引用本文
聂高众, 徐敬海. 基于震源深度的极震区烈度评估模型[J]. 地震地质, 2018,40(3): 611-621.
NIE Gao-zhong, XU Jing-hai. SEISMIC INTENSITY EVALUATION MODEL IN MEIZOSEISMAL AREA BASED ON FOCAL DEPTH[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(3): 611-621.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.03.008
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基于震源深度的极震区烈度评估模型
聂高众1, 徐敬海2
1中国地震局地质研究所, 北京 100029
2南京工业大学, 测绘科学与技术学院, 南京 210009

〔作者简介〕 聂高众, 男, 1964年生, 1990年于中国科学院地质研究所获第四纪地质学专业博士学位, 研究员, 主要从事地震应急、 地震综合减灾研究, E-mail: niegz@ies.ac.cn。

收稿日期: 2017-09-11
基金项目: 国家科技支撑计划项目(2012BAK15B06)资助
摘要

震后极震区烈度的准确快速评估是地震应急决策与救援的基础性工作。文中首先收集整理了1966—2013年的215条震级>5.0的历史震例, 基于输入参数可在震后快速获得的原则, 通过分析极震区烈度与不同地震参数的相关性关系, 通过拟合方法构建了1种面向地震应急的, 以中国地震局正式发布的地震震级、 震源深度为输入参数的极震区烈度快速评估模型。然后从统计的角度分析了该模型拟合的有效性, 同时对2个输入参数进行了敏感性分析, 表明该方法可在震后快速有效地估算极震区烈度。目前该模型在实际地震应急中已得到了初步应用, 并取得了良好的效果。

关键词: 地震应急; 极震区烈度; 烈度评估模型
中图分类号:P315.9 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)03-611-11
SEISMIC INTENSITY EVALUATION MODEL IN MEIZOSEISMAL AREA BASED ON FOCAL DEPTH
NIE Gao-zhong1, XU Jing-hai2
1)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)College of Geomatics Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China
Abstract

China is the country with the challenge of severe earthquake disaster. In order to mitigate the disaster and save lives, emergency response and rescue work after an earthquake are deployed and led by the Chinese governments at all level, the effectiveness of which has been proved. In such work, how to quickly evaluate the seismic intensity in meizoseismal area is a crucial issue at the early period after the earthquake. It is the foundation to estimate the disaster losses and decide the scale of rescue teams and materials. However, at the early period only a few physical parameters of the earthquake can be acquired and some of them may even be inaccurate.

An evaluation model of seismic intensity in meizoseismal area is investigated and presented by statistic method in this study. After an earthquake there are four authoritative parameters officially released by China Earthquake Administration generally within ten minutes: earthquake magnitude( MS), focal depth, latitude and longitude position, and the occurrence time. They are good candidate input parameters of the evaluation model. We collect the information of 215 historical earthquake occurring in China from 1966 to 2013, including: The four parameters and the seismic intensity in meizoseismal area. Through statistical analysis we find the seismic intensity in meizoseismal area has high correlation with the earthquake magnitude( MS)and the focal depth and then select them as the formal input parameters. After further investigation a generalized linear model is built to fit the relationship between the seismic intensity in meizoseismal area, earthquake magnitude( MS)and the focal depth.

The effectiveness of the model is validated by the Sig value and F value from theoretic perspective. The validation also includes the application of the model in real earthquakes occurring from 2014 to 2017. After the earthquakes, the seismic intensities in meizoseismal area have been quickly estimated and used in the command of national earthquake disaster emergency relief. The applications in real earthquakes get good results.

Finally, the robustness of the model is analyzed. We respectively verify the influences of the earthquake magnitude( MS)and the focal depth and find the seismic intensity in meizoseismal area is more sensitive to the earthquake magnitude. Under the condition of the same focal depth, when the change of the earthquake magnitude is up to 0.5, the change of the seismic intensity will reach to 1. However, in order to cause same change of the seismic intensity, the difference of the focal depth will be 10 kilometers. Basically, these changes derived from the model meet the situation of historical earthquakes.

