用有限强地震动记录校正等震线的估计研究

陈鲲　俞言祥　高孟潭　冯静

用有限强地震动记录校正等震线的估计研究

陈鲲　俞言祥　高孟潭　冯静

nbsp(中国北京100081中国地震局地球物理研究所)

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中图分类号: P315.9
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- 发布日期: 2012-08-29

Study on bias correction of ShakeMaps based on limited acceleration records

Chen Kun　Yu Yanxiang　Gao Mengtan　Feng Jingcom sh a

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China)

摘要

摘要: 选用获得了加速度记录的2011年4月10日四川炉霍MS5.3及2011年8月11日新疆维吾尔自治区克孜勒尔自治州阿图什市与伽师县交界MS5.8地震，研究其快速生成震动图的偏差校正方法；通过台站实际观测值与借助经验性衰减关系估计值之间的残差分析，提出了利用台站数据对缺少台站地区借助经验性衰减关系估计值的对数偏差校正方法; 并比较了圆和椭圆衰减关系模型的对数残差及震动图的分布形态．结果表明, 适合于当地地震动衰减关系plusmn;3倍标准差的标准能够识别一些台站异常数据, 如炉霍MS5.3地震中炉霍地办强震台近场峰值加速度的高频脉冲引起的异常数据；对数偏差校正方法适合于地震动强度速报中缺少台站数据地区借助经验性衰减关系地震动参数估计值的系统偏差校正;圆衰减关系模型只能控制震动的程度，不能控制其分布形态．明确的地震震源机制、震源破裂过程、当地的地质构造背景及余震分布等信息有助于修正震动图的分布形态．
- 震动图　强震记录数据　对数偏差校正　地震动衰减关系
Abstract: We investigated bias correction method of ShakeMaps based on limited acceleration records for the 10 April 2011 Luhuo, Sichuan, earthquake (MS5.3) and the 11 August 2011 Jiashi, Xinjiang, earthquake (MS5.8). By analyzing residuals between the observed data and calculated values, we proposed a method of logarithmic deviation correction for theoretical estimates in regions lacking seismic observations. We also compared both logarithmic residuals and vibration distribution between circle attenuation model and ellipse attenuation model. Research and analysis show that rules of plusmn;3 times standard deviation of local ground motion attenuation relations can remove some abnormal station data, such as the abnormal data from Luhuo Diban station for Luhuo earthquake due to near-field high-frequency acceleration pulses. During rapid report of ground motion intensity, the method of logarithmic deviation correction is suitable for systematic error correction of theoretical estimates of ground motion parameters. Circle attenuation model can only control the degree of vibration, but can not control its distribution. The information of focal mechanism, rupture process, local geological structure and distribution of aftershocks of an earthquake can help modify the distribution of ShakeMaps.

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引言

辽宁地区断裂构造十分发育，是现代构造活动相对强烈的地区(吴波，2015；姜岩，2016).中国大陆东部规模最大且活动性显著的断裂带郯庐断裂带通过本区，控制着本区域强震的孕育和发生.本区域地质构造总体呈北东向的条块状，东侧为辽东隆起，西侧为辽西隆起，中部为下辽河断陷带.区内活动断裂走向主要呈东西向、北东向和北西向分布, 其中：东西向断裂主要为赤峰—开原断裂，近东西向的张家口—北票断裂；北东向断裂是区内的主体构造.遍布整个辽宁地区，主要有下辽河断陷带(即郯庐断裂带的一部分)和北票—朝阳断裂；北西向断裂发育相对较少，多为一些截北东向的扭性断裂，如海城河—大洋河断裂.

地壳垂直形变速率能够直观地反映出地壳的垂向运动特征，继而反映出地壳构造活动的活跃与闭锁程度，结合地质背景及地震活动性，能为地震发生的研判提供参考.与其它手段相比，利用地壳垂直形变资料分析区域形变特征具有十分显著的优势(徐东卓等，2017). 20世纪70年代以来，区域精密水准资料已经广泛应用于地壳垂直运动研究，并在地震孕育理论、地震预报等研究中发挥了重要作用(应绍奋等，1988；黄立人等，1989；马文涛等，2004；王若柏等，2004).孔繁强和林玉祥(1991)、赖锡安等(2004)和郭良迁等(2012)已对辽宁地区垂直形变场的特征进行了分析，特别是1975年海城M_S7.3地震之后，郭良迁等(2012)根据辽宁地区的地壳垂直形变场特征，分析了该地区未来的地震孕育发展趋势.

