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唐山区域概率地震危险性研究

董博 纪春玲 张合 李姜 吕国军

董博,纪春玲,张合, 等. 唐山区域概率地震危险性研究[J]. 华北地震科学,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.01.006
引用本文: 董博,纪春玲,张合, 等. 唐山区域概率地震危险性研究[J]. 华北地震科学,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375. 2020.01.006
DONG Bo,JI Chunling,ZHANG He, et al. Study on Probabilistic Seismic Risk in Tangshan Area[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.01.006
Citation: DONG Bo,JI Chunling,ZHANG He, et al. Study on Probabilistic Seismic Risk in Tangshan Area[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.01.006

唐山区域概率地震危险性研究

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.01.006
详细信息
    作者简介:

    董博(1986—),男,河北鹿泉人,工程师,主要负责地震监测与数据分析工作.E-mail:316683907@qq.com

  • 中图分类号: P315.4

Study on Probabilistic Seismic Risk in Tangshan Area

  • 摘要: 依据历史地震重演和构造类比原则对唐山地区进行潜在震源区划分,共确定出5个对研究区影响较大的潜在震源区。在确定地震活动性参数和地震动衰减关系后,将研究区网格化成60个均匀的独立场地单元,计算每个场地单元未来可能遭受相应超越概率的地震动峰值加速度;通过插值分析,将研究区原有地震区划中的基岩峰值加速度等值线间隔由0.05 g进一步细化为0.01 g;得到研究区50年超越概率为10%的基岩水平地震动峰值加速度分布图,表明唐山8.0级潜在震源区对研究区未来影响最大。
  • 图  1  区域断裂分布图

    图  2  区域及邻近地区潜在震源区划分图

    图  3  华北平原地震带b值拟合曲线

    图  4  郯庐地震带b值拟合曲线

    图  5  衰减关系计算反应谱与强震记录计算反应谱对比

    图  6  研究区概率地震危险性分析网格划分布局图

    图  7  研究区场地基岩水平加速度峰值超越概率曲线示例

    图  8  代表场地基岩水平加速度反应谱曲线图(50年超越概率)

    图  9  研究区基岩水平地震动峰值加速度分布图(单位:g)

    图  10  区域地震动峰值加速度图

    表  1  华北平原地震带分时段累计地震年平均发生率

    时间段M≥4.0M≥4.5M≥5.0M≥5.5M≥6.0M≥6.5M≥7.0M≥7.5M≥8.0
    1484—2010年0.260 00.127 10.053 10.026 60.011 40.005 70.001 9
    1500—2010年0.264 20.131 10.054 80.027 40.011 70.005 90.002 0
    1791—2010年0.422 70.172 70.081 80.040 90.022 70.009 1
    1950—2010年4.966 11.779 70.694 90.186 40.118 60.050 8
    联合4.966 11.779 70.422 70.172 70.081 80.040 90.011 40.005 70.001 9
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    表  2  郯庐地震带分时段累计地震年平均发生率

    时间段M≥4.0M≥4.5M≥5.0M≥5.5M≥6.0M≥6.5M≥7.0M≥7.5M≥8.0
    1484—2010年0.149 80.080 50.039 30.016 90.011 20.003 70.001 9
    1500—2010年0.150 70.080 20.039 10.017 60.011 70.003 90.002 0
    1892—2010年0.225 30.120 90.065 90.027 50.016 50.005 5
    1970—2010年7.268 31.682 90.317 10.097 60.024 40.024 4
    联合7.268 31.682 90.317 10.120 90.065 90.027 50.016 50.005 50.002 0
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    表  3  主要潜在震源区的空间分布函数

    潜在震源区4.0~4.9级5.0~5.4级5.5~5.9级6.0~6.4级6.5~6.9级7.0~7.4级≥7.5级
    滦县(7号)0.009 820.005 390.012 700.027 640.056 010.060 850
    唐山(8号)0.010 860.005 870.013 690.023 920.057 010.071 920.210 24
    唐海(12号)0.012 310.006 600.012 630.049 42000
    昌黎(11号)0.009 590.005 640.024 790000
    渤中(27号)0.012 250.008 550.022 610.039 990.049 260.228 010.584 23
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    表  4  研究区场地网格中心经纬度坐标汇总表

    场地经度/(°E)纬度/(°N)场地经度/(°E)纬度/(°N)场地经度/(°E)纬度/(°N)
    1118.3140.3721118.6539.6641118.0139.52
    2118.2540.3322118.9139.5242118.1139.41
    3118.4140.2123119.1239.4543118.2139.25
    4118.6240.1224119.1539.3744118.4739.02
    5118.7740.0525117.6739.9545118.1240.48
    6118.0040.2726117.7839.9246118.6140.32
    7118.2740.1827118.0239.7747118.8740.23
    8118.3840.1128118.2539.6248119.0040.13
    9118.5240.0029118.6639.5049119.0040.07
    10118.8339.9230118.7339.3750119.0239.82
    11117.7140.3231118.8739.3351118.8539.73
    12117.7340.1832119.1139.8352118.9839.58
    13118.0640.0333117.6139.9253117.8139.27
    14118.1539.9534117.7339.8354117.7839.42
    15118.4739.8735117.9539.6555117.5239.51
    16118.7239.8536118.0139.5256117.4239.73
    17117.8840.0137118.1339.4857117.4139.91
    18118.0239.9838118.4539.2758117.4240.00
    19118.3339.8339118.4839.2859117.7340.33
    20118.5839.7540117.7339.6260118.0240.45
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    表  5  各场地单元50年不同超越概率对应的基岩加速度数据统计表 cm/s2

