孟令媛 史保平

（中國北京100049中國科學(xué)院研究生院地球科學(xué)學(xué)院）

2010年墨西哥BajaMW7.2地震與中國玉樹MW6.9地震強地震動特征的對比研究＊

孟令媛 史保平

（中國北京100049中國科學(xué)院研究生院地球科學(xué)學(xué)院）

2010年4月4日墨西哥Baja地區(qū)發(fā)生MW7.2地震，2人遇難；同年4月14日中國青海省南部玉樹地區(qū)發(fā)生MW6.9地震，截至2010年4月25日，已造成2 220人遇難.有報道指出，玉樹地震矩震級小于Baja地震，人員傷亡卻遠(yuǎn)大于后者，主要原因在于玉樹地區(qū)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低、建筑物抗震性能差.地震造成破壞程度的大小并非僅僅取決于矩震級的大小，而同時與其釋放的地震波輻射能及發(fā)震后造成的強地面運動的大小有關(guān).玉樹地震釋放的地震波輻射能約相當(dāng)于Baja地震的10倍，目前玉樹地震尚無實測的強震記錄.針對玉樹地震和Baja地震建立動態(tài)復(fù)合震源模型，分別模擬基巖上及淺層速度結(jié)構(gòu)（V30，地下30m平均剪切波速）下近斷層區(qū)域的強地面運動.結(jié)果表明，基巖上及V30下玉樹地震近斷層區(qū)域強地面運動整體約相當(dāng)于Baja地震的2倍.因此，玉樹地震造成發(fā)震區(qū)域內(nèi)建筑物損毀程度及人員傷亡情況均嚴(yán)重于Baja地震，重要原因之一在于其地震波輻射能大，且強地面運動較強.本文中所應(yīng)用的動態(tài)復(fù)合震源模型，在地震矩守恒和地震波輻射能守恒的條件約束下，可以作為地震發(fā)生后補充強地面運動數(shù)據(jù)的有效手段之一.

玉樹地震 Baja地震 矩震級 地震波輻射能 強地面運動

引言

2010年4月4日墨西哥境內(nèi)的Baja California北部地區(qū)發(fā)生了MW7.2地震，震中位置32.259°N、115.287°W，地震矩8.5×1019N·m，震源深度10km，造成墨西哥 Mexicalia城附近有2人遇難（USGS，2010a）.中國青海省南部玉樹地區(qū)于2010年4月14日發(fā)生MW6.9地震，震中位置33.224°N、96.666°E，地震矩2.5×1019N·m，震源深度17km（張勇等，2010a；USGS，2010b）.玉樹MW6.9地震對發(fā)震區(qū)域內(nèi)玉樹縣造成了極大的破壞，截至2010年4月25日，已造成2 200多人遇難，12 100多人受傷（許力生等，2010）.2010年墨西哥BajaMW7.2地震與中國玉樹MW6.9地震矩震級相似，且Baja地震矩震級大于玉樹地震矩震級，為何中國玉樹MW6.9地震造成的人員傷亡遠(yuǎn)大于墨西哥BajaMW7.2地震呢？有報道指出，玉樹MW6.9地震之所以造成如此大的人員傷亡，是因為玉樹地區(qū)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不夠高，房屋大部分是土木結(jié)構(gòu)或石塊搭筑，抗震性能很差.

事實上，從地震到建筑物損壞之間，可以用簡單的關(guān)系表示，即地震發(fā)生造成近地表強地面運動，強地面運動造成建筑物不同程度的破壞，建筑物抗震性能的差別導(dǎo)致了遭受相同等級的地震動而所遭到的破壞程度不同.因此，通常認(rèn)為地震的矩震級越大，其造成的破壞程度也越大的認(rèn)識存在一定的偏頗.也就是說，地震所造成的破壞程度并非僅僅取決于所發(fā)生地震的矩震級大小，而與諸如地震波輻射能、地表強地面運動、建筑物的抗震性能等多方面有關(guān).因此，前面提到的報道中，簡單地將玉樹地震造成人員傷亡的原因歸結(jié)為建筑物的抗震性能差的說法是不夠全面的.另外，我們也注意到，郭華東等（2010）針對玉樹MW6.9地震建筑物倒塌誘因的研究指出，地震中導(dǎo)致建筑物倒塌的原因主要有3個：一為該建筑物距離主發(fā)震斷層的距離，二為松軟沖積扇地基，三為建筑物結(jié)構(gòu)類型.郭華東等（2010）通過遙感等資料綜合分析指出，3種誘因中，第一種是高度相關(guān)，第二種是關(guān)系密切，第三種是十分有關(guān).這也從另一個側(cè)面說明，地震所造成的破壞程度也并非僅僅取決于建筑物的抗震性能.

本研究主要從地震發(fā)生及發(fā)震斷層破裂過程出發(fā)，討論與地震可能造成破壞程度相關(guān)的兩個方面：其一為地震發(fā)生后所釋放的地震波輻射能的多少；其二為地震發(fā)生后所造成的地表強地面運動的大小.一方面，墨西哥BajaMW7.2地震的能量震級Me為6.8，其釋放的地震波輻射能為（3.7—4.8）×1014J.相比之下玉樹MW6.9地震的能量震級Me則為7.5，其釋放的地震波輻射能為（3.7—5.2）×1015J（USGS，2010a，b）.盡管中國玉樹地震與墨西哥Baja地震的矩震級相似，實際上玉樹地震所釋放的地震波輻射能約相當(dāng)于Baja地震所釋放的地震波輻射能的10倍.

