震過后結(jié)構(gòu)物、地表、器物、河谷、山坡等的變化或者通過現(xiàn)代的遙感等手段繪制出烈度圖[2]。宏觀烈度在震后相對(duì)較長時(shí)間內(nèi)由測評(píng)專家實(shí)地考察,根據(jù)現(xiàn)場震害情況客觀評(píng)估所得,在指導(dǎo)抗震應(yīng)急救災(zāi)、指導(dǎo)抗震設(shè)計(jì)等方面均具重要意義,具有較強(qiáng)的模糊性和主觀性。儀器烈度實(shí)際反映的是地震動(dòng)的強(qiáng)度[3],可以在震后利用實(shí)時(shí)回傳的地震記錄數(shù)據(jù)在震后幾分鐘至幾十分鐘內(nèi)通過一定的計(jì)算流程快速獲得,具有產(chǎn)出快、直觀簡便的特點(diǎn),可為震后災(zāi)情快速評(píng)估、應(yīng)急救援決策定制等提供重要依據(jù)[4],目前已認(rèn)定為地震烈度評(píng)定的指標(biāo)方法之一。

2022年1月8日1時(shí)45分,青海省門源縣(北緯37.77°、東經(jīng)101.26°)發(fā)生M6.9地震。震后,國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程青海子項(xiàng)目和甘肅子項(xiàng)目建設(shè)的地震預(yù)警站網(wǎng)獲取了豐富的強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù),本文以青海門源地震發(fā)布的宏觀烈度圖為基礎(chǔ),將門源地震宏觀烈度圖Ⅵ度區(qū)以上站點(diǎn)與儀器測定烈度做對(duì)比分析,以驗(yàn)證儀器烈度《中國地震烈度表》(GB17742-2020)中關(guān)于儀器烈度計(jì)算方法(以下簡稱“儀器烈度計(jì)算方法”)與地震宏觀烈度結(jié)果的異同和適用性。

1 儀器烈度計(jì)算

1.1 強(qiáng)震動(dòng)記錄獲取

2022年1月8日青海門源發(fā)生M6.9地震,震后根據(jù)《中國地震烈度表》計(jì)算國家預(yù)警工程甘肅省及青海省境內(nèi)站點(diǎn)獲取的強(qiáng)震動(dòng)記錄相關(guān)參數(shù),站點(diǎn)儀器烈度及位置分布圖如圖1所示。應(yīng)急管理部中國地震局發(fā)布的《青海門源6.9級(jí)地震烈度圖》顯示,此次地震造成地表破裂約22 km,最高烈度為Ⅸ度(9度),Ⅵ度(6度)區(qū)及以上面積約23 417 km2,其中青海省Ⅵ度(6度)區(qū)及以上面積約13 723 km2,甘肅?、龆?6度)區(qū)及以上面積約9 694 km2,等震線長軸呈北西西走向,長軸約200 km,短軸約153 km。此次地震共涉及青海省3個(gè)市州6個(gè)區(qū)縣32個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),甘肅省3個(gè)市6個(gè)區(qū)縣29個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及中牧山丹馬場、大黃山林場。

圖1 門源地震烈度分布圖與臺(tái)站位置

1.2 儀器烈度計(jì)算方法

對(duì)這72條未校正的加速度記錄,根據(jù)《中國地震烈度表》(GB17742-2020)進(jìn)行了格式轉(zhuǎn)換、基線校正等常規(guī)數(shù)據(jù)處理[5-11]后,再采用以下方法計(jì)算儀器烈度值。

(1)按照公式(1)和公式(2)計(jì)算三分向合成的加速度記錄和速度記錄。

(1)

(2)

式中,a(ti),v(ti)分別為ti時(shí)刻合成的加速度值和速度值。

(2)根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算合成地震動(dòng)加速度記錄的最大值PGA值、合成地震動(dòng)速度記錄的最大值PGV值[6]。

PGA=max[a(ti)]

(3)

PGV=max[v(ti)]

(4)

(3)按公式(5)、公式(6)計(jì)算IA及IV。

IA=3.17log10(PGA)+6.59

(5)

IV=3.00log10(PGV)+9.77

(6)