    场地Fs0.994 80.870 10.630 20.395 00.330 80.181 60.099 80.048 80.019 80.0100
    19.3919.6531.4846.9453.0675.59101.98139.19196.80243.19
    210.0020.1432.1748.0754.2077.20104.02142.08200.42247.08
    310.8122.0434.7351.9958.5984.27115.05160.77228.67290.34
    411.7424.2937.6356.1663.4992.24128.17182.77263.72344.17
    512.7526.5241.1461.2569.39101.49143.26207.22306.78398.79
    610.6921.9534.7552.1058.5483.12110.95150.71207.48253.70
    710.9122.3335.2052.7259.4085.20115.54159.99225.06283.02
    811.5823.9737.3955.9563.2591.48125.53176.23250.82322.46
    912.6526.3240.9561.1669.34101.18141.10201.37291.06377.33
    1016.3933.6253.3679.1489.62130.25181.03252.02368.27467.54
    1115.8532.8352.2576.8686.43122.05164.45222.05310.15389.69
    1216.2033.4453.2078.4088.28124.85168.23226.64316.70396.20
    1312.2525.6540.0959.9967.9397.71131.87181.05250.33315.60
    1418.9438.7961.7992.26104.63152.59211.65299.21439.67569.32
    1517.7136.1657.4785.6197.16141.45196.77274.60401.59517.29
    1616.6634.0754.0780.2790.92131.89182.59252.68367.22464.57
    1714.9231.1149.7573.4182.68116.92157.52212.14291.58366.54
    1818.8938.6061.4691.78104.08151.51209.34293.68429.27560.00
    1918.2437.2459.2188.19100.10145.40201.77282.31413.69530.00
    2016.6734.0954.1580.4191.02131.38180.73248.56359.65452.95
    2116.0933.0452.5577.8887.97126.13172.20234.70334.28418.04
    2214.9931.0549.4472.8782.11116.32157.18212.63293.61369.64
    2313.3127.8743.4663.4271.2899.04129.02171.36230.77283.36
    2413.3728.0543.8964.1272.13100.30130.77173.69233.58286.91
    2519.3838.7760.7688.98100.33141.48189.89253.08355.70437.90
    2619.2338.5360.5088.85100.29141.89190.43253.35355.43436.17
    2719.2339.1662.1792.48104.72151.95209.92295.56433.95560.00
    2817.5035.6956.6884.1395.26136.98187.84258.34374.11476.20
    2910.1922.6437.8559.4968.35102.02139.34196.48270.19342.88
    3015.1331.4550.2874.1883.46117.79158.37212.84291.63365.93
    3114.8730.9649.4172.7981.93115.39154.91208.06283.43356.43
    3214.6630.6048.7871.8480.89113.76152.54204.77277.98350.24
    3319.6039.1361.2489.54100.88142.04190.31253.16355.24436.84
    3419.3438.6460.5788.81100.22141.75190.32253.44355.84437.04
    3519.4738.9161.0689.94101.64145.60198.54269.71384.78485.27
    3619.6339.3761.8791.21103.05148.17202.63277.77398.53506.96
    3717.3635.4256.2183.2494.13134.77183.94251.53362.54457.93
    3815.6232.4051.7976.5486.13121.63163.52219.57302.95378.91
    3915.5832.3351.6676.3485.91121.31163.10219.01302.00377.82
    4019.3238.5060.2388.2899.64141.48191.21256.96363.57451.12
    4119.6339.3761.8791.21103.05148.17202.63277.77398.53506.96
    4217.0734.9155.4282.0092.65132.36180.14245.27352.15441.18
    4316.2733.6553.6679.3189.40126.75170.97230.00321.54400.48
    4415.6332.8052.6877.8787.60123.30165.20221.10304.71380.54
    458.3018.7530.2844.9951.0772.0096.20128.92178.89220.35
    4610.2220.5232.5648.5654.7978.73107.99152.12218.90278.24
    4711.3223.2636.1753.8560.7588.02122.66175.91255.53333.50
    4813.5929.2746.7068.9177.84111.00152.47214.65317.57414.04
    4913.9829.8647.5669.9078.87112.46154.68218.39325.28424.35
    5013.3127.7643.1062.9170.6998.68129.69173.99236.97294.20
    5115.6732.2751.3275.9385.70122.90168.05229.54325.94408.35
    5214.8830.8248.9672.1781.37115.46156.41212.37294.44371.38
    5319.0338.5960.8589.52101.07143.91194.95263.04373.18466.02
    5419.3238.7860.8589.36100.89143.76195.09263.78374.92469.26
    5519.2438.4760.1487.7698.84139.08186.16247.95348.37427.51
    5619.5738.8560.5087.9498.91138.41184.74245.41343.02421.58
    5719.9039.4961.5289.49100.65140.88187.95249.38349.31428.49
    5820.2240.5063.5493.26104.95148.95200.80271.29386.06488.75
    5915.2731.6950.4774.1183.31117.54158.35214.00296.85374.36
    609.0519.4931.3446.7652.8174.5999.31132.35182.58223.53
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    表  6  代表场地基岩水平加速度反应谱 cm/s2

    周期/s50年超越概率周期/s50年超越概率周期/s50年超越概率
    63%10%2%63%10%2%63%10%2%
    0.000 37.85139.34270.190.160104.70328.26620.000.700 47.89233.14544.59
    0.030 37.88139.90271.930.180111.75362.45680.000.900 33.16181.43438.60
    0.032 37.99141.41278.250.200105.47355.89680.001.500 19.63126.23328.10
    0.036 40.85151.56289.560.240 99.03347.14680.001.700 17.50108.71281.46
    0.040 40.82150.90289.830.260 99.12356.96710.002.000 14.74 98.40262.05
    0.044 41.64151.66290.800.300 93.39358.01740.002.400 12.18 83.99230.98
    0.050 44.32158.70304.410.340 92.50383.89830.003.000 8.17 66.21186.40
    0.060 51.32181.50353.970.380 83.52365.06800.004.000 2.55 45.03125.55
    0.070 53.24182.67350.100.400 79.27357.97800.004.500 1.66 40.10113.83
    0.080 61.69209.03399.040.420 68.50308.31680.005.000 1.06 35.39102.19
    0.100 72.08228.21424.930.460 62.79295.07680.005.500 0.79 32.44 94.86
    0.120 90.60280.97530.000.500 62.23297.14680.006.000 0.60 30.85 91.02
    0.140 99.62304.70560.000.600 52.25243.68560.00
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    表  7  潜在震源区对代表场地峰值加速度的贡献

