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震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究

帅向华 冯蔚 董翔 刘钦 甄盟 李继赓

帅向华, 冯蔚, 董翔, 刘钦, 甄盟, 李继赓. 震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
引用本文: 帅向华, 冯蔚, 董翔, 刘钦, 甄盟, 李继赓. 震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
SHUAI Xianghua, FENG Wei, DONG Xiang, LIU Qin, ZHEN Meng, LI Jigeng. Rapid Identification Method of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Period After Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
Citation: SHUAI Xianghua, FENG Wei, DONG Xiang, LIU Qin, ZHEN Meng, LI Jigeng. Rapid Identification Method of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Period After Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120

震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究

doi: 10.13203/j.whugis20200120
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFC0803107

国家重点研发计划 2018YFC1504501

详细信息
    作者简介:

    帅向华,硕士,研究员,主要从事震害预测、地震灾害应急、GIS应用和遥感应用研究。shuaixhua@sina.com

  • 中图分类号: P208;P237

Rapid Identification Method of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Period After Earthquake

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2016YFC0803107

The National Key Research and Development Program of China 2018YFC1504501

More Information
    Author Bio:

    SHUAI Xianghua, master, professor, specializes in earthquake disaster prediction, earthquake disaster emergency, applica- tion of GIS and remote sensing.shuaixhua@sina.com

  • 摘要: 震后快速确定地震烈度影响场是评估地震灾害损失和开展应急救援的关键。在震后获得地震三要素、获得强震仪器烈度和取得地震现场资料这3种场景下连续开展地震烈度影响场的判定与修正工作。初始获得地震三要素之后,采用适用于全国不同区域的地震烈度衰减关系进行地震烈度影响场的初步判定;获得仪器地震烈度之后,利用空间插值对初步判定的地震烈度影响场进行修正;取得地震现场调查资料之后,采用现场调查资料、仪器地震烈度与余震分布相结合的方法进行地震烈度影响场修正。从而在震后12 h内,针对破坏性大地震提供较为科学准确的地震影响场判识理论方法和实现技术。以2013年中国四川芦山7.0级地震为震例,进行了分时段的地震烈度影响场计算和修正,将计算结果与实际调查烈度进行对比分析,一致性较好。
  • 图  1  震后分时段地震烈度影响场判定流程

    Figure  1.  Determination Process of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Periods After Earthquake

    图  2  地震烈度分区

    Figure  2.  Earthquake Intensity Zoning Map

    图  3  利用地震烈度衰减关系计算的地震烈度分布

    Figure  3.  Earthquake Intensity Map Calculated by Intensity Attenuation Relation

    图  4  仪器记录烈度直接插值结果

    Figure  4.  Direct Interpolation Result Map of Instrument Intensity Record

    图  5  第1时段计算烈度值和仪器烈度共同插值结果

    Figure  5.  Interpolation Result Map of Calculated Intensity and Instrument Intensity

    图  6  第1时段计算烈度值和现场调查烈度、仪器烈度共同插值结果

    Figure  6.  Interpolation Result Map of Calculated Intensity, Investigation Intensity and Instrument Intensity

    表  1  中国地区分区烈度衰减关系

    Table  1.   Intensity Attenuation Relations of China

    烈度分区 参考地区 方向 C1 C2 C3 R0 数据来源
    汾渭地震带 山西 长轴
    短轴
    5.712 3
    3.658 8
    1.362 6
    1.362 6
    4.290 3
    3.540 6
    25
    13
    东部强震区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
    郯庐地震带 辽宁
    华南沿海地震带 福建
    广东
    海南
    香港
    澳门
    台湾地震带 台湾
    银川-河套地震带 内蒙古 长轴
    短轴
    5.841
    3.944
    1.071
    1.071
    3.657
    2.845
    15
    7
    中强地震区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
    塔里木-阿拉善地震带
    东北地震区 黑龙江
    吉林
    长江中下游地震带 重庆
    湖南
    湖北
    江西
    贵州
    右江地震带 广西
    长江下游-黄海地震带 浙江
    安徽
    江苏
    上海
    青藏区 青海 长轴 6.458 0 1.274 6 4.470 9 25 青藏区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
    西藏 短轴 3.368 2 1.274 6 3.311 9 9
    新疆区 新疆 长轴 5.601 8 1.434 7 4.489 9 25 新疆区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
    短轴 3.611 3 1.434 7 3.847 7 13
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    表  2  中国地区分区烈度衰减关系(局部分区)

    Table  2.   Intensity Attenuation Relations of China(Local Partition)

