美國地震區劃圖的新動向-場地效應模型與盆地效應模型1

黃 亭 紀志偉 陳學良 吳 清 高孟潭 李宗超

（中國地震局地球物理研究所, 北京 100081）

引言

近40 年來，美國地質調查局開展的國家地震災害模型項目以現有研究為基礎開發了美國地震危險圖、模型和數據，其中考慮了未來地震可能發生的位置、頻率和地震動強度等因素。1976 年，美國地質調查局出版了美國第一張地震區劃圖 （Algermissen 等，1976）；1990 年，美國地質調查局對該區劃圖進行了更新（Algermissen 等，1990）；1996 年以后，美國地質調查局約每隔6 年會更新一版地震區劃圖，目前已更新至第5 版 （Frankel 等，1996，2002b；Petersen 等，2008，2014，2020）。這些地震區劃圖為建筑規范中使用的地震動參數提供了依據，同時也為美國抗震設防和地震危險性分析提供了堅實的保障。

2018 版《美國地震危險性圖》（以下簡稱“2018 版美國區劃圖”）的編制以2014 版《美國地震危險性圖》（以下簡稱“2014 版美國區劃圖”）的數據和方法為基礎，納入了2 組31 個新的美國中部和東部地區地震動模型。此外，對于美國西部地區，通過調整地震動模型考慮了盆地效應項。該圖依然采用50 年超越概率2%、5%和10%的概率水準，但反應譜周期和場地類別數量均有所增加。2014 版美國區劃圖可以計算美國東部和中部地區7 個反應譜周期和2 個場地類別及美國西部地區11 個反應譜周期和8 個場地類別的概率地震危險性曲線，生成美國地震區劃圖。2018 版美國區劃圖將美國大陸的反應譜周期擴展到22 個反應譜周期 （PGA、0.01、0.02、0.03、0.05、0.075、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.5、2、3、4、5、7.5、10 s），場地類別擴展到 8 類 （30 m 深度范圍等效剪切波速Vs30為1 500 m/s （A 類）、1 080 m/s （B 類）、760 m/s （BC 類）、530 m/s （C 類）、365 m/s （CD 類）、260 m/s （D 類）、185 m/s （DE 類）、150 m/s（E 類））。

下一代美國中部和東部項目（Next Generation Attenuation-East，NGA-East）為震級較大的地震建立了模擬數據庫，建模人員利用數據庫對地震動模型進行更新或開發。NGA-East 團隊對新的模型進行調整（PEER，2015），使其適用于22 個反應譜周期和8 個場地類別。最終得到的美國中部和東部地區地震動模型包括NGA-East 地震動模型（以下稱“A-GMMs”）和調整的地震動模型 （以下稱“B-GMMs”）。美國西部地震動模型依然采用2014 版美國區劃圖使用的模型。由于長周期地震動的作用，美國西部使用了包括盆地效應項的地震動模型，但AB08 模型（Atkinson 等，2008）和I14 模型（Idriss，2014）無法考慮長周期地震動的深部盆地效應，2018 版美國區劃圖刪除了這2 個模型，最終在美國西部使用ASK14（Abrahamson 等，2014）、BSSA14（Boore 等，2014）、CB14（Chiou 等，2014）和CY14（Campbell 等，2014）模型考慮盆地效應，并建立了長周期地震動的盆地放大系數與深度的關系。

本文在文獻調研的基礎上，對2018 版美國區劃圖場地效應模型及盆地效應模型進行論述?；谄鋰H化的防災理念，借鑒其先進的技術方法和科學數據，引發對我國新一代地震區劃圖的思考，以期為我國防震減災工作提供一定參考。