    潜在震源区名称基岩峰值加速度/(cm/s2
    10255075100150200
    滦县1.20×10−25.22×10−32.91×10−31.70×10−31.01×10−33.25×10−49.93×10−5
    唐山8.06×10−34.38×10−32.53×10−31.63×10−31.11×10−34.84×10−41.52×10−4
    唐海1.99×10−26.02×10−32.35×10−31.23×10−36.43×10−49.84×10−50.00
    昌黎6.85×10−31.49×10−32.08×10−42.15×10−50.000.000.00
    渤中4.43×10−32.51×10−34.56×10−43.39×10−50.000.000.00
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    表  8  主要潜源对场地50年超越概率63%、10%、2%对应的地震动峰值加速度的贡献

    %
    50年超越概率滦县唐山唐海昌黎渤中其他
    6334.4029.9827.762.465.404.00
    1036.5740.1823.250.000.003.00
    239.5560.45 0.000.000.002.50
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    表  9  研究区各个场地单元50年超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度as统计表

    场地as/(cm/s2场地as/(cm/s2场地as/(cm/s2场地as/(cm/s2
    1101.9816182.5931154.9146107.99
    2104.0217157.5232152.5447122.66
    3115.0518209.3433190.3148152.47
    4128.1719201.7734190.3249154.68
    5143.2620180.7335198.5450129.69
    6110.9521172.2036202.6351168.05
    7115.5422157.1837183.9452156.41
    8125.5323129.0238163.5253194.95
    9141.1024130.7739163.1054195.09
    10181.0325189.8940191.2155186.16
    11164.4526190.4341202.6356184.74
    12168.2327209.9242180.1457187.95
    13131.8728187.8443170.9758200.80
    14211.6529141.3444165.2059158.35
    15196.7730158.374596.2060 99.31
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    表  10  部分场地峰值加速度计算结果与地震动参数区划研究成果对比

    场地计算结果/(cm/s2区划结果/(cm/s2场地计算结果/(cm/s2区划结果/(cm/s2场地计算结果/(cm/s2区划结果/(cm/s2
    10.10 g0.10 g220.15 g0.15 g430.20 g0.15 g
    100.20 g0.20 g290.15 g0.15 g490.20 g0.15 g
    170.20 g0.15 g370.20 g0.20 g560.20 g0.20 g
    200.20 g0.20 g400.20 g0.20 g600.10 g0.10 g
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-11
  • 网络出版日期:  2020-04-08
  • 刊出日期:  2020-01-01

唐山区域概率地震危险性研究

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.01.006
    作者简介:

    董博(1986—),男,河北鹿泉人,工程师,主要负责地震监测与数据分析工作.E-mail:316683907@qq.com

  • 中图分类号: P315.4

摘要: 依据历史地震重演和构造类比原则对唐山地区进行潜在震源区划分,共确定出5个对研究区影响较大的潜在震源区。在确定地震活动性参数和地震动衰减关系后,将研究区网格化成60个均匀的独立场地单元,计算每个场地单元未来可能遭受相应超越概率的地震动峰值加速度;通过插值分析,将研究区原有地震区划中的基岩峰值加速度等值线间隔由0.05 g进一步细化为0.01 g;得到研究区50年超越概率为10%的基岩水平地震动峰值加速度分布图,表明唐山8.0级潜在震源区对研究区未来影响最大。

English Abstract

董博,纪春玲,张合, 等. 唐山区域概率地震危险性研究[J]. 华北地震科学,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.01.006
引用本文: 董博,纪春玲,张合, 等. 唐山区域概率地震危险性研究[J]. 华北地震科学,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375. 2020.01.006
DONG Bo,JI Chunling,ZHANG He, et al. Study on Probabilistic Seismic Risk in Tangshan Area[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.01.006
Citation: DONG Bo,JI Chunling,ZHANG He, et al. Study on Probabilistic Seismic Risk in Tangshan Area[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(1):38-48. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.01.006
    • 20世纪60年代,麻省理工学院的美国教授C. A. Conell[1]提出了概率地震危险性分析方法,这种方法充分考虑了地震宏观影响形成的物理过程和地震发生的不确定性,可以为工程抗震提供更为合理的依据,所以在工程地震中得到了较为广泛的运用。章在墉等、时振梁等、高孟潭引用并多次改进该方法[2-5],较好地反映了中国地震活动的时空不均匀性,从而使地震危险性分析得到了很大的发展。常用的概率地震危险性分析方法中,雷建设等首先提出了潜在地震破裂面源模型,探讨了该模型在地震危险性分析中的应用,并提出了双场点地震危险性分析方法[6];陈仁法等对南海北部做地震危险性分析时,重新划分了南海北部海域的潜在震源区,并调整了相关的地球物理参数,得出东区的地震动峰值加速度和西区大部分海域的地震动峰值加速度[7]。在改进分析方法方面,王国新等人总结分析了中国历史地震活动及等震线的某些特征,提出了地震烈度衰减模型,改进了地震的双态泊松模型,并探讨了潜在震源区划分的不确定性[8];刘特培等计算了研究区各地的地应力分布,并依据GPS有关观测结合地震活动参数和有关数理统计结果,对广东及邻区地震活动特征和地震危险性做出了分析[9]。其他学者均根据自身研究需要对概率地震危险性分析方法进行了改进和完善[10-12]。唐山地区概率地震危险性分析资料的运用基本都是针对单个场地,缺少整个唐山地区的地震危险性研究,全国地震动峰值加速度区划图唐山地区部分给出的结果也比较粗略。本文通过对唐山地区进行网格划分,并对各场地单元独立进行概率地震危险性分析,绘制得到了更为详细的唐山地区基岩峰值加速度分布图。

