第6期(总第318期)2005年6月国 际 地 震 动 态
RecentDevelopmentsinWorldSeismologyNo16(SerialNo1318)
June2005
地震危险性分析的困惑与希望
鄢家全
(中国地震局地球物理研究所,北京,100081)
3
摘 要 地震危险性分析虽已列入国家标准,但仍存在诸多需要科学对待的问题。关键词 地震危险性分析;国家标准;希望和建议中图分类号 P315.9 文献标识码 A
本文所述的地震危险性分析,即为国家标准《工程场地地震安全性评价技术规范》(GB1774121999)(以下简称技术规范)中的地震危险性概率分析方法。该方法是由Cor2nell提出的
[1]
立,即地震的发生在时间轴上服从泊松分布,可用年平均发生率来描述地震事件的频次特征。
(3)潜在震源区内的地震事件,其震级
,因能描述场地受地震活动影
大小随频次的分布特征,可由古登堡—里克特震级—频度关系式来描述。
(4)场地地震动参数是震级和震中(或
响的随机性,给出具有概率含义的地震参数,所以在工程地震中得到了较为广泛的运用。该方法于1982年由章在镛和陈达生引入我国
[2]
,后经时振梁和高孟潭等人
[325]
震源)距的函数。
上述假定表明,潜在震源区是其分析方法的基础统计单元。若要保证统计单元内具有适当的样本量,不得不将潜在震源区的空间范围扩展到上百公里的尺度。由于我国大部分地区的地震属于板块内部的地震活动,具有明显的空间和时间上的不均匀性。为了充分反映板内地震活动的特点,我国科学工作者
[426]
的
改进,使之能够较好地反映我国地震活动的时空不均匀性,并逐渐在地震区划和工程场地地震安全性评价工作中得到应用。但是,随着实践经验的积累和相关研究工作的深入,需要我们平心静气地对待有关的问题,以便为工程建设提供更加科学合理的设防地震参数。
,对上述基本假定进行了补充和改
1 基本假定
地震危险性分析方法的基本假定,可以概括为以下几点:
(1)未来地震发生在一定的空间区域内,即潜在震源区内。在潜在震源区内,地震发生的可能性处处相同。
(2)潜在震源区内的地震事件彼此独
3收稿日期:2005202201。
中国地震局地球物理研究所论著05AC2007。
进。其主要内容为:①以地震带为地震活动性参数的统计单元;②在地震带内划分潜在震源区;③由地震活动趋势分析结果来评定各地震带的未来地震活动水平,即年平均发生率;④按震级区间将地震带的地震年平均发生率分配到各潜在震源区;⑤用多因子综合评定方法确定各潜在震源区的空间分布函数。
之所以要重申这些基本假定,是因为下面讨论的问题,大都同其合理诠释有关。
2 地震带(地震统计单元)的范围应
适度,并非越大越好
“地震带”是一个用得较广泛的术语。从一条断裂带控制的地震分布带到环太平洋俯冲构造带控制的地震带都称地震带,其差别十分巨大。我国地震带的划分,始于20世纪
[7]
30年代初;50年代以来的相关研究取得
[8211]
了较大的发展。
在我国的地震危险性分析方法中,将地震带作为地震活动性参数的统计单元,其划分得合适与否,将直接影响到工程场地设防地震参数的评价结果。技术规范(GB1774121999)中6.4.2条规定:应依据下列因素划分地震带—地震活动空间分布的成带性;地震与活动构造带的一致性。在相应的宣贯教材(p16)中还指出,如果地震统计所需的样本量足够,地震构造性质有差异,则可以在地震带内进一步划分出次一级的统计单元。规范条文和宣贯教材表明,作为地震活动性参数统计单元的地震带,首先应按地震活动带和构造活动带等因素来划分;其次是在有足够统计样本量的前提下,可根据地震构造差异性把统计单元尽可能划小一些。但是,在近年来的一些安评报告中,有将地震带范围扩大的现象。其中,较典型的是“长江中游地震带”和“华南沿海地震带”。
长江中游地震带总体展布近东西向,西起四川盆地、经江汉盆地至浙南闽北沿海地
[12]
带。从大地构造方面看,该地震带跨越了扬子地台和华南褶皱系两个一级构造单元,以及四川台向斜,滇黔鄂台褶带、武陵台隆、江汉拗陷、云开—怀玉岛海褶带、武夷岛海褶带和闽浙弧后褶带等7个以上的二级大地构造单元。四川台向斜的中强地震和现代小震,主要是沿着北东走向的蒲江—成都断裂、龙泉山断裂带和华蓥山断褶带分布。滇黔鄂台褶带内的地震活动,也是沿着北东走向的方斗山断褶带、齐岳山—巴东—新华
断裂带等分布。江汉拗陷及其周边的地震活
动,主要是沿北北东向的太阳山断裂、北东向的幕府山断裂,以及北西向的汉水—钟祥断裂带分布。在武夷岛海褶带和闽浙弧后褶带内的少数中小地震,主要是沿北东走向的庆元—丽水断裂带和滨海断裂带分布。这就是说,长江中游地震带内的地震活动,主要沿着北东走向的构造活动带分布,也有部分地段(汉水流域)沿北西走向的构造活动带分布。而且,四川台向斜内的地震同江汉拗陷的地震没有明显的联系。闽浙弧后褶带内的中小地震同江汉拗陷与四川台向斜的地震也没有联系。长江中游地震带的范围大致相
[11]
当于先前的江汉地震带和雪峰—武夷过渡带之和。先前的雪峰—武夷过渡带就已经同技术规范的要求不符了,再将江汉地震带合并在一起,就更不合理了。
华南沿海地震带包括了福建、广东、海南、广西、黔东南、越南北部,以及相邻的
[11]
部分海域。其范围大致相当于先前的东南沿海外带、东南沿海内带和右江地震带的总和。如果是由于东南沿海外带缺少中强地震资料,难以得到合理的地震活动性参数,而将地震活动和构造活动都有密切联系的东南沿海内带与东南沿海外带合并为一个统计单元,那还是可以理解的。但是,如果把地震活动和构造活动都明显不同的右江地震带也合并进来,就令人费解了。
地震带范围扩大后,出现了两方面的问题:①与技术规范的要求不符;②在安评工作中的推广应用有困难。因为安评项目承担者最关心的是对工程场地有直接影响的地震构造环境。对于江汉盆地内的工程项目,没有必要去研究四川盆地或浙南闽北的地震构造;对于福建的工程项目,也没有必要去研究右江断裂带和红河断裂带的地震构造。但是,如果不研究整个地震带的地震构造差异,就无法论证近场潜在震源区地震活动性参数的合理性。再者,相邻两个地震构造单
元的b值即使相近,并不能说明二者的地震
活动和构造活动有必然的联系,未必就要划为一个地震统计单元,以免在安评工作中带来困难。所以说,地震带的范围应适度,并非越大越好。
3 用于确定b值和ν值的地震资料,
应该删除前震和余震
b值和ν值是描述地震带内地震震级—频度分布特征与地震活动水平的重要参数,也是地震危险性分析的基础参数。为了使所确定的参数能满足地震危险性分析的基本假定,不仅要注重统计分析方法,更要注重用于统计分析的资料本身。由于大地震序列中的前震、主震和余震之间不是独立随机事件,用于确定b值和ν值的地震资料,应该删除前震和余震。
但是,相关技术规范和教材对删除余震的原则方法没有统一要求,不同研究者所保留的中强地震数目会有小的差异。这种差异对b值和ν值的影响在误差范围之内。在编制《中国地震烈度区划图(1990)》的过程[11]中,对东部地区的地震序列,把能够判断为前震和余震的地震均删除;对于西部地区,由于地震活动的重复期较短,只删除了主震后两年内的余震。在资料处理中,适当保留个别的强前震或余震,可以提高强震的影响,对于地震区划结果是偏于安全的。比如,对于1966年邢台地震群,保留了3月8日6.8级地震,删除了29次5～6.6级的前震和余震;对于1976年唐山地震序列,保留了7月28日7.1级地震,删除了14次5～6.9级的余震。对邢台地震群和唐山地震序列所删除的地震数目,可达所在河北平原地震带从1480年至1986年5级以上地震总数的1/3。在这样的情况下,删除与不删前震和余震资料,所得b值和ν值的差异是明显的。
在用于确定b值和ν值的历史地震资料
中,同样存在删除余震的必要性。比如,
1556年华县附近的81/4级地震,就有5次5～63/4级的余震;1605年琼山附近的71/2级地震,也有5次51/2～61/2级的余震。在编制90年版的地震区划图时,对于华县81/4级地震序列,就只保留了1568年63/4