Keyword: earthquake emergency; seismic intensity in meizoseismal area; seismic intensity evaluation model
0 引言

中国是世界上地震灾害最严重的国家之一, 城市面临的地震灾害形势异常严峻。“ 5· 12” 汶川大地震、 “ 4· 14” 玉树地震再次使人们认识到地震的强大破坏力, 以及地震预测与震害防御能力的局限性。地震应急救援是防震减灾中的最后一道防线, 其任务为高效、 及时、 有序地抢救生命, 救助灾民, 稳定社会和安定民心。震后短时间内的地震灾情是地震应急快速响应与应急指挥的关键, 但震后的地震应急灾情获取具有黑箱期效应, 即震后短时间内地震灾情获取困难(苗崇刚等, 2004; 聂高众等, 2012)。因此, 常用地震灾情快速评估模型得到的可能灾害代替真实灾情, 用于辅助地震应急指挥与救援。其中, 极震区烈度的快速估算是应急灾情评估的关键基础工作之一。事实上经过多年的研究, 地震工程领域已建立了多个震级-烈度衰减关系模型; 这种模型通常以椭圆模型应用较多, 源于历史震例统计, 具有合理性并在一些地震中也取得了较好的应用(汪素云等, 2000; 马骏驰等, 2005; 雷建成等, 2006; 王继等, 2008)。但此类模型重点在于建立震级与多个烈度(烈度衰减)之间的关系。常在实际地震应急极震区烈度评估(特别在一些中到大震)中产生大的偏差, 对地震应急灾情评估产生大的影响。基于强震动台网的烈度测量方法也是1种常用的地震烈度速报方法, 目前美国、 日本和中国台湾均已建立了相应的地震烈度速报系统, 并得到了应用。该方法的核心是建立地震烈度与PGV(地面峰值速度)、 PGA(地面峰值加速度)与地震烈度的转化关系, 已有大量的相关研究, 如金星等(2013)给出了1个基于强震台网的地震烈度测量方法等。但总体上中国大陆强震动观测台网分布不均匀, 震后强震动台网烈度还未作为中国地震局正式发布的参数, 在地震应急应用中仍有一定的困难。本文将在历史统计数据的支持下, 探索1种面向地震应急灾情快速评估的极震区烈度评估模型。

1 历史震例数据

面向地震应急的极震区烈度快速评估模型需考虑的基本因素是时间要求快, 模型参数易于获得; 目前震后快速且正式发布的地震描述参数为地震4要素(震级、 时间、 震中位置、 震源深度), 因此本文需探寻的模型以此为基础。参考震级-烈度衰减关系的建立方法, 通过对历史震例数据进行分析, 建立该模型。本文收集了1966— 2013年有记录的所有历史地震, 作为历史震例用于分析。资料来源为中国地震局出版的《中国大陆地震灾害损失资料汇编: 1966— 1989》 《中国大陆地震灾害损失汇编: 1990— 1995》 《中国大陆地震灾害损失评估汇编: 1996— 2000》 《2001— 2005灾评报告汇编》《2006— 2010年地震灾评报告(综合稿部分20120330)》 《2011灾评报告》 《2012灾评报告》和《2013灾评报告》等。震例数据采集包括: 地震时间、 震级、 震中位置、 震源深度和极震区烈度等。共有历史震例数据489条, 去除记录不完整、 信息明显存在错误以及震级< 5.0的震例后, 还剩215条历史震例用于本文研究, 见表1所示, 所有历史震例的空间分布见图1所示。

表1 历史震例详细信息 Table1 Detailed information of the historcial earthquakes

图 1 历史震例数据空间分布图Fig. 1 Spatial distribution of the historical earthquakes.