1 場地效應模型

1.1 美國中部和東部地區地震動模型

地震動模型（GMMs）是描述地震動強度概率分布的模型，可估計某一地震的平均地震動及其不確定性。在多反應譜周期點和廣泛的場地適用范圍條件下確定地震動模型的一致性更困難，因此2018 版美國區劃圖為計算整個美國地區多反應譜周期和場地類別的概率地震危險性曲線，對基礎地震動模型進行了重大更改，生成了全新的美國中部和東部地區地震動模型（Goulet 等，2018）。新的地震動模型是基于場地條件Vs30=3 000 m/s 的加速度反應譜（阻尼比5%）。其中，傅里葉頻譜高頻衰減系數K=0.006 s，矩震級（以下稱“震級”）為4.0～8.0 級，震中距（以下稱“距離”）為0～1 500 km，反應譜周期為0.01～10 s。該模型有2 組共31 個地震動模型，第1 組17 個模型使用了A-GMMs，第2 組14 個模型使用了B-GMMs。上述2 組模型適用于美國中部和東部地區22 個反應譜周期和8 類場地，開發人員對2 組地震動模型建立了邏輯樹，AGMMs 權重分布與周期有關，且每個模型的相對權重考慮了地震動模型的連續分布，占總權重的2/3；BGMMs 權重主要根據模型種類和幾何擴展特性確定，占總權重的1/3。

2018 版美國中部和東部地區地震動模型與2014 版地震動模型相比，地震動中位數（以下稱“地震動中值”）的加權平均值發生了顯著變化，該值在中等距離至遠距離處增大，在短距離處略有減小。與2014 版地震動模型和B-GMMs 相比，A-GMMs 在遠距離、大震級處的地震動中值更大（Petersen 等，2021），這可能與其權重更高，距離超過60 km 時地震動參數衰減較慢有關。

1.2 美國中部和東部地區場地放大效應

局部場地條件對地震波的傳播、地震災害程度的分布均有明顯影響。2014 版美國區劃圖僅支持場地條件Vs30=760 m/s 的危險性計算，NGA-East 結果也僅適用于場地條件Vs30=3 000 m/s 的情況。為降低局部場地條件的影響，2018 版美國區劃圖以Vs30為參數，基于Stewart 等（2020）的線性模型和Hashash 等（2020）的非線性模型建立了場地效應模型。新的模型將NGA-East 硬基巖場地轉化為堅硬基巖場地，再轉化為Vs30為200～2 000 m/s 的特定場地，最終模型包括梯度模型和強阻抗模型（Stewart 等，2020），權重分別為0.23 和0.77。其中，梯度模型是更漸變的場地剖面，強阻抗模型是具有明顯速度對比的剖面，這2 個模型反映了對美國中部和東部地區場地測量時Vs30=760 m/s 左右的土層剖面的差異。

Petersen 等（2020）對比了2018 版與2014 版美國區劃圖在Vs30=760 m/s 的硬基巖場地效應模型放大系數（Frankel 等，1996；Atkinson 等，2011），如圖1（a）所示。由圖1（a）可知，當周期＞0.3 s 時，2018版美國區劃圖模型放大系數較低；模型變化引起的整體變化小，且場地放大系數多小于1，這可能與對場地土層敏感的梯度模型權重分配過高有關。2018 版美國區劃圖場地效應模型線性、非線性和總放大系數在場地條件Vs30分別為2 000、260 m/s 時的對比結果分別如圖1（b）、圖1（c）所示。由圖1（b）、圖1（c）可知，同一場地條件下，線性放大系數大于或等于總放大系數，且土層越軟二者差異越明顯；隨著場地土層變硬（Vs30逐漸增大），線性和總放大系數逐漸擬合，非線性放大系數逐漸增至1。

圖1 場地放大系數分布情況（Petersen 等，2020）Fig.1 Distribution of site magnification factors （Petersen et al., 2020）

為更直觀地反映場地類別對地震動的影響，Rezaeian 等（2021）使用距離為50 km 的7 級地震反應譜，對比參考場地條件Vs30為3 000、1 080 、760 、365 、260 、185 、150 m/s 時7 類場地地震動中值的加權平均值，如圖2 所示?？傮w而言，因存在淺土層和硬巖上的巖石風化等強阻抗現象，所有場地類別的反應譜均在周期0.1 s 處達到峰值。周期相同時，場地條件Vs30=3 000 m/s 的反應譜較其他土層場地的反應譜小。不同場地類別的反應譜分布不均勻，短周期內場地條件Vs30=760 m/s 對反應譜的放大更顯著；而在0.2 s 及更長周期內，場地條件Vs30為365、260 m/s 時對反應譜的放大更明顯，這可能是由軟土層的非線性效應所致。

