引言

Cornell（1968）提出的地震危险性概率分析（PSHA）方法已广泛应用于研究和实际工程中，该方法关注地震活动性、地震地质及场地效应，并最终确定地震动参数大小及分布。根据我国地震活动分布特点，进一步强调地震活动时空分布的不均匀性和地震预报成果的应用，形成了中国地震危险性概率分析（CPSHA）方法（国家地震局，1996）。在新一代中国地震动参数区划图编制过程中，“活动地块”理论、“三级潜在震源区”划分技术方法、新一代分区地震动衰减关系、地震动参数土层双调整原则与“四级地震作用”及其地震动参数比例系数成为新一代中国地震动参数区划图主要技术特点（高孟潭，2015）。

盘锦、海城、营口地区（以下简称盘海营地区）是辽宁省内地震活动性最强、地震危险性最高的地区。基于新一代中国地震动参数区划图基本原理和技术原则的大尺度地震危险性概率分析工作是《盘海营农村单层房屋基于静力弹塑性分析的地震风险研究》项目的一项基础工作，除为风险分析提供建筑物地震需求标度外，还对工程建设和规划有一定指示意义。本文在分析盘海营地区地质构造特征的基础上，参考新一代中国地震动参数区划图中潜在震源区和地震动衰减关系研究新成果，结合数字高程模型数据和该地区地震安全性评价工作中积累的钻孔数据资料，完成大尺度上盘海营地区场地类别划分，利用修正场地影响系数完成盘海营地区地震危险性分析工作。

1.   地质构造、潜在震源区和地震动衰减关系

在地质构造方面，盘海营地区在大地构造分区单元上地跨下辽河断陷和营口-宽甸台拱，在地形上表现为跨越辽东低山、丘陵区与下辽河平原区，第四系地层较复杂，岩相和地层厚度变化均较大。该地区处于断块构造发育区，NE—NNE向断裂一般规模大，形成时间早，新构造运动时期以来活动较强，对地貌格局具有一定控制作用，构成不同地貌单元的分界线；NW—NWW向断裂一般规模较小，往往与NE—NNE向断裂共轭。区内最重要的NW向断裂为海城河隐伏断裂，其与NNE向金州断裂交汇，具有较高的活动性，另外在海城震区还发育新褶皱和拱曲带等新构造运动。

在潜在震源区方面，根据该地区内地质构造特征和活动性特征重新复核地区内潜在震源区划分方案。地区内主要包括海城和盖州2个高震级潜在震源区，海城潜在震源区沿海城河隐伏断裂划分，为全新世活动断裂，历史上多次发生破坏性地震，最大地震为1975年海城7.3级地震，现代小震密集成带，因此将其震级上限定为7.5级。盖州潜在震源区沿金州断裂划分，为晚更新世活动断裂，1493年和1940年分别发生了$4\frac{3}{4}$级和$5\frac{3}{4}$级地震，现代小震密集成带，因此将其震级上限定为7.0级。盘海营地区主要断裂构造和破坏性地震展布及潜在震源区划分方案如图 1，潜在震源区划分与地震活动性参数复核时遵循新一代中国地震动参数区划图相关技术原则，并最终采纳新一代中国地震动参数区划图方案（潘华等，2013）。

图 1  盘海营地区主要破坏性地震、地质构造和潜在震源区

Figure 1.  The major destructive earthquakes, geological structures and potential seismic source zones in P.H.Y area

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在衰减关系方面，采用新一代中国地震动参数区划图中提出的中国东部强震区地震动衰减关系（俞言祥等，2013），一般形式如下：

