劉必?zé)敉?偉李小軍于 淼

1）防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

汶川地震中鮮水河斷裂帶的隔震效應(yīng)1

劉必?zé)?）王 偉1）李小軍2）于 淼1）

1）防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

本文以汶川地震中的非發(fā)震斷層鮮水河斷裂帶周邊石棉地區(qū)所獲取的加速度記錄為依據(jù)，研究了這些記錄在峰值、頻譜間的差異。結(jié)果表明，以鮮水河斷裂帶為界，近震源側(cè)地震動(dòng)強(qiáng)度更大且高頻更豐富。對該地區(qū)區(qū)域構(gòu)造特征初步分析表明，鮮水河斷裂帶對汶川地震產(chǎn)生的地震動(dòng)具有隔震效應(yīng)。基于顯式有限元和局部透射人工邊界的二維有限元斷層場地模型，對該地區(qū)的地面運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果表明，入射波動(dòng)所指向的一側(cè)地面運(yùn)動(dòng)更小，說明較陡的斷層破碎帶對斜入射地震波具有一定的隔震效應(yīng)。

非發(fā)震斷層 鮮水河斷裂帶 隔震效應(yīng) 數(shù)值模擬

引言

2008年汶川地震時(shí)，位于雅安石棉縣附近的多個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站獲得了高質(zhì)量的遠(yuǎn)場強(qiáng)震記錄，在分析該縣境內(nèi)的草科、挖角、先鋒、擦羅、美羅等強(qiáng)震臺(tái)站記錄的加速度峰值和譜特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，其揭示的該區(qū)域強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)差異顯著。通過查看四川省地震局提供的強(qiáng)震臺(tái)臺(tái)址勘察資料2四川省地震局，2004—2007. 四川省地震臺(tái)站建臺(tái)報(bào)告系列材料.，以及臺(tái)址現(xiàn)場考察后發(fā)現(xiàn)，該5個(gè)臺(tái)址（草科、挖角、先鋒、擦羅、美羅）均不太可能存在局部場地地基土及局部地形對地震動(dòng)的顯著影響。為探求產(chǎn)生這種強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)顯著差異的原因，本文基于研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造特征，開展了基于強(qiáng)震動(dòng)記錄宏觀分析及二維場地?cái)?shù)值模擬的聯(lián)合解譯。

1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造特征

本文選擇的草科、挖角、先鋒、擦羅、美羅5個(gè)強(qiáng)震臺(tái)位于大渡河兩岸石棉縣境內(nèi)，研究區(qū)地震活動(dòng)十分頻繁，歷史上曾發(fā)生多次7級以上強(qiáng)震，1786年康定、瀘定磨西間級地震即發(fā)生于此；該區(qū)域活動(dòng)構(gòu)造也非常發(fā)育，包含了我國西部著名強(qiáng)震活動(dòng)帶在內(nèi)的鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂等5條大規(guī)模的深大斷裂。這些斷裂的空間展布簡圖及與研究臺(tái)站的位置關(guān)系見圖1。經(jīng)統(tǒng)計(jì)3四川省地震局工程地震研究院，2004．大渡河大崗山水電站工程場地地震安全性評價(jià).（何玉林等，2006），研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造特征如表1所示。可以看出，研究區(qū)主要活動(dòng)斷裂大致走向?yàn)楸蔽?南北，傾向北東-東，傾角60—90°。

圖1 研究區(qū)地震地質(zhì)構(gòu)造示意圖Fig. 1 Seismotectonic map of study area in Shimian

表1 石棉研究區(qū)活動(dòng)斷裂構(gòu)造特征Table 1 Tectonic characteristic of the fault zone in Shimian area

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查表明，研究區(qū)包括貢嘎山強(qiáng)斷隆和大涼山中升區(qū)2個(gè)新構(gòu)造單元，以鮮水河斷裂磨西段和安寧河斷裂小相嶺段組成分界斷裂帶。貢嘎山強(qiáng)斷隆是典型斷塊山地，邊界均被斷裂圍限，第四紀(jì)以來主要表現(xiàn)為大幅度隆起抬升；大涼山中升區(qū)整體性較好，除邊界斷裂和大涼山斷裂表現(xiàn)出明顯的差異性活動(dòng)外，其他區(qū)域主要表現(xiàn)為整體隆起抬升。挖角、美羅、擦羅、先鋒臺(tái)位于分界斷裂帶東側(cè)的大涼山中升區(qū)一側(cè)，而草科臺(tái)則位于分界斷裂帶西側(cè)的貢嘎山強(qiáng)斷隆塊體上。