    烈度分区 参考地区 方向 C1 C2 C3 R0 来源
    华北平原地震带 北京 长轴
    短轴
    3.758
    2.008
    1.434
    1.434
    1.569
    1.285
    15
    7
    华北地区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2001)
    天津
    河北
    河南
    郯庐地震带 山东
    六盘山-祁连山地震带 甘肃 长轴 4.864 1.464 1.783 22 文献[15]
    短轴 3.032 1.321 1.343 9
    六盘山-祁连山地震带 宁夏 长轴 5.774 1.376 4.287 25 宁夏地震局
    短轴 2.342 1.376 3.030 7
    陕北 陕西 长轴 3.144 7 1.517 9 1.478 7 17 文献[16]
    短轴 1.443 0 1.517 9 1.234 7 7.5
    关中 长轴 3.763 4 1.410 1 1.483 4 17
    短轴 2.263 6 1.410 1 1.263 1 8.5
    陕南 长轴 4.907 7 1.194 7 1.489 7 15
    短轴 3.125 0 1.194 7 1.202 9 6.5
    滇西地区 云南 长轴 6.805 3 1.297 2 4.760 3 22 文献[17]
    短轴 5.331 5 1.201 3 4.191 7 10
    川滇地区 长轴 4.245 6 1.402 5 3.823 8 11
    短轴 3.591 5 1.143 2 2.854 6 5
    川滇东部地区 长轴 6.975 3 1.306 7 4.795 2 23
    短轴 5.561 5 1.176 2 4.082 9 12
    鲜水河-滇东地震带 四川 长轴 7.356 8 1.278 5.065 5 24 文献[18]
    龙门山地震带 短轴 3.950 0 1.278 3.756 7 9
    四川盆地 长轴 4.029 3 1.300 3 3.640 4 10
    短轴 2.381 6 1.300 3 2.857 3 5
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    表  4  现场调查数据(Ⅷ度以上)

    Table  4.   Field Investigation Data(Above Ⅷ)

    位置 经度/(°) 纬度/(°) 烈度 位置 经度/(°) 纬度/(°) 烈度
    天全县城1 102.7 30.0 芦山县大川镇5 103.1 30.3
    天全县仁义乡 102.8 30.1 芦山县太平镇2 103.0 30.4
    芦山县龙门乡1 103.0 30.3 芦山县太平镇3 103.0 30.4
    邛崃天台山镇1 103.2 30.3 芦山县双石镇 103.0 30.3
    芦山县芦阳镇1 102.9 30.2 芦山县飞仙关镇1 102.9 30.1
    芦山县龙门乡2 102.9 30.2 芦山县飞仙关镇2 102.9 30.1
    芦山县龙门乡3 103.0 30.2 芦山县龙门乡4 103.0 30.2
    邛崃道佐乡 103.9 30.3 芦山县龙门乡5 103.0 30.2
    宝兴县穆坪镇 102.8 30.4 芦山县龙门乡6 103.0 30.2
    宝兴县灵关镇 102.8 30.3 芦山县龙门乡7 103.0 30.2
    邛崃高何镇1 103.1 30.3 芦山县龙门乡8 103.0 30.3
    邛崃高何镇2 103.2 30.3 芦山县宝盛乡1 103.0 30.3
    邛崃高何镇3 103.1 30.3 芦山县宝盛乡2 103.0 30.3
    邛崃高何镇4 103.1 30.3 芦山县宝盛乡3 103.0 30.3
    芦山县太平镇1 103.0 30.3 芦山县龙门乡9 103.0 30.2
    芦山县大川镇1 103.1 30.5 芦山县清仁乡1 102.9 30.2
    芦山县三江村 103.2 30.3 芦山县清仁乡2 102.9 30.2
    芦山县芦阳镇2 102.9 30.2 芦山县清仁乡3 102.9 30.2
    芦山县老城1 102.9 30.2 芦山县清仁乡4 102.9 30.2
    芦山县老城2 102.9 30.1 天全县城2 102.8 30.1
    芦山县老城3 102.9 30.2 芦山县老城4 102.9 30.2
    芦山县大川镇2 103.1 30.4 名山县新店镇 103.2 30.1
    芦山县大川镇3 103.1 30.4 邛崃天台山镇2 103.1 30.3
    芦山县大川镇4 103.2 30.4 邛崃天台山镇3 103.1 30.3
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    表  5  烈度范围对比/km2

    Table  5.   Intensity Range Comparison/km2

    烈度值 第1时段烈度面积 第2时段烈度面积 第3时段烈度面积 实际调查烈度面积
    22 78 305 208
    661 880 1 434 1 623
    3 258 3 079 3 064 5 644
    11 782 19 854 19 080 18 752
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-28
  • 刊出日期:  2020-08-05

震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究

doi: 10.13203/j.whugis20200120
    基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFC0803107

    国家重点研发计划 2018YFC1504501

    作者简介:

    帅向华,硕士,研究员,主要从事震害预测、地震灾害应急、GIS应用和遥感应用研究。shuaixhua@sina.com

  • 中图分类号: P208;P237

摘要: 震后快速确定地震烈度影响场是评估地震灾害损失和开展应急救援的关键。在震后获得地震三要素、获得强震仪器烈度和取得地震现场资料这3种场景下连续开展地震烈度影响场的判定与修正工作。初始获得地震三要素之后,采用适用于全国不同区域的地震烈度衰减关系进行地震烈度影响场的初步判定;获得仪器地震烈度之后,利用空间插值对初步判定的地震烈度影响场进行修正;取得地震现场调查资料之后,采用现场调查资料、仪器地震烈度与余震分布相结合的方法进行地震烈度影响场修正。从而在震后12 h内,针对破坏性大地震提供较为科学准确的地震影响场判识理论方法和实现技术。以2013年中国四川芦山7.0级地震为震例,进行了分时段的地震烈度影响场计算和修正,将计算结果与实际调查烈度进行对比分析,一致性较好。

English Abstract

帅向华, 冯蔚, 董翔, 刘钦, 甄盟, 李继赓. 震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
引用本文: 帅向华, 冯蔚, 董翔, 刘钦, 甄盟, 李继赓. 震后分时段地震烈度影响场快速判识方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
SHUAI Xianghua, FENG Wei, DONG Xiang, LIU Qin, ZHEN Meng, LI Jigeng. Rapid Identification Method of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Period After Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
Citation: SHUAI Xianghua, FENG Wei, DONG Xiang, LIU Qin, ZHEN Meng, LI Jigeng. Rapid Identification Method of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Period After Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1195-1204. doi: 10.13203/j.whugis20200120
  • 破坏性大地震发生后,地震灾害的快速评估是减轻人员伤亡、开展应急指挥和制定应急救援决策的重要依据。影响地震灾害快速评估结果的因素包括地震影响场分布、地震地质灾害、承灾体易损性等。其中,地震影响场分布的评估是地震灾害应急快速评估中非常重要的因素。在发达国家,灾后有快速的灾情获取系统[1-5]。中国幅员辽阔,地形地貌复杂,地震通常发生在山区。“十五计划”之后,部分省市建立了以短信、微信、微博以及灾情速报员为基础的灾情收集系统[6-7],但远不能满足震后灾情的快速调查要求。中国也利用无人机、遥感卫星等手段开展地震灾情的快速调查[8],但是由于天气条件、地形条件和经济条件的影响,还未形成覆盖灾区的快速调查系统。同时,中国强震仪和烈度计尚未广泛分布,仅局部地区密度较高。震后短时间难以快速形成有效的地震仪器烈度分布图。因此,地震之后,地震灾情范围即地震烈度影响场的快速评估依然是相关研究领域非常重要的内容。“十五计划”期间,中国建设的全国地震应急指挥技术系统利用地震烈度衰减关系进行地震烈度影响场快速判定,但是在实际地震灾害应用中存在很大的偏差。“十一五”和“十二五”期间开展了多项科技攻关项目,包括ShakeMap、仪器烈度、破裂过程强地面运动等方面的研究[9-10],但各技术方法仍处于单一运用状态,未形成合力,亟待在地震灾害应急快速评估中开展综合应用。本文研究在震后获得地震三要素、获得强震仪器烈度和取得地震现场资料这3种场景下连续开展地震影响场判定与修正的方法,为地震灾害的应急快速评估提供连续动态的地震影响场评估结果,使得结果不断逼近真实。

    • 震后分时段地震影响场判定方法是针对震后地震灾情获取与发展的阶段性特点和政府、应急人员、公众对地震烈度信息的需求,分析分时段地震影响场判定技术管理的难点,根据地震发生后可以获取到的信息从少到多的实际特点,提出地震影响场逐步快速修正的方法与服务技术。在地震发生后,第一时间只知道地震三要素信息,首先根据烈度衰减关系模型快速产出初步的地震烈度影响场;之后,随着强震动台网数据的回传与处理,可根据仪器烈度数据对烈度影响场进行修正;最后,随着现场震害调查工作的开展,根据初期的现场烈度评定资料可继续对烈度影响场进行进一步修正,为现场指挥部进行后续调查方向和队伍的部署提供决策参考,直至产出最终烈度图,完成现场烈度调查工作。具体流程如图 1所示。

      图  1  震后分时段地震烈度影响场判定流程

      Figure 1.  Determination Process of Earthquake Intensity Influence Field in Divided-Periods After Earthquake

      本文将震后时段分为3个时段:(1)第1时段是获得地震三要素之后,这个时间段通常只能根据地震烈度经验统计关系和专家经验判定地震烈度影响场,持时定义为震后5~30 min。(2)第2时段是获得强震仪器烈度数据之后,由于地震震级及地震台站的分布影响地震动参数到达后方数据中心的时间,因此,这个时间段持时定义为震后10~120 min。(3)第3时段是获得地震现场资料之后,这个时间段通常是地震现场队员到达地震现场后开始开展地震烈度调查工作并取得局部资料,持时定义为震后120 min~12 h。