[11]
级强余震。
因此,用于确定b值和ν值的地震资料,为了满足地震事件之间的独立随机性假定前提,无论是历史地震资料,还是现代仪器记录地震资料,都应该删除前震和余震。
4 潜在震源区内的地震发生率是非均
匀的
地震危险性分析方法的基本假定之一,就是潜在震源区内的地震发生率是均匀的。直到现今推荐使用的程序中,仍然遵从这一基本假定。但是,实际资料和研究结果均表明,潜在震源区内的地震发生率是非均匀的。如果继续采用地震发生率均匀分布的假定,对位于高震级上限潜在震源区内的场地,将会低估其地震危险性,给工程建设带来安全隐患。
在当前的安评工作中,大多采用以震级和震中距表达的地震动衰减关系。与此相应的潜在震源区拟按“震中集合范围”来划分。但是,这样做有困难。实际工作中划分的潜在震源区,大致相当于“震源体集合范围”。之所以说是大致相当,是因为某些低震级上限的潜在震源区范围比高震级上限的潜在震源区范围还大;同是7.0、7.5、8.0或8.5级上限的潜在震源区,其范围的差异也很显著。总之,现阶段划分的潜在震源区,比“震中集合范围”要大。
人们早已认识到,对潜在震源区内地震发生率是均匀分布的假定过于理想化,而实际地震震中在潜在震源区内的分布是不均匀
[14]
的。高孟潭和胥广银在研究潜在震源区内部地震震中的非均匀分布时,采用了离散
化概率分布形式,潜在震源区内部最多可划分为400个分布单元。统计中引用了编制中国地震烈度区划图(1990)时划分的770个潜在震源区和全国4级以上的地震目录,按震级分为M
等采用潜在震源区内地震非均匀分布模型,在四川攀西和山西晋中南地区进行了地震区划实验。实验结果表明,当考虑7级以上地震在潜在震源区内的非均匀分布时,其结果与均匀模型相比,中心区的大地震危险性增加了,所以高烈度区的范围扩大了。在50年超越概率10%的情况下,如西昌、临汾
以,中强地震主要还是同区域性活动构造有
关。因此,对于中强地震潜在震源区的范围,也不宜划得过大。否则,会造成“稀释”现象,引起50年内超越概率为63%的地震危险性分析结果偏小。
5 地震活动性参数的有效期,应大于
工程结构设计的使用基准期
工程场地地震安全性评价的目的在于,为工程结构的抗震设计提供科学合理的设防地震参数。为了确保其设防地震参数在工程结构设计使用基准期内的有效性,地震活动性参数的有效期应大于结构的使用基准期。一般工业与民用建筑和构筑物的使用基准期为50年;而大型水利枢纽、特大型桥梁和甲类电视塔等重大工程的使用基准期则为100年。因此,适用于一般工业与民用建、构筑物工程的地震活动性参数,未必就适用于重大工程,必须慎重对待。
因b值是由地震带内长时间(80～500年)、大样本量(一般大于40次)的地震资料统计得到的,代表了地震带内大小地震的频次比例关系,其稳定性较好,基本上不随时
ν值与b值相关,是在考虑了未来间变化。
百年的地震活动水平的情况下确定的,代表了地震带内未来百年的地震活动水平。b值和ν值在工程使用基准期内都不能变,否则,所得的设计地震参数就不好用了。实际上,在工程寿期内发生个别中强地震,对b值和ν值也不会产生明显的影响。比如,河北平原地震带,由1480年至1986年MS≥5.0的地震资料,得到的b值为0.62,未来百年内4级以上地震的年平均发生率为
[11]
0.933。从1987年至2001年的15年间,在该带内共发生MS≥4.0地震14次,最大者为1991年5月30日唐山附近的4.9级地震。14次地震中,有11次是发生在唐山地区。由于没有5级以上的地震,用于统计b值的资料没有变化。按年平均发生率0.933
和太原等位于高震级上限潜在震源区内的场
点,其烈度值约增加0.2度左右,相当于加速度峰值增大20%左右。
在近场情况下,地震震源深度对地震动参数的危险性分析结果影响较大。当考虑潜在震源区内地震震源深度分布时,同样要注意震源深度分布的非均匀问题。胥广银根据现有资料,分析了国内不同地区地震震源的深度分布特征,各地区的平均震源深度和方差不同。其震源深度分布可近似用以平均值为中心的正态分布来描述。对于7级以上的震源,不宜再作为点源来看待,至少应当依据震源物理的研究结果,将其作为三维空间
[15]
的震源面模型来看待。
与此同时,对于中强地震潜在震源区,其范围也不宜划得过大。否则,同样会造成
[16]
“稀释”效应。根据鄢家全等人的研究结果,如果只考虑精度相对可靠的Ⅰ、Ⅱ类震中资料,在东北和华北地区的陆域内:53次6～6.5级地震都同区域性活动构造有关;125次5～5.9级地震中,有80次(65%)同
第四纪活动的区域性主干断裂有关,有26次(21%)在大型盆地内的次级断陷带上。所
估计,15年内可能发生MS≥4.0的地震14
次左右,包括2次5级以上的地震。如果把发生在唐山附近的晚期余震都当成是独立事件,则总次数差不多,但没有5级以上的地震,说明其年发生率是偏于安全的。
当前还需要关注的是地震空间分布函数fimj的时效性。由于fimj是采用多因子综合评定的方法确定的,在选用中长期地震预测成果为评定因子时,如果忽视因子的时效性,甚至将只有数年有效期的因子也用上了。按这样的办法确定的空间分布函数fimj,其有效时间也只有数年,即使对于一般工业与民用建构筑物工程,也是不适用的。
统计结果;
(4)注重因子的地区性和地震强度的差异。
根据前述原则,在全国范围内分别确定了7个因子:①潜在震源区的可靠程度;②中长期预测研究成果;③大地震的减震作用;④小地震活动特征;⑤强震复发间隔与构造空段;⑥地震活动的重复性;⑦相同震级档次地震的随机性。其中,凡是资料较充分的因子,均由已有震例的统计分类来确定赋值标准,资料不够充分的因子,则由专家组判断来给出赋值标准。需要注意的是,这7个因子不是普适性的,具有明显的地区性差别。比如大地震的减震作用只在华北地区才有明确的统计特性,其他地区却不显著;而地震活动的重复性在台湾和西部地区表现得十分突出,华北和华南地区却较弱,甚至显现出新生性。同样,不同震级档次的地震,在东部和西部地区的发震构造部位比率也不相同。因此,各地区可用因子是不完全一致的。与此同时,对于相互独立的因子,可用等权求和来确定取值大小;对于互不独立的因子,则应先褶积后求和来确定取值。
(p236)在《地震安全性评价技术教程》中,虽然也列举了上述原则和7个因子,但
未强调其地区性差异。如在某些安评报告中,不同地区采用的是相同的因子,甚至在青藏高原、云贵高原和东南沿海地区,也用了大地震的减震作用因子。再者,由于地震带的范围过大(几百至上千公里尺度),安评报告往往只给出场地附近几个潜在震源区的空间分布函数值,又没有各因子的赋值标准。对此,难以判断这些空间分布函数取值的合理性和可信性。
所以说,为了提高空间分布函数的可信性,在安评报告中应充分体现《技术教程》中的4条原则,并列出各因子的赋值标准、分析方法和评定结果。
6 空间分布函数fimj的“可信性”有待
提高
当地震活动性参数的统计单元由潜在震源区扩展到地震带时,随即产生了如何恰如其分地将地震年平均发生率分配到带内每一个潜在震源区去的问题。为了不低估大地震
[4]
的影响,高孟潭提出了按震级区间来分配的方法,即用空间分布函数fimj来描述地震带内第i个潜在震源区发生mj震级区间地震的权重。fimj在地震带内是归1的。
在一般情况下,如果只考虑地震活动的随机性,可以按潜在震源区的面积等权确定fimj值。但对于大陆板块内部的地震活动,往往表现出明显的时空不均匀性特征。为了使空间分布函数fimj能够反映地震活动的时空不均匀性,经过鲁南地震区划、华北地震
[5][6]
区划和全国地震区划的实践,得到其确定原则如下:
(1)使用多因子综合评判方法;
(2)注意所选因子之间的相互独立性,尽量删除相互重迭的因子;
(3)各因子的赋值标准应是已有震例的
①国家地震局地球物理研究所.鲁南地震区划研究报告
(内部).1988
①
7 地震动衰减关系的存疑较多,望能
妥善解决
