劉 軍 孫甲寧 宋立軍畢雪梅 譚 明 何金剛

1) 中國烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局2) 中國南京210014江蘇省地震局

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2014年新疆于田MS7.3地震強(qiáng)地面運(yùn)動模擬及震動圖預(yù)測*

劉 軍1),*孫甲寧1)宋立軍1)畢雪梅2)譚 明1)何金剛1)

1) 中國烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局2) 中國南京210014江蘇省地震局

基于地震動的時(shí)空衰減規(guī)律和傳播特征， 采用鄰近地震監(jiān)測臺站地震動時(shí)程對1 km×1 km尺度的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行近實(shí)時(shí)插值計(jì)算， 同時(shí)結(jié)合場地效應(yīng)對震區(qū)地震動參數(shù)進(jìn)行修正， 并以2014年2月12日新疆于田MS7.3地震為例， 計(jì)算震區(qū)格網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)的地震時(shí)程， 同時(shí)以8 s為時(shí)間間隔繪制出地震動峰值等值線圖并將其連續(xù)播放， 得到了于田MS7.3地震峰值地震動(PGV， PGA)的空間分布． 結(jié)果表明， 于田縣東部至民豐縣北部地區(qū)受場地條件影響， 震區(qū)震害在軟弱地基土層及淺地下水位等因素作用下對震區(qū)地震動具有明顯的放大效應(yīng)， 預(yù)測的地震動特征與現(xiàn)場宏觀調(diào)查結(jié)果是一致的． 在當(dāng)前強(qiáng)震臺網(wǎng)分布不均勻的情形下， 本文方法能較好地描述震區(qū)地震動特征， 較客觀地反映災(zāi)區(qū)的強(qiáng)地面運(yùn)動特征．

于田MS7.3地震 地震動 監(jiān)測臺站 震動圖

引言

2014年2月12日新疆于田縣發(fā)生MS7.3地震， 該地震影響范圍涉及和田地區(qū)于田縣、 民豐縣、 策勒縣、 洛浦縣等區(qū)域， 受災(zāi)戶達(dá)到12.4萬戶， 共45萬余人， 直接經(jīng)濟(jì)損失為10.8億元， 屬較大破壞性地震， 社會影響較大．

于田MS7.3地震發(fā)生在阿爾金斷裂帶的西段末端， 極震區(qū)位于昆侖山內(nèi)部的高山區(qū)． 阿爾金斷裂帶是青藏高原的北部邊界， 是歐亞大陸內(nèi)部的巨型活動斷裂帶(姚遠(yuǎn)等， 2014； 張勇等， 2014)， 為全新世活動斷裂． 李海兵等(2014)的研究結(jié)果顯示該斷裂帶以左旋走滑水平運(yùn)動為主． 利用中國地震烈度表(GB/T 17742—2008)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會， 2008)中烈度與強(qiáng)地面運(yùn)動參數(shù)之間的關(guān)系， 在震后黑箱期內(nèi)模擬震區(qū)地震動分布和烈度分布， 可為震后應(yīng)急救援和災(zāi)情規(guī)模判定提供參考依據(jù)(陳鯤等， 2010； 孟令媛等， 2014)． 由于新疆“十五”期間布設(shè)的強(qiáng)震臺站主要集中在北天山中段和南天山西段， 呈帶狀分布， 臺站分布極不均勻， 孔徑較大(張振斌， 唐麗華， 2010)． 在缺少歷史強(qiáng)震記錄和震后強(qiáng)震臺站觀測數(shù)據(jù)的背景下， 本研究采用數(shù)字地震監(jiān)測臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)， 利用震區(qū)鄰近臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行插值進(jìn)而計(jì)算格網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)的地震動時(shí)程， 便于客觀地描述地震動衰減的特征， 并彌補(bǔ)因震區(qū)強(qiáng)震臺網(wǎng)建設(shè)稀疏所造成的信息匱乏． 在此基礎(chǔ)上， 使用鄰近測震臺站記錄計(jì)算地震動時(shí)程， 以8 s為時(shí)間間隔得到各間隔內(nèi)的峰值地震動(PGV， PGA)分布， 進(jìn)而得到于田MS7.3地震的震動圖． 本研究提供的震動圖不僅應(yīng)用于新疆地震局于田現(xiàn)場工作隊(duì)， 還為地方政府和應(yīng)急主管部門提供災(zāi)區(qū)地表震動特征和烈度估計(jì)， 為研究地震預(yù)期破壞情況及災(zāi)區(qū)開展應(yīng)急救援提供了幫助．

