2008年和2014年太平洋地震工程研究中心(PEER)相继公布了旨在研究活动构造地区浅地壳地震地震动衰减关系的NGA-West1和NGA-West2的研究成果.世界各地的研究人员、从业人员和组织机构将NGA-West1和NGA-West2数据库和模型广泛应用于科学研究、抗震设计规范、特定场地的抗震设计和评估以及财产损失估算.这些模型标志着最先进的经验地震动模型的重大进展,其包含了中国和欧洲等国家和地区的现有地震动衰减关系中许多未考虑的影响因素.Campbell和Bozorgnia(2006)、Stafford等(2008)、Scasserra等(2009)、Akkar和Çagnan(2010)

探索了NGA-West1模型在欧洲地区的适用性.Shoja-Taheri等(2010)进行了NGA-West1模型在伊朗地区的适用性研究.Mak等(2018)使用基于多元对数得分的方法评估了NGA-West2模型在日本和新西兰的适用性.

我国于2008年3月建成数字强震动观测台网,而后在中国西南地区相继发生了2008年5月12日汶川MS8.0地震、2013年4月20日芦山MS7.0地震、2014年8月3日鲁甸MS6.5地震等大震和强震,强震动台网记录到大量高质量的近远场加速度记录,为进行NGA-West1/2预测模型在我国西南地区的适用性研究创造了条件.Wang等(2010)将汶川地震断层距200km以内的72个自由场地地震动加速度记录与NGA-West1五个模型预测值进行对比,发现NGA-West1五个模型在整个距离范围内尤其是在Rrup>50km高估了汶川地震的地震动长周期(T>1.0s)而低估了短周期(T<0.5s)的加速度反应谱值.冀昆等(2016)也分析了NGA-West1/2模型在芦山地震的适用性,结果表明NGA-West1/2模型在整个距离范围内轻微低估了地震动短周期(T<0.2s)而高估了长周期(T>1.0s)的加速度反应谱值.Bai(2017)将芦山地震断层距200km以内的39个自由场地地震动加速度记录与NGA-West2五个模型预测值进行对比,结果表明芦山地震整个距离范围内的地震动PGA和Sa(T=0.06s)分布在NGA-West2五个模型预测值的±1倍标准差以内,大多数事件内残差也在预测均值的±1倍标准差之间,NGA-West2模型可用于预测芦山地震的高频地震动.鲁甸地震发生后,Xu等(2015)将NGA-West2预测曲线与地震动PGA、Sa(T=0.2、0.5、1.0s)观测值对比,但并未对比分析NGA-West2模型在更长周期的预测值与观测值,未分析研究事件内残差随断层距分布和空间分布,也未分析NGA-West2模型的事件内残差均值在不同距离范围内随周期的变化.鲁甸地震与NGA-West2地震动模型的对比分析需要更详细的研究.

由于之前我国强震动记录资料的匮乏,无法直接利用强震动记录资料进行统计回归.因此,截止第五代地震动参数区划图的编制,仍然基于美国西部基岩场地地震动水平向5%阻尼比加速度反应谱衰减关系和我国分区的烈度衰减关系,采用中线映射原则转换方法建立我国分区的水平向基岩PGA、Sa衰减关系(俞言祥,2002;俞言祥等,2013;肖亮,2011).肖亮(2011)采用NGA项目的美国西部强震动观测资料,利用新的分步回归法得到美国西部基岩自由场地地震动水平向PGA、Sa衰减关系(震中距和断层投影距模型),然后选用我国圆模型烈度衰减关系,给出了我国分区的地震动加速度反应谱衰减关系.但是还未验证考虑我国本地区实际地震观测资料的地震动衰减关系模型是否能更好地预测本地区实际强震的地震动.

本文将对鲁甸地震的强震动记录与NGA-West2四个模型和1个中国川藏区地震动衰减模型的预测曲线进行了比较,包括ASK14(Abrahamsonetal.,2014),BSSA14(Booreetal.,2014),CB14(CampbellandBozorgnia,2014),CY14(ChiouandYoungs,2014)和XL11(肖亮,2011)模型.由于Idriss(2014)模型仅适用于预测场地VS30>450m·s-1的PGA,所以本文中并未将I14模型纳入对比分析.同时研究了地震动PGA、PGV的空间分布特征,NGA-West2模型的PGA、PGV、Sa(T=0.1、5.0s)事件内残差随断层距的分布,以及NGA-West2四个模型事件内残差的空间分布和不同距离范围内事件内残差均值随周期的变化规律.根据上述研究评估NGA-West2模型和实际应用的我国川藏区地震动衰减模型的合理性与适用性.

