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地
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震
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学
中国地震学会—地球科学科普栏目
地震科普—烈度，关乎民生大事
看天上的星星尽显光辉
赏地下的河水肆意奔流
17、烈度，关乎民生大事
17.1 烈度的诞生和发展
17.2 地震烈度的定量化
地震烈度（Seismic Intensity）是个关乎民生的参数，直接牵动着千家万户的生活。
它标志着地震在地表震动的“强烈程度”（图17-1）。震级越大、震源越浅、距离越近、地基越差，烈度就越高。
2011 年东日本海的地震震级高达9.0 级，日本滨海的烈度为8 ～ 9 度，而在中国的烈度为0，人员也无感。所以说，烈度是跟地点紧密联系的，不讲地点的烈度，没有意义。几十年来，国家的地震区划图要不断地修订，就是为了让各地的建设能更好地适应当地的烈度水平。
近年，有两项重要的进展：
一是用“仪器烈度”替代了“考察烈度”，用加速度、周期、概率三个参数量化了烈度标度，建筑物的抗震设防有了定量指标；二是确定了建设“韧性城市”的长远发展方向，有计划地提高城市应对不确定性灾害的抵御力、适应力和快速恢复力。
图17-1 考察烈度的评定只根据4 种客观现象
17.1 烈度的诞生和发展
◆ 质朴的概念
烈度的资格很老，早在文艺复兴晚期（时值我国明朝）就诞生了。不需要仪器，也没什么高深学问。
盖斯塔尔蒂（J Gastaldi）是个地图绘制者，在1564 年干了件大事：对于发生在法- 意边界的一次阿尔卑斯地震， 在地图上用不同符号和色彩标注了强弱差异（图17-2），诞生了原始而朴素的烈度概念。1627 年7 月30 日意大利Apulia 地震时，G Mathieu 在地图上标注了4 个等级的不同破坏（图17-3）。1828 年，荷兰的数学教员埃根（P Egen）也用颜色标示过地震晃动的程度，红色表示1 ～ 2 度，蓝色3 ～ 4度，黄色5 ～ 6 度。
图17-2 1564 年最早显示地震破坏差异的地图
图17-3 1627 年意大利Apulia 地震的破坏差异
经不断改进，考古学家罗西（M S de Rossi）于1874 年编制了第一个实用烈度表。按照烈度分级，就能勾画出地震对古文化的不同破坏程度、空间分布。1902 年，火山学家麦卡利（G Mercalli）又完善了烈度表，把烈度从10 个等级增加到12 个等级。从此，烈度的应用便从意大利传遍世界。
李善邦于1957 年编制了中国第一代地震区划图（国外称“地震危险性图”，Seismic Hazard Map）。谢毓寿提出了首部中国地震烈度表，也是以麦卡利表为基准编制的。
◆ 烈度的评定和名称
传统的烈度评定容易实施，现场调查只依据4 种客观现象：人的感觉、器物反应、房屋破坏、地表变形，然后按照烈度表做定性的分级（图17-1 和图17-4），其中的主观性和模糊性自然不可避免。
图17-4 地震烈度表示意图（图中G是标准重力加速度值）
烈度分布可以在平面上绘出等震线图，破坏最严重、烈度最高的地方称“宏观震中”。根据地震记录图也可以算出岩层初始破裂的震源位置，它在地表的投影点称“微观震中”。宏观和微观震中通常是不吻合的，除断层面的倾斜等地质条件影响外，更多的是震源破裂过程引起的差异（图17-5）。
有些地震会发生多次破裂，如2008 年汶川大震、2001 年青海昆仑山口大震，震源破裂延续300 ～ 426km，极其严重的破坏区也就出现在多个部位，烈度大体相同，此时可以把这几个部位都称为“极震区”，宏观震中仅是其中之一罢了。
图17-5 烈度等震线和震中的两种定义
当强地震的破坏区域比较大的时候，地震的命名就只能采用微观震中所属的行政“县”或“地区”的名称，不可能用“村、镇”的小地名来称呼（即便它是宏观震中）。这个差异有时会引起一些社会误解，应急救援自然是首先赶赴极震区，不会是狭义上的行政区域。
近年，坊间不时冒出了一个日本名词——直下型地震，不应该宣传。日本是个地域狭窄的岛国，大多数地震在近海海域，一旦发生在岛内，便称为“直下型地震”以示区别，并没有任何新的地学含义。我国和其他国家的绝大多数致灾地震都发生在陆地内部，已经处于震中地区的“直下”位置了，自然没有必要再引入一个虚词。所以除日本外，世界各国都未采用这个名词。
◆ 应对地震，区划先行
有了历史地震资料， 人们关心未来。
未来若干年， 各地可能遭遇到的地震烈度当然会与该区的断裂带展布、地基条件、历史地震背景关系极大。于是各国纷纷制定了《地震区划图》， 以便规范各地区的建筑设计、施工标准， 做到“有备无患”。不过困难很多， 因为影响烈度的因素太多（ 图17-6）， 即便同一次地震的不同建筑物也会有天壤之别的反应（图17-7），定性的做法已走到尽头。
图17-6 影响烈度的因素
图17-7 不同地层和建筑对同一地震波的不同反应
21 世纪的烈度评定走上了定量化的道路。采用“仪器烈度”（Instrumental Intensity）表征地动的强弱程度，取代了传统的震后“考察烈度”。区划图也改用峰值加速度、频谱、概率等量化参数来编制，过去那种用烈度（Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ…）来划区的图件已不再使用。