另一方面，目前尚無針對玉樹地震公開發(fā)表的強震記錄.在已公布的Baja地震的實測強震記錄中（CESMD，2010），有14個臺站記錄的加速度峰值在0.2g（g為重力加速度，值為9.8cm／s2，下同）以上，并給出了完整的記錄.通過分析Baja地震的實測強震記錄，我們注意到這14個臺站均處在距離Baja地震主發(fā)震斷層約20—50km的范圍內(nèi).其中5053臺站位于Mexicalia城北西方向約3km處，5053臺站實測的峰值加速度最大值約為0.27g.通常意義下隨著地震矩震級的增大，其造成的近場地表運動會隨之增大，但玉樹地震與Baja地震的矩震級相似，并沒有量級上的差別；并且Baja地震的現(xiàn)有實測記錄均位于距離主發(fā)震斷層相對較遠(yuǎn)的位置（約20—50km）.因此，僅僅根據(jù)Baja地震的實測記錄及現(xiàn)有的烈度資料并無法比較相似震級下兩次地震近場強地面運動特征的差異性.

墨西哥BajaMW7.2地震發(fā)生在北美板塊與太平洋板塊中間的主板塊邊緣地區(qū)，震中位置距墨西哥－美國邊界約40km，主發(fā)震斷層與Laguna Salada斷裂帶東南段相一致且平行于San Andreas斷裂帶.中國玉樹MW6.9地震發(fā)震區(qū)域位處歐亞板塊北部青藏高原東緣，發(fā)震斷層為鮮水河斷裂帶的分支玉樹斷裂，發(fā)震斷層為傾角近乎垂直的走滑斷層（USGS，2010b）.根據(jù)兩次地震的發(fā)震區(qū)域的構(gòu)造背景，不難發(fā)現(xiàn)Baja地震和玉樹地震同為淺源地震，前者發(fā)生在板塊邊緣地區(qū)，而后者則發(fā)生在大陸內(nèi)部地區(qū).Choy和Boatwright（2009）指出，不同的構(gòu)造區(qū)域或不同的斷層類型，相同震級的地震所造成的地震波輻射存在巨大的差別.這一點也喻示了相同震級情況下，地表運動量尤其近場可以存在較大的差別.因此，盡管地震矩震級相似，發(fā)震斷層的尺度相似，但由于Baja地震所釋放的地震波輻射能僅僅相當(dāng)于玉樹地震所釋放的地震波輻射能的1／10，因此玉樹地震發(fā)生后對近斷層區(qū)域所帶來的破壞程度大于Baja地震.可能由于地震波輻射能的差別，進(jìn)而導(dǎo)致了其地表強地面運動的差異.

目前尚無針對Baja地震與玉樹地震強地面運動特征差異性的比較研究.因此，對于地震矩震級相似的兩次地震，僅僅根據(jù)玉樹地震發(fā)震區(qū)域內(nèi)建筑物的抗震程度來解釋玉樹地震發(fā)生后所造成的遇難人數(shù)大于Baja地震的原因是不全面且不恰當(dāng)?shù)?本文中我們擬討論玉樹地震與Baja地震在地震矩震級相似的情況下，二者強地面運動特征的差異性，進(jìn)而探討造成差異性的原因.主要分為以下幾部分工作：首先，介紹玉樹地震與Baja地震主發(fā)震斷層的相似之處，及二者幾何參數(shù)和震源參數(shù)的異同點；第二，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)地球物理資料和反演結(jié)果，建立兩個相同尺度的有限斷層模型，分別進(jìn)行動態(tài)復(fù)合震源模型的模擬計算；第三，對比玉樹地震與Baja地震發(fā)震后強地面運動模擬結(jié)果的差異性，并討論強地面運動的差異對震后所帶來的破壞性影響的不同；最后嘗試對相似震級下強地面運動差異性給出合理的解釋及對目前工作進(jìn)行必要的討論.

1 方法與原理

本研究中所應(yīng)用的復(fù)合震源模型，其概念最早由Boatwright（1982）提出，Zeng等（1994）通過對震源的運動學(xué)特征進(jìn)行描述，并結(jié)合地震波在層狀介質(zhì)中傳播的過程，完成了寬頻帶地表運動的預(yù)測計算.在對斷層滑移分布的描述中，子源大小的分布來自于Frankel（1991）對斷層破裂自相似模型的描述.在復(fù)合震源模型的建立過程中，主斷層面的破裂個數(shù)和尺度遵從一定的分形原理，即子源的個數(shù)N與其半徑R的關(guān)系由dN／d（lnR）＝pR－D給出（其中，D為分形維數(shù)，N為給定R的子源個數(shù)，p為比例因子）.在本研究中，我們設(shè)定D＝2，而子源在主斷層面的空間分布則遵從高斯隨機過程，大小不同的子源在主斷層面上允許重疊.每個子源破裂的滑移時間函數(shù)則取決于子源的大小，一般采用Brune（1970，1971）脈沖，利用主斷層面上所得每點的滑動速率與層狀介質(zhì)地震波傳播矩陣所得格林函數(shù)，做卷積即得地面每點的質(zhì)點運動參數(shù).

Zeng等（1994）發(fā)展的復(fù)合震源模型僅給定地震矩守恒，是在試錯法的基礎(chǔ)上模擬計算，當(dāng)合成值接近觀測值時，視為模型參數(shù)確定.Anderson（1997）采用遠(yuǎn)場能量輻射方程，給出了對能量輻射的定量估計，指出主斷層面上總的能量輻射由子源逐個簡單疊加而成.Rivera和Kanamori（2005）根據(jù)遠(yuǎn)場能量輻射的表象定理，給出了有限斷層破裂過程中能量求解的精確解的積分表達(dá)式，并指出通過子源能量逐個疊加來求取有限斷層輻射能量的方法并非恰當(dāng)；提出有限斷層能量輻射與斷層面上每個點能量的輻射路徑均相關(guān)，而并非簡單的逐點能量相加求和.