在编制90年版的全国地震区划图时,曾计划编制包括烈度和加速度峰值在内的多参数区划图。其原理和基础数据是一样的,只是表达方式不同。且在编制全国区划图之前,已经在海南省的琼北地区和山东省的鲁南地区进行了实践。但最终只公布了《中国地震烈度区划图(1990)》。这并不是编委会没有能力,是因为我国缺乏强震观测资料,经过多方努力,仍难以建立适用于全国各地区的地震动衰减关系。
十余年来,在地震动衰减关系研究方面取得了显著的进展,也为成千项工程建设提供过设防地震动参数。但在评审相关报告的过程中,诸多的疑惑冉冉而至:
(1)地震动衰减关系式的不确定性较大,应减少选用中的任意性。虽然全世界已取得6万余条强震记录,但能用于分析研究地震动衰减关系的资料仍不足,特别是自由基岩场地的资料并不多。而且,这些有限资料的震级范围多在6～7级,距离以10～100km为主,缺少大地震和近距离的资料。因此,不同研究者使用的资料不完全相同,或采用不同的拟合模型,所得到的衰减关系(包括美国西部地区)的差别甚大,尤其是在近距离内震级小于6级或大于7级的预期值差异更为显著。正是由于资料的有限性,难以评价哪组衰减关系式更合理。在实际运用中,就难避免选用中的任意性。尽管在技术规范(9.5.4条)中规定,应论证衰减关系的合理性和适用性,但只有极少数报告做到了。
(2)点源和点椭圆模型是有局限性的。震源物理和近场强地面运动的研究结果均表明,制约地震动参数的因素较多,特别是人们最关心的浅源大地震,还没有建立起公认有效的震源模型和地震动衰减关系。目前,
已有基于点源、点椭圆、断层破裂和断层面
破裂等模型的衰减关系。但用得最多的仍是点源和点椭圆模型衰减关系。点源和点椭圆模型用于6级以下的地震是没有多少争议的。可是,对于61/2级以上的地震,震源的线性尺度将大于30km,8级地震的震源尺度可达100km左右。因此,对于61/2级以上的地震,仍使用点源或点椭圆模型就未必合理了。特别是7级以上的浅源大地震,震源的破裂过程是影响近场地震动的重要因素,很难用点源或点椭圆模型来描述沿着发震断层及其附近的影响场。即使采用点椭圆模型,也不是方差最小就行了,还要注意各参数的物理约束。在拟合过程中,应考虑椭率随震级而变化。如果椭率不随震级变化或变化过小,会导致7级地震和5级地震的椭率都差不多,都是要到震中距达200km左右才近似为圆型。这样的衰减模型同实际的等震线形态差别太大。事实上,大多数5级左右的地震,在震中距不足100km的范围内,其等震线形态早已趋于圆型。虽然工程建设的抗震设防,主要关心的是烈度大于Ⅵ度或加速度峰值大于50gal的地震影响,而衰减关系中椭率变化对安评结果的影响可能是有限的,但从合理性考虑,还是应该注意椭率随震级的变化。
(3)“转换”方法是有前提条件的,盲目使用会引入新的问题。越来越多的观测资料表明,烈度与地面运动参数之间的关系是复杂的,不能以简单的关系来表述。能否建立烈度与地面运动参数之间的转换关系?也是
[18]
仍在讨论的问题之一。张天中等认为,无论是直接将参考地区的地震动衰减关系用于其他地区或通过烈度的衰减关系来转换,其本质都是一种空间范围的外推。对于等距离转换法,是将参考区的烈度、地震动和距离关系f1(I,A,R)=0应用于本地区;等震级法则是将参考地区的烈度、地震动和震级的关系f2(I,A,M)=0应用于本地区;而直接
应用则是把参考地区的地震动、震级和距离
的关系f0(A,M,R)=0应用于本地区。一般来讲,这3个关系对不同地区都存在着一定的系统偏差,从而给衰减关系带来较大的不确定性。在没有足够的证据表明f1和f2的全球适用性比f0更强的情况下,很难断言转换法就是解决缺少资料的地区的衰减关系的最佳选择。在对转换法所得衰减关系的不确定性估计时,应充分考虑这种外推的影响。不难理解,在缺乏强震资料的地区,应用任何方法得到的地震动衰减关系都会有较大的不确定性。这种较大的不确定性正是反映了人们对于客观事物的认识的不充分。其后果是,据此计算得到的地震危险性分析结果有时会大到令人难以接受的地步。
(4)拟慎重对待“转换”方法。假如地震烈度和地震动参数之间的数学转换方法是有观测事实或物理模型为依据的,具体操作中仍有需要正视的问题。比如:①所选参考区的地震烈度衰减关系和地震动参数衰减关系是否同“源”?如果二者的原始资料在时间域和空间域上都有明显差异,并非出于同一地区、同一时段、大量地震的统计结果,其同源性将受到影响。②参考区和研究区的烈度资料是否等价?即使烈度标准是基本等价的,如果参考区是指观测点的烈度值,而研究区是用等震线参数,两者之间存在约0.5度的系统偏差。③参考区和研究区的震级标度是否一致?在国标GB1774021999《地震震级的规定》宣贯教材(p27229)中指出,我国的震级标度与美国(NEIS)的震级标度之间存在0.2～0.38级的系统偏差。其中,对于全球地震,我国测定的震级系统偏大0.2级;对于我国境内的地震,我国测定的震级系统偏大0.38级。④误差传递问题一直没有解决好。诚然,测定值的方差主要是由测定方法决定的,用参考区的方差来代替转换后的方差,可以反映原始测定精度。可转换是平均值对平均值的转换,平均值的误差传
递问题仍未考虑进来。
值得注意的是:①在我国各地区,几乎所有由转换方法得到的衰减关系曲线都比美国西部的高。如果不是由于我国各地区的构造应力值都比美国西部的高,那就有可能是别的系统性差异所致。②虽然在HAF101(1)《安全导则核电厂厂址选择中的地震问(附录Ⅲ)和国标GB502672题》97《核电厂抗
(附录C)中,都推荐了由“震设计规范》转
换”方法得到的华北地区地震动参数衰减关系,但在随后的相关工作中却很少引用。其原因之一就是过于保守,工程建设难以接受。③在《山东海阳核电厂厂址地震安全性评价报告》和《沈阳2×200mW低温核供热示范工程核供热站厂址地震调查与评价报告》中,在评价厂址所在地震构造区最大弥散地震的地震动参数时,不再使用由转换方法得到的衰减关系,而是直接使用美国西部的衰减关系。在相关的报告中,还用5级左右的地震在较近距离上的实际记录资料,论证了衰减关系的适宜性。其结果表明,美国西部的衰减曲线同实际记录相近,却高于我国唐山地震的记录值;而GB50267297规范和用转换方法得到的本地区的衰减曲线,又都高于美国西部的衰减曲线,因此,直接采用美国西部的衰减关系来评价弥散地震的影响是偏于安全的。
②
①
8 低概率结果的合理性和可靠性,需
要特别关注
之所以要特别关注低概率结果的合理性和可靠性,是因为这些结果直接关系到重大工程的地震安全与经济效益。比如,甲类电
①中国地震局地球物理研究所.山东海阳核电厂厂址地震安全性评价报告.1998年12月
②辽宁省地震研究所.中国地震局地球物理研究所.沈阳
2×200mW低温核供热示范工程核供热站厂址地震调
查与评价报告).2002年3月
视塔设防地震的重现期为2000年,特大型桥梁工程为3300年,特大型水库大坝为5000年,而核电站的安全停堆地震为10000年,均需要低概率地震危险性分析结果。通过对全国范围128项工程场地地震危险性分析结果的统计表明,目前的资料处理与分析方法,对重现期超过2000年的结果(特别是地震动参数的结果)的发散性较大。因此,有必要对其资料处理和分析统计方法进行适当的改进,以增强其合理性和可靠性。
(1)由有限时段内的地震资料所推定的参数,拟用相关资料来佐证其合理性。我国虽然有4千余年的历史地震资料,但能够用来进行地震活动性参数统计与分析的资料时段很有限,且各地区也有显著的差异。其中,对于华北、华中和华南地区,大约有500年左右的资料可用;对于东北、西北和西南地区,则只有80～300年左右的资料可用。相对于重现期长达2000年以上的设防地震来讲,资料时段仍不足。尤其是对于工程场地地震危险性贡献较大的潜在震源区,其相应震级档次地震的年平均发生率的合理性,将直接影响到结果的可靠性。因此,拟用各地区不同震级档次地震的重复发生率或古地震的复发率,来佐证其地震活动性参数的合理性。