    • 研究区在大地构造上隶属于中朝准地台,在新构造分区上涉及华北平原坳陷区,太行燕山隆起区2个二级新构造单元。区域新构造运动具有继承性和新生性,时间上具阶段性,空间上具差异性、掀斜性。地震活动是新构造运动的重要表现形式。

      研究区内共有32条断裂(图1),具有如下特征。

      图  1  区域断裂分布图

      1)NE-NNE向活动断裂是区内的主干活动断裂,其次是与之近于正交的NW-NWW向活动断裂。它们对分析区域构造地貌、第四纪地质、新构造运动起重要作用,规模较大,一般长度在数十至数百公里,往往成为划分不同级别活动构造单元的边界断裂。

      2)根据多年断裂活动性的研究资料,第四纪活动断裂区分为全新世(Q4)、晚更新世(Q3)、中更新世(Q2)、早更新世(Q1)等不同时代的活动断裂,对于无法准确判明最新活动时代的断裂划为第四纪活动断裂,许多断裂具有活动分段特征,有些断裂的每个活动段很小,一般是盆地边缘的拉张性活动。

      3)区域内断裂第四纪活动性质以正断层为主。断层在剖面上多为上陡下缓的铲形断层,断面消失在10 km深度以内。有些第四纪活动断裂的倾角很小(20°~30°),成为滑脱拆离构造。

      潜在震源区是指未来具有发生破坏性地震潜在可能性的地区。以历史地震重演和构造类比为原则,结合该区域及近场区地震构造、地震活动环境的研究成果,采用最新的区划研究成果。该研究区内共确定出6级以上潜在震源区29个,位于华北平原地震带和郯庐地震带(图2)。其中,对研究区影响较大的5个潜在震源区进行描述。

      图  2  区域及邻近地区潜在震源区划分图

      1)滦县7.5级潜在震源区(7号)

      该潜源主体位于NE向唐山断裂带北延部位和NW向滦县-乐亭断裂的北段,1976年7.1级地震沿滦县-乐亭断裂带中支断裂形成长达7 km呈弧形展布的地震形变带。按历史地震重复性的原则,震级上限定为7.5级。

      2)唐山8.0级潜在震源区(8号)

      唐山断裂走向NE,倾向SE,倾角80°左右,长约50 km,属正-平移性质。该断裂新生代以来活动明显,为晚更新世-全新世活动断层。1976年唐山7.8级地震造成长约8 km的地表形变带。蓟运河断裂沿蓟运河展布,西北端与香河-宝坻断裂相连,东南端与滦县-乐亭断裂相交,走向NW30°,长约60 km,为正断性质,断裂在第四系底界断距达100 m左右,推测上断点断至上更新统。1976年唐山7.8级地震的强余震—1976年11月15日宁河6.9级地震沿此断裂有分布,并且这些强余震震源机制解的结果和烈度分布揭示其发震断裂为NW向,是蓟运河断裂在大震影响下活动的结果。

      该区位于NE向唐山-河间-磁县断裂带与NW向蓟运河断裂的交汇部位,处于上地幔隆起的边缘地带。1976年唐山7.8级大地震发生后,形成了NE向的余震密集分布区。1970年以后的仪器记录地震有1500多次。综合上述特征,将其震级上限定为8.0级。

      3)唐海6.5级潜在震源区(12号)

      NE向昌黎断裂与NW向柏各庄断裂通过该区,沿这2条断裂交汇区划分,在第四纪初期有一定的活动性。历史上发生4.7级以上地震13次,最大地震为1624年滦县6.5级地震。现代小震活动密集成带,1970年以后的仪器记录地震有290多次,最大地震为ML5.8。故将其震级上限定为6.5级。

      4)昌黎6.0级潜在震源区(11号)

      NE向昌黎断裂和NW向建昌营断裂通过该区,沿这2条断裂带划分,第四纪早期有过活动,历史上发生4.7级以上地震4次,最大地震为1945年滦县$6\frac{1}{4}$级地震。现代小震活动密集成带,1970年以后的仪器记录地震有170多次,最大地震为ML5.3级。根据上述特征,将其震级上限定为6.0级。

      5)渤中8.0级潜在震源区(27号)

      主体位于张家口-渤海断裂带和营潍断裂带交汇部位,历史上1597年发生过7级地震,现今小震频繁,鉴于地震构造和强震活动特征,震级上限定为8.0级。

    • 依据地震构造和地震活动性研究结果,研究区位于华北平原地震带和郯庐地震带内。

      1)震级上限Muz

      震级上限Muz是指震级-频度关系式中,累积频度趋于零的震级极限值。综合地震构造和地震活动水平等因素,确定华北平原地震带的震级上限为8.0级,郯庐地震带的震级上限为8.5级。

      2)起算震级M0

      起算震级是指对工程场点可能有影响的最小震级。由于中国大陆地区绝大多数是浅源地震,历史上不少4.0级左右的地震也造成轻破坏效应,因此将起算震级M0定为4.0级。

      3)各地震带b值和年平均发生率v4

      b值代表着地震带内不同大小地震频数的比例关系,其统计表达式为:

      $${\rm{Log}}N = a - bM$$ (1)