(4)根據(jù)《中國地震烈度表》(GB17742-2020)中地震烈度與地震烈度計(jì)算值II的對(duì)應(yīng)關(guān)系,計(jì)算地震烈度值。按公式(7)計(jì)算地震烈度計(jì)算值II,結(jié)果可取小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字,III小于1.0時(shí)取1.0,I大于12.0取12.0。

(7)

1.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法,門源地震強(qiáng)震動(dòng)記錄Ⅵ度以上區(qū)域內(nèi)的72個(gè)站點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)及儀器烈度值分別列于表1。

表1 門源地震強(qiáng)震動(dòng)記錄相關(guān)參數(shù)及儀器烈度值

2 儀器地震烈度與宏觀地震烈度對(duì)比分析

2.1 計(jì)算結(jié)果分析

將表1中站點(diǎn)的儀器烈度值均按四舍五入取整數(shù),站點(diǎn)儀器烈度值與站點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的宏觀烈度區(qū)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,涉及Ⅵ度以上區(qū)域站點(diǎn)72個(gè),其中極震區(qū)Ⅸ度(9 度)區(qū)內(nèi)無監(jiān)測站點(diǎn)。5個(gè)站點(diǎn)位于Ⅷ度(8 度)區(qū)內(nèi);7個(gè)站點(diǎn)位于Ⅶ度(7 度)區(qū)內(nèi),55個(gè)站點(diǎn)位于Ⅵ度(6 度)內(nèi),其余站點(diǎn)位于Ⅵ度區(qū)外。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、表2所示。

表2 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖2 儀器地震烈度誤差分布

表2的結(jié)果顯示:

(1)總體上,參與計(jì)算的72個(gè)站點(diǎn)中,站點(diǎn)測定的儀器烈度值能夠完全與地震烈度圖中烈度區(qū)值吻合的占44.44%,誤差在±1度以內(nèi)的占88.89%,Ⅷ度及Ⅶ度區(qū)內(nèi)誤差在±1度以內(nèi)占比100%,Ⅵ度區(qū)內(nèi)誤差在±1度以內(nèi)的占比85.45%。如果判定烈度計(jì)算結(jié)果與所在震區(qū)宏觀烈度相差±1度是可接受的[10],采用儀器烈度計(jì)算方法處理計(jì)算的儀器烈度與宏觀烈度客觀上整體比較吻合。

(2)宏觀烈度圖Ⅵ度區(qū)內(nèi),部分基巖臺(tái)站實(shí)測儀器烈度值明顯小于該區(qū)域值,其中基巖臺(tái)GS/SUNHC、GS/YCFHS的儀器烈度為Ⅴ度,GS/SDNLJ、GS/SDNDM、GS/SUNHU的儀器烈度為Ⅳ度,低于宏觀烈度區(qū)2度。由于加速度記錄受場地條件影響較大[7],在相同震中距條件下,基巖臺(tái)站的儀器烈度值普遍較低,特別遠(yuǎn)場軟弱地基和土層上的烈度值會(huì)普遍高于基巖地基上的烈度值。

因此,地震烈度采用宏觀調(diào)查和儀器測定的多指標(biāo)方法進(jìn)行評(píng)定[6],其判定標(biāo)準(zhǔn)較為復(fù)雜,由于儀器烈度與宏觀烈度評(píng)定原理不同,震后利用地震動(dòng)記錄進(jìn)行一定計(jì)算后得到的儀器烈度值來定量衡量宏觀烈度存在一定的困難,兩者無法做到測量評(píng)定結(jié)果完全一致。利用震后實(shí)時(shí)回傳的地震動(dòng)記錄來快速產(chǎn)出儀器烈度,在前期震區(qū)震害信息相對(duì)匱乏的情況下,利用儀器烈度來初步評(píng)估地震烈度依然具有較高的參考價(jià)值。

《中國地震烈度表》(GB17742-2020)[6]規(guī)定了宏觀烈度與峰值參數(shù)合成地震動(dòng)最大加速度值與最大速度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系,Ⅵ度以上烈度區(qū)具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。盡管這些參數(shù)指標(biāo)是作為宏觀烈度評(píng)定時(shí)規(guī)定使用的,但通常也可用于儀器烈度的計(jì)算。

表3 《中國地震烈度表》(GB17742-2020)中定義的各烈度對(duì)應(yīng)地震動(dòng)參數(shù)范圍

本文根據(jù)表3計(jì)算了對(duì)應(yīng)的儀器烈度(表4)并于震后調(diào)查的宏觀烈度進(jìn)行對(duì)比(圖3),對(duì)比發(fā)現(xiàn):