據(jù)強(qiáng)震臺(tái)臺(tái)址勘察資料1四川省地震局，2004—2007. 四川省地震臺(tái)站建臺(tái)報(bào)告系列材料.及臺(tái)址現(xiàn)場考察結(jié)果，各臺(tái)址都處于河流階地或沖洪積扇上，均為土層場地，且淺層地層情況基本相似，大都以碎石和卵石地層為主。據(jù)鉆孔土層剖面資料及等效剪切波速測試結(jié)果可知，各臺(tái)址20m以內(nèi)等效剪切波速在246—283m/s之間，覆蓋層厚度大約20m，均為II類場地。

2 強(qiáng)震記錄幅值及頻譜差異

汶川地震主震微觀震中和研究區(qū)臺(tái)站方位關(guān)系如圖2所示。位于分界斷裂帶西側(cè)的草科臺(tái)屬汶川地震的遠(yuǎn)震源側(cè)，分界斷裂帶東側(cè)大涼山中升區(qū)上的挖角、先鋒、擦羅和美羅臺(tái)屬汶川地震的近震源側(cè)。盧壽德等（2008）給出了研究區(qū)5個(gè)臺(tái)站所取得的加速度記錄及反應(yīng)譜。表2和表3分別列出了這些臺(tái)站的加速度峰值、反應(yīng)譜卓越周期及相應(yīng)的比值（或差值）。

從PGA上看，分界斷裂帶東側(cè)的4個(gè)臺(tái)站都比其西側(cè)的草科臺(tái)大不少，其峰值比約為1.5—3.5；反應(yīng)譜分析結(jié)果顯示，草科臺(tái)長周期成分更豐富，其水平和豎向卓越周期都達(dá)到0.43s，相比其它各臺(tái)長了0.09—0.33s。

為進(jìn)一步分析各臺(tái)站記錄的頻譜差異，圖3繪出了相對于草科臺(tái)的各臺(tái)站記錄反應(yīng)譜譜比。結(jié)果顯示，除極個(gè)別頻段，各臺(tái)站反應(yīng)譜譜比基本都大于1，反應(yīng)譜的最大譜比值列于表4中。分析表明，各臺(tái)站南北向譜比均大于4，水平向最大譜比達(dá)7.8；挖角臺(tái)垂直向譜比最大，在0.13s處達(dá)到5.15。

圖2 汶川地震主震微觀震中與觀測臺(tái)站方位關(guān)系示意圖Fig. 2 Location of the observation stations and the epicenter of Wenchuan quake

表2 臺(tái)站記錄加速度峰值（PGA）及反應(yīng)譜卓越周期Table 2 PGA and predominant period of response spectrum for 5 observation stations

表3 各臺(tái)相對于草科臺(tái)記錄的加速度峰值比及卓越周期差值Table 3 Ratio of PGA and the predominant period difference of response spectrum for 5 observation stations

圖3 各臺(tái)相對于草科臺(tái)的反應(yīng)譜譜比Fig. 3 Response spectrum ratio for 4 observing stations respect to Caoke station

以上初步分析結(jié)果表明，遠(yuǎn)震源側(cè)的草科臺(tái)振動(dòng)強(qiáng)度要明顯弱于近震源側(cè)的其它4臺(tái)，且遠(yuǎn)震源側(cè)的草科臺(tái)長周期成分比近震源側(cè)的其它各臺(tái)要更豐富。通過查看臺(tái)址勘察資料及臺(tái)址現(xiàn)場考察后發(fā)現(xiàn)，各臺(tái)址淺層地層情況和地形情況基本相似，均在II類場地的河流階地上，該5個(gè)臺(tái)址均不太可能存在局部場地地基土及局部地形對地震動(dòng)的顯著影響。因此，這種近震源側(cè)比遠(yuǎn)震源側(cè)振動(dòng)更劇烈、高頻更豐富的特點(diǎn)，可能與較陡傾角的斷裂帶阻隔了地震動(dòng)有關(guān)，以下通過數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行探討。

表4 各臺(tái)站相對于草科臺(tái)反應(yīng)譜譜比值Table 4 Response spectrum ratio for 4 observing stations respect to Caoke station

