馮 蔚 姜立新 楊天青 李 洋 鄭通彥

1)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

2)中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

3)中國(guó)地震局，北京 100036

0 引言

2013年4月20日08時(shí)02分四川省雅安市蘆山縣(30.3°N，103.0°E)發(fā)生7.0級(jí)地震。這次地震是繼汶川8.0級(jí)地震后，四川地區(qū)再次發(fā)生的強(qiáng)烈地震。這2次地震均發(fā)生在龍門山地震帶上。

在地震烈度信息方面，國(guó)內(nèi)外存在顯著差異。歐洲地震烈度表(EMS)主要依據(jù)建筑物易損性與破壞等級(jí)劃分為12度。日本采用8度劃分，但是把5度和6度分別劃分為5－、5+、6－、6+。日本氣象廳(JMA)對(duì)強(qiáng)震臺(tái)站加速度記錄濾波后，合成三分向記錄，選取一定持時(shí)的有效峰值加速度來(lái)?yè)Q算儀器烈度值，通過(guò)各種媒體發(fā)布城市烈度速報(bào)(震度速報(bào))。其評(píng)定方法與烈度表有本質(zhì)的區(qū)別，并不追求與傳統(tǒng)宏觀烈度描述的一致性。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)通過(guò)ShakeMap系統(tǒng)發(fā)布峰值加速度等值圖、峰值速度等值圖、儀器烈度圖、反應(yīng)譜等值圖等應(yīng)急產(chǎn)品;儀器烈度計(jì)算主要采用修正麥加利地震烈度(MMI)與地震動(dòng)峰值加速度、地震動(dòng)峰值速度關(guān)系(Wald et al.，1999)。中國(guó)烈度表示地震引起的地面震動(dòng)及其影響的強(qiáng)弱程度，其表述帶有地震動(dòng)強(qiáng)度與震害后果的雙重含義?，F(xiàn)行的地震烈度評(píng)定主要依據(jù)震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)建筑物破壞的程度，評(píng)定距震中不同地區(qū)的地震烈度。

為了有效地開展震后烈度快速評(píng)估工作，許多專家學(xué)者利用豐富的地震烈度等震線資料，多運(yùn)用統(tǒng)計(jì)回歸的方法，對(duì)不同區(qū)域的烈度衰減關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了適用于各地區(qū)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律(汪素云等，2000;李英民等，2007;雷建成等，2007;孫繼浩等，2011)?；诮y(tǒng)計(jì)規(guī)律的點(diǎn)源或線源模型應(yīng)用，達(dá)到了快速災(zāi)害評(píng)估的目的，但是評(píng)估過(guò)程缺少具體地震的針對(duì)性信息，其評(píng)估結(jié)果存在一定偏差。

近年來(lái)隨著強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)，國(guó)內(nèi)部分專家與學(xué)者開展了基于地震動(dòng)參數(shù)的烈度計(jì)算方法研究，提出了多種地震動(dòng)參數(shù)與烈度關(guān)系的計(jì)算方法①金星等，2010，地震儀器烈度標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告。②袁一凡，1998，由地震動(dòng)三要素確定地震動(dòng)強(qiáng)度(烈度)的研究。(張明，2010;李亮，2011;林淋等，2011)。本文根據(jù)震中位置選取區(qū)域(29°～31°N，102°～104°E)，利用國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供的強(qiáng)震記錄計(jì)算儀器烈度，分析地震儀器烈度與周邊5km內(nèi)調(diào)查點(diǎn)烈度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便今后運(yùn)用地震動(dòng)參數(shù)作為判斷地震烈度范圍的輔助信息。

1 利用強(qiáng)震記錄計(jì)算儀器烈度

強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)直接記錄的地震動(dòng)加速度數(shù)值，缺少建筑物結(jié)構(gòu)和破壞機(jī)理等信息要素，不能直接體現(xiàn)震害結(jié)果。金星等(2010)充分考慮中國(guó)房屋結(jié)構(gòu)物的主要頻帶范圍(0.3～3.0Hz)，對(duì)加速度記錄濾波后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立有效峰值加速度A0.5與地震儀器烈度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此方法綜合考慮了幅值、頻譜、持時(shí)、震動(dòng)方向等因素，并且其統(tǒng)計(jì)關(guān)系基于大量統(tǒng)計(jì)樣本。因此，我們采用金星的計(jì)算方法，選取區(qū)域(29°～31°N，102°～104°E)，利用國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供的28個(gè)臺(tái)站的強(qiáng)震記錄計(jì)算儀器烈度(圖1)。地震儀器烈度計(jì)算步驟如下:

(1)讀取數(shù)據(jù)文件，對(duì)臺(tái)站未校正加速度記錄進(jìn)行校正;采用純幅值濾波器H(f)對(duì)三分向加速度時(shí)程分別進(jìn)行濾波。濾波器表達(dá)式為

圖1 震中位置與使用強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站分布圖Fig.1 The distribution of epicenters and the strong motion stations used in this study.

式(1)中:α=0.8064，ξ1=0.54，f1=0.28，ξ2=1.00，f2=2.15，有效頻帶寬度為0.28～3.00Hz。(2)由濾波后的三分向地震動(dòng)加速度時(shí)程采用式(3)計(jì)算合成加速度時(shí)程a(t)。

式(2)中:a(t)ew為濾波后EW向加速度時(shí)程，a(t)ns為濾波后SN向加速度時(shí)程，a(t)ud為濾波后垂直向加速度時(shí)程。

(3)基巖臺(tái)站的地震動(dòng)參數(shù)修正到土層地表。對(duì)于沒(méi)有30m平均剪切波速度的點(diǎn)位，通過(guò)計(jì)算高程傾斜率，再根據(jù)傾斜率與速度的相關(guān)性求得場(chǎng)地類型與速度，從而確定校正因子。

(4)選取合成加速度時(shí)程中持續(xù)時(shí)間≥0.5s的幅值作為有效峰值加速度A0.5帶入式(3)中計(jì)算地震儀器烈度值II。

2 地震儀器烈度與調(diào)查點(diǎn)對(duì)比分析

地震烈度評(píng)定主要根據(jù)建筑物破壞的程度和地表面變化狀況等指標(biāo)判定。地震儀器烈度主要根據(jù)等效峰值加速度(A0.5)來(lái)?yè)Q算，直接體現(xiàn)地表的震動(dòng)強(qiáng)弱程度，但并不能完全反映地震的破壞程度。同時(shí)，由于臺(tái)站經(jīng)緯度不可能與調(diào)查點(diǎn)經(jīng)緯度完全重合(圖2)，我們篩選烈度Ⅵ度以上地區(qū)強(qiáng)震臺(tái)站周邊半徑5km內(nèi)的調(diào)查點(diǎn)，然后將臺(tái)站儀器烈度與周邊調(diào)查點(diǎn)烈度進(jìn)行對(duì)比分析(表1)。

圖2 四川省蘆山7.0級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)與強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站分布圖Fig.2 The distribution map of Lushan M7.0 earthquake field survey spots and strong motion stations.

通過(guò)對(duì)比表格分析，不難發(fā)現(xiàn)12個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站所計(jì)算的儀器烈度與所在震區(qū)烈度吻合度為50%，與周邊調(diào)查點(diǎn)平均烈度值吻合度約58.6%。同時(shí)，非吻合臺(tái)站儀器烈度與所在區(qū)域烈度以及調(diào)查點(diǎn)烈度相差不超過(guò)1度。寶興地辦臺(tái)獲得最大地震動(dòng)峰值加速度1005.4gal，而速度和位移值較低，經(jīng)儀器烈度計(jì)算為Ⅷ度，與距離最近的寶興穆坪鎮(zhèn)調(diào)查點(diǎn)Ⅷ度相同。