表4 根據(jù)PGA和PGV計(jì)算的儀器烈度值與宏觀烈度對(duì)比

圖3 儀器地震烈度誤差分布

(1)基于PGA計(jì)算的儀器烈度值完全吻合宏觀烈度的占比30.56%,整體要低于宏觀烈度1度以上,其中有7個(gè)站點(diǎn)要比宏觀烈度低3度;基于PGV計(jì)算的儀器烈度值完全吻合宏觀烈度的占比51.39%,整體上儀器烈度值基本位于宏觀烈度±1度的范圍內(nèi),個(gè)別臺(tái)站比宏觀烈度低2度。比較而言,PGV的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較理想一些,說明PGV在此次地震中較PGA對(duì)于建筑物影響要明顯,對(duì)震害的指示作用要優(yōu)于PGA。

(2)整體來看,不管是基于哪個(gè)地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算的儀器烈度值與宏觀烈度均存在差異,這種差異時(shí)多方面的,既來源于我國宏觀烈度劃分時(shí)考慮因素的多元性和主觀性,也有地震動(dòng)參數(shù)和宏觀烈度對(duì)應(yīng)關(guān)系模糊的原因。

3 儀器地震烈度分布圖

采用克里格插值法,以表1中站點(diǎn)的儀器地震烈度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繪制儀器地震烈度等值線分布圖(圖4),進(jìn)一步確定儀器烈度與宏觀烈度的整體對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 儀器地震烈度等值線

由圖4可知,門源M6.9儀器烈度等值線圖整體上呈北西—南東方向展布,與圖1宏觀烈度走向基本一致,最大烈度值位于震中附近。但由于臺(tái)站分布不均勻,記錄儀器烈度最大值站點(diǎn)(QH/C0028一般站)未位于極震區(qū)(Ⅸ度區(qū))內(nèi),故繪制的儀器地震烈度最大值為8.4度;另外觀測數(shù)據(jù)中含有基巖場地站點(diǎn)記錄數(shù)據(jù),受場地條件影響,基巖站點(diǎn)測定的儀器地震烈度值分布明顯小于宏觀烈度值的地區(qū)。

但整體上,儀器測定的地震烈度值基本符合宏觀調(diào)查的地震烈度值,測量值可提供定量依據(jù),以供測定地震烈度時(shí)參考使用。但儀器地震烈度與宏觀烈度二者的概念不同,發(fā)揮的作用也不盡相同,不能相互代替。

4 結(jié) 論

本文計(jì)算處理了M6.9地震的加速度記錄及相關(guān)參數(shù),并對(duì)比了該地震的儀器地震烈度與宏觀烈度的異同,繪制了儀器地震烈度分布圖,得出如下結(jié)論:

(1)參與計(jì)算的72個(gè)站點(diǎn)中,儀器烈度值與地震烈度圖中烈度區(qū)值完全吻合占比44.44%,88.89%站點(diǎn)的誤差在±1度以內(nèi),《中國地震烈度表》(GB17742-2020)計(jì)算的地震儀器烈度一定程度上可以客觀反映強(qiáng)震臺(tái)站周邊的震害程度。

(2)個(gè)別基巖站點(diǎn)儀器烈度低于宏觀烈度區(qū)2度以內(nèi),在相同震中距條件下,基巖臺(tái)站的儀器烈度值普遍較低。

(3)基于PGA計(jì)算的儀器烈度值完全吻合宏觀烈度的占比30.56%,整體要低于宏觀烈度1度以上;基于PGV計(jì)算的儀器烈度值完全吻合宏觀烈度的占比51.39%,整體上儀器烈度值基本位于宏觀烈度±1度的范圍內(nèi)。比較而言,PGV的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較理想一些,說明PGV在此次地震中較PGA對(duì)于建筑物影響要明顯,對(duì)震害的指示作用要優(yōu)于PGA。

(4)門源M6.9儀器烈度等值線圖整體上呈北西—南東方向展布,儀器測定的地震烈度值基本符合宏觀調(diào)查的地震烈度值,測量值可提供定量依據(jù),以供測定地震烈度時(shí)參考使用。但儀器地震烈度與宏觀烈度二者的概念不同,發(fā)揮的作用也不盡相同,不能相互代替。