《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Influence of rupture geometry in rapid earthquake impact assessment
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地震破裂几何模型对快速损失评估的影响研究，比较了点源模型与平面破裂模型在不同震级（Mw5.0-7.8）和地理分布下的差异，发现低中震级远离人口区时点源模型足够，浅源地震近人口区误差大，大震级事件差异显著但可通过平面模型缓解。通过OpenQuake引擎模拟理想区域和五个真实地震案例（智利、土耳其、日本、意大利、西班牙），验证了破裂几何不确定性对建筑损毁（DS4状态）的影响程度。
Furkan Narlitepe|Vitor Silva|Christopher Brooks|David J. Wald
全球地震模型基金会（Global Earthquake Model Foundation），地址：Via Adolfo Ferrata, 1, 27100, Pavia, Italy
摘要
在破坏性地震发生后，迅速进行损失和损害评估对于估计对人口和建筑环境的影响以及启动响应活动至关重要。影响评估依赖于三个关键组成部分：建筑物的清单、脆弱性函数以及受影响地区的地面震动估计。虽然前两个组成部分可以提前准备，但地面震动必须在地震发生后立即进行估计。在这项研究中，我们探讨了定义破裂几何形状的不同方法，从简单的点源模型到基于地震危险性模型的更复杂的破裂模型。我们评估了这些建模选择对受损建筑物数量估计的影响，考虑了不同的震级和暴露资产的空间分布。最后，我们将使用简化破裂建模方法得到的受损建筑物数量与详细研究提出的结果进行了比较。我们的发现表明，对于位于人口稀少地区的低至中等震级（w 6.5）事件，点源近似通常是足够的。然而，对于靠近人口密集区的浅层破裂事件，无论震级如何，这种近似方法都会出现问题。对于大地震（>Mw 6.5），损失估计的差异可能很大，但如果地震破裂被近似为使用基本地震信息（例如震级、震中、走向、倾角）定义的平面破裂，或者从现有的地震危险性模型创建的预计算破裂数据库中提取的信息，这种差异可能会得到缓解。
引言
在毁灭性地震之后，自动评估地震影响的系统已经证明了它们的实用性，为政府、应急响应人员、当地民众和私营部门提供了宝贵的信息。这些预测依赖于假设和近似值，随着更多数据的获得，这些假设和近似值会逐渐得到改进。例如，美国地质调查局（USGS）的“全球地震快速影响评估”（PAGER）系统[1]是公认的全球快速影响评估平台之一，它根据其ShakeMap系统的更新，在重大地震发生后的数小时和数天内不断更新其影响估计。这类信息对于建筑环境高度脆弱的国家尤为重要，在这些国家，快速有效地部署救援队伍和分配资源至关重要。2023年2月6日影响土耳其和叙利亚的地震序列（Mw 7.8和Mw 7.5）造成了超过50,000人死亡[2]。尽管两次地震的震中都在Kahramanmara?省，但随着时间的推移，很明显受影响区域不仅限于一个地区，而是扩展到了另外10个省份。由于当前影响评估系统的限制以及农村地区数据的缺乏，需要几天时间才能全面了解事件的规模。
快速地震影响评估依赖于三个关键组成部分：描述建筑环境的暴露模型、定义在特定强度条件下损失或损害可能性的脆弱性或脆弱性函数集，以及受影响地区的地面震动空间分布。虽然这三个组成部分都存在重大的认知和随机不确定性，但在大地震发生后的数小时内估计地面震动尤其具有挑战性，尤其是在地震网络相对稀疏的情况下。在这种情况下，可以识别出三个主要的不确定性来源：1）事件的震级，2）震中的位置，最重要的是3）地震破裂的几何形状。
限制破裂几何形状通常依赖于整合地震波形数据、GPS测量和其他地球物理观测的方法来描述地震的来源[3]。诸如运动学和动力学反演等方法能够以相对较高的分辨率对断层面上的滑动分布进行建模[4,5]。然而，尽管初始破裂模型有时可以在几小时内生成[6]，但开发详细的破裂解决方案可能非常耗时，特别是对于复杂或大地震。在某些情况下，全面的破裂解决方案是在科学研究中得出的，并且只有在事件发生数月或数年后才能获得[[7], [8], [9], [10]]。
一种常见的初步近似方法是将地震破裂建模为点源，尽管这种方法可能会引入较大的偏差，特别是对于大地震，因为源到地点的距离估计存在差异。例如，Monelli等人[11]进行了概率地震危险性分析，以研究破裂有限性对危险性估计的影响，得出结论认为点源模型可能导致475年一遇的设计地面运动危险性低估高达58%。同样，Lozano等人[12]报告称，由于缺乏关于破裂几何形状的数据、地面运动记录以及早期响应窗口中的“您感觉到了吗？”（DYFI）数据，USGS的ShakeMap[13]在2014年Napa地震的早期和后期版本之间的峰值地面加速度（PGA）差异约为65%。