      式中:N是地震个数;M是地震震级;ab为常数,a反映平均地震活动水平,b反映大小地震的比例关系。

      ①华北平原地震带:华北平原地震带1484年之前地震缺失较多,1484年5级地震记录基本完整。依据表1所统计的不同时段地震发生率,采用分时段、分震级联合计算震级-年发生率关系式[13]表1图3),得到b=0.83,v4=3.96。考虑到华北地区M4.0以上地震的年发生率大致相当1950年以来地震活动水平,将计算得到的v4=3.96与利用1970年地震资料统计得到的v4=4.96两者平均,从而确定华北平原地震带地震活动性参数为b=0.83,v4=4.5。

      表 1  华北平原地震带分时段累计地震年平均发生率

      时间段M≥4.0M≥4.5M≥5.0M≥5.5M≥6.0M≥6.5M≥7.0M≥7.5M≥8.0
      1484—2010年0.260 00.127 10.053 10.026 60.011 40.005 70.001 9
      1500—2010年0.264 20.131 10.054 80.027 40.011 70.005 90.002 0
      1791—2010年0.422 70.172 70.081 80.040 90.022 70.009 1
      1950—2010年4.966 11.779 70.694 90.186 40.118 60.050 8
      联合4.966 11.779 70.422 70.172 70.081 80.040 90.011 40.005 70.001 9

      图  3  华北平原地震带b值拟合曲线

      ②郯庐地震带:郯庐地震带1500年之前地震缺失较多,1500年后5.0级以上地震记录才基本完整。M≥5.0地震发生较为平稳,1970年以来4级以上地震记录较全,1477年和1829年是2个地震活动相对密集期的开始,未来地震活动水平不应低估其活跃期水平。统计了郯庐地震带不同时段的地震发生率,采用分时段、分震级联合计算震级-年发生率关系式(表2图4),得到a=3.89,b=0.83,v4=4.0。

      表 2  郯庐地震带分时段累计地震年平均发生率

      时间段M≥4.0M≥4.5M≥5.0M≥5.5M≥6.0M≥6.5M≥7.0M≥7.5M≥8.0
      1484—2010年0.149 80.080 50.039 30.016 90.011 20.003 70.001 9
      1500—2010年0.150 70.080 20.039 10.017 60.011 70.003 90.002 0
      1892—2010年0.225 30.120 90.065 90.027 50.016 50.005 5
      1970—2010年7.268 31.682 90.317 10.097 60.024 40.024 4
      联合7.268 31.682 90.317 10.120 90.065 90.027 50.016 50.005 50.002 0

      图  4  郯庐地震带b值拟合曲线

    • 1)潜在震源区的震级上限Mu

      潜在震源区的震级上限Mu是指该潜在震源区内可能发生的最大地震。本研究区各潜在震源区的震级上限见图2

      2)空间分布函数$f_{i,m_j} $

      在地震统计区内,须把地震统计区各震级档地震的年平均发生率分配给各相应的潜在震源区。这里采用空间分布函数,根据各潜在震源区发生不同震级档地震可能性的大小,对统计区各震级档的地震年平均发生率进行不等权分配。

      空间分布函数$ f_{i,m_j} $的物理含义是地震统计区内发生一个mj档震级的地震落在第i个潜在震源区内概率的大小。在同一地震统计区内$f_{i,m_j} $满足归一条件(对不同震级档mj):

      $$\sum\limits_{i = 1}^n {{f_{i,{m_j}}}} = 1$$ (2)

      式中:n为地震统计区内第mj档潜在震源区的总数。在本研究中,mj从4.0到8.5共分成7个震级档,即4.0~4.9,5.0~5.4,5.5~5.9,6.0~6.4,6.5~6.9,7.0~7.4,≥7.5。

      依据上述原则与方法,对研究区影响较大的潜在震源区的空间分布函数列于表3中。

      表 3  主要潜在震源区的空间分布函数

      潜在震源区4.0~4.9级5.0~5.4级5.5~5.9级6.0~6.4级6.5~6.9级7.0~7.4级≥7.5级
      滦县(7号)0.009 820.005 390.012 700.027 640.056 010.060 850
      唐山(8号)0.010 860.005 870.013 690.023 920.057 010.071 920.210 24
      唐海(12号)0.012 310.006 600.012 630.049 42000
      昌黎(11号)0.009 590.005 640.024 790000
      渤中(27号)0.012 250.008 550.022 610.039 990.049 260.228 010.584 23

      3)椭圆长轴取向及其方向性函数

      在地震危险性分析计算中,等震线取向与相应潜在震源区的构造走向有关,其方向性函数可表示为:

      $$f(\theta ) = {P_1}\delta ({\theta _1}) + {P_2}\delta ({\theta _2})$$ (3)

      式中:θ为潜在震源区内构造走向与正东方向的夹角;P1P2为相应的取向概率。θP1P2在同一潜在震源区内相同,不同的潜在震源区可以不同。

    • 地震动衰减关系是地震危险性分析中的重要环节。基于基本结构动力学原理,参照现有的利用峰值位移估计长周期反应谱的方法[14],对具有显著长周期误差记录的长周期反应谱值进行处理,使其位移谱在长周期范围按一定方式逼近峰值位移。在地震动参数衰减模型中,考虑到加速度峰值和反应谱的高频分量在大震级和近距离的饱和特性,采用III型衰减模型:

      $$\lg Y = {c_1} + {c_2}M + {c_3}{M^2} + {c_4}\lg \left[ {R + {c_5}\exp \left( {{c_6}M} \right)} \right] + \varepsilon 。$$ (4)