现在实施的2015 年区划图（第五代）已经与国际接轨，以建筑物抗倒塌为目标，属于强制性的国家标准。图17-8 示意了我国地震区划图的发展历程。
图17-8 中国地震区划图的发展
17.2 地震烈度的定量化
◆ 烈度量化三参数
首先，烈度量化的第一参数是加速度a。由图17-9 可知，当地震水平加速度为a 时，建筑物必然受到惯性力Ma 的反方向作用，它是最为本质的破坏力。
图17-9 建筑物质量M 和地震动加速度a
其次， 地震动不是钢琴键盘上的单频振动，复杂变化的振幅和频率有着不同的选择性破坏。例如， 小震、硬地基的高频成分多，易破坏刚性结构；大震、松软地层的低频成分丰富，容易损坏高柔结构（图17-10）。所以，地震动反应频谱就成为烈度量化的第二个基本参数。
最后， 地震活动存在不确定性。各国的区划编制只能做统计分析， 按照最可能会遭遇到的地震动水平——“基本烈度”给出30 ～ 50 年的预测意见。自然，就必然要引出第三个基本参数——概率。
图17-10 低频震动是破坏高柔结构的主要因素
◆ 峰值加速度PGA 和特征周期Tg
先看一个实例。
日本大船渡台和神户台的建筑性能相近，遇到的地震烈度也相近（图17-11）。前者的地震动峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）为1 105Gal（伽，重力加速度的单位），建筑未受损。后者的PGA 为818Gal，损失巨大。仪器记录给出了答案：地震动的破坏程度不仅与加速度的幅值PGA 有关，还取决于振动周期和持续时间。前者的PGA 虽然高，但频率高、持续时间短；后者震动的优势周期明显大于前者，共振发挥了作用。
图17-11 相近的烈度但是破坏程度不同
进一步讲：所有的建筑，不论国贸大厦还是菜地瓜棚，都有一定的自振周期。单层砖混建筑的自振周期在0.2s 以下，中高层建筑多在0.3 ～ 0.5s，20 层以上以及复杂的建筑物会达到1 ～ 2s 甚至更长。通过频谱分析，地震动状况和建筑体的性能就被剥离开来了，说明烈度是个二维问题——同时取决于加速度a 的幅值和振动周期T 的范围。
地震动的反应谱经过平滑后，都会呈一种非对称状的梯形（图17-12）。平台值便是峰值加速度PGA，平台值右侧开始下降的拐点G 最具代表性，相应的周期Tg称为“特征周期”。Tg 可由下式确定：
（17-1）
PGV 是仪器实测的峰值速度（Peak Ground Velocity）［1］。
Tg 对应着潜源的震级上限，震级上限越大其值越大，Tg 还反映地震环境对反应谱的控制作用。深厚的软土场地会使地震动长周期分量变得丰富，加速度反应谱的长周期谱值会明显增大。例如1989 年9 月19 日墨西哥Mw8.0 地震， 距震中约400km 的墨西哥城是个古湖床场地，它的地震动卓越周期居然高达2.0 ～ 4.0s，成为破坏高层建筑的元凶。
图17-12 地震的加速度反应频谱的对比（根据JMA 数据）
当前的地震区划图给出了PGA 和Tg 在全国各地的分布，无异于提供了反应谱的关键信息，对地震工程既科学又实用［2］，它的重要价值远不是传统的、定性的区划图所能相比的。
◆ 概率预测的含义
地震区划图的长期预测意见用概率来表达。
社会生活经常会遇到这样的实际问题：100 年内长江会出现多大的洪峰？200 年内核电站会遭遇到的最大烈度是多少？
有答案吗？有。
准确吗？否。人算只能八九成，总有一成不确定！
对自然界的这种不确定性问题，水利、地震部门要根据历史的、现有的资料做统计分析，长江大坝的建设高度、核电站的防范措施就是按照“照顾多数，承认意外”的原则来拍板决定的。过度产生浪费，不足导致危险，不存在100% 的准确。既然有风险，就还要在基本烈度的基础上再依据建筑物的重要性、失败后产生的次生灾害、使用功能可否中断来分级调整。
地震概率的计算有几个假定：潜在震源区里各类地震的年发生率保持稳定，发生时间上独立随机、空间上概率均等，一般用泊松分布来描述；地震动参数服从随距离衰减的统计规律等。当采用了断层模型、地震活动性模型或地震矩速率模型后，便能算出概率的时间和空间分布。
○参考文献
［1］ 雷建成，高孟潭，吕红山，等. 四川及邻区抗倒塌地震区划图编制［J］. 地震学报，2011，33（2）：219-233.
［2］ 北京市地震局. 话说第五代地震区划图［M］. 北京：地震出版社，2016。
［3］ Kerr R A. Seismic crystal ball proving mostly cloudy around the world［J］. Science，2011，332：912-913.
［4］Geller R J. 日本地震学已到变革之时［J］. 国际地震动态，2011，5：3-6.
［5］ 马玉宏，谢礼立. 我国社会可接受地震人员死亡率的研究［J］. 自然灾害学报，2001（3）：56-64.
［6］ 白立敏，修春亮，冯兴华，等. 中国城市韧性综合评估及其时空分异特征［J］. 世界地理研究，2019，28（6）：77-87.
图文来源：《趣味地震学》
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