1 理論方法

1.1 地震動預(yù)測模型

地震波在地球介質(zhì)中傳播的過程中所產(chǎn)生地震動的強(qiáng)度會隨傳播距離的增加而衰減， 為了客觀地反映地震動傳播的時(shí)空衰減特征， 采用地震動峰值的衰減規(guī)律對其進(jìn)行描述(孟令媛等， 2014； 張振國等， 2014)． 根據(jù)地震發(fā)震構(gòu)造和加速度記錄資料的分布情況， 本研究選取霍俊榮和胡聿賢(1992)提出的模型， 其形式為

(1)

(2)

式中，Y為地震波加速度、 速度、 位移等地震動峰值，M為震級，R為震中距，R0為與震級相關(guān)的近場距離飽和因子，C1，C2，C3，C4，C5為回歸系數(shù)．

基于上述衰減關(guān)系模型， 利用新疆天山地區(qū)1985—2014年MS≥4.0歷史地震動數(shù)據(jù)記錄， 運(yùn)用兩步回歸法進(jìn)行回歸， 得到新疆天山地區(qū)的地震動衰減關(guān)系的系數(shù) (張振斌， 唐麗華， 2010) ．

在同一地震作用下， 震中距分別為R和RA的兩個(gè)臺站的地震動峰值Y(R)與Y(RA)之間的關(guān)系為(金星等， 2010)

(3)

Y(R)用Y(RA)表示為

(4)

由上式可以看出， 震中距為R的地震動峰值可采用RA處的地震動峰值Y(RA)與補(bǔ)償函數(shù)f(R，RA)相乘進(jìn)行計(jì)算．

根據(jù)張紅才(2008)提出的方法， 任一點(diǎn)D的地震動時(shí)程可以采用鄰近的A，B，C等3個(gè)臺站的地震動時(shí)程進(jìn)行插值計(jì)算得到， 可表示為

(5)

式中，ωA，ωB，ωC為插值計(jì)算的加權(quán)系數(shù)， 可通過震中距倒數(shù)平方加權(quán)的方法得到較好的展現(xiàn)， 且具有較高的計(jì)算效率， 表達(dá)式如下:

(6)

A，B，C這3個(gè)臺站相對于插值點(diǎn)D的時(shí)間延遲ΔtAD， ΔtBD， ΔtCD可表示為

(7)

式中：ΔAD，ΔBD，ΔCD分別為臺站A，B，C與插值點(diǎn)D之間的距離；RA，RB，RC，RD分別為A，B，C這3個(gè)臺站和插值點(diǎn)D的震中距． 為客觀反映地震動的衰減特性， 將式(5)中震中距換為震源距， 式(5)可改寫為

(8)

如圖1b(張紅才， 2008)所示， 若臺站B所在位置為需要插值計(jì)算的某處， 其P波到時(shí)、 最大值到時(shí)分別為tP和tmax． 計(jì)算該處地震動時(shí)程時(shí)，P波到達(dá)至最大值到達(dá)之間的時(shí)程采用上述方法進(jìn)行計(jì)算； 而對于P波未到之前的地震動時(shí)程則為周圍臺站脈動記錄的加權(quán)平均； 最大值到達(dá)之后時(shí)刻的時(shí)程則認(rèn)為地震動以S波速度vS進(jìn)行傳播， 如式(9)所表示．

圖1 插值計(jì)算方法(a)及插值原理(b)示意圖(引自張紅才， 2008)

(9)

1.2 不同場地條件下地震動參數(shù)校正

為了客觀地反映震區(qū)地震動特征分布， 獲取震區(qū)土層的放大系數(shù)， 本文采用第五代地震區(qū)劃圖(簡稱為五代圖)(GB/T 18306—2015)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會， 2015)中不同場地條件下的放大系數(shù)． 五代圖計(jì)算出了不同場地條件下短周期分檔加速度的地震動參數(shù)的放大系數(shù)， 如表1所示． 本文計(jì)算中， 首先根據(jù)1.1節(jié)中所述方法進(jìn)行初步插值計(jì)算得到PGA， 然后采用五代圖中的場地放大系數(shù)對地震動參數(shù)進(jìn)行校正．

表1 場地放大系數(shù)

2 于田MS7.3地震震動圖

2.1 計(jì)算區(qū)域

圖2 本文所用監(jiān)測臺站分布圖Fig.2 Distribution of monitoring stations used in this paper

本文計(jì)算區(qū)域如圖2所示， 主要涉及新疆和田地區(qū)及周邊區(qū)域． 根據(jù)前期準(zhǔn)備的千米網(wǎng)格(1 km×1 km)數(shù)據(jù)判斷， 于田MS7.3地震共有18萬6067個(gè)千米網(wǎng)格地震動數(shù)據(jù)待計(jì)算． 由圖2可以看到該地震周邊監(jiān)測臺站分布較為均勻．