具體地講，斷層面上任意一點的裂紋擴展過程受到了來自斷層面上其它點的破裂過程的影響.McGarr和Fletcher（2001）指出，遠(yuǎn)場的輻射能量僅為總的能量輻射的1／3或更小，單一的地震矩守恒對模擬強地表運動的局限性是顯而易見的.孟令媛和史保平（2011b）根據(jù)Rivera和Kanamori（2005）提出的能量積分表達(dá)式，重新推導(dǎo)有限斷層中輻射能量的積分解，給出了有限斷層輻射能量求取的新的積分解，即

2 相似震級下有限斷層模型的建立

2010年4月4日墨西哥BajaMW7.2地震發(fā)震在主板塊邊緣地區(qū)，主發(fā)震斷層長度約為100km，呈東南—西北向展布，傾角為83°，震源深度約10km，起始破裂位置位于主發(fā)震斷層的東南端（USGS，2010a）.2010年4月14日中國玉樹MW6.9地震發(fā)震在青藏高原東緣，主發(fā)震斷層為傾角近乎垂直的左旋走滑斷層，斷層走向由西北向東南，傾角為83°，震源深度約17km，震中位置位于主發(fā)震斷層的中部偏西北（USGS，2010b）.根據(jù)遠(yuǎn)震資料對玉樹地震的破裂過程進(jìn)行反演，整個破裂過程持續(xù)了約20s，反演得到的斷層面上主要有兩塊滑動集中區(qū)域：第一個破裂區(qū)域位于震中附近，最大滑動量約為2.4m，最大滑動速率約為1.0m／s；第二個破裂區(qū)域位于走向方向上距震中約10—30km處，最大滑動量約為2.4m，最大滑動速率約為1.1m／s（劉超等，2010；張勇等，2010a，b）（圖1）.

在孟令媛和史保平（2011a）的文章中，對復(fù)合震源模型進(jìn)行了一定的改進(jìn)和修正，得到了動態(tài)化的復(fù)合震源模型，針對2008年汶川MW7.9地震實現(xiàn)了斷層參數(shù)的動態(tài)化賦值.本文針對玉樹MW6.9地震和BajaMW7.2地震這兩次矩震級相似的淺源地震，建立了幾何尺度相同的兩個動態(tài)復(fù)合震源模型，模型長100km，寬20km.盡管斷層模型的幾何尺度相同，但兩個有限斷層模型的約束條件仍存在著很大的差別.首先利用已知遠(yuǎn)場地震波輻射能（USGS，2010a，b）及公式（1），分別對兩個地震模型進(jìn)行地震波輻射能的約束，從而使得模擬計算過程中斷層面地震矩及地震波輻射能均保持守恒.具體估算結(jié)果詳見表1和圖2.其中，MW和Me分別表示地震矩震級和能量震級；Δσs為靜態(tài)應(yīng)力降（Δσs＝2M0／（πW2L）；M0為主斷層的地震矩；W，L分別為斷層的寬度和長度）；σa為視應(yīng)力（σa＝μEs／M0，μ為剪切模量，Es為地震波遠(yuǎn)場輻射能）（Wyss，Brune，1968）；Δσd為動態(tài)應(yīng)力降.

表1 2010年中國玉樹MW6.9地震和2010年墨西哥BajaMW7.2地震發(fā)震斷層參數(shù)Table1 Fault parameters of the 2010 MW6.9Yushu，China，earthquake and 2010 MW7.2Baja，Mexico，earthquake

由表1和圖2可知，玉樹地震（2σa／Δσs）＞1，斷層動態(tài)破裂過程對應(yīng)于應(yīng)力下調(diào)，Baja地震（2σa／Δσs）＜1，斷層動態(tài)破裂過程對應(yīng)于應(yīng)力上調(diào)（Beeleret al，2003）.由于目前尚缺乏兩次地震所處地區(qū)詳細(xì)的速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，本文在模擬過程中對速度結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采取了一定的近似：墨西哥Baja地震發(fā)震位置為南加州地區(qū)，因此，本文中模擬Baja地震強地面運動特征近似綜合考慮了Baja地震發(fā)震相近地區(qū)的簡單速度結(jié)構(gòu)（Raúlet al，2010）與美國加州地區(qū)詳細(xì)的速度結(jié)構(gòu)；同樣地，在針對玉樹地震的模擬計算過程中，綜合了現(xiàn)有玉樹地震發(fā)震地區(qū)簡單的速度結(jié)構(gòu)（許力生等，2010）及四川地區(qū)的詳細(xì)速度結(jié)構(gòu)（劉啟元等，2009）.此外，由于兩次地震起始破裂點及破裂集中區(qū)存在差異，使得不同地震發(fā)震斷層面上子源分布特征、滑動位移分量空間分布特征同樣有所不同，詳見圖3.斷層模型震源參數(shù)詳見表2.

