联合钻孔资料及地形数据估算宝鸡地区vS30

0 引言

众所周知，不同类型的场地对地震动有放大或缩小作用，在地震破坏程度上表现为松软土层场地比基岩场地大。研究表明，基岩上的地震动参数值与经过土层放大的参数值差别可达250%（Allen et al，2007）。因此，在震后快速判断地震动或烈度分布时，必须考虑震区场地条件的影响。中国场地类型划分依据覆盖层厚度和地表下20 m深度等效剪切波波速（vS20）进行，在无钻孔资料地区难以对场地进行分类，进而无法估计该场地的放大系数。

国际应用较广的是将地表以下30 m深度范围内的等效剪切波速（vS30）作为场地划分依据，并以vS30作为量化场地放大效应的重要参数。美国、日本及中国的台湾等地将vS30作为衡量场地放大效应的因子，并应用于各种震害损失评估系统（李锡缇，2008）。得到场地vS30直接可靠的方法是钻孔测量，但大范围高密钻孔不切实际。Wald D J等（2007）通过地形坡度与vS30之间的统计关系，提出利用场地地形坡度的估算方法，得到全球vS30估算模型，并开发了考虑场地条件的烈度速报系统（Shake Map）。陈鲲等（2010，2011）利用中国大陆地区30″分辨率的地形数据进行坡度计算，依据上述模型得到中国大陆地区vS30分布，借助Borcherdt R D（1994）给出的vS30与场地放大系数关系，可在震后产出地震动预测图。

本文收集宝鸡地区大量地震安评钻孔、小区划钻孔和部分建筑工程勘探钻孔数据，在利用地形坡度模型估算宝鸡地区vS30基础上，分析实际钻孔波速与对应点估算值的残差分布，进而与模型估算值进行空间叠加，得到修正后的宝鸡地区vS30分布。该结果可以为无钻孔资料地区提供场地划分依据，同时为陕西省烈度速报系统建设提供重要参考。

1 基于地形坡度的vS30估算

使用SRTM30数字高程数据进行坡度计算，该数据由美国太空总署和美国防部国家测绘局联合测量，其精度为30″（约1 km）。使用Arcgis坡度分析工具对宝鸡地区数字高程数据进行坡度计算，得到网格点处坡度值。此外，据陈鲲等（2010）的研究成果，宝鸡地区属于具有显著地形地貌的构造活跃地区，根据地形坡度模型中构造活跃地区坡度与vS30的关系（表1），对每个网格点赋予相应波速值，通过插值得到宝鸡地区vS30估算（图1）。为了提高分辨率，表1对波速各边界值进行细分，当坡度范围内格点处于指定波速范围时，可通过线性插值对相应格点进行速度计算。表1还给出美国国家减灾计划（NEHRP）的场地类别划分与vS30的对应关系（Building Seismic Safety Council，2004）。

图1 宝鸡地区vS30估算 Fig.1 Estimate vS30 in Baoji area

表1 坡度范围与vS30、NEHRP 场地分类关系 Table1 Relationship between slope,vS30 and site classification

场地分类 vS30/m ·s-1 坡度正切值构造活跃地区 稳定大陆地区E＜180＜10-4＜2×10-5 D 180—240 1×10-4—2.2×10-3 2.0×10-5—2.0×10-3 240—300 2.2×10-3—6.3×10-3 2.0×10-3—4.0×10-3 300—360 6.3×10-3—0.018 4.0×10-3—7.2×10-3 C 360—490 0.018—0.05 7.2×10-3—0.013 490—620 0.05—0.1 0.013—0.018 620—760 0.1—0.138 0.018—0.025 B＞760 ＞0.138 ＞0.025

2 基于钻孔资料修正vS30

2.1 数据及预处理

收集宝鸡地区地震安评钻孔、地震小区划钻孔及工程勘探钻孔数据共计276组（图2），其中钻孔深度30 m及以上的有173组，占钻孔总数的62.7%；深度在20—30 m之间的有93组，占钻孔总数的33.7%；深度小于20 m的10组，占钻孔总数的3.6%。从图2可以看出，较浅的钻孔主要分布在距城市较远的县区，这是因为，具有较深钻孔资料的地震小区划和安评工程主要在城市及经济较发达地区开展（偏远地区几乎没有），钻孔数据以建筑物工程勘探钻孔为主，钻孔深度一般20 m。