從建筑物受損情況來(lái)講，本次地震災(zāi)區(qū)房屋建筑主要分為:框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)。根據(jù)調(diào)查報(bào)告，寶興鹽井(51BXY)周邊調(diào)查點(diǎn)鹽井坪村，該自然村總戶數(shù)為585戶，人口約2000人。該村房屋磚混結(jié)構(gòu)約占30%，土木、磚木等簡(jiǎn)易房屋約占70%。其中，磚混結(jié)構(gòu)房屋5%嚴(yán)重破壞、14%中等破壞、61%輕微破壞(照1);磚木等結(jié)構(gòu)房屋約90%不同程度受損;估計(jì)地震烈度Ⅶ，與地震儀器烈度吻合。寶興地辦(51BXD)周邊調(diào)查點(diǎn)穆坪鎮(zhèn)，抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)房屋裂縫普遍，部分承重柱體結(jié)構(gòu)貫通性裂縫，基本完好40%;磚混結(jié)構(gòu)房屋墻體破壞嚴(yán)重(照3);磚木結(jié)構(gòu)房屋垮塌，毀壞嚴(yán)重;估計(jì)地震烈度Ⅷ，與地震儀器烈度吻合。滎經(jīng)石龍(51YAL)周邊調(diào)查點(diǎn)石泉村，磚混結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)良好，主要是非承重結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微裂縫，掉瓦普遍;磚木結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為磚墻裂縫較大、主體結(jié)構(gòu)傾斜(照5)，小部分房屋由于年代久遠(yuǎn)，破壞較為嚴(yán)重，個(gè)別出現(xiàn)毀壞;估計(jì)地震烈度Ⅶ，地震儀器烈度Ⅵ，相差1度?？傊坑?jì)算的地震儀器烈度，雖然不能達(dá)到完全吻合，但是在一定程度上反映了震害情況，特別是在前期震區(qū)烈度信息較少的情況下，具有較高的參考價(jià)值。

照1 搖鹽井坪村磚混結(jié)構(gòu)墻體貫通裂縫，墻皮脫落，有X型剪裂縫photo 1 搖Penetrating cracks in brick walls at Yanjingping Village.Plaster fell off and X－shaped shear crack occurred.

照2 搖蜂桶寨鄉(xiāng)光明村磚混結(jié)構(gòu)房屋墻體出現(xiàn)貫通性裂縫Photo 2 搖Penetrating cracks appearing on the walls of brick-concrete buildings at Guangming Village of Fengtongzhai township.

照3 搖寶興縣城磚混結(jié)構(gòu)房屋墻體貫通性X裂縫Photo 3 搖Penetrating X－shaped shear crack on the walls of brick-concrete buildings at Baoxing County.

照4 搖鹽墊村磚混結(jié)構(gòu)民房，內(nèi)墻穿透Photo 4 搖Penetration crack in the room walls at Yandian Village.

照5 搖滎經(jīng)縣天風(fēng)鄉(xiāng)石泉村磚木結(jié)構(gòu)房屋磚墻裂縫Photo 5 搖Cracks on the brick wall of a brick timber house at Shiquan Village，Yingjing County.

照6 搖天全縣兩路鄉(xiāng)水獺村磚木結(jié)構(gòu)墻體出現(xiàn)輕微開裂，輕微破壞Photo 6 搖The slight crack and minor damage in walls of a brick timber house at Shuita Village，Tianquan County.

3 結(jié)論與討論

通過(guò)蘆山7.0級(jí)地震儀器烈度計(jì)算結(jié)果與強(qiáng)震臺(tái)站周邊現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)烈度評(píng)定結(jié)果對(duì)比，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)地震儀器烈度與實(shí)際調(diào)查點(diǎn)烈度具有相同特征，都可以通過(guò)經(jīng)緯度描述具體點(diǎn)位的烈度值;然而，儀器烈度計(jì)算的是具體的物理參數(shù)，調(diào)查點(diǎn)烈度評(píng)定則主要依據(jù)建筑物破壞程度，兩者概念存在不同。

(2)即使宏觀烈度相同，強(qiáng)震臺(tái)站觀測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)也存在較大離散度。單個(gè)臺(tái)站測(cè)點(diǎn)的地震動(dòng)參數(shù)值與宏觀烈度的對(duì)應(yīng)關(guān)系存在不確定性。地震造成的建筑物破壞受到地震動(dòng)特性、建筑物類型等多因素影響，因此地震儀器烈度與實(shí)際地震烈度的差異性是不容忽視的。

(3)前人研究多對(duì)比地震儀器烈度與所在烈度區(qū)吻合度，我們則通過(guò)強(qiáng)震臺(tái)站有效峰值加速度計(jì)算的地震儀器烈度與周邊5km內(nèi)調(diào)查點(diǎn)烈度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)儀器烈度與調(diào)查點(diǎn)烈度存在一定吻合度，偏差不超過(guò)1度，一定程度上反映強(qiáng)震臺(tái)站周邊的震害程度。特別是在初期缺少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況下，能提供包含經(jīng)緯度坐標(biāo)的定量參考指標(biāo)，利于初期烈度范圍的修改工作。

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