表2 2010年玉樹MW6.9地震及BajaMW7.2地震斷層模型震源參數(shù)Table 2 Source parameters of the 2010 MW6.9Yushu earthquake and 2010 MW7.2 Baja earthquake used in the dynamical composite source model

3 強地面運動模擬結(jié)果分析

3.1 Baja地震5053臺站實測記錄與模擬結(jié)果的對比

Baja地震中，Mexicalia城（33.0°N，116°W）為受地震影響最大的城市之一.其沿斷層走向方向距離震中約47km，距離斷層約14km.前面提到，在已完整公布的14個峰值加速度在0.2g以上的實測強震記錄中，5053臺站位于Mexicalia城北西方向約3km處（圖1b），該臺站記錄到的最大峰值加速度約為0.27g，臺站位于海平面下約66m.因此，本研究首先應(yīng)用現(xiàn)有的5053臺站的實測數(shù)據(jù)，討論如何在模擬過程中合理地對地震波輻射能進(jìn)行取值.首先將Baja地震模型的地震波輻射能設(shè)為已知范圍的下限值，即3.7×1014J（表2），繪制5053臺站南－北、垂直及東－西3個方向加速度的時程曲線圖（圖4a），3個方向峰值加速度（PGA）的計算結(jié)果分別為0.03g，0.02g和0.05g；然后將地震波輻射能設(shè)為已知范圍的上限值，即4.8×1014J（表2），繪制南－北、垂直及東－西3個方向加速度的時程曲線圖（圖4b），3個方向PGA的計算結(jié)果分別為0.06g，0.05g和0.10g（圖4b）；利用CESMD（2010）給出的實測數(shù)據(jù)繪制了5053臺站南－北、垂直及東－西3個方向?qū)崪y的加速度時程曲線圖（圖4c），3個方向的峰值加速度（PGA）分別為0.26g，0.23g和0.27g.分別對比圖4a與圖4c及圖4b與圖4c，可以看到，對于Baja地震的強地面運動的模擬，當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ椛淠艿娜≈禐樯舷拗?.8×1014J時，其模擬結(jié)果與實測記錄在波形特征、持續(xù)時間上一致程度較高.

進(jìn)一步針對圖4c中實測記錄及圖4b中的模擬結(jié)果進(jìn)行了傅里葉頻譜分析（圖4d）.圖4d中分別給出了5053臺站南－北、垂直及東－西3個方向?qū)崪y記錄與模擬結(jié)果傅里葉頻譜分析的對比圖.參照5053臺站的實測數(shù)據(jù)，頻率范圍設(shè)為0—50Hz，其中藍(lán)色線表示實測記錄，黑色線為圖4c中的模擬結(jié)果.由圖4b，c及d可以看到，模擬結(jié)果南－北、垂直及東－西3個方向分量的波形特征及持續(xù)時間均與實測記錄一致性較好，尤其是兩個水平分量，即南－北及東－西分量；3個方向分量在約20Hz的范圍內(nèi)與實測記錄一致程度相對較高，在20—50Hz的范圍內(nèi)模擬結(jié)果略低于實測結(jié)果；南－北、垂直及東－西3個方向分量PGA的模擬結(jié)果整體小于實測結(jié)果，其中南－北及垂直兩個方向PGA的實測結(jié)果均相當(dāng)于對應(yīng)方向分量PGA模擬結(jié)果的約4倍，東－西方向分量PGA的模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，其模擬結(jié)果與實測記錄的比值約為1：2.7.

因此，針對Baja地震，圖4b中給出了強地面運動加速度3個方向分量的時程曲線，其在波形特征、持續(xù)時間及頻率成分均與圖4c中給出的實測記錄具有較好的一致性.然而3個方向分量PGA的計算結(jié)果均小于實測記錄.造成這一現(xiàn)象的原因可能源于以下3個方面：第一，本文基于運動學(xué)模型所給出的模擬結(jié)果采用的是1－D的層狀介質(zhì)，前文中提到由于目前尚缺乏Baja地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，近似采用美國加州地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)，這可能是造成5053臺站的模擬結(jié)果小于實測結(jié)果的原因之一，隨著速度結(jié)構(gòu)資料的完善，這一方面的影響將會得到改善；第二，5053臺站距離Baja地震震中約50km，距離主發(fā)震斷層約23km，即該臺站并未處在Baja地震的近場區(qū)域，盆地效應(yīng)的影響也可能是造成模擬結(jié)果偏小的原因之一，本研究中所建立的模型尚無法直接考慮盆地效應(yīng)的影響；第三，根據(jù)5053臺站所處位置的地質(zhì)資料（CEGMD，2010）可知，該臺站位處海平面下約66m，周圍地區(qū)存在厚的沉積層，盡管我們在模擬過程中采用了USGS的V30數(shù)據(jù)，但是僅僅采用地下30m的淺層速度結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，顯然無法準(zhǔn)確地反映厚沉積層對強地面運動的影響.

此外，Andrews（1986）對地震強地面運動的頻譜響應(yīng)進(jìn)行分析時指出，σB≡4σa／［2.34（AFS）2］≡4.3σa.其中，σB為Brune圓盤模型下的動態(tài)應(yīng)力降，即前面提到的動態(tài)應(yīng)力降Δσd；AFS為S波輻射圖型因子，其在震源球球面上的均方根為；σa為視應(yīng)力.對于Baja地震，其σa約為0.17MPa（表2）.進(jìn)一步采用Brune（1976）給出的強震質(zhì)點運動加速度的估算方法，即，其中，ü為質(zhì)點加速度，υ為破裂速度.令υ≥β，則有ü＝2Δσd／（ρβΔt）.其中，ρ和β分別為常數(shù)，取有限時間間隔Δt＝0.1s，即頻率約為10Hz的范圍內(nèi)，ü＝Δσd·2×10－5≈0.15g.MaGarr和Fletcher（2001）也指出，對于現(xiàn)階段地震波輻射能的估算通常存在2—3倍的偏差，因此針對Baja地震地震波輻射能的上限值進(jìn)行了3倍的放大，重新模擬5053臺站的強地面運動，得到南－北、垂直及東－西3個方向PGA的模擬結(jié)果約為0.10g—0.17g.