1、鲁甸地震有限断层模型

2014年8月3日鲁甸MS6.5地震发生后,张勇等(2014)发布了作为地震应急响应的破裂过程快速反演结果.张勇等(2015)考虑了共轭断层破裂的情况,根据远震体波资料与近震宽频带和强震资料联合反演,认为鲁甸地震是一次在北西向主压应力与北东向主张应力的统一应力场作用下发生的两条共轭断层先后破裂的一次复杂地震事件,在近南北向断层上的破裂释放了大部分的地震矩,以左旋走滑为主(图1).该模型是中国关于鲁甸地震引用最多的工作,因此,本文选取了张勇等(2015)有限断层模型.根据这一模型,鲁甸地震矩震级为MW6.1,震源位置27.1131°N,103.3529°E,震源深度11.0km.鲁甸地震的有限断层模型参数如表1所示.根据有限断层模型计算了NGA-West2四个模型中使用的各种距离参数(表2).

2、鲁甸地震强震动观测记录

中国国家强震动观测网络系统(NSMONS)的建设始于2002年,并于2008年3月正式投入使用.该观测网络系统中有2000多个配备数字加速度计的自由场地观测台站,其中278个台站位于云南省,各台站均配备了性能优越的国际、国内强震动仪器,以保证网络的可靠性,长期运行并记录高质量的强震动数据(Lietal.,2008).观测网络系统中大量台站获取了鲁甸地震有效的加速度记录,移除了带有延迟触发(S波触发)、尖峰、记录不完整、强噪声或缺失水平分量等认为不可靠的记录后,断层距300km以内的32个台站的记录可用.由于NGA-West2四个模型和中国川藏区地震动衰减模型是针对水平向地震动开发的,本文将以该32个台站的水平向加速度记录作为数据资料来研究地震动衰减关系的适用性.

本文研究涉及的32个台站中,其中前9个为四川地区强震动台站(表2),其场地VS30值来源于NGA-West2数据库和喻畑等(2015)给出的四川地区强震动台站的场地VS30值.其余23个为云南地区强震动台站.张斌(2019)的研究结果表明,云南地区强震动台站深度超过30m的钻孔数据采用Boore(2004)的速度梯度延拓线性模型计算得到场地VS30值与VS30实测值的相关性最好.因此,对于有钻孔资料的14个台站(钻孔深度均小于30m),采用Boore(2004)的线性模型计算得到其场地VS30值.对于没有钻孔数据的9个台站,根据Wald和Allen(2007)提出的地形坡度与VS30的关系获得场地VS30值(表2中带*号的场地VS30值).

3、强震动记录数据处理

自由场地地震动加速度的处理采用了NGA-West2数据的处理方法(Anchetaetal.,2014).处理过程中应用了非因果Butterworth带通滤波,由于在大于Nyquist频率处应用低通滤波对记录没有影响(BooreandBommer,2005),低通截止频率采用了我国强震动数据处理中常用的30Hz;根据Joyner和Boore(1988)的单拐点震源模型和Atkinson和Silva(2000)的双角震源模型以及记录的信噪比不小于3(BooreandBommer,2005)等判定标准,确定高通截止频率的范围.最后根据滤波后积分得到的位移时程是否仍然存在漂移来确定高通截止频率.经统计,32个台站记录的高通截止频率在0.1～0.2Hz之间,即强震动记录可用谱周期范围可到5s.Campbell和Bozorgnia(2007)将PGA、PGV和Sa(T=0.01～10.0s)两个水平分量的几何均值和与方向无关的GMRotI50值取对数比,并在所有记录(所有震级和距离)上取对数比的均值.结果表明两个水平分量的几何均值与GMRotI50值的比值的均值分别为0.988、0.988、0.981～0.992,两者非常接近.所以,本文中PGA、PGV和Sa(T=0.01～5.0s)取同一个台站的两个水平向记录的几何均值.表2给出了选取的32个台站数据的信息.

图1鲁甸地震震中和断层距300km内强震动台站分布.红色五角星表示震中,黑色三角形表示强震动台站,红色方框表示张勇等(2015)共轭震源模型投影,黑色实线为省界

4、观测记录地震动PGA和PGV的空间分布

利用观测记录的地震动数据可以得到地震动PGA和PGV的空间分布(图2).水平向(EW、NS)和垂直向(UD)PGA和PGV的等值线图表明,三个分量的PGA和PGV最大值均位于震中.无论是PGA还是PGV,衰减最快的方向都是通过震中近南北向,这几乎与张勇(2015)的主破裂断层走向平行.近东西向的PGA和PGV衰减略慢于近南北向的,与张勇(2015)的次破裂断层走向平行.以上现象应该与鲁甸地震断层的主要运动特征有关,即由于北西-南东向主压应力方向与北东-南西向主张应力方向统一应力场导致两条共轭断层先后破裂.徐锡伟等(2014)根据局域地震台网记录到的余震条带状分布、震后科学考察获得的地震烈度长轴方位和极震区地震裂缝等显示出发震断层为北西向包谷垴—小河断裂,左旋走滑性质,在构造属性上属大凉山断裂南端部组成部分.李西等(2018)在野外考察中发现光明村至王家坡之间一条长约2km、近于直立的北西向地震地表破裂带,南端部表现出张性破裂分叉,出现多条北东向的张性破裂带.这一地震地表破裂带的发现,也进一步论证了鲁甸地震的发震断层为北西向包谷垴—小河断裂.鲁甸地震的实际发震构造方向与地震动的PGA和PGV衰减最快的方向一致.