      1)第1时段:利用地震烈度快速评估模型,综合历史地震震例、断层影响、场地条件、地形地貌等因素,通过输入宏观震中、震级、震源深度等参数,快速生成理论地震烈度分布结果。

      2)第2时段:利用地震动衰减模型,并结合余震分布、地震破裂过程、场地条件以及地形条件等信息,进行地震仪器烈度空间插值,快速产出基于实测地震动强度的仪器烈度分布结果。

      3)第3时段:利用现场调查的烈度判定资料,并结合余震分布、地形条件和建筑情况等信息,在仪器烈度空间插值的基础上进行进一步修正,产出基于现场调查数据的烈度分布结果。

    • 为了表达地震烈度沿不同方向衰减的不均匀性,中国通常采用椭圆模型,对长轴和短轴方向进行联合拟合分析[11]。其特点为长、短轴的烈度衰减曲线在震中位置重合,在近场由于发震构造的影响,沿长、短轴方向因衰减速度不同,等震线一般呈椭圆形,而在远场逐渐变成圆形。衰减关系公式为:

      $$ {I} = {C_1} + {C_2}M - {C_3}{\rm{ln}}\left( {R + {R_0}} \right) - {C_4}R + \varepsilon $$ (1)

      式中,I为地震烈度;M为震级;C1C2C3C4均为回归系数,其中C3表示几何扩散阻尼的影响, C4表示介质阻尼的影响,其仅为千分之几,只对远场有影响,通常忽略不计,相当于包含在系数C3中;R为等震线长度;R0为近场饱和因子;ε为回归分析中表示不确定性的随机变量,通常假定为对数正态分布,其均值为0,标准差为σ

      综上,地震烈度椭圆衰减模型可以写成以下形式:

      $$ {I_a} = {C_{1a}} + {C_{2a}}M - {C_{3a}}{\rm{ln}}\left( {{R_a} + {R_{0a}}} \right) + {\varepsilon _a} $$ (2)
      $${I_b} = {C_{1b}} + {C_{2b}}M - {C_{3b}}{\rm{ln}}\left( {{R_b} + {R_{0b}}} \right) + {\varepsilon _b} $$ (3)

      式中, IaIb分别为沿长、短轴方向的烈度值; RaRb分别为烈度I的椭圆等震线的长半轴和短半轴长度; R0aR0b分别为长、短轴两个方向烈度衰减的近场饱和因子; C1aC2aC3aC1bC2bC3b均为回归系数。

      地震烈度衰减关系具有很强的区域相关性,其原因是不同地区的震源特性、传播介质和场地条件不同。当震级较大时,表征地区总体特征的地震烈度衰减关系一般不能反映出大地震的衰减特点或者有烈度异常现象的地震衰减特性。如汶川地震,其烈度等震线呈狭长椭圆状,高烈度等震线较为扁平。具体表现为沿发震断层,烈度衰减很慢,极震区烈度较高,等震线的长轴尺度大大超过了烈度衰减关系所预测的尺度;垂直于发震断层方向,烈度衰减较快,等震线的短轴长度与烈度衰减关系所预测的长度几乎一致。这也证明以地震等震线资料进行烈度衰减关系的回归只是一种统计分析的结果,只是诸多地震衰减的统计平均,只能反映区域烈度总体特征[12]。同时,统计样本所覆盖的时间长度被限制在百年以内,远远低于强震的原地复发周期,因此,作为样本的每一个地震的等震线所反映的烈度衰减关系隐含着随机性或不确定性。所以,要引入断层距模型对7.0级以上的地震进行修正。断层距经验关系公式为:

      $$ M = A + B{\rm{lgL}} $$ (4)

      式中,L为发震断层的破裂长度。根据文献[13]的研究成果,采用该经验公式推算地表破裂长度时,得到如下参数:

      西部:A=4.959,B=1.333,${\sigma _M}$=0.270

      东部:A=4.553,B=1.747,${\sigma _M}$=0.367

      全国:A=4.834,B=1.484,${\sigma _M}$=0.317

      依据断层距模型,在发震断层破裂长度计算结果的基础上,沿发震断层破裂上的每个点采用点源地震烈度衰减关系进行计算,得出每个点的烈度衰减范围,然后对每点的等烈度衰减范围做包络线,形成的包络线即为地震影响场破裂结果。

    • 中国幅员辽阔,地质构造复杂,导致强震动的衰减特征存在明显的区域差异,因此大多数地震烈度衰减关系只适合于特定地区。目前,国际上倾向于依据区域地震构造活动特征的不同来划分地震动衰减关系分区,中国地震动衰减关系分区参考第5代区划图编制的成果,以地震区带为基本单元,综合考虑地震烈度衰减分区特征和地震活动水平的区域性特征,将中国地震烈度分区划分为青藏区、新疆区、东部强震区和中强地震区4个分区[14]