因此，圖4b給出的模擬結(jié)果中3個方向均小于實測結(jié)果，并非本文模型自身的缺陷及參數(shù)選取不當(dāng)所致.并且通過前面對圖4b，c及d的分析，可以說明本文給出的模型具備一定的適用性及實用價值.由于Baja地震發(fā)震區(qū)域場地條件資料的缺乏，我們在進(jìn)行強地面運動的區(qū)域化模擬過程中，仍采用了已知地震波輻射能的上限值來約束模型，隨著地震波輻射能估算方法的不斷完善和精確，這種影響將可能得到一定的改善.對于玉樹地震，目前尚沒有公開發(fā)表的實測記錄，且其發(fā)震區(qū)域的場地條件資料仍十分缺乏，本研究建立玉樹地震模型時仍對地震波輻射能的取值趨于保守.

3.2 玉樹地震近場區(qū)域強地面質(zhì)點運動模擬結(jié)果

如圖1a及表2所示，青海省玉樹縣（33.0°N，97.0°E）沿斷層距離震中約37km，與前面提到的第二個破裂區(qū)域相對應(yīng)（劉超等，2010），且距離主發(fā)震斷層約4km，位于玉樹地震發(fā)震斷層的近場區(qū)域.但是由于目前缺乏實測的強震記錄，因此本文在針對玉樹地震強地面運動的區(qū)域化模擬過程中，地震波輻射能取值約為4.0×1015J.參照圖1a，本文中選擇包含2010年青海玉樹地震震源在地表投影位置及玉樹縣在內(nèi)大約55 000km2的范圍作為計算區(qū)域，來進(jìn)一步研究近斷層區(qū)域強地面運動的分布特征（圖5）.圖5a，b和c分別為玉樹地震近斷層區(qū)域強地面運動斷層法向（normal，簡稱N）、平行斷層（parallel，簡稱P）及垂直于地表（vertical，簡稱V）三個方向PGA的區(qū)域等值線分布；圖5d，e和f分別為玉樹地震近斷層區(qū)域強地面運動N，P及V三個方向PGV的區(qū)域等值線分布.

整個計算區(qū)域中強地面運動PGA的范圍為0—300cm／s2，PGV的范圍為0—40cm／s.參照圖3a，玉樹縣附近出現(xiàn)了明顯的高值分布區(qū).由圖5a，b和c可以看出：第一，受斷層破裂模式的影響，PGA分布呈現(xiàn)對稱特征，即玉樹地震的發(fā)震斷層為傾角近乎垂直的走滑斷層，其近斷層兩側(cè)的PGA分布以斷層在地表出露線為軸兩側(cè)呈現(xiàn)對稱性分布；第二，斷層兩側(cè)隨著距斷層的距離逐漸變大，強地面運動呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢，這也與強地面運動的衰減關(guān)系相一致（Boore，Atkinson，2007）；第三，受破裂傳播方向性的影響，PGA在斷層的斷點前端N向分量明顯大于P向及V向的分量.同樣由圖5d，e和f可以看到，PGV的分布特征與PGA的分布特征相一致，且N向PGV的分布特征較之P及V向的分布特征更加明顯地突出了方向性的影響.

3.3 Baja地震近場區(qū)域強地面質(zhì)點運動模擬結(jié)果

參照圖1b，本文中選擇包含2010年墨西哥Baja地震震源在地表投影位置及Mexicalia城附近5053臺站在內(nèi)的大約11 000km2的范圍作為計算區(qū)域，來進(jìn)一步研究近斷層區(qū)域強地面運動的分布特征（圖6）.圖6a，b和c分別為Baja地震近斷層區(qū)域強地面運動N，P及V三個方向PGA的區(qū)域等值線分布；圖6d，e和f分別為Baja地震近斷層區(qū)域N，P及V三個方向PGV的區(qū)域等值線分布.

圖6a，b，c中計算區(qū)域強地面運動PGA的范圍為0—150cm／s2，PGV的范圍為0—20cm／s，均大致相當(dāng)于玉樹地震的一半.參照圖3b，高值分布區(qū)出現(xiàn)在近斷層的區(qū)域，大致由震中位置開始沿斷層的走向依次排列.由圖6a，b和c可以看出，Baja地震PGA特征分布近斷層兩側(cè)呈現(xiàn)對稱性，斷層兩側(cè)隨距斷層距離逐漸增長而逐漸減??；由圖6d，e和f可以看到，N向分量PGV的分布在Baja地震斷層的北西方向受方向性影響尤為明顯，不僅僅N向分量的PGV要大于P向和V向分量，且N向PGV的相對高值區(qū)域明顯要多于P向和V向分量.

對比圖5和圖6可以看到，玉樹地震PGA和PGV均大于Baja地震，前者的整體范圍大致約相當(dāng)于后者的2倍.參照圖5，不難發(fā)現(xiàn)玉樹縣位于PGA和PGV的高值區(qū)域.由于5053臺站距離斷層較遠(yuǎn)，其在圖6中并未處于PGA和PGV的高值區(qū)域，這與前面對圖5的比較分析相一致.由此可見，盡管玉樹地震和Baja地震的矩震級相似，但二者造成的地表強地面運動卻存在很大的差異.造成這種差異的重要的可能原因之一，是玉樹地震所釋放的地震波輻射能遠(yuǎn)大于Baja地震所釋放的地震波輻射能（USGS，2010a，b）.

