点源烈度衰减模型

1、线源地震影响场计算模型的实现李铂作者简介：李铂1983，男，山东定陶人，工程师，现主要从事地震监测、课题研究等工作基金工程：地震应急青年课题CEA_EDEM-202109，2，董翔1，2，陈亚红3，何琳4,于澄21中国合肥230026中国科学技术大学2中国济南250014山东省地震局3中国菏泽274000菏泽市地震局14中国合肥230026安徽省地震局摘要传统的烈度衰减关系一般是由历史地震等震线资料拟合得到，但基于历史震例进行统计回归所得到的椭圆衰减模型往往不能够反映大地震时的地震衰减特点。尝试提岀基于点源模型改良的线源地震影响场计 算模型，引入地表破裂尺度对原有烈度衰减模型进行长轴修正，以期

2、到达生成结果与强震实际烈度相拟合 的目的，并可实现极震区震害的快速评估和计算。关键词：地震烈度；衰减模型；影响场；线源模型；极震区0引言地震是一种特殊而且复杂的自然现象，作为自然灾害的群灾之首， 每年全球由于地震所造成的死亡人数多达数万人，同时带来的损失还有房屋、交通、水、电等公共设施的破坏以及由此引发的其他次生灾害如瘟疫、火灾等。人们只有在了解了地震的发生机理、地震波的传播及地震动的衰减特征和地震对建筑物破坏机理的情况下，才能寻求方法来降低其对人类带来的危害。山东省地震应急指挥技术系统建成以来，在山东省的地震应急工作中发挥了重大作用。 指挥系统对地震进行震害评估和辅助决策的根底和依据便是地震

3、影响场的计算结果。因此， 地震影响场计算准确与否直接影响到后续的评估及辅助决策结果，更影响到地震应急时的救灾调度与决策。因此，建立一个完善的影响场计算与修改机制便显得非常重要。本文便是对影响场模型研究进行探讨，提出一个新的基于线源的地震影响场计算模型。 在后续工作中将采用更多震例对模型参数进行拟合，以得到更详细的结果。1点源烈度衰减模型在地震学和地震工程学的研究中，涉及地震烈度衰减关系的研究是非常充分的，随着地震烈度衰减关系的应用越来越多，其重要性也被越来越多的人所认识。地震发生后，由于地壳介质的吸收、几何扩散及散射等原因使地震波的振幅或能量随着远离震源而规律的减弱，地震烈度也就相应随着震中距

4、的增加而减小，对于一次地震，其表达式为：严式中：I。为震中最大烈度，D为震中距，e-KD为衰减因子，K为介质吸收系数，Id为震中 距为D时烈度。在统计分析地震烈度衰减关系时，通常假设地震震源为点源模型，地震烈度衰减那么取椭圆模型。该模型的衰减曲线起始点应是重合的，在中等距离上长、短轴之间有差异，曲线呈椭圆形，到了远场，由于发震构造的影响已经消失，烈度等震线趋于圆形，长、短轴衰减曲 线也趋于重合吕坚等，2021。现有应急指挥技术系统在进行烈度影响场计算时也是采用这 种椭圆长短轴联合衰减模型陈达生等,1989 ，该模型可以保证长短轴在R=0时烈度相等，而中等距离上仍保持长、短轴烈度的差异，同时在远

5、场使等震线成圆形。联合衰减模型的方 程为：Z+b州训+RJ+仙曲*關+2式中：I为地震烈度；M为震级；Roa和Rob分别为长、短轴两个方向烈度衰减的近场饱和因子；R|和R?分别为烈度I的椭圆等震线的长半轴和短半轴长度； a、b、Ci和C2均为回 归系数；£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d 卢建旗,李山有，李伟，2021。在实际应用时，采用如下形式的衰减公式：条件的不同所引起的。利用从某一地区收集到的烈度数据，采用统计回归的方法得出不同地区的地震烈度衰减关系系数。观察该公式，其生成的烈度等震线为一组相互嵌套的椭圆，其离心率为e:5

6、其中a、b为椭圆的长短轴。显然，0< ew 1, e值越小，椭圆越接近圆形，e值越大那么椭圆越扁。也就是说，当R趋近于0时，椭圆越来越扁，直至退化为一条线段，显然该线段是由断层破裂引起的；而当R趋近于无穷时，椭圆越来越圆，其含义到了远场，发震构造的影响已经消失，因此椭圆长 短轴衰减曲线也趋于重合。2问题的提出上述方法在烈度区划和地震工程中已被广泛采用，在使用过程中也发挥了很好的作用。但对于表征地区总体特征的衰减关系来说，一般不一定能代表特大地震的衰减特点肖亮,2021。如此次汶川地震这种特大地震，其烈度等震线呈狭长椭圆状，并有自身的特点，具体表现为沿发震断层，烈度衰减很慢，极震区烈度较高