(2)场地的地震影响是有极限的,拟对超越概率曲线的外推进行某种限制。场地的地震危险性取决于地震环境。当对场地的地震环境条件研究得比较充分的情况下,就可以得到场地不同地震影响强度(烈度或地震动参数)的平均重现期。其强度越大的地震影响之平均重现期也越长。在通常情况下,由构造法评定的地震影响大致相当于这个极限。在已有安评工作中,大多数重大工程建设场地都选在地震活动性较弱,地质构造条件较简单的地段,其场地地震影响超越概率曲线的低概率部分不是直接计算得到的,而是统计外推得到的。这种外推的合理性,在
[19]
一定程度上取决于已知计算点间的斜率。所
以,首先考虑调整危险性分析计算中的预值,尽可能使已知计算点间的斜率接近“饱和”;另一方面可以考虑用构造法所得结果,对外推超越概率曲线进行限制。当然,对于个别地震构造环境特别复杂,不确定因素较多的场地,要更加慎重地对待。
(3)衰减关系的方差也是影响合理性的重要因素之一。在地震危险性分析计算中,目前只考虑了衰减关系的不确定性校正。且通常是按3倍方差进行校正的。对于地震烈度的校正结果没有异议,人们最关心的是地震动参数的不确定性校正。由于地震动参数衰减关系中采用的是对数方差,越是低概率时期望值越大,其校正量也越大。校正前后的年超越概率曲线常呈现出喇叭口型,校正后的曲线收敛很慢。当方差越大,校正后的超越概率曲线越扁平,相当于人们对客观事物的认识程度越差,低概率结果的可靠性也较差。这里引出了两个方面的问题:①采用对数方差来描述地震动参数的离散性是否妥当?越来越多的观测资料是否支持这种对数方差?如果观测资料说明对数方差过于保守,是否对于低概率部分仍采用3倍对数方差来校正?②对于缺少强震观测资料的地区,无论用何种方法建立其地震动衰减关系,都会有较大的方差,必然影响低概率结果的可靠性。这两方面问题的存在,可能造成低概率部分的地震动参数偏于保守。按其设防的经济效益虽然差点,但工程的地震安全性却增强了。
(4)采用综合概率法,是当前解决低概率结果合理性的较妥切办法。除了前述3方面影响低概率结果合理性的因素外,地震危险性分析中的其他环节的不确定性也将影响其低概率结果的合理性。在地震统计单元的范围、潜在震源区、地震活动性参数和衰减关系等方面,都有不确定性存在。这些不确定性可以用若干个数据组合方案来描述,且
不存在唯一正确的方案。如果只采用其中的
一组数据方案来分析计算,很难克服某些偶然因素的影响。采用综合概率法,可以将一切可能的数据组合方案都用来进行分析计算,由综合平均的结果来衡量场地的地震危险性,就可以避免偶然因素的影响,提高了低概率结果的合理性和可靠性。在中国地震局地球物理研究所主持完成的长江三峡大坝工程(1990)、南口高温气冷试验堆(1995)和丹江口大坝加高工程(2003)等场地的安评工作中,均已采用综合概率法,得到了较好的结果。
9 合理对待地震烈度与地震动参数结
果之间的差异
地震烈度和地震动参数都是描述地震作用下地面震动或影响的标量,但在工程抗震设防、震害预测和制定防震减灾规划等方面的作用却是不同的。它们之间的关系是互补的,不是相互包容或排斥的。在地震危险性分析结果中,烈度与地震动参数之间是有差异的。
(1)变异系数的差别显著。由于资料的不完备和认识的局限性,安评结果的不确定性是在所难免的。这种不确定性的大小,可以用变异系数(方差与均值之比值)来描述。
[20]
潘华在博士论文《概率地震危险性分析中参数不确定性研究》中得到:①在华北地区,由于地震统计单元的不确定性,造成烈度变异系数的均值为0.04,最大值达0.11;基岩PGA变异系数的均值近0.3,最大值超过0.85。②地震活动性参数的不确定性,造成烈度变异系数的均值为0.031;基岩PGA变异系数的均值达0.18。该博士论文仅从地震统计单元和地震活动性参数的不确定性,论述了两者的变异系数差别。如果再综合考虑潜在震源区和衰减关系的不确定性,其差别可能会更明显。
(2)对震源深度的敏感性不同。因地震
烈度衰减关系中采用的是隐含着平均深度的
震中距,计算分析时不再考虑震源深度的影响。地震动参数衰减关系中的距离项,有震中距、震源距、断层距和断层面距等。但常用的地震动参数衰减关系,仍是隐含着平均震源深度的震中距,计算分析时本可以不考虑震源深度的影响,但其结果往往令人难以接受。不得已而为之,只好将震中距当震源距看待,以便加入震源深度的影响,方可得到较适用的结果。实践表明,地震动参数结果对震源深度的取值很敏感,其值有较大的调整范围。以北京地区为例,约有90%的中小地震震源深度分布在5～25km范围内,当深度取值从0km变到20km时,50年内超越概率为10%的PGA值将减少约50%。对此,有关的技术规范和培训教材都没有明确的规定与说明,绝大多数安评报告也不提及震源深度取值。
(3)结果的可比性有差异。对于地震危险性分析的烈度结果,可以用场地的历史地震影响烈度或极值分析所得不同重现期的烈
[21]
度值来佐证。对于地震动参数结果,还没有直接验证的办法,但可以用烈度结果来间接佐证。就是对于安评报告的作者、审者和使用者来看,在判断加速度峰值结果的可接受性时,往往是自觉或不自觉地将加速度峰值等效为某个烈度范围来对待的。比如,某城市的地震基本烈度为Ⅷ度,各安评单位所采用的地震统计单元、潜在震源区、地震活动性参数和衰减关系可能不同,但人们可以通过某些参数的调整,包括对地震震源深度值和土层动力反应分析输入地震动时程随机相位等的调整,使得50年内超越概率10%的PGA值在200gal左右。
10 希望和建议
(1)调整地震统计单元(地震带)划分方案。目前,多数安评报告都是引用全国地震区划图的地震统计单元划分方案,只有少
数安评报告是重新划分的方案。由于全国地震区划图划分方案中某些地震统计单元的范围偏大,使得相关参数的复核与修改比较困难。而一些重新划分的地震统计单元范围又过小,统计样本量偏少,结果不够稳定。由于地震统计单元的不确定性,对地震危险性分析结果,特别是地震动参数的结果影响较大。因此,有必要组织有关专家,对作为地震危险性分析中地震活动性参数统计单元的地震带同地球动力学研究中的地震带之异同进行讨论。在统一原则和方法的基础上,再对全国的地震统计单元划分方案进行调整。
(2)复核地震活动性参数。由于地震统计单元方案的调整变化,有必要对相应的地震活动性参数进行复核。在复核中应尽可能克服以往工作中的不足之处。复核后的参数经过试算检验,可推荐给各安评单位参考,以提高安评结果的科学性。
(3)建立新的地震动参数衰减关系。当前,多数安评报告使用的大都是霍俊荣于1989年得到的地震动参数衰减关系。十余年
来,强震观测资料增加了,分析方法也有改
进。所以,有必要、也有可能建立更为合理的地震动衰减关系。
(4)改进低概率地震动参数的确定方法。时下的资料处理与危险性分析统计方法,对于重现期为200～1000年的地震动参数估计结果较稳定,但对于重现期超过2000年的结果发散性较大,且有同构造法结果不协调的现象。因此,有必要对其资料处理和分析统计方法进行适当改进,以增强其结果的科学性。
(5)允许多元化的结果表述形式。崇尚科学需要尊重客观世界的多元性。采用多元化的结果表述方式,更能全面描述工程场地的地震危险性。况且,烈度和地震动参数在工程防震中的作用不同,其变异系数也有差别,不同的结果表述形式可以互为补充和相互佐证。即使在个别情况下出现烈度结果与地震动参数的不协调时,只要复核有关参数,确认无误后做必要的说明,使用者会区别对待的。
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248
ConfusionandHopeinSeismicRiskAnalysis
YanJiaquang
(InstituteofGeophysics,CEA,100081,Beijing,China)
Abstract Seismicriskanalysishasbeenlistedinnationalstandard,buttherearemanyques2tionsstillneedtobesolvedscientifically.
