0 引言

　　近年來，隨著地震觀測數據的數字化普及和信息技術的快速發展，全球范圍內的強震動數據快速增加，強震臺站也快速發展，全球主要地震多發國家加大了對強震觀測臺網的建設投入，布設的儀器數量顯著增加，獲取的強震動記錄日益豐富，數據的處理與應用也越來越受到重視。強震動數據庫為研究人員提供了大量的地震動元數據和臺站元數據，這些強震動數據是用來預測地震動強度和進行地震反應分析的主要信息源，不僅加深了人們對于抗震客觀規律的認識，而且成為了推動地震工程研究發展的重要手段，因此，對強震動記錄進行整理和研究也成為了地震工程領域的重點方向。

　　強震動觀測的目的就是針對各類場地和工程結構布設強震動觀測臺網，對強地震動的特性(幅值、頻譜、持續時間)及各種工程結構的地震反應進行觀測，獲取真實可靠的強地面運動記錄和工程結構地震反應數據，為研究強地面運動的特性和工程結構抗震設計方法與技術、編制地震動參數區劃圖和各類建筑結構抗震設計規范提供重要的基礎資料，以達到減輕地震災害的最終目標。由于儀器性能的不斷改進和監測技術的快速更新，全球強震動記錄的數量增長迅速，一些新的基本認識需要更新和總結。

　　國內學者也多次在這方面進行過研究，但采集的數據量并不充足，同時對地震動的劃分不夠精準，本文針對歐洲工程強震動數據庫(ESM)、美國工程強震數據中心(CESMD)、日本 K-NET 和 KiK-net 數據庫、墨西哥 IIUNAM 強震網絡數據庫(RAII-UNAM)、新西蘭 GeoNet 數據中心 5 個地震多發國家或區域建立的常用強震動數據庫，收集整理了各數據庫自建庫以來至 2021 年 12 月 5.0 級以上的 40 余萬組(約 150 萬條)記錄，并按照震級、場地、震中距等需求對其進行篩選分類處理，建立數據庫統計計算了不同震級區間下，歐洲、日本、美國、墨西哥、新西蘭 5 個國家和地區在震源信息、臺站分布、場地分類、反應譜譜型等方面的強震動基本信息，并對比了各個國家和地區的特點與差異性。

　　1 強震動數據收集

　　1.1 數據庫及強震動分布基本介紹

　　美國工程強震數據中心(CESMD)是一個由美國地質調查局(USGS)和加州地質調查局(CGS)共同建立的數據中心，它整合了來自 USGS 國家強震項目、CGS 加州強震儀器項目和 ANSS 獲取的強震動觀測數據，可為地震工程研究提供原始的和經預處理過的強震動記錄。本文統計處理了 1954 年至 2021 年 12 月 CESMD 數據庫中收錄的地震事件共 150 個，符合預期的強震動記錄共 15558 條，劃分不同場地類別的臺站 1622 個。

　　歐洲的工程強震動數據庫(ESM)提供了一套工具來搜索、選擇、下載和分析地面運動數據和相關的元數據，其中包含的波形與 4.0 級以上地震相關，主要記錄在歐洲 — 地中海地區和中東地區發生的地震事件。本文共統計處理 1969 年至 2021 年 12 月 ESM 數據庫收錄的 1778 個地震事件，符合預期的強震動記錄共 32634 條，劃分不同場地類別的臺站 652 個。

　　日本 K-NET(Kiban-KyoshinNet)是一個全國性的強震動觀測臺網，由 1000 多個觀測站組成，平均密度為 20 臺 /km，均勻覆蓋日本。每個 K-NET 臺站都在地面上安裝了一臺配備標準化觀測設施的強震儀用以記錄強震動數據。KiK-net 是由安裝在鉆孔井上 / 井下的一對強震儀與高靈敏度地震儀一起組成三維觀測系統，在日本共部署約 700 個地點。日本國家地球科學與災害防御研究所(NIED)數據管理中心接收由 K-NET 和 KiK-net 記錄的強震動數據并通過其網站發布。本文統計處理 1996 至 2021 年 12 月日本 K-NET 和 KiK-net 收錄的地震事件共 1777 個，符合預期的強震動記錄共 1349832 條，劃分不同場地類別的臺站 1744 個。