2 评估模型建立
2.1 建模参数分析

极震区烈度是1次地震引起的最大烈度, 从地震地质角度看, 极震区烈度受多个因素影响, 如震源机制, 地震波传播介质、 路径, 局部场地条件等(王德才等, 2013)。在多个影响因素中, 已有研究表明震中烈度与震级、 震源深度之间存在关系是明确的(Blake, 1941; Gutenberg et al., 1942), 而这2个参数也是震后可快速获取的地震参数, 较适合于面向地震应急评估的极震区烈度快速评估。

文中收集的历史震例数据, 包括震级、 震中烈度和震源深度, 分别计算它们相关的统计量, 并对震级与极震区烈度, 震源深度与极震区烈度等进行了相关性分析(表2)。统计结果表明, 极震区烈度与震级的相关性高于极震区烈度与震源深度的相关性, 且前者呈现正相关, 后者表现为负相关。

表2 震级、 极震区烈度、 震源深度相关性统计分析 Table2 Statistic analysis of correlation between magnitude, maximum intensity and focus depth
2.2 模型建立

在震级, 震中烈度关系方面, Gutenberg等(1942)较早地定量描述了二者之间的关系: M=23Ie+1; 随后中国研究人员, 通过对历史震例分析给出了类似的关系, 如 M=(0.68±0.03)Ie+(1.39±0.17)logh-(1.40±0.29)(傅承义等, 1960), M=0.7Ie+0.8(许卫晓, 2011)等。这些研究表明震级、 震源深度和极震区烈度之间存在1种广义线性组合关系, 但以上模型, 主要用于建立震级与其他二者之间的关系, 拟合的因变量为震级。本文以此为研究基础, 选取极震区烈度为拟合因变量、 震级和震源深度为自变量进行拟合分析。本文还进一步绘制了三者的三维散点图(图2), 由散点图也可以发现极震区烈度、 震级和震源深度之间的线性变化趋势; 随着震级的增加, 震中烈度呈现明显的上升趋势; 同时随着震源深度的增加, 震中烈度呈现下降趋势, 整体上呈现出广义的线性关系。

图 2 震级和震源深度、 极震区烈度散点图Fig. 2 Scatter diagram of magnitude, focus depth and seismic intensity in the meizoseismal area.

因此应用spass软件对表1中的历史震例数据进行拟合分析, 构建了三者的关系, 如式(1)所示:

Imax=4.154+0.113M2-0.0515H(1)

式(1)中, Imax表示极震区烈度; M表示震级; H为震源深度。

3 模型有效性分析与应用
3.1 拟合的有效性

本次拟合分析的评价参数如表3所示, 可从2个方面分析拟合的有效性:

表3 拟合有效性参数 Table3 Parameters of fitting validation

(1)拟合优度。通常用R2表示, 取值位于0~1之间。R2越接近于1, 说明拟合的优度越高; 反之R2越接近于0, 拟合优度越低; 本次拟合R2为0.785, 表明拟合分析效果良好。

(2)拟合的显著性。即拟合分析的成果是否有效。通常用假设检验进行分析, 取决于Sig值和F值。Sig值为检验统计量的概率 p, 如果 p值小于给定的显著性水平 α, 则认为极震区烈度与震级、 震源深度总体间存在显著的广义线性相关性, 即可认为回归分析是有效的, 通常显著性水平 α取值0.05。本次分析中Sig=0.000< 0.05, 说明拟合分析有效。

F统计量与调整 R2有如下对应关系:

F=R2/p(1-R2)/(n-p-1)

可见, 回归方程的拟合优度越高, 回归方程的显著性检验也会越显著, 即F值越大; 本模型中F=389.12, 也表明此次回归模型是有效的。

3.2 震例验算应用

由于震例资料的现势性, 本文在进行研究时采用的震例数据截止到2013年4月。 随后的2014— 2015年发生了多次有感地震; 有些甚至还造成了严重的社会影响; 震后作者迅即参加了国家抗震救灾应急指挥, 并将式(1)应用于震后极震区烈度的快速评估。通过获取中国地震局正式发布的地震速报信息, 并将其中的参数代入模型, 从而能快速计算极震区烈度(表4)。在此基础上, 对地震应急灾情及发展进行了预估与判断, 较好地指导了地震应急指挥与救援。