7、，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。而在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相比几乎相符。表现在烈度等震线中， 汶川地震的高烈度等震线较为扁平。历史上发生的一些特大地震同样存在这样的烈度衰减特点。如1668年山东郯城8.5级地震以及1920年宁夏海原8.5级地震、1927年甘肃古浪8.0级地震等所表现出的特征均与 此次汶川地震有相似之处，同样表现出等震线长轴长度大大超过烈度衰减关系预测长度。决定或影响地面地震烈度衰减的因素复杂多样。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。也就是说，它只是诸多地震衰减的统计平均，

8、仅反映区域烈度总体特征。由于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。而区域上的衰减关系，也只是随机事件的平均李世成，崔建文，韩新民，2003。因此基于统计所获得的烈度衰减公式很难描述出大震的破裂尺度和衰减关系。基于以上情况，本文提出结合大震烈度衰减公式及地震破裂尺度经验公式的线源影响场 计算模型对原有基于中强地震的点源烈度衰减模型进行修正， 使其可以外推到大震情况的影 响场计算，以满足大震情况下地震影响场的生成和快速评估的需要。3 线源地震影响场模型3.1 震级 -破裂长度关系为了地震

9、快速评估的需要，线源地震影响场模型的建立需要基于地震的地表破裂尺度， 地震破裂尺度决定了地震极震区的影响范围。1968 年， Cornell 首先对地震危险性分析作系统的研究，提出了著名的“点源模型。70年代，洪华生A.H-S等提出断层破裂模型。该模型假设，断层破裂长度仅由震级决定， 场地烈度由场地到断层破裂区的最短距离决定。由于断层破裂模型的广泛应用，震级-破裂长度关系研究已成为危险性分析的一局部沈建文 , 邱瑛, 1990 。目前已经发表了大量震级与断层破裂参数之间的经验关系。据资料研究， 典型地表破裂长度是地下破裂长度的 75%，随着震级的增大， 地表破裂长度和地下破裂长度之比也在增大。

10、 回归关系说明， 震级与各种破裂参数之间有较强的相关性， 这就使得利用这些回归关系来估 算破裂参数有一个可靠的保证。 在多数情况下，震级与地表破裂长度、 地下破裂长度、 倾向 破裂宽度以及破裂面积之间的回归关系式可以很好确实定。在多数情况下，经验回归关系式不随滑动方向而发生显著变化。t-统计检验说明，震级与地表破裂长度、地下破裂长度之间的回归关系相关系数在高显著性水平上无显著差异，震级 -破裂面积和震级 -破裂宽度的相关 系数在 95%的置信水平上有明显差异， 但是这些回归关系式的回归系数相近， 而且由这些回 归关系式估计出的参数之间差异很小 D.L. Wells and K.J. Coppe

11、rsmith, 1994。这一结论说明，利用 破裂尺度经验公式可以适用于大多数情形，在线源影响场计算模型中可以直接加以应用。3.2 线源影响场破裂计算模式地震发生后， 根据断层、 余震信息及历史震例确定破裂方向， 利用破裂尺度经验公式推 测地表破裂尺度， 利用大范围区域地震的衰减关系， 沿地表破裂带的每个点进行点源影响场 的计算， 最终形成的包络线即为最终形成的线源影响场破裂结果， 沿破裂带的每个点均符合 点源模型的衰减规律。该模型主要适用于特大地震的影响场计算， 弥补传统点源模型无法反映单侧破裂和不对 称破裂的缺点。同时使点源模型可以外推适应更大的地震的评估与计算。3.3系统的实现及整合应急

12、指挥技术系统运行流程。要实现影响场计算结果与现有应急指挥技术系统的整合，首先需要对整个应急指挥技术系统的逻辑流和数据流的运行方式有充分的了解。现有应急指挥技术系统运行流程如下：1地震触发响应系统触发地震后，将地震信息发送到总线，由总线进行整个系统计算期间的消息转发与记录；2评估效劳系统 Age nt在接收到总线发过来的地震消息后，通知地震评估效劳端调 用各个模型开始计算过程；3 每个模型计算过程开始及结束都向总线发送其计算状态，并由Age nt调度下一模 块利用之前产出的结果继续计算；4 待评估系统所有模型计算完毕后，由评估系统的Age nt向总线发送计算结束消息， 同时通知辅助决策系统开始基

13、于评估结果的计算。评估系统的修改。评估系统的所有模块都以动态链接库的方式加载和调用，模块在接收到计算消息时按配置文件顺序被调用，同时产出其他模块计算所需要的信息。因此，要实现将自定义影响场参加系统评估与辅助决策的计算流程，需要修改其行为方式替代原有过程。图1给出的是系统影响场计算结果的初步修正系统和原系统的比拟方案。对评估系统影响场计算模块进行小的改动，在模块计算完成后参加判断过程， 如计算震级大于7级那么模块计算过程挂起等待。此时使用线源影响场计算模块直接处理评估系统底层 的根底数据库，将原有计算结果修改为新的线源影响场计算结果后，恢复挂起过程，实现后续模块按新的影响场继续计算。原系统I计鼻