1975年海城M_S7.3地震发生在下辽河断陷带东侧的海城—营口断裂带与北西向的海城河—大洋河断裂的交界部位(王若柏等，1995；高常波，钟以章，2000).海城M_S7.3地震之后，地壳应力从地球动力学层面得以一定程度的释放，中短期内区域构造活动以继承性运动为主.而现今距海城大地震发生已有四十余年，且该时间段内未发生过M_S≥6.0强震，未来几年内这种平衡是否被打破，地壳应力积累情况如何变化，这些均值得重点关注.本文拟利用2016年在辽宁地区开展的一系列精密水准复测工作所获取的最新一期资料，结合历史资料分析，以期获取该地区近期的垂直形变特征及地震活动性，为该区域地震危险性分析及强震预测提供依据.

1. 资料概况与数据处理

辽宁地区精密水准测点分布如图 1所示，水准资料西起河北遵化，东至辽宁丹东，北起内蒙古库伦旗，南到辽宁大连，覆盖了辽宁的大部分区域.水准资料时间跨度为1988—2016年，第一期施测时间为1988—1989年，第二期施测时间为1997—1998年，第三期施测时间为2013—2016年.其中，第一期与第二期的公共测点为480个，第二期与第三期的公共测点为267个.

图 1 辽宁地区区域精密水准测点、水准剖面及断裂分布

Figure 1. Distribution of regional precision leveling points, leveling profiles and faults in Liaoning area

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首先，采用分段动态线性速率模型数进行据处理，以水准路线交会点为起算基准，平差计算得到1988—1998年和1998—2016年的地壳垂直形变速率，其动态平差结果中单位权中误差分别为0.87 mm/a，0.86 mm/a，均小于1 mm/a，表明本区域采用的数据整体实测精度较高；其次，对测点形变速率进行预处理，剔除个别量级过大或与相邻点差异过大的突变点；最后，采用多面函数法对计算结果进行格网化，并计算每个格网点的速率梯度模值, 绘制地壳垂直形变速率矢量图、等值线图与梯度图(Xu et al，2016).

2. 地壳垂直形变特征与区域地震活动性

2.1 地壳垂直形变特征分析

首先，采用连续曲率张力样条法对计算得到的地壳垂直形变速率值, 进行网格化处理，其原理是将张力参数引入最小曲率拟合曲面中，即在弹性薄板弯曲方程中加入张力参数，消除曲面中存在的无关变形点，张力参数的取值一般为0—1；其次，由于地壳变形的缓慢性和局部的一致性，同时为提高计算效率，选用Boxcar卷积滤波器进行平滑处理；最后，绘制出辽宁地区1988—1998年(图 2)和1998—2016年(图 3)两个时段的地壳垂直形变速率矢量图和等值线图.

图 2 1988—1998年辽宁地区地壳垂直形变速率矢量图(a)与等值线(b)图

Figure 2. Vector graph (a) and isoline map (b) of vertical deformation in Liaoning area from 1988 to 1998

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由图 2a可以看出，1988—1998年期间辽东隆起和辽西隆起总体表现为上升趋势，下辽河断陷带则呈整体下降.辽东隆起由北向南上升速率逐步增大，尤其是大孤山—金州一线最大速率达2.5 mm/a；辽西隆起的上升区主要集中在凌源—朝阳—清河门、石山—清河门和锦州—朝阳这3个区域，速率为0—2.5 mm/a；下辽河断陷总体呈现较大幅度的下沉趋势，石山—盘山—海城和石山—沈阳一带最大下沉速率达2.5 mm/a.由图 2b可以看出：辽东隆起西南部的地壳垂直形变速率等值线走向为北东向，到岫岩—本溪一带转呈北西向，这种变化可能与海城河—大洋河隐伏断裂的构造活动有关；辽西隆起的地壳垂直形变速率等值线自西向东由北西向转呈北东走向，辽西隆起相对上升，上升条带北接赤峰—开原断裂，南邻北票—朝阳断裂，构造活动主要受这两条断裂控制；下辽河断陷带垂直形变速率等值线总体形态与下辽河断陷带走向一致，最大下沉速率出现在断裂带发育丰富的盘山地区，等值线形态在海城—岫岩一带发生微小转折，恰好是金州断裂与海城河—大洋河断裂的交会地段，说明该地区形变与构造活动关系密切.