Keywords seismicriskanalysis;nationalstandard;hopeandsuggestion
1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第6期(总第318期)2005年6月国 际 地 震 动 态
RecentDevelopmentsinWorldSeismologyNo16(SerialNo1318)
June2005
地震危险性分析的困惑与希望
鄢家全
(中国地震局地球物理研究所,北京,100081)
3
摘 要 地震危险性分析虽已列入国家标准,但仍存在诸多需要科学对待的问题。关键词 地震危险性分析;国家标准;希望和建议中图分类号 P315.9 文献标识码 A
本文所述的地震危险性分析,即为国家标准《工程场地地震安全性评价技术规范》(GB1774121999)(以下简称技术规范)中的地震危险性概率分析方法。该方法是由Cor2nell提出的
[1]
立,即地震的发生在时间轴上服从泊松分布,可用年平均发生率来描述地震事件的频次特征。
(3)潜在震源区内的地震事件,其震级
,因能描述场地受地震活动影
大小随频次的分布特征,可由古登堡—里克特震级—频度关系式来描述。
(4)场地地震动参数是震级和震中(或
响的随机性,给出具有概率含义的地震参数,所以在工程地震中得到了较为广泛的运用。该方法于1982年由章在镛和陈达生引入我国
[2]
,后经时振梁和高孟潭等人
[325]
震源)距的函数。
上述假定表明,潜在震源区是其分析方法的基础统计单元。若要保证统计单元内具有适当的样本量,不得不将潜在震源区的空间范围扩展到上百公里的尺度。由于我国大部分地区的地震属于板块内部的地震活动,具有明显的空间和时间上的不均匀性。为了充分反映板内地震活动的特点,我国科学工作者
[426]
的
改进,使之能够较好地反映我国地震活动的时空不均匀性,并逐渐在地震区划和工程场地地震安全性评价工作中得到应用。但是,随着实践经验的积累和相关研究工作的深入,需要我们平心静气地对待有关的问题,以便为工程建设提供更加科学合理的设防地震参数。
,对上述基本假定进行了补充和改
1 基本假定
地震危险性分析方法的基本假定,可以概括为以下几点:
(1)未来地震发生在一定的空间区域内,即潜在震源区内。在潜在震源区内,地震发生的可能性处处相同。
(2)潜在震源区内的地震事件彼此独
3收稿日期:2005202201。
中国地震局地球物理研究所论著05AC2007。
进。其主要内容为:①以地震带为地震活动性参数的统计单元;②在地震带内划分潜在震源区;③由地震活动趋势分析结果来评定各地震带的未来地震活动水平,即年平均发生率;④按震级区间将地震带的地震年平均发生率分配到各潜在震源区;⑤用多因子综合评定方法确定各潜在震源区的空间分布函数。
之所以要重申这些基本假定,是因为下面讨论的问题,大都同其合理诠释有关。
2 地震带(地震统计单元)的范围应
适度,并非越大越好
“地震带”是一个用得较广泛的术语。从一条断裂带控制的地震分布带到环太平洋俯冲构造带控制的地震带都称地震带,其差别十分巨大。我国地震带的划分,始于20世纪
[7]
30年代初;50年代以来的相关研究取得
[8211]
了较大的发展。
在我国的地震危险性分析方法中,将地震带作为地震活动性参数的统计单元,其划分得合适与否,将直接影响到工程场地设防地震参数的评价结果。技术规范(GB1774121999)中6.4.2条规定:应依据下列因素划分地震带—地震活动空间分布的成带性;地震与活动构造带的一致性。在相应的宣贯教材(p16)中还指出,如果地震统计所需的样本量足够,地震构造性质有差异,则可以在地震带内进一步划分出次一级的统计单元。规范条文和宣贯教材表明,作为地震活动性参数统计单元的地震带,首先应按地震活动带和构造活动带等因素来划分;其次是在有足够统计样本量的前提下,可根据地震构造差异性把统计单元尽可能划小一些。但是,在近年来的一些安评报告中,有将地震带范围扩大的现象。其中,较典型的是“长江中游地震带”和“华南沿海地震带”。
长江中游地震带总体展布近东西向,西起四川盆地、经江汉盆地至浙南闽北沿海地
[12]
带。从大地构造方面看,该地震带跨越了扬子地台和华南褶皱系两个一级构造单元,以及四川台向斜,滇黔鄂台褶带、武陵台隆、江汉拗陷、云开—怀玉岛海褶带、武夷岛海褶带和闽浙弧后褶带等7个以上的二级大地构造单元。四川台向斜的中强地震和现代小震,主要是沿着北东走向的蒲江—成都断裂、龙泉山断裂带和华蓥山断褶带分布。滇黔鄂台褶带内的地震活动,也是沿着北东走向的方斗山断褶带、齐岳山—巴东—新华
断裂带等分布。江汉拗陷及其周边的地震活
动,主要是沿北北东向的太阳山断裂、北东向的幕府山断裂,以及北西向的汉水—钟祥断裂带分布。在武夷岛海褶带和闽浙弧后褶带内的少数中小地震,主要是沿北东走向的庆元—丽水断裂带和滨海断裂带分布。这就是说,长江中游地震带内的地震活动,主要沿着北东走向的构造活动带分布,也有部分地段(汉水流域)沿北西走向的构造活动带分布。而且,四川台向斜内的地震同江汉拗陷的地震没有明显的联系。闽浙弧后褶带内的中小地震同江汉拗陷与四川台向斜的地震也没有联系。长江中游地震带的范围大致相
[11]
当于先前的江汉地震带和雪峰—武夷过渡带之和。先前的雪峰—武夷过渡带就已经同技术规范的要求不符了,再将江汉地震带合并在一起,就更不合理了。
华南沿海地震带包括了福建、广东、海南、广西、黔东南、越南北部,以及相邻的
[11]
部分海域。其范围大致相当于先前的东南沿海外带、东南沿海内带和右江地震带的总和。如果是由于东南沿海外带缺少中强地震资料,难以得到合理的地震活动性参数,而将地震活动和构造活动都有密切联系的东南沿海内带与东南沿海外带合并为一个统计单元,那还是可以理解的。但是,如果把地震活动和构造活动都明显不同的右江地震带也合并进来,就令人费解了。
地震带范围扩大后,出现了两方面的问题:①与技术规范的要求不符;②在安评工作中的推广应用有困难。因为安评项目承担者最关心的是对工程场地有直接影响的地震构造环境。对于江汉盆地内的工程项目,没有必要去研究四川盆地或浙南闽北的地震构造;对于福建的工程项目,也没有必要去研究右江断裂带和红河断裂带的地震构造。但是,如果不研究整个地震带的地震构造差异,就无法论证近场潜在震源区地震活动性参数的合理性。再者,相邻两个地震构造单
元的b值即使相近,并不能说明二者的地震
活动和构造活动有必然的联系,未必就要划为一个地震统计单元,以免在安评工作中带来困难。所以说,地震带的范围应适度,并非越大越好。
3 用于确定b值和ν值的地震资料,
应该删除前震和余震
b值和ν值是描述地震带内地震震级—频度分布特征与地震活动水平的重要参数,也是地震危险性分析的基础参数。为了使所确定的参数能满足地震危险性分析的基本假定,不仅要注重统计分析方法,更要注重用于统计分析的资料本身。由于大地震序列中的前震、主震和余震之间不是独立随机事件,用于确定b值和ν值的地震资料,应该删除前震和余震。
但是,相关技术规范和教材对删除余震的原则方法没有统一要求,不同研究者所保留的中强地震数目会有小的差异。这种差异对b值和ν值的影响在误差范围之内。在编制《中国地震烈度区划图(1990)》的过程[11]中,对东部地区的地震序列,把能够判断为前震和余震的地震均删除;对于西部地区,由于地震活动的重复期较短,只删除了主震后两年内的余震。在资料处理中,适当保留个别的强前震或余震,可以提高强震的影响,对于地震区划结果是偏于安全的。比如,对于1966年邢台地震群,保留了3月8日6.8级地震,删除了29次5～6.6级的前震和余震;对于1976年唐山地震序列,保留了7月28日7.1级地震,删除了14次5～6.9级的余震。对邢台地震群和唐山地震序列所删除的地震数目,可达所在河北平原地震带从1480年至1986年5级以上地震总数的1/3。在这样的情况下,删除与不删前震和余震资料,所得b值和ν值的差异是明显的。
在用于确定b值和ν值的历史地震资料
中,同样存在删除余震的必要性。比如,