14、碱®修正系统图1原系统与修正后的系统计算流程图按此种方案，系统同时可将自定义影响场导入系统中进行动态评估计算，使系统能够按实际灾情修正的影响场进行动态评估或模型验证。图2给出的是地震影响场修正界面图。AZJt tec,目va宵島VInk尹111即卜C0u.Lpu.L_1l 医夙|计 |更苗dAiDEnzTir血- k J A F亡：|鬲宰?：I9* MT-'B ST耳 l0 zl j ji A -鼎图2地震影响场修正界面图Fig.2 Interface diagram of seismic effect fields系统模块开发。课题的所有计算模块全部采用ArcGIS Des

15、ktop插件式开发，可方便的将其他研究成果与现有系统进行整合。按上节所述编写软件将模型计算与现有应急指挥技术系统结合，实现应急指挥技术系统计算影响场的自定义计算。系统计算结果可导入到Google Earth或应急指挥技术系统中进行综合叠加展示或计算见图3。图3影响场导入Google Earth效果图为了能够在地震应急时快速确定极震区的影响情况，系统参加地表破裂涉及相关冃标的查询功能，由图4可以看出在极震区内有影响的医院、学校、交通、水库、重点冃标等情况 可以列表显示。oGtJ0尽啊 TTtMi TTHIS rrnie rriueTTiJS TTIiKT TTIiKT.37|5MKr_l37ll

16、LZWi3f7|'KWOIDU37l3lffiMOTitJ7I327D3SWC *jj 套谊总舸帘曲!：! 涯靈世加购Jt |图4极震区综合查询结果图Fig.4 Diagram of integrated consulting results in meizoseismal areas4与实际震例的比照图5为汶川地震系统计算结果与实际结果的比照情况及与USGS产出仪器烈度的计算结果比照情况。计算所用地表破裂尺度取240千米。Fig.5 Comparison of calculating results of Wenchuan earthquake图6为玉树地震系统计算结果与实际结果的比

17、照情况。图6汶川地震计算结果比照Fig.6 Comparison of calculating results of Yushu earthquake由系统计算结果可看到，该模型可较好的与实际烈度调查结果向吻合。5结语岩石破裂室内实验证明，断层破裂方向对烈度分布有影响，在破裂前方衰减慢， 背向破裂前方衰减快。因此沿断层长轴方向烈度有可能对称，也可能不对称。当破裂为单侧或不对称双侧破裂时，烈度分布也不对称。另外在断层两盘烈度也可能不对称，在断层面倾斜时， 由于断层面辐射能量到地表，在断层面上方即上盘会造成较大烈度(赵根模，1992)。汶川地震的烈度等值线图便反映了以上的情况，如何在计算中考虑地震

18、所在区域的地震地质情况，并把其参加到线源影响场模型中便是接下来需要解决的问题。另外，由于点源衰减模型在计算过程中也考虑了地震破裂对烈度衰减的影响，为了更好的生成符合特大地震烈度衰减规律的影响场计算结果，需要对地表破裂尺度经验公式和衰减模型的参数的选取进行充分验证。参考文献陈达生，刘汉兴.地震烈度椭圆衰减关系J.华北地震科学,1989, 7(3): 31-34.李世成，崔建文，韩新民.云南地区地震烈度衰减特征研究J.中国地震，2003, 19(3): 287-294.卢建旗,李山有，李伟.中强地震活动区地震动衰减关系确实定J.世界地震工程，2021, 25(4): 33-43.吕坚等.汶川8.0

19、级地震序列重新定位及其发震构造初探J.地震地质，2021, 30(4): 917-925.沈建文，邱瑛.震级-破裂长度关系与断层破裂模型J.地球物理学报，1990, 33(2):242-248.1-6.肖亮. 汶川地震烈度衰减异常与郯城、海原地震的比拟 J. 2021, (11): 92.赵根模 . 地震烈度衰减异常的地质学和地球物理学问题J .天津地质学会志 , 1992,6(1): 41-44.D.L. Wells, K.J. Coppersmith. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture

20、width, rupture area, and surface displacement J. Bull. Seismol. Soc. Ana, 1994, 84(4): 974-1002.Realization of calculation model ofline-source seismic effect fields12) 12) 3) 4) 2)Li Bo ，Dong Xiang ，Xiao Lanxi ，He Lin ，Yu Cheng1) University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China2) Seismological Bureau of Shandong Province, Jinan 250014, China3) Seismological Bureau of Heze , Heze 274000, China4) Seismological Bureau of Anhui Province, Hefei 230026, ChinaAbstractTraditional intensity attenuation relation is g