      根据第5代区划图编制的分区,结合各省的研究成果,将分区进一步细化为将地震区带作为衰减关系的分区单元。以第5代中国地震动参数区划图中确定的衰减关系为基础,参照地震活动性和各省的研究成果,对于地震活跃程度较高的地区,由于有较丰富的历史震例资料,采用该局部地区的研究可有效反映该地区的衰减关系;对于地震不活跃的地区,缺乏较为完整的震例资料,其局部地区的研究成果往往不能全面反映该地区的衰减关系,则该地区沿用第5代区划图确定的大分区拟合结果。本文的地震烈度分区划分如图 2所示。

      图  2  地震烈度分区

      Figure 2.  Earthquake Intensity Zoning Map

      对于局部地区衰减关系的选取,按已有研究成果,选择尽量覆盖4.5~7.5级地震震例的拟合结果,得到不同区域烈度衰减关系结果统计,如表 1表 2表 2中部分数据来源于文献[15-18])所示。地震发生后,在第1时段,根据地震震中位置判断地震所在分区,并根据该地区的衰减关系参数得到第1时段的地震烈度影响场结果。

      表 1  中国地区分区烈度衰减关系

      Table 1.  Intensity Attenuation Relations of China

      烈度分区 参考地区 方向 C1 C2 C3 R0 数据来源
      汾渭地震带 山西 长轴
      短轴
      5.712 3
      3.658 8
      1.362 6
      1.362 6
      4.290 3
      3.540 6
      25
      13
      东部强震区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
      郯庐地震带 辽宁
      华南沿海地震带 福建
      广东
      海南
      香港
      澳门
      台湾地震带 台湾
      银川-河套地震带 内蒙古 长轴
      短轴
      5.841
      3.944
      1.071
      1.071
      3.657
      2.845
      15
      7
      中强地震区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
      塔里木-阿拉善地震带
      东北地震区 黑龙江
      吉林
      长江中下游地震带 重庆
      湖南
      湖北
      江西
      贵州
      右江地震带 广西
      长江下游-黄海地震带 浙江
      安徽
      江苏
      上海
      青藏区 青海 长轴 6.458 0 1.274 6 4.470 9 25 青藏区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
      西藏 短轴 3.368 2 1.274 6 3.311 9 9
      新疆区 新疆 长轴 5.601 8 1.434 7 4.489 9 25 新疆区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2015)
      短轴 3.611 3 1.434 7 3.847 7 13

      表 2  中国地区分区烈度衰减关系(局部分区)

      Table 2.  Intensity Attenuation Relations of China(Local Partition)

      烈度分区 参考地区 方向 C1 C2 C3 R0 来源
      华北平原地震带 北京 长轴
      短轴
      3.758
      2.008
      1.434
      1.434
      1.569
      1.285
      15
      7
      华北地区地震烈度衰减关系:中国地震动参数区划图(2001)
      天津
      河北
      河南
      郯庐地震带 山东
      六盘山-祁连山地震带 甘肃 长轴 4.864 1.464 1.783 22 文献[15]
      短轴 3.032 1.321 1.343 9
      六盘山-祁连山地震带 宁夏 长轴 5.774 1.376 4.287 25 宁夏地震局
      短轴 2.342 1.376 3.030 7
      陕北 陕西 长轴 3.144 7 1.517 9 1.478 7 17 文献[16]
      短轴 1.443 0 1.517 9 1.234 7 7.5
      关中 长轴 3.763 4 1.410 1 1.483 4 17
      短轴 2.263 6 1.410 1 1.263 1 8.5
      陕南 长轴 4.907 7 1.194 7 1.489 7 15
      短轴 3.125 0 1.194 7 1.202 9 6.5
      滇西地区 云南 长轴 6.805 3 1.297 2 4.760 3 22 文献[17]
      短轴 5.331 5 1.201 3 4.191 7 10
      川滇地区 长轴 4.245 6 1.402 5 3.823 8 11
      短轴 3.591 5 1.143 2 2.854 6 5
      川滇东部地区 长轴 6.975 3 1.306 7 4.795 2 23
      短轴 5.561 5 1.176 2 4.082 9 12
      鲜水河-滇东地震带 四川 长轴 7.356 8 1.278 5.065 5 24 文献[18]
      龙门山地震带 短轴 3.950 0 1.278 3.756 7 9
      四川盆地 长轴 4.029 3 1.300 3 3.640 4 10
      短轴 2.381 6 1.300 3 2.857 3 5
    • 近年来,随着强震台网的快速建设以及地震观测技术的发展,根据强震台观测数据获取地震动记录定量计算仪器地震烈度成为可能。国内学者开展了基于地震动参数的地震烈度计算方法研究[19-21],提出了多种地震动参数与仪器地震烈度关系的算法。同时,中国地震局发布的《仪器地震烈度计算暂行规程》可为地震影响场的判识提供定量化数据支持。规程明确规范了仪器地震烈度的计算方法与流程,公式为:

      $$ \left\{ \begin{array}{l} {P_A}{\rm{ = max}}\left[ {\sqrt[{}]{{{a^2}{{\left( {{t_i}} \right)}_{{\rm{EW}}}} + {a^2}{{\left( {{t_i}} \right)}_{{\rm{NS}}}} + {a^2}{{\left( {{t_i}} \right)}_{{\rm{UD}}}}}}} \right]\\ {{{P}}_V}{\rm{ = max}}\left[ {\sqrt[{}]{{{v^2}{{\left( {{t_i}} \right)}_{{\rm{EW}}}} + {v^2}{{\left( {{t_i}} \right)}_{{\rm{NS}}}} + {v^2}{{\left( {{t_i}} \right)}_{{\rm{UD}}}}}}} \right] \end{array} \right. $$ (5)

      式中,PA为地震动峰值加速度;PV为地震动峰值速度;a(ti)为ti时刻点合成的三分向加速度值;v(ti)为ti时刻点合成的三分向速度值;下标EW、NS、UD分别代表东西向、南北向、垂直向。则仪器地震烈度值II为:

      $$ \left\{ \begin{array}{l} {I_A} = 3.17{\rm{lg}}{P_A} + 6.59\\ {I_V} = 3.00{\rm{lg}}{P_V} + 9.77 \end{array} \right. $$ (6)
      $$ {I_I} = \left\{ \begin{array}{l} {I_V}, {I_A} \ge 6.0{\;{且}\;} {I_V} \ge 6.0\\ \left( {{I_A} + {I_V}} \right)/2, {I_A} < 6.0{\;{或}\;} {I_V} < 6.0 \end{array} \right. $$ (7)

      初步的地震烈度衰减关系圈离散化,将仪器地震烈度与理论烈度离散点相结合,利用空间插值对初步判定的地震烈度影响场进行修正,从而得到第2时段的地震影响场结果。

    • 随着时间推移,震后观测资料不断丰富,第3时段可通过S波辐射图案匹配识别破裂方向[22],地震精定位技术逐步获取余震展布情况。一般而言,余震能够直观地展示地震地质构造特征及断层破裂方向与范围,对地震烈度衰减关系的长短轴方向具有指示意义。地震烈度评定主要根据建筑物破坏的程度和地表面变化状况等指标判定。地震现场应急工作队依据《GB/T 18208.3—2011地震现场工作第三部分:调查规范》开展相关灾害调查工作。通过居民点调查和抽样点调查以及专项调查取得丰富的第一手资料,评估现场调查点烈度。

      在取得局部地震现场调查资料的第3时段,采用现场调查点烈度、仪器地震烈度与余震分布相结合的方法进行地震烈度影响场修正。首先,利用余震展布方向调整地震烈度衰减关系的长轴方向,将两个方向的夹角约束至±5°范围。然后,整合理论烈度离散点、仪器烈度点与现场调查点的数据,利用空间插值进一步修正地震烈度影响场,从而较准确地给出地震影响场判识结果。

      由于只考虑仪器烈度和现场调查烈度的数据一般分布并不均匀,且密集程度也难以反映局部差异特点,因此,空间插值算法的选择上,不宜选择反距离权重等确定性的插值算法。为了使插值结果符合实际情况,往往需要根据实际数据情况,利用理论烈度结果进行补点,使研究区内的点均匀分布。由于理论插值与实际值会有一定的误差,选择允许存在测量误差的协同克里金法。利用几个空间变量之间的相关性,对其中的一个变量或多个变量进行空间插值,以提高估计的精度和合理性。其计算公式为:

      $$ Z\left( {{x_{\rm{0}}}} \right) = \mathop \sum \limits_{i = 1}^n {a_i}{Z_1}\left( {{x_i}} \right) + \mathop \sum \limits_{j = 1}^n {b_j}{Z_2}\left( {{x_j}} \right) $$ (8)

      式中,aibj为权重系数,分别表示各空间样本点xixj处的观测值Z1(xi)、Z2(xj)对估计值Z(xz)的贡献程度。

      此外,地统计方法的插值精度与选择的变异函数模型密切相关。通常,变异函数的模型是根据半变异函数云图的分布,以实验方差最小为原则,选择合适的变异函数理论模型[23]

      在第3时段,根据烈度衰减关系与模型选择指数模型:

      $$ \gamma \left( h \right) = \left\{ \begin{array}{l} 0, {\rm{}}h = 0\\ {C_0} + C\left( {1 - {{\rm{e}}^{ - h/a}}} \right), {\rm{}}h > 0 \end{array} \right. $$ (9)