式中，Y为地震动参数，M为面波震级，R为震中距，A、B、C、D、E为回归系数。为考虑大震近场饱和特征，以震级6.5级为界，分为高震级档和低震级档。

2.   基于数字高程数据（DEM）的区域尺度场地类别划分

不同场地类别对地表峰值加速度（PGA）和周期具有不同的放大作用。因钻孔资料数量及分布范围有限，难以依据钻孔资料在区域尺度上对目标区场地类别进行划分，Wills等（2006）和Allen等（2009）通过使用数字高程数据（DEM）解决上述问题，发现坡度与V_S30呈正相关性，可用于场地类别划分。陈鲲等（2010）指出某些地区坡度与V_S30的对应关系相对较弱，特别是在坡度较缓的地区，基本不能区分美国国家地震减灾计划（NEHRP）场地分类中的E类场地及《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）中的D类场地。吕红山等（2007）对中国、美国场地分类指标进行了对比，通过对场地土层波速测试资料的分析，找出分类方法间的联系，得到将美国场地系数转换为适于中国场地分类的方法，同时给出了基于中国场地分类的地震动反应谱放大系数。黄雅虹等（2010）根据我国华北、华东、华南、东北和西北等地区918个实测钻孔资料的计算统计，探讨工程场地分类中等效剪切波速计算深度取值为20m和30m的实际差别，发现计算深度由20m增至30m时，钻孔等效剪切波速的增大范围为15—50m/s，平均增加值为25m/s。

本文收集了盘海营地区地震安全性评价工作中可信的107个钻孔波速数据，获得77个V_S20、V_S30数据对。钻孔位置、场地类别及下辽河平原地区第四系等厚线如图 2所示，由图 2可知，Ⅲ类场地分布在下辽河平原地区和盖州西南角沿海地区，Ⅱ类场地主要分布在80m等厚线以东地区。对比发现V_S20和V_S30在150—300m/s具有良好的线性关系（图 3），通过回归分析获得二者之间的统计关系，决定系数达到0.951，与吕红山等（2007）和黄雅虹等（2010）的研究结果具有较好的一致性。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定进行场地类别划分时还需考虑覆盖层厚度，根据盘海营地区沉积特征与工程经验，一般在坡度较陡的近山或近丘陵地区覆盖层厚度较小，而在坡度平缓的下辽河平原地区覆盖层厚度较大，坡度与覆盖层厚度呈负相关性。因此，在区域尺度判别中，本文假设可不考虑覆盖层厚度的影响。

图 2  不同场地类别钻孔分布特征

Figure 2.  Characterization of site type distribution from a borehole image

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图 3  盘海营地区V_S20与V_S30的回归关系

Figure 3.  The regression relationship between V_S20 and V_S30 in P.H.Y area

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Allen等（2009）检验了使用不同分辨率（3弧秒、9弧秒和30弧秒，分别对应盘海营地区约90m、270m和900m采样率）DEM数据对V_S30的解析效果，发现与30弧秒分辨率DEM数据得到的V_S30测量值相比，提高分辨率几乎不能提高V_S30的解析效果，这表明对某些地形进行平滑处理可能提供更稳定的V_S30。本文使用美国太空总署（NASA）和美国国防部国家测绘局（NIMA）联合测量的SRTM（Shuttle Radar Topography Misson）数据将3弧秒精度的DEM数据按30弧秒的分辨率进行采样，经线性内插得到盘海营地区中国场地分类、V_S30和DEM地形坡度之间的关系（表 1），未对Ⅰ类场地的2个子类（Ⅰ₀类和Ⅰ₁类）进行进一步细分，这是因为Ⅰ₀类场地在盘海营地区基本不存在，且无可用的工程岩土勘察数据支撑此类细分。依据表 1，利用30弧秒分辨率DEM数据对盘海营地区场地类别进行划分，得到了5km× 5km网格的区域尺度场地类别分类图（图 4），场地类别按30弧秒网格场地分类中占比最多的类别确定，使用5km×5km的网格精度是为了与地震危险性分析工作衔接，过细的网格划分为危险性分析工作带来繁重的工作量，而略粗的网格划分起到一定模糊化作用。

表 1  盘海营地区中国场地分类、V_S30和DEM地形坡度之间的关系

Table 1.  The relationship between site classification in P.H.Y. area, V_S30 and DEM terrain slope

项目	场地类别
	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
VS20范围/m·s-1	> 500	250—500	150—250	< 150
VS30范围/m·s-1	> 536	275—536	171—275	< 171
坡度范围/m·m-1	> 3.866	0.420—3.866	0.016—0.420	< 0.016

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图 4  基于地形坡度的盘海营地区区域尺度场地分类

Figure 4.  Region-scaled site classification in P.H.Y. area based on topography slope