表4 模型计算结果和实际震例的符合性检验 Table4 Application in real earthquakes of the model

从实际震例的验算来看, 在多数情况下, 本文建立的模型对估算极震区烈度是有一定应用价值的, 但是有两点需要注意, 一是震源深度在台网密度不足的情况下, 存在较大误差, 地震速报给出的震源深度在后期可能会更改, 如景谷地震速报时的震源深度是4km, 后期改为16km; 二是在新疆等地, 利用本文模型估算的极震区烈度和实际有偏差的情况较多, 因此今后需利用新疆的历史震例建立适用于新疆的极震区烈度和震源深度关系模型。

在实际应用中也发现, 由于中国目前的地震烈度是通过判断灾区建筑物、 生命线工程等震后破坏程度来确定的; 因此在确定极震区烈度时, 除了考虑震级、 震源深度外, 还需要考虑灾区建筑物抗震能力、 地震地质灾害可能性等因素对烈度进行微调。比如: 计算结果为8.3的烈度时, 假如灾区建筑物抗震能力很差, 且易引发地质灾害, 那么就需要向上微调, 则极震区烈度可能就是9度; 而当灾区建筑物抗震能力很强, 且无地质灾害危险时, 极震区烈度向下微调可能就是8度了, 具体微调的幅度一般在0.1~0.3, 视具体灾区情况而定。

3.3 参数敏感性分析

基于本文的经验公式, 将震级和震源深度作为参数, 进行了参数敏感性验算(表5)。

表5 基于震源深度的极震区烈度算法敏感性验算(一) Table5 Focal depth based sensitivity calculation for the meizoseismal intensity algorithm(1)

从表5中可以看出, 极震区烈度对震级更敏感, 在相同的震源深度下, 震级变化0.5级就可使极震区烈度出现1度的变化; 而在相同震级下, 需要震源深度有10km以上的差别才可能使极震区烈度有1度的变化。

在几个常见震级下, 将震源深度作为变化量, 得到了表6。从表6中可以看到, 在一般情况下需要震源深度有10km的变化, 才能使极震区烈度变化1度。但在特定情况下, 震源深度变化几km, 即可使极震区烈度出现1度的变化。比如: 6.5级地震时, 当震源深度为5~8km时, 极震区烈度可达9度, 而当震源深度> 10km时, 则极震区烈度为8度。6.0级地震时, 当震源深度为16km以上时, 极震区烈度为7度, 而当震源深度< 14km时, 极震区烈度将可能达到8度。从近几年的地震震例来看, 这种特定情况出现的概率是很大的。

表6 基于震源深度的极震区烈度算法敏感性验算(二) Table6 Focal depth based sensitivity calculation for the meizoseismal intensity algorithm(2)
4 结论

极震区烈度的判断对地震应急灾情的预估预判具有重要的意义, 准确的极震区烈度也决定了地震应急救援重点区域和救援急迫程度。文中统计了1966— 2013年的历史震例数据, 分别收集了极震区烈度、 震级、 震源深度。并从统计的角度分析了收集到的历史震例数据中, 极震区烈度、 震级、 震源深度之间的相关性, 为其统计建模奠定了基础。接着在统计软件spass的支持下, 建立了极震区烈度、 震级和震源深度的广义线性模型, 即:

Imax=4.154+0.113M2-0.0515H

最后分析了模型的有效性和敏感性, 并在2014— 2017年的实际地震应急中对该模型进行了应用, 结果表明该模型能在地震应急中较好地服务于极震区烈度的快速判定。

The authors have declared that no competing interests exist.

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