依据美国国家减灾计划（NEHRP）的场地类别划分（不同于中国的场地分类标准，美国抗震设计规范以地表以下30 m范围内的土层等效剪切波速vS30作为场地分类依据，并将场地分为A、B、C、D、E等5类）与vS30的对应关系（表1），对每个网格赋予相应的场地类型，得到修正前后宝鸡地区场地分类，见图6。

从图3可以看出，随着钻孔深度的增加，vS30的拟合优度升高。根据上述拟合关系，对于本次工作收集的深度小于30 m的钻孔资料，根据实际钻孔深度，以15 m、20 m、24 m、28 m进行外推，得到钻孔处vS30值。

将vS30残差预测分布与模型估算结果进行空间叠加，即可得到研究区域修正后的vS30分布（图5）。对比宝鸡地区修正前后的vS30分布，发现大部分区域vS30基本展布形态未发生趋势性转变，只在个别区域幅值有所变化。

公式中，vS(d)为不同深度处的剪切波速（单位：m/s），a、b为回归系数。

图2 钻孔数据分布 Fig.2 Distribution of drill data

用实测钻孔处vS30减去对应点位模型估算值，将该差值定义为vS30残差。为保证数据在研究区分布的均匀性，将钻孔密集区适当抽稀，将残差在研究区进行插值，即得到宝鸡地区vS30残差预测分布图（图4），即vS30修正模型。考虑到钻孔数据在研究区分布不均匀，尤其是地形坡度较大地区钻孔资料较少，为此使用反距离权重插值法进行插值。该方法的原理是，2个点间距越近，性质越相似，越远则相似性越小，并以插值点与样本点的距离为权重进行加权平均，距插值点越近样本点赋予的权重越大。使用该方法进行插值，可尽量避免插值过程中平原地区稠密的钻孔数据对山地区域稀少钻孔资料的影响。

急诊监护病房老年患者呼吸机相关性肺炎的病原菌分布及耐药性分析…………………… 王海云 朱健 周龙女 等（1）100

图3 不同深度处vS(d )和vS30的线性拟合 Fig.3 Fit vS(d)and vS30 in different deep

无锡，鱼米之乡，富庶之地。梅村是吴文化的发祥地，吴文化留下了物质和非物质等多种文化遗存。这是人类文明的宝贵财富，也是旅游产业的重要资源。

2.2 vS30残差分析及修正

根据钻孔深度分布情况，使用对数外推法，基于最小二乘统计回归地表以下15 m、20 m、24 m和28 m处实测剪切波速与vS30的相关关系，获得相应深度处回归系数，见图3。

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图4 宝鸡地区vS30残差分布 Fig.4 Residual distribution of vS30 in Baoji area

图5 修正后宝鸡地区vS30分布 Fig.5 Distribution of vS30 after modification in Baoji area

2.3 基于NEHRP的场地分类

为了有效利用深度小于30 m的钻孔资料，很多学者研究利用30 m以下深度钻孔资料估计vS30的方法，大多取得良好效果（Boore D M，2004；薛锋等，2014；喻畑等，2015）。亢川川等（2015）基于四川地区大量钻孔数据，对比几种用较浅钻孔波速外推vS30的方法，认为对数线性外推法优于常数外推法，并给出四川地区不同深度处的剪切波波速与vS30的对数线性关系的回归系数。对数外推法是利用实测的地表以下30 m处与不同深度处剪切波速的对数线性统计关系外推vS30，计算公式为

从图4可见，在研究区域，vS30残差大多分布在±100之间，且西南部残差以负值为主，说明实测值小于模型估算值；而在东部和北部区域，残差以正值为主，说明实测值大于模型估算值；东北和西北区域实测值与模型估算值差异达200以上，说明个别区域不适宜直接使用模型估算结果。总体而言，研究区域vS30残差分布较为平缓。