圖2 不同模型、不同場地類別條件下地震動中值加權平均值分布情況（Rezaeian 等, 2021）Fig.2 Comparison of the 2018 GMM medians at original models and smoothed models, a range of site classes （Rezaeian et al.,2021）

2 盆地效應模型

2.1 美國西部地區地震動模型

2018 版和2014 版美國區劃圖在美國西部地區使用了相同的地震動模型（Shumway 等，2018），但不包括2014 版美國區劃圖中Atkinson 等（2008）的俯沖地震動模型 （簡稱“AB08”）以及Idriss（2014） 的NGA-West2 地殼地震動模型 （簡稱“I14”），因為這2 個模型不支持2018 版美國區劃圖要求的更廣泛周期范圍（0.01～10 s）和更寬泛場地條件（Vs30為150～1 500 m/s）。最終，2018 版美國區劃圖使用了4 種地殼地震動模型 （ASK14、BSSA14、CY14、CB14 模型）考慮盆地效應，它們的權重均為1/4。

2.2 美國西部地區深部沉積盆地效應

在美國西部地區地震危險性計算中，2014 版美國區劃圖以Vs30場地條件代表盆地深度，未直接考慮盆地深度項，這使其在某些區域的適用性較差。研究發現，軟土場地的長周期地震動對盆地深度敏感，盆地效應可使地震動放大1 倍以上（Hartzell 等，1997；Frankel 等，2002a），這一結論與軟巖場地和短周期條件下盆地效應可忽略不計的理論相悖。因此，為估計盆地結構中地震動的盆地放大效應（Frankel 等，2002a，2018；Stephenson 等，2006；Aagaard 等，2008；Graves 等，2011；Moschetti 等，2017），2018 版美國區劃圖在美國西部覆蓋沉積層較厚的洛杉磯、舊金山、鹽湖城和西雅圖首次采用了空間變化的盆地深度數據。

為充分考慮盆地結構對長周期地震動（周期T≥1 s）的影響，美國地質勘探局（USGS）對美國西部地區4 個地震動模型的盆地效應項進行了改進，改進后的模型（以下稱“USGS 地震動模型”）使用深度參數Z1.0（剪切波速為1.0 km/s 時的深度）或Z2.5（剪切波速為2.5 km/s 時的深度）解釋盆地效應。但美國西部地區地震動模型中無深度參數Z1.0或Z2.5，使用時需要合并地震動模型中的盆地系數，進而對這2 個深度參數進行調整（Campbell 等，2014）。最終，ASK14、BSSA14 和CY14 模型使用深度參數Z1.0，CB14 模型使用深度參數Z2.5。地震動模型的盆地效應項用包含Vs30和盆地深度（Z1.0或Z2.5）的函數表示，當盆地深度未知時，用場地條件（Vs30的函數，不包括Z1.0或Z2.5）表示平均盆地效應項；當盆地深度已知時，盆地效應項是對Vs30默認場地的調整。

厚覆蓋層場地的盆地放大作用一直存在，在淺層區域，地震波受到了約束，是否在所有深度范圍內應用盆地效應還有待進一步研究。盆地放大系數是美國西部地區4 個地震動模型與Vs30基礎模型的地震動比值，其中，Vs30基礎模型為不包含盆地效應項的地震動模型。當盆地放大系數為1 時，各類場地條件下對應的盆地深度稱為默認盆地深度（以下稱“默認值”）。當盆地深度較默認值小時，美國西部地區4 個地震動模型盆地放大系數通常較Vs30標準模型小。因此，2018 版美國區劃圖對盆地效應項中的深盆地進行了劃分。對于CB14 模型，當盆地深度為1.0～3.0 km 時，深盆地近似為Z2.5≥3.0 km；對于ASK14、BSSA14 和CY14模型，當線性深度為0.3～0.5 km 時，深盆地近似為Z1.0≥0.5 km。在此基礎上，對于Z2.5＜1.0 km 或Z1.0＜0.5 km的淺盆地區域及深盆地之外的區域，使用基于Vs30的默認盆地效應，從而在盆地和周圍區域之間提供平滑過渡。