3 斷層隔震效應(yīng)數(shù)值試驗(yàn)

針對較陡傾角的斷裂帶阻隔了地震動(dòng)的問題，筆者采用廖振鵬（2002）提出的時(shí)域集中質(zhì)量有限單元法和人工透射邊界相結(jié)合的一種波動(dòng)顯式有限元法，進(jìn)行該斷層場地二維地震反應(yīng)分析。

以中心差分法為基礎(chǔ)的顯式有限元法，通過巧妙的數(shù)學(xué)處理，在不需解聯(lián)立方程組的情況下即可求得節(jié)點(diǎn)任何時(shí)刻的位移值；同時(shí)利用多次透射邊界條件，把本例中實(shí)際無限域問題轉(zhuǎn)化為有限域問題進(jìn)行求解。

該實(shí)際問題不考慮巖土介質(zhì)的動(dòng)力非線性效應(yīng)，因此數(shù)值試驗(yàn)可簡化為線彈性波動(dòng)問題來求解。首先，利用顯式有限元法求取在寬頻帶脈沖激勵(lì)（如有限帶寬脈沖時(shí)程）下的傳遞函數(shù)，然后，利用傳遞函數(shù)法求取實(shí)際地震動(dòng)輸入下場地地表的反應(yīng)，提高計(jì)算效率。劉必?zé)簦?011）給出了詳細(xì)的計(jì)算方法及輸入脈沖。傳遞函數(shù)法的具體求解可歸納為圖4所示的步驟。

根據(jù)調(diào)查，該區(qū)段的鮮水河斷裂帶傾向近直立，故建立了垂直斷層帶斜入射地震動(dòng)的二維斷層場地計(jì)算模型，以用來模擬該真實(shí)的場地條件。模型示意圖見圖5。模型長高分別取為2000m和1000m，斷層破碎帶寬度取為200m，入射角α取為40°，介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)如表5所示。最大離散網(wǎng)格尺寸和最小時(shí)間步距均滿足動(dòng)力有限元計(jì)算的精度和穩(wěn)定性要求。底邊界和側(cè)邊界均為多次透射人工邊界。在底人工邊界斜入射寬頻帶脈沖時(shí)程，求取地表反應(yīng)及場地傳遞函數(shù)，并通過傳遞函數(shù)法獲取實(shí)際地震記錄輸入下的地表地震反應(yīng)時(shí)程。

圖4 傳遞函數(shù)法示意圖Fig. 4 Sketch of transfer function method

表5 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)Table 5 Physical parameters of the finite element model

圖5 斜入射情況下垂直斷層場地二維有限元模型示意圖Fig. 5 Sketch for 2D finite element vertical fault model struck by external oblique incidence seismic wave

從圖6分別給出的寬頻帶脈沖時(shí)程輸入下地表各觀測點(diǎn)加速度時(shí)程及峰值隨地表觀測點(diǎn)位置的分布圖可知，由于垂直斷層帶對斜入射地震動(dòng)的阻隔，經(jīng)斷層帶反射和散射后，地震動(dòng)在左側(cè)集聚作用明顯，斷層帶左側(cè)地震動(dòng)明顯強(qiáng)于右側(cè)。從圖7給出的斷層破碎帶相同距離的左、右側(cè)典型觀測點(diǎn)傳遞函數(shù)幅值比可知，斷層帶左側(cè)相對與右側(cè)地震動(dòng)在全頻段基本都表現(xiàn)為放大效應(yīng)，有些頻段放大效應(yīng)還較明顯。圖8表示實(shí)際地震動(dòng)輸入下斷層破碎帶相同距離的左、右兩側(cè)典型觀測點(diǎn)地震動(dòng)時(shí)程結(jié)果也表明，斷層帶左側(cè)地震動(dòng)峰值更大，振動(dòng)更強(qiáng)。綜上所述，垂直斷層帶對斜入射的地震動(dòng)具有一定的阻隔作用。

圖6 寬頻帶SV波脈沖輸入下各觀測點(diǎn)反應(yīng)波形圖及反應(yīng)峰值分布圖Fig. 6 Time history records and PGA distribution for surface observation stations by SV incident mode

圖7 斷層破碎帶左、右側(cè)典型觀測點(diǎn)傳遞函數(shù)幅值比Fig. 7 Transfer function ratio for typical observation point at the left and right side of fault zone