　　墨西哥 RALL-IIUNAM 強震網絡數據庫提供了 1964—2018 年 6893 次地震的 18806 個三分量加速度計波形的公共目錄。該系統允許用戶通過查詢地震目錄或通過與加速度臺站、發生日期、記錄的加速度或徑向距離相關的參數組合，能夠顯示加速度記錄并且以 ASCII 標準格式下載包含時程的文件。本文統計處理 1961 年至 2021 年 12 月墨西哥 RAII-UNAM 數據庫收錄的地震事件共 558 個，符合預期的強震動記錄共 18678 條，劃分不同場地類別的臺站 209 個。

　　新西蘭 GeoNet 數據中心支持監控和研究，主要負責捕獲所有來自現場儀器或第三方來源的地球物理數據流，原始數據的基本處理以及安全檔案的維護。它允許檢索基本數據集，如 GPSRinex 文件、地震震源和儀器波形數據。本文統計處理自 2001 年 GeoNet 成立以來數據庫中的地震事件共 933 個，符合預期的強震動記錄共 54915 條，劃分不同場地類別的臺站 2349 個。

　　從以上 5 個國家和地區開源數據庫共收集了自建庫以來記錄到的 5.0 級以上地震事件共 5196 個，總計超 40 萬組、150 萬余條強震動數據，采集到強震動信息的臺站 6250 個。震中與強震動臺站主要分布于環太平洋地震帶，這個地震帶集中了世界上 80% 的地震，包括大量的淺源地震、90% 的中源地震、幾乎所有的深源地震和全球大部分特大地震。

　　1.2 數據篩選與統計

　　考慮到部分數據庫有收錄非本地區強震動記錄的情況，如歐洲 ESM 數據庫收錄了我國臺灣省臺站采集到的強震信息。為進一步提高數據可靠度及未來參考可行性，刪除該數據庫中不屬于該地區的數據。最終共統計得到 5 個國家和地區強震動數據庫自建庫以來的 5.0 級以上地震事件 5196 個，按照震級劃分，5.0～5.4 級地震事件 3109 個，5.5～5.9 級地震事件 1176 個，6.0～6.4 級地震事件 536 個，6.5～6.9 級地震事件 219 個，7.0 級以上地震事件 156 個。

　　針對上述 5 個國家和地區的強震動記錄數據庫，本次數據篩選基本原則如下：①保證同一組數據 3 個分量齊全，其中 2 個水平分量觀測方向相互垂直;②篩除結構臺站獲取的強震動數據，僅保留地面或井下強震動儀獲取的數據;③篩除震中經緯度、震源深度等基本信息不完整的強震動記錄;④保留日本 KiK-net 臺站井上及井下同一組記錄的 6 條數據。本文最終篩選統計的強震動數據記錄，其他年份為每年新獲取的數據數量。雖受到地震發生不確定性的影響，但隨時間的推進，收集到的強震動數據增長速度仍然有加快的趨勢。

　　2 強震動臺站分布特征

　　2.1 強震動臺站場地類別確定

　　本文參考王大任等對臺站的選取及基本數據信息獲取的流程，主要利用等效剪切波速VSe、覆蓋土層厚度 H 和地表以下內介質的平均剪切波速VS30作為參考依據分別確定了各臺站在建筑抗震設計規范(GB50011—2010)和美國抗震規范(ASCE7-16)下的場地類別。本文得出在《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)下，5 個國家和地區的場地類別分布特征)。美國臺站布設的空間分布合理科學，所采集到的地震事件的強震數據優質高效，強震動臺站場地條件表現出 Ⅰ、Ⅱ 類較硬場地占比較高的特點。

　　歐洲臺站主要分布在地中海以北一帶，場地類別以 Ⅰ、Ⅱ 類為主交錯分布，Ⅲ 類場地較少，而 Ⅳ 類較軟場地占比極低，由于歐洲多個國家都有自己的強震動研究與建設機構，所以臺站分布整體較為均勻，但與美國不同，沒有出現區域性集中的情況;與美國場地相比，歐洲的 Ⅰ 類場地占比較高。由于日本地處環太平洋地震帶區域，K-NET 和 KiK-net 臺網架構較為完善，強震動數據與臺站數量都明顯高于其他國家或地區。