1556年华县附近的81/4级地震,就有5次5～63/4级的余震;1605年琼山附近的71/2级地震,也有5次51/2～61/2级的余震。在编制90年版的地震区划图时,对于华县81/4级地震序列,就只保留了1568年63/4
[11]
级强余震。
因此,用于确定b值和ν值的地震资料,为了满足地震事件之间的独立随机性假定前提,无论是历史地震资料,还是现代仪器记录地震资料,都应该删除前震和余震。
4 潜在震源区内的地震发生率是非均
匀的
地震危险性分析方法的基本假定之一,就是潜在震源区内的地震发生率是均匀的。直到现今推荐使用的程序中,仍然遵从这一基本假定。但是,实际资料和研究结果均表明,潜在震源区内的地震发生率是非均匀的。如果继续采用地震发生率均匀分布的假定,对位于高震级上限潜在震源区内的场地,将会低估其地震危险性,给工程建设带来安全隐患。
在当前的安评工作中,大多采用以震级和震中距表达的地震动衰减关系。与此相应的潜在震源区拟按“震中集合范围”来划分。但是,这样做有困难。实际工作中划分的潜在震源区,大致相当于“震源体集合范围”。之所以说是大致相当,是因为某些低震级上限的潜在震源区范围比高震级上限的潜在震源区范围还大;同是7.0、7.5、8.0或8.5级上限的潜在震源区,其范围的差异也很显著。总之,现阶段划分的潜在震源区,比“震中集合范围”要大。
人们早已认识到,对潜在震源区内地震发生率是均匀分布的假定过于理想化,而实际地震震中在潜在震源区内的分布是不均匀
[14]
的。高孟潭和胥广银在研究潜在震源区内部地震震中的非均匀分布时,采用了离散
化概率分布形式,潜在震源区内部最多可划分为400个分布单元。统计中引用了编制中国地震烈度区划图(1990)时划分的770个潜在震源区和全国4级以上的地震目录,按震级分为M
等采用潜在震源区内地震非均匀分布模型,在四川攀西和山西晋中南地区进行了地震区划实验。实验结果表明,当考虑7级以上地震在潜在震源区内的非均匀分布时,其结果与均匀模型相比,中心区的大地震危险性增加了,所以高烈度区的范围扩大了。在50年超越概率10%的情况下,如西昌、临汾
以,中强地震主要还是同区域性活动构造有
关。因此,对于中强地震潜在震源区的范围,也不宜划得过大。否则,会造成“稀释”现象,引起50年内超越概率为63%的地震危险性分析结果偏小。
5 地震活动性参数的有效期,应大于
工程结构设计的使用基准期
工程场地地震安全性评价的目的在于,为工程结构的抗震设计提供科学合理的设防地震参数。为了确保其设防地震参数在工程结构设计使用基准期内的有效性,地震活动性参数的有效期应大于结构的使用基准期。一般工业与民用建筑和构筑物的使用基准期为50年;而大型水利枢纽、特大型桥梁和甲类电视塔等重大工程的使用基准期则为100年。因此,适用于一般工业与民用建、构筑物工程的地震活动性参数,未必就适用于重大工程,必须慎重对待。
因b值是由地震带内长时间(80～500年)、大样本量(一般大于40次)的地震资料统计得到的,代表了地震带内大小地震的频次比例关系,其稳定性较好,基本上不随时
ν值与b值相关,是在考虑了未来间变化。
百年的地震活动水平的情况下确定的,代表了地震带内未来百年的地震活动水平。b值和ν值在工程使用基准期内都不能变,否则,所得的设计地震参数就不好用了。实际上,在工程寿期内发生个别中强地震,对b值和ν值也不会产生明显的影响。比如,河北平原地震带,由1480年至1986年MS≥5.0的地震资料,得到的b值为0.62,未来百年内4级以上地震的年平均发生率为
[11]
0.933。从1987年至2001年的15年间,在该带内共发生MS≥4.0地震14次,最大者为1991年5月30日唐山附近的4.9级地震。14次地震中,有11次是发生在唐山地区。由于没有5级以上的地震,用于统计b值的资料没有变化。按年平均发生率0.933
和太原等位于高震级上限潜在震源区内的场
点,其烈度值约增加0.2度左右,相当于加速度峰值增大20%左右。
在近场情况下,地震震源深度对地震动参数的危险性分析结果影响较大。当考虑潜在震源区内地震震源深度分布时,同样要注意震源深度分布的非均匀问题。胥广银根据现有资料,分析了国内不同地区地震震源的深度分布特征,各地区的平均震源深度和方差不同。其震源深度分布可近似用以平均值为中心的正态分布来描述。对于7级以上的震源,不宜再作为点源来看待,至少应当依据震源物理的研究结果,将其作为三维空间
[15]
的震源面模型来看待。
与此同时,对于中强地震潜在震源区,其范围也不宜划得过大。否则,同样会造成
[16]
“稀释”效应。根据鄢家全等人的研究结果,如果只考虑精度相对可靠的Ⅰ、Ⅱ类震中资料,在东北和华北地区的陆域内:53次6～6.5级地震都同区域性活动构造有关;125次5～5.9级地震中,有80次(65%)同
第四纪活动的区域性主干断裂有关,有26次(21%)在大型盆地内的次级断陷带上。所
估计,15年内可能发生MS≥4.0的地震14
次左右,包括2次5级以上的地震。如果把发生在唐山附近的晚期余震都当成是独立事件,则总次数差不多,但没有5级以上的地震,说明其年发生率是偏于安全的。
当前还需要关注的是地震空间分布函数fimj的时效性。由于fimj是采用多因子综合评定的方法确定的,在选用中长期地震预测成果为评定因子时,如果忽视因子的时效性,甚至将只有数年有效期的因子也用上了。按这样的办法确定的空间分布函数fimj,其有效时间也只有数年,即使对于一般工业与民用建构筑物工程,也是不适用的。
统计结果;
(4)注重因子的地区性和地震强度的差异。
根据前述原则,在全国范围内分别确定了7个因子:①潜在震源区的可靠程度;②中长期预测研究成果;③大地震的减震作用;④小地震活动特征;⑤强震复发间隔与构造空段;⑥地震活动的重复性;⑦相同震级档次地震的随机性。其中,凡是资料较充分的因子,均由已有震例的统计分类来确定赋值标准,资料不够充分的因子,则由专家组判断来给出赋值标准。需要注意的是,这7个因子不是普适性的,具有明显的地区性差别。比如大地震的减震作用只在华北地区才有明确的统计特性,其他地区却不显著;而地震活动的重复性在台湾和西部地区表现得十分突出,华北和华南地区却较弱,甚至显现出新生性。同样,不同震级档次的地震,在东部和西部地区的发震构造部位比率也不相同。因此,各地区可用因子是不完全一致的。与此同时,对于相互独立的因子,可用等权求和来确定取值大小;对于互不独立的因子,则应先褶积后求和来确定取值。
(p236)在《地震安全性评价技术教程》中,虽然也列举了上述原则和7个因子,但
未强调其地区性差异。如在某些安评报告中,不同地区采用的是相同的因子,甚至在青藏高原、云贵高原和东南沿海地区,也用了大地震的减震作用因子。再者,由于地震带的范围过大(几百至上千公里尺度),安评报告往往只给出场地附近几个潜在震源区的空间分布函数值,又没有各因子的赋值标准。对此,难以判断这些空间分布函数取值的合理性和可信性。
所以说,为了提高空间分布函数的可信性,在安评报告中应充分体现《技术教程》中的4条原则,并列出各因子的赋值标准、分析方法和评定结果。
6 空间分布函数fimj的“可信性”有待
提高
当地震活动性参数的统计单元由潜在震源区扩展到地震带时,随即产生了如何恰如其分地将地震年平均发生率分配到带内每一个潜在震源区去的问题。为了不低估大地震
[4]
的影响,高孟潭提出了按震级区间来分配的方法,即用空间分布函数fimj来描述地震带内第i个潜在震源区发生mj震级区间地震的权重。fimj在地震带内是归1的。
在一般情况下,如果只考虑地震活动的随机性,可以按潜在震源区的面积等权确定fimj值。但对于大陆板块内部的地震活动,往往表现出明显的时空不均匀性特征。为了使空间分布函数fimj能够反映地震活动的时空不均匀性,经过鲁南地震区划、华北地震
[5][6]
区划和全国地震区划的实践,得到其确定原则如下:
(1)使用多因子综合评判方法;
(2)注意所选因子之间的相互独立性,尽量删除相互重迭的因子;
(3)各因子的赋值标准应是已有震例的
①国家地震局地球物理研究所.鲁南地震区划研究报告
(内部).1988
①
7 地震动衰减关系的存疑较多,望能
妥善解决