文献中开发了各种方法来解决由于使用点源距离而导致的地面运动系统低估问题，并提高地面运动模型（GMMs）的准确性。这些方法旨在改进源到地点距离指标的表示，纳入有限断层的尺寸，并考虑认知不确定性。例如，Bommer和Akkar[14]建议在GMMs中使用不同的回归参数集来处理点源和基于破裂的距离指标，但这一建议在实践中并未得到广泛采用。一些研究人员开发了混合建模框架，将点源和有限断层距离指标统一在单个GMM公式中[15,16]。另一种减少点源近似引起的不确定性的策略是应用转换因子来调整点源距离（例如震中距离）到基于破裂的距离（例如从地点到破裂表面的最短距离 - RRUP以及从地点到破裂表面投影的最短水平距离 - RJB）。例如，Thompson和Worden[17]通过改变走向和倾角计算了不同震级的假设破裂的基于破裂的距离，并提取了每种破裂的中位数距离。关于这种建模策略的更多信息可以在Boore和Atkinson[18]、Scherbaum等人[19]、Kaklamanos等人[20]、Bindi等人[21]、Worden和Wald[22]以及Bommer等人[23]的几项研究中找到。虽然这些调整旨在保持地面震动估计的概率严谨性，但重要的是要认识到这种近似仍然存在固有的局限性和不确定性。
本研究调查了由破裂几何形状不确定性引起的不足及其对影响估计的潜在影响。为此，我们探索了不同的破裂几何形状建模策略，从简单的点源模型到基于有限地震数据的平面断层破裂，以及来自地震危险性模型的预计算破裂。这些不同的建模选项使用OpenQuake引擎[24,25]在具有均匀建筑物的理想化区域和实际案例研究中进行了测试，这些实际案例使用了发生在智利、土耳其、日本、意大利和西班牙的过去地震。我们考虑了完全损坏的建筑物数量（以下简称为损害状态4或DS4）作为这些分析的影响指标，以了解不同地震震级之间的预期差异。此外，我们还评估了提高影响估计准确性和可靠性的技术。本研究的建议对负责在地震发生后迅速评估和传达地震影响的国家当局和国际组织非常有用，尤其是在地震信息通常有限的地区。
方法论
在这项研究中，我们专注于量化不同建模策略导致的影响指标差异。我们关注影响指标是因为，根据建筑物的脆弱性特征，即使地面震动的微小变化也可能导致风险估计的显著差异。相反，在根据现代地震规范设计的建筑区域，地面震动估计的显著差异可能影响有限
地面震动和经济损失估计的差异
我们使用点源和平面破裂模型来估计地面震动和经济损失。图2显示，对于高震级事件，平面模型产生的强烈地面震动分布更广，而对于低震级事件（例如Mw 5.0），点源和平面破裂模型的估计相似。在震中附近，PGA估计基本上不受破裂建模方法的影响，百分比差异很小（约10%），而在远离震中的地方
过去地震事件中破裂几何形状的影响
为了进一步研究破裂建模方法的影响，本节利用了五个真实的地震案例，这些地震的主要破裂参数包含在表1中。与第3节中的任意区域分析不同，以下地震示例考虑了特定区域的现场条件。对于每个区域，我们根据USGS基于全球地形坡度的Vs,30代理数据创建了一个现场模型，以描述局部现场效应的空间变异性。
结果讨论
本研究中的影响分析假设暴露和脆弱性组成部分是准确的。正如文献[40]中所讨论的，不完整、有偏见和/或过时的暴露和脆弱性模型可能会显著影响影响估计，通常引入的偏差大于本研究提出的破裂建模方法所导致的偏差。鉴于估计绝对损失值的挑战，在这里我们关注相对损失
结论
我们研究了破裂建模复杂性的演变对快速影响评估的影响，使用了一个理想化的100 × 100平方公里区域和五个过去的地震案例。这些分析涵盖了广泛的事件特征，包括不同的震级、破裂几何形状和资产的空间分布。我们将三种简化的破裂建模方法得出的地面震动和影响估计与假设最接近实际情况的参考破裂几何形状进行了比较
CRediT作者贡献声明
Furkan Narlitepe：撰写——原始草稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Vitor Silva：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，项目管理，概念化。Christopher Brooks：方法论，正式分析，数据管理，概念化。David J. Wald：撰写——审阅与编辑，监督，方法论。
资助
这项研究是作为2024年研究资助项目Project的一部分进行的，该项目由位于英国伦敦的地震工程 现场调查团队（EEFIT）资助。作者们衷心感谢EEFIT在财务支持和推进地震工程领域研究方面的承诺。
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系，这些可能被视为潜在的利益冲突：Vitor Silva报告称得到了地震工程现场调查团队（EEFIT）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