在給定Vs30條件下，美國西部地區4 個地震動模型和USGS 地震動模型在5 s 反應譜周期處的盆地放大系數隨深度變化趨勢如圖3 所示（Powers 等，2021）。由圖3 可知，BSSA14 模型和CY14 模型均在短周期內抑制了盆地效應，USGS 地震動模型周期依賴性與它們一致?；赯1.0的模型相較Vs30基礎模型是放大還是縮小地震動取決于盆地深度相對于默認值的大小，如果盆地深度等于基于Vs30的默認值，則盆地放大系數為1；如果盆地深度較基于Vs30的默認值大，則盆地放大系數＞1；如果盆地深度較基于Vs30的默認值小，則盆地放大系數＜1。CB14 模型使用固定深度縮放Vs30基礎模型，默認場地條件下可能存在盆地放大或縮小地震動，盆地效應不完全取決于Vs30。當Z2.5為1～3 km 時，盆地放大系數固定為1；當盆地深度較默認值小時，盆地效應項通常較Vs30基礎模型地震動小。

圖3 NGA-West2 的4 個地震動模型在T=5 s 時盆地效應系數與盆地深度的關系（Powers 等，2021）Fig.3 The relationship between basin effect coefficient and basin depth at T=5 s for the four ground motion models of NGA-West2（Powers et al., 2021）

2 類場地和3 個盆地深度組合如表1 所示，不同組合下美國西部地區4 個地震動模型和USGS 地震動模型反應譜對比結果如圖4、圖5 所示（Powers 等，2021），其中，場地類型包括BC 類和DE 類，盆地按深度劃分為默認盆地（深度對應于基于Vs30的默認值）、淺盆地（深度小于基于Vs30的默認值）和深盆地（深度大于基于Vs30的默認值），反應譜對應的震級為7 級，距離為10 km。DE 類場地產生了明顯的盆地效應，BC 類場地盆地效應相對較小，可見場地類別對盆地效應的影響不容忽視。由圖4（a）、圖5（a）可知，在3 個盆地深度下，BSSA14 模型和CY14 模型短周期地震動相同，盆地效應對短周期地震動放大作用并不明顯。由圖4（b）、圖5（b）可知，在BC 類和DE 類場地中，USGS 地震動模型在默認盆地和淺盆地條件下生成的地震動相同，而在深盆地條件下，地震動的長周期部分會被放大。

表1 場地類別和盆地深度組合（Powers 等，2021）Table 1 Site class and basin-depth combinations for plots （ Powers et al., 2021）

圖4 原始發布和 2018 年美國地質勘探局修改后實施的地震動模型在不同盆地深度條件下對應的加速度反應譜中值對比結果（Powers 等，2021）Fig.4 The models as published and the 2018 USGS implementation of the median spectral acceleration at different basin depth conditions（Powers et al., 2021）

圖5 原始發布和 2018 年美國地質勘探局修改后實施的地震動模型在不同盆地深度條件下對應的加速度反應譜中值對比結果（Powers 等，2021）Fig.5 The models as published and the 2018 USGS implementation of the median spectral acceleration at different basin depth conditions （Powers et al., 2021）

3 基于美國地震區劃圖對我國地震區劃圖的思考

我國地震區劃圖的地震危險性分析方法同美國一致，均使用概率地震危險性分析方法，但由于我國和美國建筑抗震設計理念與方法存在差異，如美國地震區劃圖通過對場地條件的精細化劃分，在部分高地震危險性地區采用概率地震危險性分析方法和設定地震方法，在地震區劃圖編制過程中更先進、充分和客觀，值得我國借鑒。