图2鲁甸地震断层距300km以内台站三个分量(a)PGA和(b)PGV的等值线图.红色五角星表示震中,黑色三角形表示台站

5、NGA-West2模型预测曲线与地震动观测值对比

将鲁甸地震中地震动水平分量的PGA、PGV和Sa(T=0.1、5.0s)的观测值与NGA-West2四个模型的预测曲线相对于断层距的变化进行比较(图3、4),VS30取32个台站的VS30中位数372.91m·s-1.考虑了ASK14、BSSA14、CB14、CY14等模型中的区域性差异,根据中国的具体情况仔细选择了区域非弹性衰减项的系数.图3和图4中的黑色虚线为预测均值±1倍标准差值.

由图3可知,对于PGA,Rrup=1.82km的台站53LLT的观测值大于或略小于模型预测均值加1倍标准差值;10

由图4可知,Sa(T=0.1s)的比较结果与PGA具有类似的趋势,而Sa(T=5.0s)的有所不同.对于Sa(T=5.0s),53LLT台的Sa(T=5.0s)观测值位于预测曲线±1倍标准差值内;10200km点外,绝大多数的观测值小于模型预测均值曲线减1倍标准差值.

总体而言,NGA-West2四个模型高估了10

5.1 NGA-West2模型的事件内残差相对于断层距分布

图5和图6给出了计算的NGA-West2四个模型PGA、PGV和Sa(T=0.1、5.0s)事件内残差结果随断层距的分布,表3给出了四个模型的事件内残差最大值、最小值、均值和标准差.VS30取32个台站的场地VS30的中位数372.91m·s-1.由图5、6可知,NGA-West2四个模型大多数的PGA、PGV和Sa(T=0.1、5.0s)的事件内残差位于均值±1倍标准差值以外,且系统性地偏,表明NGA-West2四个模型较大地高估了鲁甸地震区300km范围内地震动的PGA、PGV和Sa(T=0.1、5.0s).

从表3也可知,NGA-West2四个模型的PGA、PGV、Sa(T=5.0s)事件内残差在整个距离范围内均表现出系统性偏负,事件内残差均值分别在-1.31～-0.85、-1.43～-0.81、-1.34～-0.74之间,最小值的绝对值远大于最大值,也表明了NGA-West2四个模型较大地高估鲁甸地震的PGA、PGV、Sa(T=5.0s).

5.2 NGA-West2模型事件内残差在空间分布的对比

以上研究表明,NGA-West2四个模型整体上高估了鲁甸地震区整个距离范围内的PGA、PGV和Sa(T=0.1、5.0s).事实上,NGA-West2四个模型的事件内残差随震源的空间位置而变化.四个模型计算的PGA事件内残差空间等值线图如图7所示.可以观察到四个模型的事件内残差具有相似空间分布特征.事件内残差的最大正值主要位于震中附近.除了震中区域外,其他区域的事件内残差均为负值,事件内残差的最大负值分布在震中以东以及离震中较远的西南部.值得注意的是,这两个区域的震源—场地方位角(Kaklamanosetal.,2011)近似为-90°和90°,与鲁甸地震的次破裂断层方向平行.

图3鲁甸地震NGA-West2四个模型的PGA、PGV预测曲线(VS30=372.91m·s-1)与观测值的对比

图4鲁甸地震NGA-West2四个模型的Sa(T=0.1、5.0s)预测曲线(VS30=372.91m·s-1)与观测值的对比

图5鲁甸地震NGA-West2四个模型的PGA、PGV事件内残差随断层距的分布.虚线表示±1倍标准差

事件内残差等值线图仅显示空间分布趋势和NGA-West2四个模型对于鲁甸地震的事件内残差在何处趋于负和正.对比事件内残差等值线图和鲁甸地震区的地形地势(图1),事件内残差的最大的正、负值出现区域海拔在2000m左右,地形较为平坦,该区域内的台站53CXS、53LDC、53ZTT的场地VS30相对较大.这与Bai(2017)得出的在一些平坦的区域且场地VS30较小的台站有相对较大的事件内残差的结果略有不同.