3.4 玉樹地震和Baja地震在淺層速度結(jié)構(gòu)下的強地面運動分布特征

由于淺層速度結(jié)構(gòu)（V30）數(shù)據(jù)的缺乏，前面針對玉樹地震和Baja地震所給出的PGA和PGV分布特征是在基巖上進(jìn)行模擬計算而獲得的.由于玉樹地震發(fā)生在青藏高原東緣的內(nèi)陸地區(qū)，而Baja地震則發(fā)生在大陸的邊緣地區(qū)，二者的淺層速度結(jié)構(gòu)存在著一定的差異.因此，本研究中進(jìn)一步應(yīng)用USGS的V30數(shù)據(jù)，繪制玉樹地震和Baja地震淺層速度結(jié)構(gòu)下近場區(qū)域強地面運動的分布特征（圖7，8）.所應(yīng)用的USGS的V30數(shù)據(jù)是由Wald和Allen（2007）利用地形斜率替代場地條件而給出的淺層速度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，本文利用這一數(shù)據(jù)來進(jìn)一步比較兩個矩震級相似的地震在淺層速度結(jié)構(gòu)的影響下強地面運動的差異性.

參照圖1a及圖5，圖7給出了玉樹地震淺層速度結(jié)構(gòu)（V30）下近場區(qū)域強地面運動分布特征.圖7a，b和c分別為V30影響下N，P和V三個方向PGA的分布特征，圖7d，e和f分別為V30影響下N、P和V三個方向PGV的分布特征.圖7中給出的V30影響下計算區(qū)域中PGA的范圍為0—800cm／s2，PGV的范圍為0—90cm／s.在V30的影響下，玉樹地震PGA和PGV整體放大了大致約3倍.圖7a，b和c中給出的V30影響下N，P和V三個方向PGA的分布特征圖與5a，b和c中基本趨勢一致：近斷層區(qū)域數(shù)值高，遠(yuǎn)離斷層區(qū)域數(shù)值低，受方向性影響明顯；N向分量PGA分布特征在斷層北東方向的斷點出現(xiàn)了一個高值區(qū)域，且玉樹縣所處的高值區(qū)域的PGA值也明顯放大了（圖7a）.圖7d，e和f中給出的V30影響下PGV的分布特征與圖5d，e和f中的趨勢保持一致，且與圖7a，b和c相對應(yīng).

參照圖1b及圖6，圖8給出了Baja地震淺層速度結(jié)構(gòu)（V30）下近場區(qū)域強地面運動分布特征.圖8中給出的V30影響下計算區(qū)域中PGA的范圍為0—400cm／s2，PGV的范圍為0—40cm／s.參照圖6，圖8中給出的Baja地震在淺層速度結(jié)構(gòu)V30影響下PGA和PGV同樣得到了放大，大約為基巖上強地面運動的2.5倍，并且分布特征更加細(xì)化，更能反應(yīng)局部的PGA和PGV的分布情況.對比圖7和圖8可以看到，在淺層速度結(jié)構(gòu)V30的影響下，玉樹地震PGA和PGV仍大于Baja地震，前者的整體范圍仍大致約相當(dāng)于后者的2—3倍，并且玉樹縣仍位于PGA和PGV的高值區(qū)域.

4 討論

1）盡管2010年4月14日中國玉樹地震和2010年4月4日墨西哥Baja地震的矩震級相似，甚至Baja地震的矩震級大于玉樹地震，但二者的能量震級卻相差很多，直接表現(xiàn)就是玉樹地震的地震波輻射能大約為Baja地震的地震波輻射能的10倍，并且由于地震發(fā)生后所釋放的地震波輻射能與斷層面上的地震矩不同，使得玉樹地震的視應(yīng)力相當(dāng)于Baja地震的近30倍.視應(yīng)力的物理意義為主發(fā)震斷層面上單位面積平均滑動位移下地震波輻射能的多少.理論上對于矩震級相似的兩次地震，視應(yīng)力越大，主發(fā)震斷層面上單位面積平均滑動位移下輻射出來的地震波能量就越多.因此也就可以初步地給出玉樹地震發(fā)震后的地表強地面運動大于Baja地震的原因.

2）本研究以Baja地震的5053臺站為例，在考慮地震波輻射能自身估算偏差的前提下，應(yīng)用公式（1）對模型進(jìn)行約束計算所能得到的PGA的最高計算值約為0.17g.然而該臺站所記錄到的PGA的最大值約為0.27g，對此前文中初步討論了造成計算值偏小的可能原因.但如何從理論上證明模型計算的結(jié)果具備合理性仍然是一個十分必要的問題，因此，本文應(yīng)用頻譜響應(yīng)及動態(tài)應(yīng)力降從理論上對質(zhì)點運動的加速度進(jìn)行估算出發(fā)，針對圖4b中的模擬結(jié)果給出了合理的解釋，即針對Baja地震強地面運動特征的區(qū)域化模擬，其加速度的取值范圍為0.3g左右視為合理.