3.1 基于場地效應的思考

我國GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2010）中場地分類依據的指標、土層計算深度、基巖定義等與美國區劃圖不同。我國基于場地覆蓋土層等效剪切波速Vse和場地覆蓋層厚度對場地類別進行劃分，將場地劃分為4 類。其中，Vse計算深度取地表以下20 m 深度和覆蓋土層厚度中的較小值；場地覆蓋層厚度一般取為地面至剪切波速＞500 m/s 且其下層各巖土剪切波速均≥500 m/s 的土層頂面的距離。美國主要以地表以下30 m 深度內土層平均剪切波速Vs30作為劃分場地類別的依據，當缺乏剪切波速資料時，根據標準貫入擊數和不排水抗剪強度進行場地類別劃分，最終將場地劃分為8 類。顯然，相對于我國基于場地類別和土體非線性對場地效應影響的考慮，美國基于線性模型和非線性模型建立場地放大模型，更全面地考慮了場地效應。周健等（2021）建立了我國和美國場地類別的對應關系，結果表明，美國規范對場地的劃分種類更多、范圍更精細，對基巖規定的參數值更大。

綜上所述，我國地震區劃圖場地效應研究可在以下方面向美國區劃圖借鑒學習：①基于我國現有強震記錄獲取相應的詳細場地條件資料，對場地劃分和場地效應的考慮進行深入系統的研究。進一步更加細致地考慮軟弱土層的影響，對場地的劃分范圍適當縮小，實施精細劃分。②考慮場地效應影響因素時，除考慮場地類別和土體非線性外，可將土體線性和非線性的影響進行綜合考慮。③我國規范中覆蓋層厚度和Vse“取小”原則對場地分類結果的影響較大，可將場地類別計算深度由20 m 延伸至30 m，在全國范圍內建立平均剪切波速Vs20和Vs30轉換公式，以便利用美國最新強震記錄對中國場地分類進行場地反應譜的研究。

3.2 基于沉積盆地效應的思考

我國GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》中僅考慮了局部場地淺層巖土層對地震動的放大效應，由于缺乏精細化數據等原因，我國五代圖未明確考慮盆地效應對長周期地震動的影響。但我國多座城市（北京、成都、西安等）位于松軟沉積層厚的盆地中，城市中的超高層及大跨度空間建筑、橋梁等大型長周期結構日益增多，其地震安全性亟待關注。

受現有數據適用范圍的限制，我國關于盆地效應模型的研究不夠完善。美國已開展大量三維盆地研究工作，并將其運用到最新版本的地震區劃圖中。因此，我國可在盆地結構中開展一系列精細探測工作，為我國下一代區劃圖考慮沉積盆地對長周期地震動放大效應提供數據基礎?；?018 版美國區劃圖盆地效應模型，可建立一系列適合我國盆地的三維剪切波速模型，用于預測未來地震作用下場地的地震動，為坐落在盆地上的城市防震減災及地震危險性分析提供依據，為城市高層及超高層建筑抗震性能研究提供更準確的地震動參數。

4 結論

通過研究，本文得出以下結論：

（1）2018 版美國區劃圖納入了新的地震動模型和場地放大系數，新的地震動模型適用于更新后的22 個反應譜周期和8 類場地條件。但新的模型和場地放大系數僅適用于美國中部和東部地區。關于A-GMMs 在大震級遠震中地震動中值較大和認知不確定性較高的問題，可能需進行更多的研究予以解釋。

（2）2018 版美國區劃圖首次考慮盆地效應，但盆地效應模型僅適用于美國西部4 個城市的長周期地震動，適用范圍較小，未來美國區劃圖可能將考慮美國西部其他地區的沉積盆地。在改進對軟土場地條件下長周期地震動的估計方面，美國還需要做更多的研究工作。

（3）我國新一代地震動區劃圖可以考慮借鑒2018 版美國區劃圖盆地效應模型，建立一系列適合我國盆地的三維剪切波速模型，用于預測未來地震作用下場地的地震動，為坐落在盆地上的城市防震減災及地震危險性分析提供依據。