图6 宝鸡地区修正前后场地分类 (a)修正前；(b)修正后 Fig.6 Site classification before and after modification in Baoji area

从图6可见，场地类型修正前后主要变化发生在研究区西南部，由B类变为C类；研究区域东北部，B类场地范围有所扩大。总体而言，宝鸡地区以C类场地为主，伴有零星D类场地。

此外，以往的定义对于存在束支阻滞或起搏等情况所致的ST-T改变，建议对比以往的心电图以判断是否存在缺血，而未提出具体的评价标准。新定义提出:左束支阻滞或右室起搏患者存在ST段与QRS主波方向一致性抬高≥1 mm时，提示存在急性心肌缺血，对于非起搏器依赖的起搏器患者也可以暂时停止起搏以观察心电图改变，但应注意鉴别是否存在电重塑(心脏记忆现象:在一段时间的激动顺序改变后恢复窦性节律时，所出现的持续性T波改变)引起的ST-T改变。新定义还首次提出了存在缺血症状患者新发的非频率相关右束支阻滞与预后不良有关，而溶栓后TIMI血流0～2级的部分心肌梗死患者也可能出现新发RBBB。

在图6(b)中选择5个场点，在安评报告中给出的场地类型分别为Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅱ类；根据每个场地所在格网对应的vS30，在NEHRP定义中分别对应于C类、D类、C类、D类、B类场地。对5个场地分别应用不同规范下场地类型及所对应的放大因子，给定4个加速度输入，计算各自场地修正结果，见表2。从表2可见，对于同一场地，不同规范下场地校正结果差异大多在15%以内，在震后地震动分布预测中可以接受。

表2 不同场地在不同规范下校正结果对比 Table 2 Difference of modified results under different standard and site

场点 地震动输入对应场地分类 五代图调整 NEHRP调整 差值（%）中国规范 NEHRP 系数 结果 系数 结果场 点 1 100 Ⅱ类 C类 1.00 100 1.15 115 15 200 1.00 200 1.10 220 10 300 1.00 300 1.04 312 4 400 1.00 400 0.98 392 2场 点 2 100 Ⅲ类 D类 1.25 125 1.33 133 6.4 200 1.00 200 1.23 246 23 300 1.00 300 1.09 327 9 400 1.00 400 0.96 384 4场 点 3 100 Ⅲ类 C类 1.25 125 1.15 115 10 200 1.00 200 1.10 220 20 300 1.00 300 1.04 312 12 400 1.00 400 0.98 392 8场 点 4 100 Ⅳ类 D类 1.20 120 1.33 133 10.8 200 1.00 200 1.23 246 23 300 0.95 285 1.09 327 14.7 400 0.90 360 0.96 384 6.6场 点 5 100 Ⅱ类 B类 1.00 100 1.00 100 0 200 1.00 200 1.00 200 0 300 1.00 300 1.00 300 0 400 1.00 400 1.00 400 0

3 结果与讨论

在宝鸡地区地形数据坡度计算基础上,依据模型得到场地近似vS30。为了提高估算vS30在研究区的适用性，借助宝鸡地区实际钻孔资料，分析vS30与实测结果的差异及差异空间变化趋势，并建立修正模型，进而应用该模型对估算的vS30进行修正，依据修正后的vS30分布，基于NEHRP对宝鸡地区场地进行分类，并对选定场点在不同规范下场地放大效应进行对比，结果显示，利用钻孔资料及地形坡度数据估算vS30，得到宝鸡地区场地分类结果，发现在场地效应方面，与中国五代图给出的结果差异不大。

研究表明，利用钻孔资料建立修正模型，对地形坡度估算的vS30分布进行修正的方法可行。然而，某些山区由于地形起伏变化较大钻孔资料稀少，在插值过程中可能会造成vS30估算失真，此类地区vS30的修正需收集更多钻孔数据，或者以人工补点方式增加钻孔数据，使vS30模型修正结果更加合理。

参考文献

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