場(chǎng)地剪切波速是確定場(chǎng)地條件、計(jì)算地震動(dòng)反應(yīng)、擬合地震動(dòng)衰減關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，在地震工程學(xué)和地震學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)場(chǎng)地剪切波速的不確定性，是分析地震動(dòng)和地震危險(xiǎn)性不確定性的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究。目前學(xué)界在此領(lǐng)域更多的研究集中于波速采集方法的不確定性、剪切波速模型的不確定性等領(lǐng)域，而在剪切波速的水平變異性，尤其是1km以?xún)?nèi)的短距離上的水平變異性這個(gè)領(lǐng)域涉足較少。Thompson、Boore、Asten等學(xué)者開(kāi)展過(guò)針對(duì)VS30的短距離水平變異性研究，但均是基于局部地區(qū)的，采用數(shù)據(jù)也較少。而且更關(guān)鍵的是，這些研究均將短距離看作是統(tǒng)計(jì)的一個(gè)限定條件，而不是一個(gè)統(tǒng)計(jì)變量。因而，當(dāng)Seyhan等人在著名文章《NGA-West2場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)》中給出強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站場(chǎng)地VS30不確定性的標(biāo)定流程時(shí)，也僅籠統(tǒng)地規(guī)定Code 0類(lèi)臺(tái)站指臺(tái)站場(chǎng)地VS30由附近實(shí)測(cè)鉆孔確定，而沒(méi)有明確指明這里的“附近”對(duì)應(yīng)多大范圍，也沒(méi)有給出VS30不確定性與鉆孔距離的函數(shù)關(guān)系。

為填補(bǔ)這個(gè)領(lǐng)域的空白，給出短距離上場(chǎng)地剪切波速剖面和場(chǎng)地VS30的變異性統(tǒng)計(jì)結(jié)論。中國(guó)地震局地球物理研究所周健博士利用收集到的8831個(gè)中國(guó)大陸工程場(chǎng)地鉆孔，對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。研究首先將地形類(lèi)型按坡度環(huán)境特征分為平原地形、山前地形和山地地形三類(lèi)。統(tǒng)計(jì)分析在平原地形和山前地形兩種平坦地形上開(kāi)展。研究利用空間統(tǒng)計(jì)函數(shù)以表征場(chǎng)地變異性與空間距離之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。研究定義了絕對(duì)差分位變異函數(shù)（quantile variogram of absolute difference，QVAD）的概念，以表征兩場(chǎng)地剪切波速的絕對(duì)差異；結(jié)合經(jīng)典半變異函數(shù)，以方便研究結(jié)果在常用空間統(tǒng)計(jì)算法（如克里金法）中的應(yīng)用。研究的統(tǒng)計(jì)對(duì)象為場(chǎng)地剪切波速剖面和場(chǎng)地VS30，其中場(chǎng)地剪切波速剖面用5米、10米、20米和30米四個(gè)深度上的剪切波速值來(lái)度量。絕對(duì)差分位變異函數(shù)的分位數(shù)選擇90%、80%和50%以反映從保守到激進(jìn)的不同風(fēng)險(xiǎn)偏好。

研究結(jié)果給出了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)的場(chǎng)地變異性與水平距離的統(tǒng)計(jì)分窗口散點(diǎn)結(jié)果，平原地形上從200米距離到10公里距離，200米一檔；山前地形上從100米距離到5公里距離，100米一檔。研究同時(shí)根據(jù)分窗口的散點(diǎn)結(jié)果給出了擬合的函數(shù)關(guān)系和函數(shù)參數(shù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，平原地形上1km范圍內(nèi)場(chǎng)地水平變異性不大，兩個(gè)相距1km的鉆孔的VS30的差異有80%的可能性小于26m/s，有90%的可能性小于38m/s；在山前地形上1km范圍內(nèi)場(chǎng)地水平變異性大于平原地形，兩個(gè)相距1km的鉆孔的VS30的差異有80%的可能性小于36m/s。

此外從平原地形和山前地形的空間統(tǒng)計(jì)函數(shù)形態(tài)和函數(shù)參數(shù)的分析。研究得出以下認(rèn)識(shí)：

1）平原地形的場(chǎng)地變異性隨距離增加存在一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)位于1km到3-5km的位置上，在平臺(tái)距離范圍，場(chǎng)地變異性基本不隨距離增加而變大。在小于平臺(tái)起始距離的短距離范圍內(nèi)，場(chǎng)地變異性受距離的影響大于平臺(tái)終止距離后的長(zhǎng)距離范圍。。