　　日本場地以 Ⅱ、Ⅲ 類場地居多，同時有多處集中的 Ⅳ 類場地，而 Ⅰ 類場地極少。新西蘭地理條件與日本相似，同樣地處環太平洋地震帶，屬于地震頻發地段，新西蘭海域強震數量較多，為海嘯地震的研究提供了重要依據。新西蘭臺站數量雖不及日本 K-NET 和 KiK-net，但整體臺站密度高于除日本外的其余 3 個國家或地區，除 Ⅳ 類場地偏少外，其余場地類別分布都較為均勻。墨西哥同為地震頻發的沿海國家，與日本、新西蘭的臺站分布對比可以看出，墨西哥的臺站分布密度明顯低于這兩個國家，而場地類別上也缺少 Ⅳ 類場地，Ⅲ 類場地數量占比也較少，說明墨西哥整體場地條件偏硬;除(16°N,100°S)區域附近臺站較為密集外，其他區域較為分散，并沒有出現如日本或新西蘭那樣強震動臺站分布集中的現象。

　　2.2 臺站場地類別占比分析

　　為避免重復，本節僅闡述在美國抗震規范(ASCE7-16)下，5 個國家和地區的分布情況。美國、歐洲的臺站場地類別豐富，A 類、E 類場地的臺站占比之和約占總數 1.5%，其余 3 類場地的臺站占主導;墨西哥的臺站場地類別主要集中在 C 類和 D 類，且無 A 類、E 類;新西蘭的臺站場地類別較為均勻，除 E 類場地較少外，B 類、C 類、D 類場地數量呈遞增趨勢;日本的臺站場地類別與新西蘭近似，僅有 3 個 A 類場地，B 類、C 類、D 類、E 類呈現兩頭小中間大的分布。總體上，除歐洲外，其他地區 A、B 類場地占比很小，而所有地區 E 類場地占比都很小，大體可以看出偏硬與偏軟的場地都數量不多，主要原因是強震動臺站選址著重考慮人口活動頻繁的地區，也就是地形相對平坦的平原地區，場地條件以 C、D 類為主。

　　2.3 臺站震中距分布

　　5 個國家和地區開源數據庫所有強震動記錄對應的震級、震中距與記錄數量的關系情況，從震中距和記錄數量的關系可以看出，震中距大于 400km 的記錄數量分布較為分散，呈穩定遞減趨勢;震中距大部分分布在 300km 范圍內，集中分布在 200km 范圍內，說明數據庫整體以近場強震動記錄為主。與數據庫整體相比不同的是，在美國強震動數據中，僅有 5% 的記錄的震中距大于 336km，有 67.6% 的記錄分布在震中距 200km 以內，震中距為 0～50km 的記錄數量最多;而在震中距超過 450km 的記錄數量大幅度減少，占比僅約 1%，說明美國 CESMD 數據庫相比數據庫整體，臺站震中距分布更為集中，近場臺站數量所占比例更多，近場臺站記錄更豐富。

　　3 加速度反應譜譜型對比

　　強震動記錄是工程結構抗震分析的激勵輸入，為評價國外記錄在我國工程應用中的的適用性，有必要對本文收集的 5 個國家和地區主要開源數據庫中的記錄開展反應譜譜型的區域性對比研究。對強震動記錄進行基線校正處理后，計算了其阻尼比為 5%、周期范圍為 0.01～10s 的絕對加速度反應譜，兩水平方向取幾何平均值。限于篇幅原因，本文僅篩選出震源深度以內震中距 150～200km、場地條件為 C 類的水平方向強震動記錄作為示例進行加速度反應譜譜型的對比分析，最終共篩選出美國 160 條、墨西哥 104 條、歐洲地區 216 條、新西蘭 122 條、日本 1296 條強震動記錄的絕對加速度反應譜。為直接體現出相同條件下不同國家和地區的區域性差異，對數據進行歸一化處理，并計算對數平均反應譜與對數平均反應譜 ±1 倍對數標準差。同時給出了這 5 個國家和地區的平均反應譜對比情況。