      式中,$\gamma \left( h \right)$为变异函数,用于表征随机变量的空间变异结构;h为两样本间的距离;C0+C为基台值,表示变量空间变异的结构性方差;C0为块金值,代表随机变异的量;a为变程,即影响距离的范围。块金系数是块金值与基台值的比值,用于反映变量的空间自相关程度。

    • 2013-04-20T08:02,中国四川省雅安市芦山县(30.3°N,103.0°E)发生7.0级地震,震源深度13 km。四川省成都市、雅安市、乐山市,陕西省宝鸡市、汉中市、安康市等地均有较强震感。此次地震造成196人死亡,21人失踪,13 484人受伤。本文以芦山7.0级地震为例进行分时段地震烈度影响场判定分析。

    • 接收到地震速报信息后,根据地震三要素以及所在区域的地震烈度衰减关系快速产出地震影响场分布图(见图 3),为灾害评估和救灾决策提供第一时间的技术支持。该时段计算的地震烈度影响场长轴走向自动选取距离震中最近断层的走向,约为37°。

      图  3  利用地震烈度衰减关系计算的地震烈度分布

      Figure 3.  Earthquake Intensity Map Calculated by Intensity Attenuation Relation

    • 本次地震共记录到可用强震记录28条,如表 3所示。如果将这28个点直接插值后,其结果如图 4所示。由于记录点位分布不够密集、不均匀,插值给出的结果与地震能量衰减的一致性较差;从数据分布看,并不满足正态分布。因此,需要对数据作进一步处理,以满足数据的分布要求。

      图  4  仪器记录烈度直接插值结果

      Figure 4.  Direct Interpolation Result Map of Instrument Intensity Record

      首先,观察原始数据的数值,去掉明显偏离正态分布的异常点。然后,观察点云数据,修正或删除明显偏离的异常点数值。由于震中北部方向缺少强震台站,且该区域地形为高原山地,烈度衰减较快,为了避免补点造成结果失真,在该方向设置部分虚拟台站点来约束Ⅵ度区域的走向。最后,为了加密点位,按地震烈度衰减关系对空区进行离散化补点。

      取震后2 h的余震信息,确定余震优势方向约为27°。利用该走向修正将第1时段生成的地震烈度影响场长轴走向,结合修正后的仪器记录点,进行了空间插值生成第2时段的地震烈度影响场,结果如图 5所示。

      图  5  第1时段计算烈度值和仪器烈度共同插值结果

      Figure 5.  Interpolation Result Map of Calculated Intensity and Instrument Intensity

      本时段所生成的结果合理利用强震台站的观测数据,较为准确地给出了震中高烈度区的影响范围,其结果更接近地震造成的实际烈度。

    • 一般来讲,地震现场队员到达现场后,最先关心的是重灾区。因此,本文选择震后12 h之内上报的灾情数据(Ⅷ度及以上调查点,如表 4所示)作为现场调查烈度点进行地震烈度影响场的修正。首先, 对现场调查烈度点进行数据清洗; 然后, 将其与理论烈度离散点、仪器地震烈度点整合;同时,选取震后12 h的余震,确定余震优势方向(约为24°)作为地震烈度衰减方向,作为地震烈度衰减关系的长轴走向;最后,利用空间插值生成第3时段的地震烈度影响场。

      表 4  现场调查数据(Ⅷ度以上)

      Table 4.  Field Investigation Data(Above Ⅷ)

      位置 经度/(°) 纬度/(°) 烈度 位置 经度/(°) 纬度/(°) 烈度
      天全县城1 102.7 30.0 芦山县大川镇5 103.1 30.3
      天全县仁义乡 102.8 30.1 芦山县太平镇2 103.0 30.4
      芦山县龙门乡1 103.0 30.3 芦山县太平镇3 103.0 30.4
      邛崃天台山镇1 103.2 30.3 芦山县双石镇 103.0 30.3
      芦山县芦阳镇1 102.9 30.2 芦山县飞仙关镇1 102.9 30.1
      芦山县龙门乡2 102.9 30.2 芦山县飞仙关镇2 102.9 30.1
      芦山县龙门乡3 103.0 30.2 芦山县龙门乡4 103.0 30.2
      邛崃道佐乡 103.9 30.3 芦山县龙门乡5 103.0 30.2
      宝兴县穆坪镇 102.8 30.4 芦山县龙门乡6 103.0 30.2
      宝兴县灵关镇 102.8 30.3 芦山县龙门乡7 103.0 30.2
      邛崃高何镇1 103.1 30.3 芦山县龙门乡8 103.0 30.3
      邛崃高何镇2 103.2 30.3 芦山县宝盛乡1 103.0 30.3
      邛崃高何镇3 103.1 30.3 芦山县宝盛乡2 103.0 30.3
      邛崃高何镇4 103.1 30.3 芦山县宝盛乡3 103.0 30.3
      芦山县太平镇1 103.0 30.3 芦山县龙门乡9 103.0 30.2
      芦山县大川镇1 103.1 30.5 芦山县清仁乡1 102.9 30.2
      芦山县三江村 103.2 30.3 芦山县清仁乡2 102.9 30.2
      芦山县芦阳镇2 102.9 30.2 芦山县清仁乡3 102.9 30.2
      芦山县老城1 102.9 30.2 芦山县清仁乡4 102.9 30.2
      芦山县老城2 102.9 30.1 天全县城2 102.8 30.1
      芦山县老城3 102.9 30.2 芦山县老城4 102.9 30.2
      芦山县大川镇2 103.1 30.4 名山县新店镇 103.2 30.1
      芦山县大川镇3 103.1 30.4 邛崃天台山镇2 103.1 30.3
      芦山县大川镇4 103.2 30.4 邛崃天台山镇3 103.1 30.3