2）平原地形場(chǎng)地水平變異性的平臺(tái)現(xiàn)象在淺部層位的波速上更加明顯，在低分位數(shù)的QVAD上平臺(tái)段的距離范圍更大。

3）無(wú)論是平原地形還是山前地形，場(chǎng)地深部層位波速的水平變異性都要大于同距離上淺部層位。

4）平原地形的QVAD和半變異函數(shù)形態(tài)近似，而山前地形的兩函數(shù)形態(tài)迥然不同。

研究還從子集分析和外部數(shù)據(jù)兩個(gè)方面對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。子集分析將建模的平原地形和山前地形的鉆孔數(shù)據(jù)劃分為小的子集，分別在每個(gè)子集上重新統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明子集結(jié)果與全集結(jié)果在總體趨勢(shì)上是一致的。尤其是平原地區(qū)的子集同樣展現(xiàn)出了與全集結(jié)果近似的“平臺(tái)現(xiàn)象”。外部數(shù)據(jù)應(yīng)用美國(guó)加州和臺(tái)灣地區(qū)的鉆孔對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明美國(guó)加州的鉆孔空間變異性小于中國(guó)大陸鉆孔，臺(tái)灣地區(qū)的鉆孔空間變異性大于中國(guó)大陸鉆孔。但我們認(rèn)為，這樣的差異在可接受范圍之內(nèi)，且很可能是由于美國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)較少，存在較大的認(rèn)知不確定性所造成的。

平原地形的鉆孔剖面剪切波速空間函數(shù)散點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)圖。左側(cè)圖為QVAD函數(shù)，右側(cè)圖為半變異函數(shù)。自上至下分別為5米、10米、20米、30米深度處的結(jié)果。

平原地形的鉆孔VS30空間函數(shù)散點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)圖。左側(cè)圖為QVAD函數(shù)，右側(cè)圖為半變異函數(shù)。

山前地形的鉆孔剖面剪切波速空間函數(shù)散點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)圖。左側(cè)圖為QVAD函數(shù)，右側(cè)圖為半變異函數(shù)。自上至下分別為5米、10米、20米、30米深度處的結(jié)果。

山前地形的鉆孔VS30空間函數(shù)散點(diǎn)和擬合曲線(xiàn)圖。左側(cè)圖為QVAD函數(shù)，右側(cè)圖為半變異函數(shù)。

研究創(chuàng)新點(diǎn)在于：1. 首次給出了平原地形和山前地形上工程場(chǎng)地在小距離上的水平變異性特征；2. 首次給出了場(chǎng)地剪切波速剖面和場(chǎng)地VS30的水平變異性以距離為參數(shù)的完整的概率性表達(dá)結(jié)果數(shù)據(jù)；3. 發(fā)現(xiàn)了平原場(chǎng)地水平變異性存在中等距離上變異性不隨距離增加的平臺(tái)特征。

研究成果作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性的研究成果細(xì)化了強(qiáng)震臺(tái)站場(chǎng)地條件不確定性的度量水平，從原先NGA籠統(tǒng)的將Code 0類(lèi)對(duì)應(yīng)一個(gè)不確定性數(shù)值推進(jìn)到了可以按不同距離精確度量不確定性的水平上；研究成果還可用于確定地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃鉆孔密度對(duì)場(chǎng)地條件的控制能力，對(duì)“要打多少鉆孔才算把場(chǎng)地條件控制住了”這個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)困擾工程實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)制定的問(wèn)題給出了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持；研究成果還可用于地震小區(qū)劃和其他面狀線(xiàn)狀工程的鉆孔布設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。即在鉆孔開(kāi)鉆之前就給出預(yù)估的鉆孔對(duì)場(chǎng)地的控制能力分布。

研究成果于2023年發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（Jian Zhou, Li Li, XiaoJun Li, YanXiang Yu, QinJian Tian Lateral variations of shear wave velocity (VS) profile and VS30 over gentle terrain. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 175(2023)： 108265. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2023.108265），受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：42120104002）和111計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：D21001）共同資助。

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【作者簡(jiǎn)介】

周健，固體地球物理學(xué)博士。曾于中國(guó)地震局震害防御司從事抗震設(shè)防相關(guān)工作，曾任法國(guó)再保險(xiǎn)公司亞太區(qū)巨災(zāi)模型經(jīng)理?，F(xiàn)于中國(guó)地震局地球物理研究所從事場(chǎng)地土層VS30模型、場(chǎng)地條件和地震區(qū)劃等相關(guān)研究。中國(guó)災(zāi)害防御協(xié)會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析專(zhuān)業(yè)委員會(huì)會(huì)員。

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