　　平均意義上墨西哥與日本的強震動記錄的反應譜譜型在小于 0.2s 短周期段整體較為貼合，與新西蘭強震動記錄在短周期末端 0.1～0.2s 周期段也趨于一致。在 0.1～0.2s 周期段內，日本與墨西哥的強震動記錄的平均譜相關系數～日本墨西哥，為相關系數最高的兩組數據，新西蘭強震動記錄的歸一化反應譜略低于墨西哥與日本、而略高于美國和歐洲地區，區域差異性較為明顯。

　　在中周期段(0.2～0.5s)，所有強震動記錄的反應譜變化較為迅速，且相互之間差距不明顯。從相關系數來看僅有日本與墨西哥的～日本墨西哥表現為強相關，其余該周期段的反應譜的相關系數皆小于 0.7，表現為相關性較弱，故在圖中顯示為相互交錯無顯著差異。整體上，美國強震動記錄的反應譜略高于歐洲，但譜型變化趨勢基本一致，墨西哥與日本強震動記錄的反應譜在中周期段(0.2～0.3s)幾乎重合，隨著周期的增加兩者逐漸分離，且墨西哥低于日本;新西蘭的反應譜在此周期段初始為整體最高，而后被美國的反應譜超越。

　　在中長周期段(0.5～1s)，所有強震動記錄的反應譜變化趨于穩定，墨西哥強震動記錄的反應譜略低于歐洲地區，而此時墨西哥和歐洲地區強震動記錄的反應譜明顯低于其他 3 個國家，美國強震動記錄的反應譜也從該周期段的初期為最高，且與歐洲地區重合，之后開始下降，在末期低于新西蘭;歐洲地區除此階段前期與美國重合外，其余周期段遠高于其他 4 個國家，同時其下降速度明顯低于其他 4 個國家;中長周期段歐洲地區與其他國家的相關系數分別 ( ho_{歐洲，美國}^{0.5～1}=0.882。

　　在不考慮設防烈度的前提下，假設震級大小、震源深度、場地類別與震中距皆在相似條件下，美國、墨西哥、歐洲、新西蘭和日本 5 個國家和地區的反應譜譜型表現出了顯著性差異，充分體現了相同條件下不同地區的反應譜存在顯著的區域性差異。

　　4 結論

　　基于全球 5 個國家和地區開源數據庫采集到的 1954—2021 年 5.0 級以上的強震動記錄，以國家和地區為單位對震級、震源深度、臺站場地、震中距、反應譜譜型等開展了分析研究，得到以下結論：

　　(1)5 個國家和地區開源數據庫記錄地震的震中主要分布于環太平洋地震帶，強震動臺站分布也與之對應。從臺站及場地方面考慮，美國強震動臺站集中分布在西海岸與阿拉斯加地區，較硬場地占比例較高;而日本臺站分布密度最高，較軟場地占比例較高。從震中距方面考慮，美國為近地場記錄最為集中和豐富的國家。

　　(2)本文給出了中、美兩套規范下每個臺站的場地參數和類別，比較分析了 5 個國家和地區場地類別占比情況。5 個國家和地區以 C 類和 D 類場地占主導;歐洲地區和新西蘭 B 類場地數量較為可觀;日本是 E 類場地最為突出的國家。

　　(3)本文得出了在相同條件范圍內，不同國家或地區的絕對加速度反應譜歸一化后平均譜值與標準差的對比結果，充分驗證了不同地區的反應譜之間的區域性差異。

　　由于數據采集量龐大，本文僅研究了未處理的強震動記錄在不同震級、臺站分布、場地條件、反應譜譜型等基本條件下進行的篩選并分類，后續將針對不同震級、震中距和場地條件的各自工況組合開展深入研究。

肖裴淵;任葉飛;吳玉嬌;周寶峰;張亞軍;吳華燈;溫瑞智,中國地震局工程力學研究所;地震災害防治應急管理部重點實驗室;寧夏交通建設股份有限公司;廣東省地震局,202404