      式中:Y代表加速度反应谱在不同控制周期点处的谱值(单位:cm/s2);M为震级;R为震中距(单位:km);c1c6为回归系数;ε为随机变量,其标准差为σ

    • 将收集到的华北地区现有的一些强震动记录,计算其反应谱,与本文所采用的基岩加速度反应谱衰减关系计算所得到的反应谱进行比较。这些强震基岩加速度记录包括以下台站的2个水平分向:1976年7月28日唐山7.8级地震,红山台震中距391.3 km;1976年8月9日唐山5.7级地震,迁安滦河桥台震中距11.4 km,昌黎凤凰山台震中距30.9 km;2012年唐山4.8级地震,下营台震中距117.4 km。反应谱的对比曲线见图5

      图  5  衰减关系计算反应谱与强震记录计算反应谱对比

      记录的计算反应谱与衰减关系计算所得的反应谱的比较结果表明,本文所采用的基岩加速度反应谱衰减关系的计算值总体上比实际地震记录的偏高,只有2012年唐山4.8级地震反应谱在短周期部分比基岩加速度衰减关系计算值偏高。由于确定衰减关系用到的地震目录大部分为5.0级以上强震,对于4.8级地震存在一定的拟合误差是在可允许范围之内的。

    • 为了能够全面反映研究区基岩水平地震动峰值加速度情况,将研究区按一定间隔距离划分成60个彼此相邻的场地单元并编号(图6)。其中,1#~44#为唐山地区内部的场地单元,45#~60#为唐山邻区的场地单元(表4)。应用成熟的地震安全性评价软件依次对每一个场地单元未来一定时期内可能遭受的地震动峰值加速度和相应的超越概率进行独立分析。最后,综合各个场地单元的分析结果,形成唐山及邻区未来50年超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度的分布图。

      表 4  研究区场地网格中心经纬度坐标汇总表

      场地经度/(°E)纬度/(°N)场地经度/(°E)纬度/(°N)场地经度/(°E)纬度/(°N)
      1118.3140.3721118.6539.6641118.0139.52
      2118.2540.3322118.9139.5242118.1139.41
      3118.4140.2123119.1239.4543118.2139.25
      4118.6240.1224119.1539.3744118.4739.02
      5118.7740.0525117.6739.9545118.1240.48
      6118.0040.2726117.7839.9246118.6140.32
      7118.2740.1827118.0239.7747118.8740.23
      8118.3840.1128118.2539.6248119.0040.13
      9118.5240.0029118.6639.5049119.0040.07
      10118.8339.9230118.7339.3750119.0239.82
      11117.7140.3231118.8739.3351118.8539.73
      12117.7340.1832119.1139.8352118.9839.58
      13118.0640.0333117.6139.9253117.8139.27
      14118.1539.9534117.7339.8354117.7839.42
      15118.4739.8735117.9539.6555117.5239.51
      16118.7239.8536118.0139.5256117.4239.73
      17117.8840.0137118.1339.4857117.4139.91
      18118.0239.9838118.4539.2758117.4240.00
      19118.3339.8339118.4839.2859117.7340.33
      20118.5839.7540117.7339.6260118.0240.45

      图  6  研究区概率地震危险性分析网格划分布局图

    • 鉴于区域内地震的衰减具有方向性,其往往取决于发震断层的方向,沿断层方向衰减慢,垂直于断层方向衰减快,通常称衰减长轴方向和短轴方向,并且有些地震的发生,断层破裂具有共轭的特征,因此,本文选用共轭椭圆衰减模型。

    • 在潜在震源区划分、地震活动性参数和地震动衰减关系确定的基础上,利用概率地震危险性分析软件计算得到了研究区各场地单元的基岩水平加速度峰值超越概率曲线、场地单元对应的基岩加速度数据(表5)和基岩加速度反应谱(表6)。限于篇幅,只选取29#场地作为示例(图7)。