在编制90年版的全国地震区划图时,曾计划编制包括烈度和加速度峰值在内的多参数区划图。其原理和基础数据是一样的,只是表达方式不同。且在编制全国区划图之前,已经在海南省的琼北地区和山东省的鲁南地区进行了实践。但最终只公布了《中国地震烈度区划图(1990)》。这并不是编委会没有能力,是因为我国缺乏强震观测资料,经过多方努力,仍难以建立适用于全国各地区的地震动衰减关系。
十余年来,在地震动衰减关系研究方面取得了显著的进展,也为成千项工程建设提供过设防地震动参数。但在评审相关报告的过程中,诸多的疑惑冉冉而至:
(1)地震动衰减关系式的不确定性较大,应减少选用中的任意性。虽然全世界已取得6万余条强震记录,但能用于分析研究地震动衰减关系的资料仍不足,特别是自由基岩场地的资料并不多。而且,这些有限资料的震级范围多在6～7级,距离以10～100km为主,缺少大地震和近距离的资料。因此,不同研究者使用的资料不完全相同,或采用不同的拟合模型,所得到的衰减关系(包括美国西部地区)的差别甚大,尤其是在近距离内震级小于6级或大于7级的预期值差异更为显著。正是由于资料的有限性,难以评价哪组衰减关系式更合理。在实际运用中,就难避免选用中的任意性。尽管在技术规范(9.5.4条)中规定,应论证衰减关系的合理性和适用性,但只有极少数报告做到了。
(2)点源和点椭圆模型是有局限性的。震源物理和近场强地面运动的研究结果均表明,制约地震动参数的因素较多,特别是人们最关心的浅源大地震,还没有建立起公认有效的震源模型和地震动衰减关系。目前,
已有基于点源、点椭圆、断层破裂和断层面
破裂等模型的衰减关系。但用得最多的仍是点源和点椭圆模型衰减关系。点源和点椭圆模型用于6级以下的地震是没有多少争议的。可是,对于61/2级以上的地震,震源的线性尺度将大于30km,8级地震的震源尺度可达100km左右。因此,对于61/2级以上的地震,仍使用点源或点椭圆模型就未必合理了。特别是7级以上的浅源大地震,震源的破裂过程是影响近场地震动的重要因素,很难用点源或点椭圆模型来描述沿着发震断层及其附近的影响场。即使采用点椭圆模型,也不是方差最小就行了,还要注意各参数的物理约束。在拟合过程中,应考虑椭率随震级而变化。如果椭率不随震级变化或变化过小,会导致7级地震和5级地震的椭率都差不多,都是要到震中距达200km左右才近似为圆型。这样的衰减模型同实际的等震线形态差别太大。事实上,大多数5级左右的地震,在震中距不足100km的范围内,其等震线形态早已趋于圆型。虽然工程建设的抗震设防,主要关心的是烈度大于Ⅵ度或加速度峰值大于50gal的地震影响,而衰减关系中椭率变化对安评结果的影响可能是有限的,但从合理性考虑,还是应该注意椭率随震级的变化。
(3)“转换”方法是有前提条件的,盲目使用会引入新的问题。越来越多的观测资料表明,烈度与地面运动参数之间的关系是复杂的,不能以简单的关系来表述。能否建立烈度与地面运动参数之间的转换关系?也是
[18]
仍在讨论的问题之一。张天中等认为,无论是直接将参考地区的地震动衰减关系用于其他地区或通过烈度的衰减关系来转换,其本质都是一种空间范围的外推。对于等距离转换法,是将参考区的烈度、地震动和距离关系f1(I,A,R)=0应用于本地区;等震级法则是将参考地区的烈度、地震动和震级的关系f2(I,A,M)=0应用于本地区;而直接
应用则是把参考地区的地震动、震级和距离
的关系f0(A,M,R)=0应用于本地区。一般来讲,这3个关系对不同地区都存在着一定的系统偏差,从而给衰减关系带来较大的不确定性。在没有足够的证据表明f1和f2的全球适用性比f0更强的情况下,很难断言转换法就是解决缺少资料的地区的衰减关系的最佳选择。在对转换法所得衰减关系的不确定性估计时,应充分考虑这种外推的影响。不难理解,在缺乏强震资料的地区,应用任何方法得到的地震动衰减关系都会有较大的不确定性。这种较大的不确定性正是反映了人们对于客观事物的认识的不充分。其后果是,据此计算得到的地震危险性分析结果有时会大到令人难以接受的地步。
(4)拟慎重对待“转换”方法。假如地震烈度和地震动参数之间的数学转换方法是有观测事实或物理模型为依据的,具体操作中仍有需要正视的问题。比如:①所选参考区的地震烈度衰减关系和地震动参数衰减关系是否同“源”?如果二者的原始资料在时间域和空间域上都有明显差异,并非出于同一地区、同一时段、大量地震的统计结果,其同源性将受到影响。②参考区和研究区的烈度资料是否等价?即使烈度标准是基本等价的,如果参考区是指观测点的烈度值,而研究区是用等震线参数,两者之间存在约0.5度的系统偏差。③参考区和研究区的震级标度是否一致?在国标GB1774021999《地震震级的规定》宣贯教材(p27229)中指出,我国的震级标度与美国(NEIS)的震级标度之间存在0.2～0.38级的系统偏差。其中,对于全球地震,我国测定的震级系统偏大0.2级;对于我国境内的地震,我国测定的震级系统偏大0.38级。④误差传递问题一直没有解决好。诚然,测定值的方差主要是由测定方法决定的,用参考区的方差来代替转换后的方差,可以反映原始测定精度。可转换是平均值对平均值的转换,平均值的误差传
递问题仍未考虑进来。
值得注意的是:①在我国各地区,几乎所有由转换方法得到的衰减关系曲线都比美国西部的高。如果不是由于我国各地区的构造应力值都比美国西部的高,那就有可能是别的系统性差异所致。②虽然在HAF101(1)《安全导则核电厂厂址选择中的地震问(附录Ⅲ)和国标GB502672题》97《核电厂抗
(附录C)中,都推荐了由“震设计规范》转
换”方法得到的华北地区地震动参数衰减关系,但在随后的相关工作中却很少引用。其原因之一就是过于保守,工程建设难以接受。③在《山东海阳核电厂厂址地震安全性评价报告》和《沈阳2×200mW低温核供热示范工程核供热站厂址地震调查与评价报告》中,在评价厂址所在地震构造区最大弥散地震的地震动参数时,不再使用由转换方法得到的衰减关系,而是直接使用美国西部的衰减关系。在相关的报告中,还用5级左右的地震在较近距离上的实际记录资料,论证了衰减关系的适宜性。其结果表明,美国西部的衰减曲线同实际记录相近,却高于我国唐山地震的记录值;而GB50267297规范和用转换方法得到的本地区的衰减曲线,又都高于美国西部的衰减曲线,因此,直接采用美国西部的衰减关系来评价弥散地震的影响是偏于安全的。
②
①
8 低概率结果的合理性和可靠性,需
要特别关注
之所以要特别关注低概率结果的合理性和可靠性,是因为这些结果直接关系到重大工程的地震安全与经济效益。比如,甲类电
①中国地震局地球物理研究所.山东海阳核电厂厂址地震安全性评价报告.1998年12月
②辽宁省地震研究所.中国地震局地球物理研究所.沈阳
2×200mW低温核供热示范工程核供热站厂址地震调
查与评价报告).2002年3月
视塔设防地震的重现期为2000年,特大型桥梁工程为3300年,特大型水库大坝为5000年,而核电站的安全停堆地震为10000年,均需要低概率地震危险性分析结果。通过对全国范围128项工程场地地震危险性分析结果的统计表明,目前的资料处理与分析方法,对重现期超过2000年的结果(特别是地震动参数的结果)的发散性较大。因此,有必要对其资料处理和分析统计方法进行适当的改进,以增强其合理性和可靠性。
(1)由有限时段内的地震资料所推定的参数,拟用相关资料来佐证其合理性。我国虽然有4千余年的历史地震资料,但能够用来进行地震活动性参数统计与分析的资料时段很有限,且各地区也有显著的差异。其中,对于华北、华中和华南地区,大约有500年左右的资料可用;对于东北、西北和西南地区,则只有80～300年左右的资料可用。相对于重现期长达2000年以上的设防地震来讲,资料时段仍不足。尤其是对于工程场地地震危险性贡献较大的潜在震源区,其相应震级档次地震的年平均发生率的合理性,将直接影响到结果的可靠性。因此,拟用各地区不同震级档次地震的重复发生率或古地震的复发率,来佐证其地震活动性参数的合理性。