圖8 實(shí)際地震輸入下斷層破碎帶左、右側(cè)典型觀測點(diǎn)加速度時(shí)程Fig. 8 Time-acceleration history for typical observation point at the left and right side of fault zone

4 結(jié)束語

在四川汶川地震中，位于鮮水河斷裂和安寧河斷裂所組成的分界斷裂西側(cè)的遠(yuǎn)震源側(cè)的草科臺(tái)記錄，與東側(cè)近震源側(cè)的挖角、先鋒、擦羅和美羅臺(tái)記錄相比，基本都表現(xiàn)為峰值更小、振動(dòng)較弱且長周期成分更豐富的特點(diǎn)。通過查看四川省地震局提供的強(qiáng)震臺(tái)臺(tái)址勘察資料，及臺(tái)址現(xiàn)場考察后發(fā)現(xiàn)，各臺(tái)址淺層地層情況和地形情況基本相似，均不太可能存在局部場地地基土及局部地形對地震動(dòng)的顯著影響。初步分析表明，近震源側(cè)比遠(yuǎn)震源側(cè)振動(dòng)更劇烈、高頻更豐富的特點(diǎn)，可能與較陡傾角的鮮水河斷裂和安寧河斷裂組成的分界斷裂帶，阻隔了位于東側(cè)龍門山斷裂上發(fā)出的射向分界斷裂帶西側(cè)的地震波，從而造成位于斷裂帶西側(cè)的草科臺(tái)振動(dòng)變小，高頻過濾明顯的特征。

通過基于時(shí)域集中質(zhì)量有限元法和人工透射邊界相結(jié)合的二維波動(dòng)顯式有限元數(shù)值模擬顯示，由于垂直斷層帶對斜入射地震動(dòng)的阻隔，經(jīng)斷層帶反射和散射后，地震動(dòng)在入射側(cè)集聚明顯，斷層帶入射側(cè)地震動(dòng)明顯強(qiáng)于另一側(cè)，且全頻段均表現(xiàn)為這一特征。

綜上所述，垂直斷層帶對斜入射的地震動(dòng)具有一定的隔震效應(yīng)。

.

何玉林，何宏林，李勇，2006．大型變電站廠址的地震地質(zhì)條件研究——四川省石棉地區(qū)變電站遴選實(shí)例．中國地震，22（4）：382—393．

盧壽德，李小軍，2008．汶川8.0級地震未校正加速度記錄．北京：地震出版社．

廖振鵬，2002．工程波動(dòng)理論導(dǎo)論（第二版）．北京：科學(xué)出版社．

劉必?zé)簦?011．?dāng)嘞菖璧丶皵鄬悠扑閹龅氐卣饎?dòng)效應(yīng)［博士學(xué)位論文］．哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所．

Isolation Effect of Xianshuihe Fault Zone in Wenchuan Earthquake

Liu Bideng1），Wang Wei1），Li Xiaojun2）and Yu Miao1）

1）Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，China
2）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China

In this study，we analyzed the peak ground acceleration（PGA）and spectral characteristics of the earthquake acceleration records from the main shock of Wenchuan earthquake，the difference of the ground motion at both sides of the Xianshuihe fault zone．We found anomalously large amplitude and extremely rich high frequency in the ground motion near source side（right side of the fault in this case）．Our results indicate that the non-causative fault（Xianshuihe fault zone）can obstruct the spread of seismic wave，and the isolation effect of the non-causative fault is presented．Numerical solution of 2-D model of this fault site derived by the explicit finite element combining with local multi-transmitting artificial boundary method is used for interpreting the mechanism of difference of the ground motion．The study of 2-D vertical low velocity fault zone（LVFZ）model struck by external oblique incidence seismic radiation shows that vertical LVFZ can obstruct the spread of oblique incidence seismic wave．

Non-causative fault; Xianshuihe fault zone；Isolation effect；Numerical calculation

劉必?zé)簦鮽?，李小軍，于淼?014．汶川地震中鮮水河斷裂帶的隔震效應(yīng)．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：855—862．

10.11899/zzfy20140413

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（ZY20110205，ZY20110206，ZY20120103）；國家自然科學(xué)基金（51208107，51308118）

2014-07-10

劉必?zé)簦?，生?983年。講師，博士。主要從事工程地震與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：ladeng244@163.com