3）由表2可以看出，盡管Baja地震的地震矩大于玉樹地震的地震矩，且前者大致相當(dāng)于后者的3倍，但由于兩個矩震級相似的地震主發(fā)震斷層的幾何尺度相同，Baja地震較大的地震矩僅僅使得斷層面上的平均滑動位移大于玉樹地震.結(jié)合前面的討論，相比之下Baja地震具備以下特征：地震矩大、矩震級偏大、主發(fā)震斷層面上平均滑動位移大，地震波輻射能小、視應(yīng)力?。欢駱涞卣鸬奶卣鲃t基本與Baja地震相反：地震矩小、矩震級偏小、主發(fā)震斷層面上平均滑動位移小，地震波輻射能大、視應(yīng)力大.事實上，地震波能量正比于滑動速率，而不是滑動位移；而矩震級則正比于斷層滑動位移，即矩震級大，并不等于地震波輻射能大，也不等于地震能量震級大，如Baja地震的矩震級要大于其能量震級，而玉樹地震的矩震級則小于其能量震級.Kanamori和Brodsky（2004）指出，地震波輻射能與滑動速度的平方成正比，ER∝a2˙u2∝a2（?u／?a）2˙a2∝a2（?u／?a）2V2.其中，ER為地震波輻射能，u為滑動位移，˙u則為滑動速率，a為破裂尺度，˙a為a的一階導(dǎo)數(shù)，V為斷層的破裂速度.由此可見，地震波輻射能不但與滑動速度的平方成正比，并且與破裂速度的平方成正比.本文現(xiàn)階段對破裂速度的考慮仍然采用單一值，這也是未來有待改進(jìn)的工作重點之一.

4）針對盆地效應(yīng)的影響，本研究尚無法在模型建立和計算過程中直接對此進(jìn)行考慮，而盆地效應(yīng)對于強地面運動的放大效應(yīng)往往無法回避.通常情況下，強地面運動受沉積盆地地形的影響較大，地震波在巖床間能夠快速傳播，但在盆地中傳播較慢.由于盆地邊緣的幾何形狀與水平方向存在一定的角度，導(dǎo)致地震波在盆地邊緣以某一個角度入射時會發(fā)生全反射，一旦發(fā)生全反射則會在盆地邊緣及盆地內(nèi)部造成地震波的干涉及衍射，從而使得地震波的幅值及持續(xù)時間得到放大及延長.有興趣的讀者可參見Somerville和Graves（2003）的文章.

事實上，對于Baja地震的實測記錄，有11個PGA的最大值高于5053臺站的0.27g，而能夠完整給出圖形、實測數(shù)據(jù)及臺站所處地質(zhì)資料的僅有7個.在這7個記錄中僅有3個能夠給出臺站所處區(qū)域的海拔數(shù)據(jù)，分別為－7，－19和－36m.其中－7m的臺站還標(biāo)注了“厚沉積層（deep alluvium）”的信息.海拔高度為－36m的臺站在美國境內(nèi)，即為最高記錄0.59g所在的5058臺站.本文在研究過程中分析，這14個0.2g以上的記錄很有可能受到盆地效應(yīng)的影響，而盆地效應(yīng)對于強地面運動的放大效應(yīng)往往無法回避.Somerville和Graves（2003）指出，對于2－D盆地模型，保守地估計，地震波幅值的放大通常在2—3倍左右，持續(xù)時間的延長通常在3—4倍左右.在未來的工作中，可以結(jié)合應(yīng)用有限差分的方法來實現(xiàn)對盆地效應(yīng)的考慮，但需要建立在對盆地的幾何形狀及三維速度結(jié)構(gòu)信息充分了解的基礎(chǔ)之上，便可作為研究強地面運動在盆地上區(qū)域化分布特征的一種重要的補充手段.

作者在對5053臺站模擬結(jié)果進(jìn)行分析的過程中，查閱并比較了Baja地震所處地區(qū)歷史地震的資料，其中值得注意的是，在1999年6月1日和9月10日發(fā)生在Baja California地區(qū)兩次MW4.8的地震，其近場強震記錄最高值達(dá)0.452g（Gonzálezet al，2001）.該文獻(xiàn)還指出，這兩次地震發(fā)生在南加州的Mexicalia Valley附近區(qū)域，其地質(zhì)環(huán)境特征為沉積環(huán)境，并且這兩次地震的發(fā)生地就在Baja地震發(fā)生后受影響比較嚴(yán)重的Mexicalia城附近.也就是說，2010年Baja地震所處的Baja California地區(qū)，在該地區(qū)發(fā)生地震后的強震記錄有可能在很大程度上受到當(dāng)?shù)爻练e環(huán)境的影響.

此外，本文中也提到郭華東等（2010）通過對遙感等資料的綜合分析，指出地震造成人員傷亡的最直接原因是建筑物的倒塌，而導(dǎo)致建筑物倒塌的3個主要原因中，建筑物距斷層的距離是高度相關(guān)，而建筑物結(jié)構(gòu)類型僅是十分有關(guān).對此我們的認(rèn)識是，即便建筑物抗震性能偏低，但如果其距離主發(fā)震斷層很遠(yuǎn)，其倒塌的可能性也不會高.也就是說，對于距主發(fā)震斷層不同距離的建筑物而言，我們不能僅僅用建筑物的抗震能力作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，這也是在本文中我們一再強調(diào)的玉樹地震之所以造成如此大的傷亡，并不僅僅因為玉樹地區(qū)的建筑物抗震能力不夠高造成的，而是受到多種原因綜合導(dǎo)致的.