      表 5  各场地单元50年不同超越概率对应的基岩加速度数据统计表 cm/s2

      场地Fs0.994 80.870 10.630 20.395 00.330 80.181 60.099 80.048 80.019 80.0100
      19.3919.6531.4846.9453.0675.59101.98139.19196.80243.19
      210.0020.1432.1748.0754.2077.20104.02142.08200.42247.08
      310.8122.0434.7351.9958.5984.27115.05160.77228.67290.34
      411.7424.2937.6356.1663.4992.24128.17182.77263.72344.17
      512.7526.5241.1461.2569.39101.49143.26207.22306.78398.79
      610.6921.9534.7552.1058.5483.12110.95150.71207.48253.70
      710.9122.3335.2052.7259.4085.20115.54159.99225.06283.02
      811.5823.9737.3955.9563.2591.48125.53176.23250.82322.46
      912.6526.3240.9561.1669.34101.18141.10201.37291.06377.33
      1016.3933.6253.3679.1489.62130.25181.03252.02368.27467.54
      1115.8532.8352.2576.8686.43122.05164.45222.05310.15389.69
      1216.2033.4453.2078.4088.28124.85168.23226.64316.70396.20
      1312.2525.6540.0959.9967.9397.71131.87181.05250.33315.60
      1418.9438.7961.7992.26104.63152.59211.65299.21439.67569.32
      1517.7136.1657.4785.6197.16141.45196.77274.60401.59517.29
      1616.6634.0754.0780.2790.92131.89182.59252.68367.22464.57
      1714.9231.1149.7573.4182.68116.92157.52212.14291.58366.54
      1818.8938.6061.4691.78104.08151.51209.34293.68429.27560.00
      1918.2437.2459.2188.19100.10145.40201.77282.31413.69530.00
      2016.6734.0954.1580.4191.02131.38180.73248.56359.65452.95
      2116.0933.0452.5577.8887.97126.13172.20234.70334.28418.04
      2214.9931.0549.4472.8782.11116.32157.18212.63293.61369.64
      2313.3127.8743.4663.4271.2899.04129.02171.36230.77283.36
      2413.3728.0543.8964.1272.13100.30130.77173.69233.58286.91
      2519.3838.7760.7688.98100.33141.48189.89253.08355.70437.90
      2619.2338.5360.5088.85100.29141.89190.43253.35355.43436.17
      2719.2339.1662.1792.48104.72151.95209.92295.56433.95560.00
      2817.5035.6956.6884.1395.26136.98187.84258.34374.11476.20
      2910.1922.6437.8559.4968.35102.02139.34196.48270.19342.88
      3015.1331.4550.2874.1883.46117.79158.37212.84291.63365.93
      3114.8730.9649.4172.7981.93115.39154.91208.06283.43356.43
      3214.6630.6048.7871.8480.89113.76152.54204.77277.98350.24
      3319.6039.1361.2489.54100.88142.04190.31253.16355.24436.84
      3419.3438.6460.5788.81100.22141.75190.32253.44355.84437.04
      3519.4738.9161.0689.94101.64145.60198.54269.71384.78485.27
      3619.6339.3761.8791.21103.05148.17202.63277.77398.53506.96
      3717.3635.4256.2183.2494.13134.77183.94251.53362.54457.93
      3815.6232.4051.7976.5486.13121.63163.52219.57302.95378.91
      3915.5832.3351.6676.3485.91121.31163.10219.01302.00377.82
      4019.3238.5060.2388.2899.64141.48191.21256.96363.57451.12
      4119.6339.3761.8791.21103.05148.17202.63277.77398.53506.96
      4217.0734.9155.4282.0092.65132.36180.14245.27352.15441.18
      4316.2733.6553.6679.3189.40126.75170.97230.00321.54400.48
      4415.6332.8052.6877.8787.60123.30165.20221.10304.71380.54
      458.3018.7530.2844.9951.0772.0096.20128.92178.89220.35
      4610.2220.5232.5648.5654.7978.73107.99152.12218.90278.24
      4711.3223.2636.1753.8560.7588.02122.66175.91255.53333.50
      4813.5929.2746.7068.9177.84111.00152.47214.65317.57414.04
      4913.9829.8647.5669.9078.87112.46154.68218.39325.28424.35
      5013.3127.7643.1062.9170.6998.68129.69173.99236.97294.20
      5115.6732.2751.3275.9385.70122.90168.05229.54325.94408.35
      5214.8830.8248.9672.1781.37115.46156.41212.37294.44371.38
      5319.0338.5960.8589.52101.07143.91194.95263.04373.18466.02
      5419.3238.7860.8589.36100.89143.76195.09263.78374.92469.26
      5519.2438.4760.1487.7698.84139.08186.16247.95348.37427.51
      5619.5738.8560.5087.9498.91138.41184.74245.41343.02421.58
      5719.9039.4961.5289.49100.65140.88187.95249.38349.31428.49
      5820.2240.5063.5493.26104.95148.95200.80271.29386.06488.75
      5915.2731.6950.4774.1183.31117.54158.35214.00296.85374.36
      609.0519.4931.3446.7652.8174.5999.31132.35182.58223.53

      表 6  代表场地基岩水平加速度反应谱 cm/s2

      周期/s50年超越概率周期/s50年超越概率周期/s50年超越概率
      63%10%2%63%10%2%63%10%2%
      0.000 37.85139.34270.190.160104.70328.26620.000.700 47.89233.14544.59
      0.030 37.88139.90271.930.180111.75362.45680.000.900 33.16181.43438.60
      0.032 37.99141.41278.250.200105.47355.89680.001.500 19.63126.23328.10
      0.036 40.85151.56289.560.240 99.03347.14680.001.700 17.50108.71281.46
      0.040 40.82150.90289.830.260 99.12356.96710.002.000 14.74 98.40262.05
      0.044 41.64151.66290.800.300 93.39358.01740.002.400 12.18 83.99230.98
      0.050 44.32158.70304.410.340 92.50383.89830.003.000 8.17 66.21186.40
      0.060 51.32181.50353.970.380 83.52365.06800.004.000 2.55 45.03125.55
      0.070 53.24182.67350.100.400 79.27357.97800.004.500 1.66 40.10113.83
      0.080 61.69209.03399.040.420 68.50308.31680.005.000 1.06 35.39102.19
      0.100 72.08228.21424.930.460 62.79295.07680.005.500 0.79 32.44 94.86
      0.120 90.60280.97530.000.500 62.23297.14680.006.000 0.60 30.85 91.02
      0.140 99.62304.70560.000.600 52.25243.68560.00

      图  7  研究区场地基岩水平加速度峰值超越概率曲线示例

      图8给出了代表场地的3个概率水准的地震危险性计算结果。可以看出,随着概率水准降低,计算结果越来越大,例如T=0.3 s时,超越概率为63%、10%、2%,对应的加速度反应谱值分别为93.39 cm/s2、358.01 cm/s2、740.00 cm/s2。谱形越来越宽,例如超越概率为63%、10%、2%,加速度反应谱值为111.75 cm/s2、383.89 cm/s2、830.00 cm/s2 时对应的T分别为0.180 s、0.340 s、0.340 s。

      图  8  代表场地基岩水平加速度反应谱曲线图(50年超越概率)

      表78可以看出,29#场地的地震危险性来自周边地区多个潜在震源区的综合贡献,对场地峰值加速度贡献最大的潜在震源区为唐山潜在震源区(8号源);其次为滦县潜在震源区(7号源)、唐海潜在震源区(12号源)、昌黎潜在震源区(11号源)和渤中潜在震源区(25号源)。