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图 4右上角是Google Earth地形卫片，由图 4可知，利用本文提出的判别方法可在区域尺度上对盘海营地区场地类别进行初步划分。将图 4判别结果与图 2实际工程勘察结果进行对比，可发现Ⅱ、Ⅲ类场地之间的划分较明晰、有效，基本以汤岗子镇-海城-大石桥-沙岗镇（图 2中第四系80m等厚线）为界，这可能是因为图 4中使用的数据资料主要源自Ⅱ、Ⅲ类场地。与地形卫片相比，图 4对Ⅰ类场地的判别不够精确，低估了东部低山、丘陵地区Ⅰ类场地范围，这可能是因为图 4中使用的数据资料主要源自Ⅱ、Ⅲ类场地，缺少Ⅰ类场地钻孔资料数据；场地类别确定时选择网格内最多的类别作为代表，而对于东部地区，部分Ⅰ类场地以网格内数量更多的Ⅱ类场地为代表，即前文提到的模糊化作用。在未来工作中，可通过与岩土勘察部门合作获得更多的数据资料并采用更精细的网格划分判别Ⅰ类场地。需特别指出的是，本文提出场地类别划分方法精度有限，仅用于区域尺度分析和评估工作中，不能替代准确的现场勘察工作中，但本文方法结果与现场勘察工作结果在准确性方面具有一定相互校正意义。

3.   场地影响系数的修正和危险性分析结果

区域尺度地震危险性分析通常采用场地影响系数法，即将基岩地震动参数乘以调整因子计算出地面地震动参数，该调整因子被称为场地影响系数，主要在统计意义上体现场地效应。对于场地地震动加速度峰值，高孟潭（2015）基于Ⅱ类场地和Ⅰ₁类场地给出了调整系数。本文进行危险性分析时，将基岩地震动参数转化至各类场地，假设基岩场地条件与Ⅰ₁类场地条件相同，获得基于基岩场地的场地影响系数。

全国地震动参数区划图作为全国防震减灾工作的基础性图件，其蕴含着平均和统筹内涵，既是对全国不同地区各种场地条件的平均考虑，又需统筹建设、经济发展等其他影响因素，这可能使全国地震动参数区划图对于场地影响系数和特征周期的规定值难以精确反映某特定地区内场地条件的影响。

本文统计了盘海营地区近年来基于新一代中国地震动参数区划图的29个地震安全性评价项目（主要涉及Ⅱ、Ⅲ类场地），并计算场地影响系数和特征周期（图 5），与新一代中国地震动参数区划图推荐值进行对比分析。比较发现：①基岩场地地震动峰值加速度低于0.17g时，对于盘海营地区Ⅱ、Ⅲ类场地，实际计算得到的场地影响系数较离散，尤其是在地震动峰值加速度≤0.040g的小震情况下，另外《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015）规定的场地影响系数在Ⅱ类场地低估了土层的放大作用，在Ⅲ类场地高估了土层的放大作用；②当基岩地震动峰值加速度＞0.17g时，对于Ⅱ、Ⅲ类场地，《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）规定的场地影响系数均低估了土层的放大作用；③特征周期随着地震作用级别的上升而增大，盘海营地区地震安全性评价计算结果中多遇地震水平地震作用下特征周期（计算值）与《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）规定的基本水平特征周期（规范值）基本相同，可知《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）中对于多遇地震动特征周期按基本地震动特征周期取值或取更大值不是不合理的高估，而是蕴含了平均和统筹的内涵，但对于具体场点地震危险性分析工作而言，按《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）的建议，将多遇地震动特征周期取为计算得到的基本地震动特征周期（计算值）会造成高估情况；④如果简单地取罕遇地震动特征周期增量为0.05s可能造成低估情况。

图 5  盘海营地区部分地震安全性评价项目计算结果与《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）规定值的对比

Figure 5.  Comparison between the calculated results of some seismic hazard evaluation and the values in GB 18306—2015