1998—2016年辽宁地区的地壳垂直形变整体上呈现“东北升，西南降”的特征(图 3).从长期垂直形变速率(图 3a)来看，辽宁地区形变速率变化总体较为稳定，其中辽东隆起及下辽河断陷带北部以上升为主，最大上升速率为2 mm/a，辽西隆起以下沉为主，下沉速率约为0—2.5 mm/a.图 3b所示的等值线分布密集区域也是断裂发育分布较为集中的区域，主要是朝阳—清河门、石山—盘山—海城—岫岩和丹东—大孤山等3个区域.从盘山经海城、岫岩至大孤山一带垂直形变速率呈现出一个明显的转折过程，特别是在海城一带构造较为复杂的区域，垂直形变速率等值线由下降转为上升，由此推断海城河—大洋河隐伏断裂可能正处于强烈活动期，在其交界地带形成了一条北北西向的挤压条带，因此应予以重点关注.另外，清河门—盘山一带也经历了垂直形变速率等值线的转折变化，表明该时段内锦州—阜新断裂、下辽河断陷带可能也正处于活动期.

图 3 1998—2016年辽宁地区地壳垂直形变矢量图(a)及等值线图(b)

Figure 3. Vector graph (a) and isoline map (b) of vertical deformation in Liaoning area from 1998 to 2016

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辽宁地区1988—1998年(图 2a)和1998—2016年(图 3a)两个时段的垂直形变速率矢量图显示：辽东隆起地块的形变演变过程为整体上升到北部上升南部下降，即金州—盖州一带地表由上升转为下降；下辽河断陷演化过程为整体下降到北部上升南部下沉，即盘山一带断陷发育丰富的地区仍然以下沉为主，但其东北端出现一定程度的隆升，与区域构造活动不完全一致；辽西隆起的演化进程为东北升西南降到整体微降.从较长时间尺度来看，近年来该区域的垂直形变速率整体变化不大.

2.2 地壳垂直形变剖面分析

根据辽宁地区断层及测线分布，选择跨区域内主要断裂带的两条水准剖面(位置见图 1)，即朝阳—清河门—石山水准剖面和盘山—海城—岫岩—大孤山水准剖面，以分析断层两侧的形变特征及断层活动情况.

朝阳—清河门—石山水准剖面从西往东依次跨越北票—朝阳断裂和锦州—阜新断裂.北票—朝阳断裂走向为N45°E, 倾向为NW，早期以逆断层活动为主，上盘震旦系灰岩逆冲于下盘侏罗系砂砾岩之上，第四纪以来断层则转为以正断层活动为主.由图 4所示的1988—2016年该水准剖面的地壳垂直形变速率趋势可见，这两个时段内该断裂均呈现弱压性运动特征，即相对于上盘，下盘出现较小幅度的下沉.依据断层两侧水准测点的垂直形变速率估算断层的活动速率，两个时段内分别为-1.0 mm/a和-0.5 mm/a，断裂以逆冲活动为主.锦州—阜新断裂，倾向为NW，1988—1998年该断裂以压性活动为主，估算断层活动速率为-1.0 mm/a，而1998—2016年，断层活动性质发生转折，由压性转为张性活动，估算的断层形变速率为2.3 mm/a，这表明锦州—阜新断裂两侧的垂直形变活动速率差异较大.这两个时期形变速率反映出的断层张压活动性突变明显，显示了该区域内地壳垂直形变活动剧烈，需结合其它资料重点关注短期内的形变趋势.

图 4 朝阳—清河门—石山水准剖面地壳垂直形变速率变化图

Figure 4. Vertical deformation rate of Chaoyang-Qinghemen-Shishan leveling profile

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盘山—海城—岫岩—大孤山水准剖面从北往南跨越下辽河断陷带和金州断裂.下辽河断陷带内发育有多条正断层，主要有台安—大洼断裂、牛居—油燕沟断裂、辽中断裂(又称为二界沟断裂)和海城—营口断裂.由图 5可知：1988—1998年，该断陷带总体以张性活动为主，断陷带内测点形变较为复杂，表明该时期内相应的断裂活动处于活跃期，断层活动速率约为3.1 mm/a；而从1998—2016年较长时段内的活动趋势来看，该区内测点的垂直形变速率变化不大，且速率值较小，维持在1.0 mm/a左右.金州断裂为正断层，倾向NW，1988—1998年，断层处于活跃期，以张性活动为主，估算断层活动速率为4.0 mm/a，1998—2016年，虽然该断层仍处于张性活动，但活动速率与前期相比明显变小，形变速率为0—1.0 mm/a.