      表 7  潜在震源区对代表场地峰值加速度的贡献

      潜在震源区名称基岩峰值加速度/(cm/s2
      10255075100150200
      滦县1.20×10−25.22×10−32.91×10−31.70×10−31.01×10−33.25×10−49.93×10−5
      唐山8.06×10−34.38×10−32.53×10−31.63×10−31.11×10−34.84×10−41.52×10−4
      唐海1.99×10−26.02×10−32.35×10−31.23×10−36.43×10−49.84×10−50.00
      昌黎6.85×10−31.49×10−32.08×10−42.15×10−50.000.000.00
      渤中4.43×10−32.51×10−34.56×10−43.39×10−50.000.000.00

      表 8  主要潜源对场地50年超越概率63%、10%、2%对应的地震动峰值加速度的贡献

      %
      50年超越概率滦县唐山唐海昌黎渤中其他
      6334.4029.9827.762.465.404.00
      1036.5740.1823.250.000.003.00
      239.5560.45 0.000.000.002.50

      中国抗震设防分为3个水准,即50年超越概率为63%的众值烈度,50年超越概率为10%的基本烈度和50年超越概率为2%的罕遇烈度。选取基本烈度,即50年超越概率10%的研究区各个场地单元基岩水平地震动峰值加速度进行分析(表9)。

      表 9  研究区各个场地单元50年超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速度as统计表

      场地as/(cm/s2场地as/(cm/s2场地as/(cm/s2场地as/(cm/s2
      1101.9816182.5931154.9146107.99
      2104.0217157.5232152.5447122.66
      3115.0518209.3433190.3148152.47
      4128.1719201.7734190.3249154.68
      5143.2620180.7335198.5450129.69
      6110.9521172.2036202.6351168.05
      7115.5422157.1837183.9452156.41
      8125.5323129.0238163.5253194.95
      9141.1024130.7739163.1054195.09
      10181.0325189.8940191.2155186.16
      11164.4526190.4341202.6356184.74
      12168.2327209.9242180.1457187.95
      13131.8728187.8443170.9758200.80
      14211.6529141.3444165.2059158.35
      15196.7730158.374596.2060 99.31

      本文选取部分场地,依据中国地震动参数区划图中地震动峰值加速度分区的取值范围和地震动峰值加速度调整系数,计算出各场地相对应的Ⅱ类场地的地震动加速度峰值,并与区划结果进行了对比(表10)。由表10可以看出,本文所计算的场地地震动峰值加速度与区划结果基本一致,虽有部分出入,但差距不大,主要原因是区划结果是选取某一区域的平均值,而计算结果是网格化的中心点。

      表 10  部分场地峰值加速度计算结果与地震动参数区划研究成果对比

      场地计算结果/(cm/s2区划结果/(cm/s2场地计算结果/(cm/s2区划结果/(cm/s2场地计算结果/(cm/s2区划结果/(cm/s2
      10.10 g0.10 g220.15 g0.15 g430.20 g0.15 g
      100.20 g0.20 g290.15 g0.15 g490.20 g0.15 g
      170.20 g0.15 g370.20 g0.20 g560.20 g0.20 g
      200.20 g0.20 g400.20 g0.20 g600.10 g0.10 g

      根据表9所示数据,将研究区各个场地单元基岩水平地震动峰值加速度赋予各场地中心点,利用surfer软件,做出研究区未来50年超越概率为10%的基岩水平地震动峰值加速度分布图(图9)。通过与中国地震动峰值加速度区划图唐山地区部分(图10)进行对比看出,基岩水平地震动峰值加速度变化趋势与区划图基本一致。此外,本文在研究区的地震危险性划分方面做了更进一步的分析与探讨。原有的地震区划只是对唐山及邻区的总体基岩峰值加速度做了统计,较为笼统地将该区域的加速度确定为0.10 cm/s2、0.15 cm/s2和0.20 cm/s2,等值线间隔为0.05 cm/s2。本次通过对唐山及邻区进行网格划分,并对研究区网格的中心点进行分析,最后得到了较为详细的研究区基岩峰值加速度分布图,范围拓展到了0.11 cm/s2到0.21 cm/s2之间,加速度等值线的间隔为0.01 cm/s2

      图  9  研究区基岩水平地震动峰值加速度分布图(单位:g)

      图  10  区域地震动峰值加速度图

      图9可以看出,研究区北部地区的基岩峰值加速度值普遍呈现较小的趋势,范围在0.11~0.14 g之间,东南部地区较北部地区峰值加速度偏大,范围在0.14~0.17 g之间,中西部区域的基岩峰值加速度值呈现普遍偏大的趋势,尤其在118.1°E,39.5°N附近为区域峰值加速度的最大值,为地震的危险区域,且此区域为唐山8.0级潜在震源区(8号)的所在位置。因此,对研究区影响最大的潜在震源区为唐山8.0级潜在震源区。

    • 在潜在震源区划分、地震活动性参数和地震动衰减关系确定的基础上,将研究区按照一定的间隔距离划分成60个彼此相邻的场地单元并编号,对每一个场地单元未来一定时期内可能遭受的地震动峰值加速度和相应的超越概率进行了独立分析。将研究区各个场地单元基岩水平地震动峰值加速度值赋予各场地中心点,利用surfer软件,通过插值分析,做出唐山地区未来50年超越概率为10%的基岩水平地震动峰值加速度分布图。分析认为,唐山北部地区的基岩峰值加速度值普遍呈现较小的趋势,范围在0.11~0.14 g之间;东南部地区较北部地区峰值加速度偏大,范围在0.14~0.17 g之间;中西部区域的基岩峰值加速度值呈现普遍偏大的趋势,尤其在118.1°E、39.5°N附近为区域峰值加速度的最大值,为地震的危险区域,且此区域为唐山8.0级潜在震源区(8号)的所在位置。因此,对研究区影响最大的潜在震源区为唐山8.0级潜在震源区。

参考文献 (14)

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