5 結(jié)論

2010年4月14日中國青海玉樹MW6.9地震相比于2010年4月4日墨西哥BajaMW7.2地震，前者所造成的發(fā)震區(qū)域內(nèi)建筑物損毀程度大、傷亡人員多.其重要原因之一在于玉樹地震所釋放的地震波輻射能高，約相當(dāng)于Baja地震的10倍.由于地震波輻射能高，發(fā)震后所造成的強地面運動強，進(jìn)而對近斷層區(qū)域內(nèi)建筑物的破壞力大，地震造成的人員傷亡嚴(yán)重.本文針對兩個矩震級相似的地震進(jìn)行模擬的過程中，雖然由于沒有玉樹地震的實測記錄，模擬過程中針對玉樹地震的地震波輻射能的取值相對保守，而Baja地震模型對地震波輻射能的取值為其最高值，但模擬結(jié)果表明，無論是在基巖上還是在淺層速度結(jié)構(gòu)（V30）的影響下，玉樹地震近斷層強地面運動仍遠(yuǎn)大于Baja地震.即玉樹地震之所以造成嚴(yán)重的破壞，主要原因并不僅僅來自于玉樹地區(qū)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不夠高，發(fā)震區(qū)域內(nèi)房屋抗震性能相對差，而重要原因之一在于其地震波輻射能大、造成的地表強地面運動強.

由于相關(guān)地質(zhì)、地球物理資料相對有限，已知的斷層面上滑動位移的反演結(jié)果不唯一且不完善，因此應(yīng)用本文給出的動態(tài)復(fù)合震源模型進(jìn)行強地面運動的擬合計算可能會存在偏差.此外，由于現(xiàn)階段模型的局限，尚無法直接考慮盆地效應(yīng)的影響，斷層破裂速度的取值也仍為單一值.盡管如此，對于矩震級相似的兩次地震，強地面運動的比較及強地面運動數(shù)據(jù)的補充，應(yīng)用動態(tài)復(fù)合震源模型進(jìn)行模擬計算不失為一個有效的手段.隨著地質(zhì)與地球物理資料的不斷完善，針對玉樹地震和Baja地震所建立的模型也會更加完善，從而能夠更好地對比這兩次地震強地面運動特征的差異.

本文研究中應(yīng)用地震矩守恒和地震波輻射能守恒兩個條件來約束模型，盡量使得文中針對矩震級相似的兩次地震所建立的模型符合物理的過程.如何基于物理過程對強地表運動進(jìn)行合理地預(yù)測，是地震科學(xué)發(fā)展過程中的難題之一（史保平，孟令媛，2010）.盡管隨著地震科學(xué)的發(fā)震，使得我們可以在地震發(fā)生后的幾分鐘內(nèi)獲知破壞性地震發(fā)生的震中、震源確切位置和震級大小，以及粗略的地震動強度分布，但目前對于如何準(zhǔn)確地預(yù)報地震事件的發(fā)生和停止仍缺少可信的認(rèn)識.因此，預(yù)防地震災(zāi)害的關(guān)鍵就是加強必要的防范.統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，地震災(zāi)害所造成的人員傷亡和建筑物的破壞，與抗震規(guī)范的合理選取以及有效的災(zāi)后緊急救援系統(tǒng)的建立關(guān)系密切.抗震規(guī)范的選取及災(zāi)后烈度區(qū)域快速圈定又與地表運動強度高度相關(guān).因此，基于物理過程準(zhǔn)確地預(yù)測強地表震動強度，將對工程設(shè)計中的抗震參數(shù)選取，緊急救援系統(tǒng)的快速、正確地反應(yīng)，有著至關(guān)重要的作用和意義.

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Comparison on characteristics of strong ground motion from two earthquakes with similarMW：the Baja，Mexico，MW7.2and Yushu，China，MW6.9 earthquake in 2010

Meng Lingyuan Shi Baoping
（College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China）

The 4April 2010MW7.2Baja，Mexico，earthquake occurred in northern Baja California at shallow depth along the principal plate boundary between North American and Pacific plates，and two people were killed in the Mexicalia area.The 14April 2010MW6.9Yushu，China，earthquake occurred as a result of strike－slip faulting in tectonically complex region of the eastern Qingzang plateau.At least 2 220people were killed in Yushu area till April 25，2010.International media reports of such kind of disasters by Yushu earthquake is resulted from poor building structure design comparing with Mexicalia area.In fact，although the moment magnitude of Yushu event is similar to the Baja event，the radiated seismic energy from Yushu fault dynamic rupture is almost 10times of the Baja earthquake，resulting stronger near－fault ground motions.In this paper，two special finite fault models with the same size in fault length and width are constructed to simulate the near－fault strong ground motions for comparison study.The fault slip distributions on both faults are generated based on a dynamical composite source model，in which the subevent－source－function is described by Brune’s pulse.Our result shows that the near－field peak ground accelerations（PGAs）and peak ground velocities（PGVs）on bed rocks from Yushu event are almost twice as that from Baja event.Moreover，if the shallow velocity structures（V30，average shear－velocity down to 30m）are considered in the strong motion simulation，the resultant PGAs and PGVs from Yushu event are also twice as that from Baja event.Therefore，the radiated seismic energy plays a significant role in determining the levels of strong ground motions，in which stronger ground accelerations usually cause much more property damages on the ground.The source rupture dynamics related to the frictional overshoot and undershoot is discussed and used to constrain source parameters such as the static stress drop and dynamic stress drop.It needs to point out that，in addition to the moment conservation applied on the main fault，the measurement of radiated seismic energy or apparent stress should be added to the numerical simulation in order to obtain physically realistic result.The numerical modeling developed in this study has a potential application in ground motion estimation／prediction for earthquake engineering purpose.

Yushu earthquake；Baja earthquake；moment magnitude；radiated seismic energy；strong ground motion

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.01.001

P315.3＋3

A

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中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程（KZCX2－YW－Q08－2）資助.

2010－06－22收到初稿，2011－04－29決定采用修改稿.

e－mail：meng.linguyuan＠hotmail.com