图 5 盘山—海城—岫岩—大孤山水准剖面地壳垂直形变速率变化图

Figure 5. Vertical deformation rate of Panshan-Haicheng-Xiuyan-Dagushan leveling profile

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2.3 地震危险性分析

利用辽宁地区形变速率值分别计算了1988—1998年和1998—2016年两个时间段内的垂直形变速率梯度并绘制梯度图.假定地壳垂直形变速率为V是平面坐标x，y的函数, 记为V (x, y), V的水平梯度即地壳垂直形变速率梯度G定义为

(1)

式中i，j表示x，y方向的单位矢量，则G的模为

(2)

形变速率梯度高值区即为|G|值较高的地区，也就是地壳垂直形变速率图上的等值线密集地区，编绘梯度图则为计算|G|值并编绘|G|值的等值线图.

对该区域两时段内发生的地震统计可知，1988—1998年辽宁地区发生M_S≥4.5地震7次，1998—2016年15次，未发生较强地震.这些地震与该地区垂直形变速率梯度带分布的对应关系如图 6所示.可以看出：1988—1998年期间(图 6a)形变速率梯度高值区主要分布在朝阳—清河门、海城—盖州和沈阳一带，该时段内M_S≥4.5地震发生频次较低，尤其是在海城一带频次更低，这可能与1975年海城M_S7.3地震十几年后，地壳构造运动逐渐减弱有一定关系.图 6b与图 6a相比可知：总体上速率梯度高值区范围变小，这表明该地区垂直形变因受构造地块控制而减弱，反映了地壳应力相对较弱或松弛，但这也是应力积累的一个时期；从地震分布来看，速率梯度高值区所在的海城—盖州—岫岩一带近年来多次发生M_S≥4.5地震，发震频次显著增大，故应持续关注该区域的形变趋势.

图 6 辽宁地区1988—1998年(a)和1998—2016年(b)垂直形变速率梯度图

Figure 6. Vertical strain rate gradient of Liaoning region in 1988-1998 (a) and 1998-2016 (b)

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3. 讨论与结论

本文通过对辽宁地区近30年的多期复测精密水准资料的整理分析，总结了该区域的地壳垂直形变速率特征，结合地质背景及地震活动性，获得了以下认识：

1) 近年来辽宁地区的地壳垂直形变以继承性运动为主，断裂活动总体上较弱.研究期内，辽宁地区地壳垂直形变首先表现为明显的继承性运动，在运动形态上辽东隆起和辽西隆起以上升为主，下辽河断陷带呈下沉趋势，这种构造性运动非常明显，且与各主要断裂活动性质吻合得较好，如北票—朝阳断裂、锦州—阜新断裂均呈压性活动特征.近年数据表明辽宁地区的地壳垂直形变整体处于较为稳定阶段，形变值不大，但辽西隆起形变趋势有所转变，部分断裂活动性质变化尤为明显，例如锦州—阜新断裂活动性质由压性转为张性，表明辽西隆起的断裂活动具有增强的趋势.

2) 研究区内近年发生M_S≥4.5地震22次，未发生M_S≥6.0强震，从地震活动性来看，该区域处于一种相对较为平静的状态，值得持续跟踪关注.基于水准资料获取的地壳垂直形变速率梯度高值区与地震震中位置具有较好的对应关系.垂直形变速率梯度高值区大多是山地与平原的过渡地带，断裂发育丰富，例如金州断裂、下辽河断陷带等与北西、北西西向隐伏断裂的交会部位，赤峰—开原断裂与北票—朝阳断裂、锦州—阜新断裂的交会处，其相应的区域形变差异十分明显.

3) 综合研究期内垂直形变速率梯度与地震发生位置的关系，地壳垂直形变速率梯度高值区与地震的对应关系较为明显，因此认为形变速率梯度高值区带对地震危险区的判定具有较为积极的作用.从中长期趋势来看，辽宁地区的朝阳—清河门、海城—盖州—岫岩一带存在中强地震的孕育背景，这也是未来地壳形变监测的重点地带.

精密水准资料能够较为清晰地反映出了辽宁的区域垂直形变特征，结合地质构造背景等相关知识，可以用来判断地震危险区，但是，由于该区域其它观测资料相对缺乏，本文的研究手段较为单一, 下一步将结合全球卫星导航测量、重力测量等手段进行深层次的且更为精准的多数据融合分析研究.

参考文献(1)

陈鲲, 俞言祥, 高孟潭. 2010. 考虑场地效应的ShakeMap系统研究［J］. 中国地震, 26(1): 92——102.

陈鲲, 俞言祥, 高孟潭, 吕红山. 2011. 基于震源破裂过程的青海玉树地震震动图研究［J］. 中国地震, 27(1): 56——64.

国家强震动台网中心. 2011a. 四川省数字强震动台网获取炉霍县M5.3地震记录［DB/OL］. ［2011——04——30］. http:∥www.csmnc.net/selnewxjx1.asp?id=768.