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综上所述，在场地影响系数方面，当基岩地震动峰值加速度＜0.17g时，考虑小震时的离散性和统计数据的有限性，可略提升Ⅱ类场地在地震动峰值加速度≤0.040g时的影响系数，Ⅲ类场地参考《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）的规定；当基岩地震动峰值加速度＞0.17g时，对Ⅲ类场地影响系数进行修正，修正结果见表 2，区间内基岩加速度放大系数利用线性插值获得。在特征周期方面，对多遇、基本和罕遇地震作用特征周期进行修正时，考虑已有研究指出目前地震安全性评价工作中主要使用的是基于频域等效线性化原理计算结果，在大震和厚软土场地可能在一定程度上高估特征周期（齐鑫等，2012）。因此，对于罕遇地震作用和厚软土场地仅对特征周期进行适度提高，修正结果见表 3，对应其他超越概率地震作用的特征周期可通过对数线性插值获得。

表 2  盘海营地区基于基岩场地的修正场地影响系数

Table 2.  Modified site influence coefficient based on bedrock site in P.H.Y. area

场地类别	基岩场地地震动峰值加速度/g
	≤0.040	0.082	0.125	0.170	0.285	≥0.400
Ⅰ0	0.90	0.90	0.90	0.90	0.90	0.90
Ⅱ	1.35	1.22	1.20	1.18	1.15	1.00
Ⅲ	1.63	1.53	1.38	1.25	1.18	1.00
Ⅳ	1.56	1.46	1.33	1.18	1.00	0.90

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表 3  盘海营地区不同场地类别修正特征周期（单位：s）

Table 3.  Modified characteristic period for different site categories in P.H.Y. area(unit: s)

地震作用级别	场地类别
	Ⅰ0	Ⅰ1	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
多遇（年超越概率0.0197）	0.25	0.30	0.40	0.55	0.75
基本（年超越概率0.0021）	0.30	0.35	0.45	0.60	0.80
罕遇（年超越概率0.0004）	0.35	0.40	0.55	0.70	0.90

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盘海营地区基于场地条件的危险性分析结果与新一代中国地震动参数区划图的对比如图 6，右上角是《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）加速度分区图中盘海营地区。由图 6可知，与《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）相比，0.20g和0.15g区域的分布有所扩大，鲅鱼圈和盖州沿海地区在0.20g区域内，0.15g区域将大洼县以西的部分地区包括在内，这是因为被考虑的场地分类对地震影响系数造成了影响，图 3中下辽河平原大部分区域被划分为Ⅲ类场地，其场地影响系数高于《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）采用的Ⅱ类场地。0.10g区域出现在卧龙泉-北岔一带，这是因为该地区场地类别被划分为Ⅰ类场地。结合场地类别确定地表峰值加速度和特征周期可获得标准化的反应谱。同场地类别划分一样，由于精细程度不同，本文研究结果不能代替地震小区划和地震安全性评价工作结果，但本研究的目的是在地震危险性分析中采用新一代中国地震动参数区划图思想和技术方案的基础上，考虑区域场地条件对地震动参数的影响，本文研究结果对地震风险评估和防震减灾规划具有一定参考意义。

图 6  盘海营地区基于场地条件的地表峰值加速度分区（超越概率50年10%）

Figure 6.  Peak ground acceleration zonation based on site conditions in P.H.Y area (10% exceedance probability in 50 years)

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4.   结论

本文在新一代中国地震动参数区划图思想和技术方案的基础上，采用地形坡度进行场地条件评价，根据盘海营地区地震安全性评价工作成果，建立V_S30与V_S20之间的关系，确定场地地震动参数调整系数，给出基于场地特征的地震动参数。研究结果表明，该地区场地条件具有区域性特征，地区内以Ⅱ、Ⅲ类场地为主，并以汤岗子镇-海城-大石桥-沙岗镇为界。新一代中国地震动参数区划图可能低估了该地区内Ⅱ类场地和基岩地震动峰值加速度＞0.17g时的Ⅲ类场地影响系数和特征周期值，需予以修正。由修正关系计算结果与《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）加速度分区图的对比可知，0.20g、0.15g区域分布有所扩大，鲅鱼圈和盖州沿海地区在0.20g区域内，0.15g区域将大洼县以西的部分地区包括在内。同时，需指出的是，本文未充分考虑地形对衰减关系的影响，研究结果未体现东部低山丘陵地区在海城地震中表现出与平原地区不同的烈度衰减特征，地形对衰减关系的影响需进行更多研究。