图6鲁甸地震NGA-West2四个模型的Sa(T=0.1、5.0s)事件内残差随断层距的分布.虚线表示±1倍标准差

5.3 不同周期的NGA-West2模型的平均事件内残差对比

根据AlAtik等(2010),台站记录值和预测值之间的事件内残差随地震动周期变化.图8(a、b、c)显示了在3个Rrup距离范围(0～100km、100～200km、200～300km)内NGA-West2四个模型的事件内残差均值与周期的关系.在0

图7NGA-West2四个模型的PGA事件内残差空间分布图

6、鲁甸地震强震动记录与中国川藏区模型预测值的对比

为了与上述对比一致,这里采用了肖亮(2011)的川藏区PGA、PGV和反应谱衰减关系(断层投影距模型,下称XL11)与鲁甸地震观测值进行对比研究,分析考虑本地区实际地震资料且基于中线映射转换方法获得的川藏区地震动衰减关系能否更好地预测鲁甸地震的地震动分布.

图8NGA-West2四个模型在4个断层距区间内(a)0～100km、(b)100～200km、(c)200～300km、(d)0～300km的事件内残差均值随周期的变化

图9给出了鲁甸地震中XL11的PGA、PGV、Sa(T=0.1、0.5、1.0、5.0s)预测曲线与观测值的对比,取MS6.5和断层投影距Rjb,黑色虚线为预测曲线±1倍标准差值.由图9可知,XL11模型低估了鲁甸地震中Rjb=0.22km(Rrup=1.82km)的53LLT台站的地震动PGA、PGV、Sa(T=0.1、0.5、1.0s)值,而53LLT的Sa(T=5.0s)的观测值位于预测曲线±1倍标准差值以内.XL11模型整体上高估了1

7、结论和讨论

本文利用2014年鲁甸MS6.5地震断层距小于300km的32个自由场地观测台站的地震动加速度记录,分析了地震动PGA和PGV的空间分布特征,与已有地震动衰减模型中的NGA-West2四个模型和1个中国川藏区模型进行了比较分析,并对比分析了NGA-West2模型事件内残差的空间分布和不同距离范围内NGA-West2四个模型的事件内残差均值随周期的变化.得到如下结论:

(1)水平和垂直向PGA和PGV的最大值均位于震中.PGA和PGV衰减最快的方向都是通过震中近南北向,这几乎与主破裂断层走向平行.近东西向的PGA和PGV衰减略慢于近南北向,垂直于主破裂断层走向.

(2)NGA-West2四个模型高估了鲁甸地震10

图9鲁甸地震肖亮(2011)模型的PGA、PGV、Sa(T=0.1、0.5、1.0、5.0s)预测曲线与观测值的对比

(3)NGA-West2四个模型的PGA、PGV和Sa(T=0.1、5.0s)事件内残差在整个距离范围内均表现出系统性偏负,事件内残差均值分布在-1.43～-0.74之间.NGA-West2四个模型各个周期的事件内残差均值在整个距离范围内都在-1附近变化.该四个模型在整个距离范围内总体上较大地高估鲁甸地震不同周期的加速度反应谱值.

(4)NGA-West2四个模型的PGA事件内残差的空间分布相似.事件内残差的最大正值主要位于震中附近,事件内残差的最大负值分布在震中以东以及离震中较远的西南部.这两个区域的震源—场地方位角近似为-90°和90°,与鲁甸地震断层的次破裂断层方向平行,所处地势较为平坦,该区域内的台站VS30相对较大.

(5)XL11模型整体上高估了1

综上所述,尽管NGA-West2模型使用的强震动数据库在NGA-West1数据库的基础上新增了大量全球浅地壳地震以及汶川地震主余震的强震动数据,然而并未根本改善NGA-West1/2模型对我国西南地区强震的中长周期地震动的预测偏差.虽然基于美国西部基岩自由场地水平向5%阻尼比加速度反应谱衰减关系和我国分区的烈度衰减关系,采用中线映射原则转换方法建立我国分区的水平向基岩PGA、Sa衰减关系也在一定程度上整体高估了鲁甸地震中大多数台站的地震动PGA、PGV、加速度反应谱值,但是相对于NGA-West2四个模型其预测值更接近于鲁甸地震的观测值.这说明考虑本地区实际地震资料的地震动衰减关系得到的预测值更接近于实际观测值,在缺少实际地震观测资料的情况下,采用中线映射方法确定我国地震动参数衰减关系是有实际意义的.2008年汶川地震以来,西南地区发生了130多个4.5≤MS≤8.0地震,且大部分地震均记录到强震动记录,未来我们的工作重点将是利用我国西南地区丰富的强震动资料进一步研究地震动衰减特征以及建立适用于我国西南地区的多影响因素地震动(PGA、PGV、Sa(T=0.01-10.0s))衰减关系.

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基金:北京市博士后工作经费资助项目(2020Z2080);国家重点研发计划(2017YFC1500400);国家自然科学基金(U1839202)联合资助.