国家强震动台网中心. 2011b. 新疆数字强震动台网获取克孜勒尔自治州阿图什市、伽师县交界M5.8级地震记录［DB/OL］. ［2011——08——25］. http:∥www.csmnc.net/selnewxjx1.asp?id=770.

汪素云, 俞言祥, 高阿甲, 阎秀杰. 2000. 中国分区地震动衰减关系的确定［J］. 中国地震, 16(2): 99——106.

王玉石, 周正华, 兰日清. 2010. 利用修正谱烈度确定我国西部地区仪器烈度的建议方法［J］. 应用基础与工程科学学报, 18: 119——129.

Abrahamson N A, Youngs R R. 1992. A stable algorithm for regression analysis using the random effects model［J］. Bull Seism Soc Amer, 82(1): 505——510.

Allen T I, Wald D J. 2006. Topographic Slope as a Proxy for Seismic Site——Conditions (V_S³⁰) and Amplification Around the Globe［R］. U S Geological Survey Open——File Report 2007——1357: 1——69.

Allen T I, Wald D J. 2009. On the use of high——resolution topographic data as a proxy for seismic site conditions (V_S³⁰)［J］. Bull Seism Soc Amer, 99(2A): 935——943.

Anderson J G, Brune J N. 1999. Probabilistic seismic hazard analysis without the ergodic assumption［J］. Seismol Res Lett, 70(1): 19——28.

Atkinson G M, Kaka S I. 2007. Relationships between felt intensity and instrumental ground motion in the central United States and California［J］. Bull Seism Soc Amer, 97(2): 497——510.

Boore D M. 2001. Effect of baseline corrections on displacements and response spectra for several recordings of the 1999 Chi——Chi, Taiwan, earthquake［J］. Bull Seism Soc Amer, 91(5): 1199——1211.

Borcherdt R D.1994. Estimates of site——dependent response spectra for design (methodology and justification)［J］. Earthquake Spectra, 10(4): 617——654. 

Brillinger D R, Preisler H K. 1985. Further analysis of the Joyner——Boore attenuation data［J］. Bull Seism Soc Amer, 75(2): 611——614.

Ebel J, Wald D J. 2003. Bayesian estimations of peak ground acceleration and 5% damped spectral acceleration from Modified Mercalli Intensity data［J］. Earthquake Spectra, 19(3): 511——529.

Joyner W B, Boore D M. 1981. Peak horizontal acceleration and velocity from strong motion records including records from the 1979 Imperial Valley, California earthquake［J］. Bull Seism Soc Amer, 71(6): 2011——2038.

Moratto L, Costa G, Suhadolc P. 2009. Real——time generation of ShakeMaps in the southeastern Alps［J］. Bull Seism Soc Amer, 99(4): 2489——2501.

Rhoades D A, McVerry G H. 2001. Joint hazard of earthquake shaking at two or more locations［J］. Earthquake Spectra, 17(4): 697——710.

Teng T L, Wu L D, Shin T C, Tsai Y B, Lee W H K. 1997.One minute after: Strongmotion map, effective epicenter, and effective magnitude［J］. Bull Seism Soc Amer, 87(5): 1209——1219.

Toro G W, Abrahamson N A, Schneider J F.1997. Model of strong ground motions from earthquakes in central and eastern North America: Best estimates and uncertainties［J］. Seism Res Lett, 68(1): 41——57.

Wald D J, Worden B C, Quitoriano V, Pankow K L. 2006. ShakeMap Manual: Technical Manual, User’s Guide, and Software Guide［M/OL］. U S Geological Survey. 1——156［2012——02——04］. http:∥pubs.usgs.gov/tm/2005/12A01/.

Wessel P, Smith W H. 1999. The Generic Mapping Tools Technical Reference and Cookbook［M/OL］. Version 3.3.1, 1——132［2012——01——08］. http:∥gmt.soest.hawaii.edu/gmt/html/.

Worden C B, Wald D J, Allen T I, Lin K, Garcia D, Cua G. 2010. A revised ground——motion and intensity interpolation scheme for ShakeMap［J］. Bull Seism Soc Amer, 100(6): 3083——3096.

Wu Y M, Shin T C, Chang C H. 2001. Near real——time mapping of peak ground acceleration and peak velocity following a strong earthquake［J］. Bull Seism Soc Amer, 91(5): 1218——1228.

Wu Y M, Teng T L, Shin T C, Hsiao N C. 2003. Relationship between peak ground acceleration, peak ground velocity, and intensity in Taiwan［J］. Bull Seism Soc Amer, 93(1): 386——396.