      第3时段所生成的结果以烈度衰减关系为基本框架, 并合理结合了地震观测数据与现场调查数据,对于震中附近高烈度区的烈度值与范围有较为准确的估计;同时,有效控制距离震中较远的低烈度区,能为地震灾害救灾工作提供科学准确的辅助决策。具体操作步骤为:(1)数据检查。查看仪器地震烈度和现场调查烈度的趋势,检查数据空间自相关和方向的变化趋势,检查半变异函数中表现空间不相关的异常点,并决定是否需要对采样密度较高的区域确定去簇权重。(2)数据预处理。为了建立合理的地统计学模型,需要建立满足模型需要的足够的数据集特征,克里金插值需要数据基本呈正态分布。根据理论烈度对结果进行补点,然后对数据集进行聚类以补偿优先采样。

      3)确定半变异函数参数。一般最大步长取值应该小于研究区域采样点之间最大尺度的一半,并通过确定点与最近的相邻要素之间的平均距离来确定步长大小,步长组数满足“步长数乘以步长大小的值是所有点之间最大距离的一半左右”的经验法则。综合数据的整体情况,取步长值为0.079,步长组数为12。

      4)插值生成地震烈度影响场分布图。使用克里金算法对空间进行插值,并生成各烈度影响场的外包络线,产出地震烈度影响场分布图。

      图 6的插值结果可以看出,近场极震区的判识结果的准确性得到有效提升,现场调查数据补充了极震区的震害情况,使得修正后的影响场Ⅸ度区范围扩大,与最终现场调查烈度图基本一致。远场影响区Ⅵ度调查点显示影响场分布可能沿西南方向展布,对现场调查工作也具有指示意义。最终烈度图与第3时段的结果对比,可以看出两者烈度衰减方向吻合(基于余震判断长轴走向约为24°,现场调查烈度图长轴走向约为25°),与第2时段结果相比,其极震区烈度等级与影响范围判识更为准确。同时,由于在低烈度区缺少西北方向的Ⅵ度调查控制点,造成了拟合结果在西北方向偏大。通过3个时段的模型结合数据逐步细化实现了震后分时段地震烈度影响场快速判识。

      图  6  第1时段计算烈度值和现场调查烈度、仪器烈度共同插值结果

      Figure 6.  Interpolation Result Map of Calculated Intensity, Investigation Intensity and Instrument Intensity

      取3个时段地震烈度影响区面积比较结果如表 5所示。第2时段和第3时段对高烈度区有明显修正,第2时段对低烈度区的修正起主要作用。这是因为第3时段在短时间内最有可能获取的数据为重灾区数据,因此,本文只选用了Ⅷ度以上的调查点,结果与第2时段及实际调查结果接近,对于Ⅵ度和Ⅶ度没有实际调查点约束,故范围与第2时段相差不大。

      表 5  烈度范围对比/km2

      Table 5.  Intensity Range Comparison/km2

      烈度值 第1时段烈度面积 第2时段烈度面积 第3时段烈度面积 实际调查烈度面积
      22 78 305 208
      661 880 1 434 1 623
      3 258 3 079 3 064 5 644
      11 782 19 854 19 080 18 752
    • 本文将不均匀的低密度仪器烈度值、现场调查初期获取的高烈度区数据作为地震烈度影响场的修正数据,利用余震分布的优势方向确定地震烈度衰减方向,并在四川2013-04-20芦山7.0地震中进行验证分析,其得出的结果表明,利用该方法可以较为准确的判读高烈度区。同时,利用地震烈度衰减方向和仪器烈度可以共同约束低烈度区的走向和边界,给出较为准确地地震烈度影响场,为前期开展地震应急工作提供技术支撑。

参考文献 (23)

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