本文選取14個(gè)臺站進(jìn)行插值計(jì)算， 其相關(guān)參數(shù)列于表2．

為了彌補(bǔ)臺站稀疏地區(qū)測震數(shù)據(jù)質(zhì)量較低的缺陷， 首先根據(jù)新疆地區(qū)地震動衰減關(guān)系估計(jì)方法， 計(jì)算了震區(qū)基巖面的PGA和PGV地震動參數(shù); 然后利用五代圖在不同場地條件下的放大系數(shù)將地震動參數(shù)校正到相應(yīng)土層地表上， 計(jì)算得到震區(qū)周邊地區(qū)地表的PGA和PGV； 最后根據(jù)測震臺站對于本次地震的觀測記錄， 采用距離加權(quán)插值法對以震區(qū)臺站為中心、 30 km×30 km范圍內(nèi)的千米格網(wǎng)點(diǎn)的PGA和PGV值進(jìn)行重新計(jì)算， 得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的地震動參數(shù)并繪制出地震烈度圖(Borcherdt， 1994)． 在計(jì)算地震動參數(shù)過程中， 加大了實(shí)際觀測數(shù)據(jù)參數(shù)的權(quán)重， 便于發(fā)揮震區(qū)強(qiáng)震臺站的作用．

表2 本文所用臺站及其主要參數(shù)

2.2 震動圖計(jì)算

本文以1 km×1 km為尺度對震區(qū)周邊30 km×30 km區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化離散后， 結(jié)合新疆及青海周邊地區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的于田地震資料， 采用上文所述方法計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)的地震動時(shí)程， 并結(jié)合震區(qū)場地條件對地震動參數(shù)進(jìn)行校正， 最終提取 以8 s 為時(shí)間間隔所計(jì)算的速度、 加速度產(chǎn)生的地震動參數(shù)快照． 臺站稀疏地區(qū)則結(jié)合地震動衰減關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)充， 發(fā)震斷層主要用于判別長軸的方向，MS≥7.0地震采用線源衰減關(guān)系模型(李鉑等， 2012)． 于田地震加速度和速度震動圖結(jié)果分別如圖3和圖4所示． 每幅子圖為快照提取圖， 時(shí)間間隔為8 s， 從圖中可以看出于田地震的加速度和速度衰減特性.

圖3 2014年于田MS7.3地震加速度震動圖

2.3 峰值地震動分布

通過上述方法插值計(jì)算得到于田MS7.3地震的PGA和PGV地震動分布， 如圖5所示． 震動圖描繪了該地震引起的峰值地面運(yùn)動分布， 震后初期可以根據(jù)地震動預(yù)測的地震動強(qiáng)度判定地震災(zāi)害的影響和規(guī)模． 利用中國地震烈度表(GB/T 17742—2008)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會， 2008)中地震動參數(shù)與烈度之間的關(guān)系將地震動值轉(zhuǎn)換為烈度值， Ⅶ度及以上區(qū)域采用PGV進(jìn)行計(jì)算， Ⅶ度以下區(qū)域則采用PGA進(jìn)行衡量．

根據(jù)和田地區(qū)水文資料顯示， 于田縣英巴格鄉(xiāng)以東至奧依牙依拉克鄉(xiāng)屬于塔里木盆地， 地下水埋深普遍為1.8—2.5 m， 其中尼雅鄉(xiāng)地下水埋深平均約1.3 m， 震區(qū)位于昆侖山北麓平原區(qū)， 總體地勢南高北低， 沉積物顆粒由南向北逐漸變細(xì)， 靠近山前屬于礫質(zhì)平原區(qū)(劉軍等， 2014)． 利用場地覆蓋層厚度與土層的平均等效剪切波速的雙參數(shù)法， 確定于田縣英巴格鄉(xiāng)至奧依牙依拉克鄉(xiāng)以東區(qū)域?yàn)棰箢悎龅兀?如圖6所示． 該區(qū)域理論P(yáng)GA在65—86 cm/s2之間， 具有優(yōu)勢分布． 由于場地條件影響， Ⅲ類場地對該地區(qū)PGA具有明顯放大效應(yīng). 從圖7中可以看出， 本次計(jì)算所得到的地震烈度分布在于田縣、 民豐縣以北大部分地區(qū)， 這些地區(qū)為軟弱地基土層， 地下水位淺， 在地震動的作用下， 震害顯著加?。?Ⅶ度區(qū)努爾鄉(xiāng)、 博斯坦鄉(xiāng)及葉亦克鄉(xiāng)的房屋破壞較為嚴(yán)重， 于田縣城、 民豐縣城以北的Ⅵ度區(qū)影響范圍較大． 圖7給出了本文所計(jì)算的烈度分布與現(xiàn)場調(diào)查烈度的對比， 可以看出， 利用震動圖預(yù)測的地震動特征與現(xiàn)場宏觀調(diào)查結(jié)果是一致的．