(2)场地的地震影响是有极限的,拟对超越概率曲线的外推进行某种限制。场地的地震危险性取决于地震环境。当对场地的地震环境条件研究得比较充分的情况下,就可以得到场地不同地震影响强度(烈度或地震动参数)的平均重现期。其强度越大的地震影响之平均重现期也越长。在通常情况下,由构造法评定的地震影响大致相当于这个极限。在已有安评工作中,大多数重大工程建设场地都选在地震活动性较弱,地质构造条件较简单的地段,其场地地震影响超越概率曲线的低概率部分不是直接计算得到的,而是统计外推得到的。这种外推的合理性,在
[19]
一定程度上取决于已知计算点间的斜率。所
以,首先考虑调整危险性分析计算中的预值,尽可能使已知计算点间的斜率接近“饱和”;另一方面可以考虑用构造法所得结果,对外推超越概率曲线进行限制。当然,对于个别地震构造环境特别复杂,不确定因素较多的场地,要更加慎重地对待。
(3)衰减关系的方差也是影响合理性的重要因素之一。在地震危险性分析计算中,目前只考虑了衰减关系的不确定性校正。且通常是按3倍方差进行校正的。对于地震烈度的校正结果没有异议,人们最关心的是地震动参数的不确定性校正。由于地震动参数衰减关系中采用的是对数方差,越是低概率时期望值越大,其校正量也越大。校正前后的年超越概率曲线常呈现出喇叭口型,校正后的曲线收敛很慢。当方差越大,校正后的超越概率曲线越扁平,相当于人们对客观事物的认识程度越差,低概率结果的可靠性也较差。这里引出了两个方面的问题:①采用对数方差来描述地震动参数的离散性是否妥当?越来越多的观测资料是否支持这种对数方差?如果观测资料说明对数方差过于保守,是否对于低概率部分仍采用3倍对数方差来校正?②对于缺少强震观测资料的地区,无论用何种方法建立其地震动衰减关系,都会有较大的方差,必然影响低概率结果的可靠性。这两方面问题的存在,可能造成低概率部分的地震动参数偏于保守。按其设防的经济效益虽然差点,但工程的地震安全性却增强了。
(4)采用综合概率法,是当前解决低概率结果合理性的较妥切办法。除了前述3方面影响低概率结果合理性的因素外,地震危险性分析中的其他环节的不确定性也将影响其低概率结果的合理性。在地震统计单元的范围、潜在震源区、地震活动性参数和衰减关系等方面,都有不确定性存在。这些不确定性可以用若干个数据组合方案来描述,且
不存在唯一正确的方案。如果只采用其中的
一组数据方案来分析计算,很难克服某些偶然因素的影响。采用综合概率法,可以将一切可能的数据组合方案都用来进行分析计算,由综合平均的结果来衡量场地的地震危险性,就可以避免偶然因素的影响,提高了低概率结果的合理性和可靠性。在中国地震局地球物理研究所主持完成的长江三峡大坝工程(1990)、南口高温气冷试验堆(1995)和丹江口大坝加高工程(2003)等场地的安评工作中,均已采用综合概率法,得到了较好的结果。
9 合理对待地震烈度与地震动参数结
果之间的差异
地震烈度和地震动参数都是描述地震作用下地面震动或影响的标量,但在工程抗震设防、震害预测和制定防震减灾规划等方面的作用却是不同的。它们之间的关系是互补的,不是相互包容或排斥的。在地震危险性分析结果中,烈度与地震动参数之间是有差异的。
(1)变异系数的差别显著。由于资料的不完备和认识的局限性,安评结果的不确定性是在所难免的。这种不确定性的大小,可以用变异系数(方差与均值之比值)来描述。
[20]
潘华在博士论文《概率地震危险性分析中参数不确定性研究》中得到:①在华北地区,由于地震统计单元的不确定性,造成烈度变异系数的均值为0.04,最大值达0.11;基岩PGA变异系数的均值近0.3,最大值超过0.85。②地震活动性参数的不确定性,造成烈度变异系数的均值为0.031;基岩PGA变异系数的均值达0.18。该博士论文仅从地震统计单元和地震活动性参数的不确定性,论述了两者的变异系数差别。如果再综合考虑潜在震源区和衰减关系的不确定性,其差别可能会更明显。
(2)对震源深度的敏感性不同。因地震
烈度衰减关系中采用的是隐含着平均深度的
震中距,计算分析时不再考虑震源深度的影响。地震动参数衰减关系中的距离项,有震中距、震源距、断层距和断层面距等。但常用的地震动参数衰减关系,仍是隐含着平均震源深度的震中距,计算分析时本可以不考虑震源深度的影响,但其结果往往令人难以接受。不得已而为之,只好将震中距当震源距看待,以便加入震源深度的影响,方可得到较适用的结果。实践表明,地震动参数结果对震源深度的取值很敏感,其值有较大的调整范围。以北京地区为例,约有90%的中小地震震源深度分布在5～25km范围内,当深度取值从0km变到20km时,50年内超越概率为10%的PGA值将减少约50%。对此,有关的技术规范和培训教材都没有明确的规定与说明,绝大多数安评报告也不提及震源深度取值。
(3)结果的可比性有差异。对于地震危险性分析的烈度结果,可以用场地的历史地震影响烈度或极值分析所得不同重现期的烈
[21]
度值来佐证。对于地震动参数结果,还没有直接验证的办法,但可以用烈度结果来间接佐证。就是对于安评报告的作者、审者和使用者来看,在判断加速度峰值结果的可接受性时,往往是自觉或不自觉地将加速度峰值等效为某个烈度范围来对待的。比如,某城市的地震基本烈度为Ⅷ度,各安评单位所采用的地震统计单元、潜在震源区、地震活动性参数和衰减关系可能不同,但人们可以通过某些参数的调整,包括对地震震源深度值和土层动力反应分析输入地震动时程随机相位等的调整,使得50年内超越概率10%的PGA值在200gal左右。
10 希望和建议
(1)调整地震统计单元(地震带)划分方案。目前,多数安评报告都是引用全国地震区划图的地震统计单元划分方案,只有少
数安评报告是重新划分的方案。由于全国地震区划图划分方案中某些地震统计单元的范围偏大,使得相关参数的复核与修改比较困难。而一些重新划分的地震统计单元范围又过小,统计样本量偏少,结果不够稳定。由于地震统计单元的不确定性,对地震危险性分析结果,特别是地震动参数的结果影响较大。因此,有必要组织有关专家,对作为地震危险性分析中地震活动性参数统计单元的地震带同地球动力学研究中的地震带之异同进行讨论。在统一原则和方法的基础上,再对全国的地震统计单元划分方案进行调整。
(2)复核地震活动性参数。由于地震统计单元方案的调整变化,有必要对相应的地震活动性参数进行复核。在复核中应尽可能克服以往工作中的不足之处。复核后的参数经过试算检验,可推荐给各安评单位参考,以提高安评结果的科学性。
(3)建立新的地震动参数衰减关系。当前,多数安评报告使用的大都是霍俊荣于1989年得到的地震动参数衰减关系。十余年
来,强震观测资料增加了,分析方法也有改
进。所以,有必要、也有可能建立更为合理的地震动衰减关系。
(4)改进低概率地震动参数的确定方法。时下的资料处理与危险性分析统计方法,对于重现期为200～1000年的地震动参数估计结果较稳定,但对于重现期超过2000年的结果发散性较大,且有同构造法结果不协调的现象。因此,有必要对其资料处理和分析统计方法进行适当改进,以增强其结果的科学性。
(5)允许多元化的结果表述形式。崇尚科学需要尊重客观世界的多元性。采用多元化的结果表述方式,更能全面描述工程场地的地震危险性。况且,烈度和地震动参数在工程防震中的作用不同,其变异系数也有差别,不同的结果表述形式可以互为补充和相互佐证。即使在个别情况下出现烈度结果与地震动参数的不协调时,只要复核有关参数,确认无误后做必要的说明,使用者会区别对待的。
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ConfusionandHopeinSeismicRiskAnalysis
YanJiaquang
(InstituteofGeophysics,CEA,100081,Beijing,China)
Abstract Seismicriskanalysishasbeenlistedinnationalstandard,buttherearemanyques2tionsstillneedtobesolvedscientifically.
Keywords seismicriskanalysis;nationalstandard;hopeandsuggestion
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