圖4 2014年于田MS7.3地震速度震動圖

圖5 插值網(wǎng)格點(diǎn)峰值加速度(a)和峰值速度(b)等值線圖

圖6 研究區(qū)場地條件分布圖

圖7 預(yù)測與現(xiàn)場調(diào)查烈度對比圖

3 討論與結(jié)論

本文依據(jù)構(gòu)造地震動時(shí)程的插值方法， 應(yīng)用鄰近測震記錄臺站地震動時(shí)程插值地震動時(shí)程的模型， 并采用千米格網(wǎng)離散化進(jìn)行插值計(jì)算， 得到2014年2月12日于田MS7.3地震影響區(qū)內(nèi)格網(wǎng)點(diǎn)的地震動時(shí)程， 繪制了該地震的震動圖， 并對震動圖計(jì)算結(jié)果予以分析． 本文設(shè)計(jì)的震動圖計(jì)算方法具有以下特征：

1) 嘗試?yán)眯陆班徑》莸臏y震臺站觀測數(shù)據(jù)對缺少臺站的阿爾金地震帶的地震動時(shí)程進(jìn)行插值計(jì)算， 不僅較好地發(fā)揮了現(xiàn)有測震臺網(wǎng)資源的作用， 同時(shí)又較客觀地模擬了震區(qū)強(qiáng)地面運(yùn)動情況．

2) 通過計(jì)算得到新疆于田MS7.3地震的震動圖， 該圖可以直觀地描述震區(qū)地面運(yùn)動的整個(gè)過程， 而其地震動(PGA， PGV)等值線圖能較全面地反映該地震對地表的影響和地震動時(shí)空衰減特征．

3) 利用新疆地區(qū)不同場地條件下的地震動放大效應(yīng)對臺站地震動時(shí)程插值進(jìn)行校正， 考慮了發(fā)震斷層、 局部場地地形條件以及震源復(fù)雜性影響的震動圖更能反映出災(zāi)區(qū)的地震動空間分布特征． 由于當(dāng)前新疆地區(qū)強(qiáng)震觀測臺站主要分布在天山地區(qū)， 局部地區(qū)的結(jié)果因當(dāng)前臺站分布不均等因素， 其可靠性在一定程度上受到影響， 但其影響必將隨著預(yù)警工程臺站的建設(shè)得到逐漸改善. 此外， 地震動衰減關(guān)系的引入在一定程度上能夠彌補(bǔ)局部地區(qū)臺站稀疏等對計(jì)算結(jié)果的影響．

另一方面， 本研究仍存在一些問題亟待解決， 也是進(jìn)一步深入研究的方向：

1) 采用最近距離原則選用臺站， 即單純選用與待插值點(diǎn)距離最近的觀測臺站， 在插值過程中并未考慮臺站與插值點(diǎn)之間的空間分布和相對位置， 所以其結(jié)果的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步研究與驗(yàn)證， 可嘗試引入臺站相對位置加權(quán)項(xiàng)等方法來減弱由此造成的影響.

2) 在新疆北天山中段和南天山西段強(qiáng)震臺站分布較為密集的情況下， 可以嘗試采用實(shí)時(shí)觀測強(qiáng)震數(shù)據(jù)與測震數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行插值計(jì)算， 并可利用地震動衰減關(guān)系和地震臺站記錄的數(shù)據(jù)研究地震動強(qiáng)度衰減中地震事件內(nèi)部的不確定性． 通過臺站實(shí)際觀測值與理論計(jì)算值之間的殘差分析， 應(yīng)用測震臺站觀測數(shù)據(jù)和偏差校正方法， 對本文設(shè)計(jì)的插值方法進(jìn)行校正， 以提高觀測臺站空缺地區(qū)的震動圖精度． 同時(shí)， 在臺站稀疏的地區(qū)也可以結(jié)合區(qū)域地震動衰減關(guān)系、 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿鄬臃较虻纫蛩剡M(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)充．

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中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 2015. 中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB/T18306—2015)[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社: 6--10.

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China， Standardization Administration of the People’s Republic of China. 2015.ChinaSeismicParameterZoningMap(GB/T18306--2015)[S]. Beijing: Standards Press of China: 6--10.

Borcherdt R D. 1994. Estimates of site-dependent response spectra for design (methodology and justification)[J].EarthquakeSpectra， 10(4): 617--653．

Research on strong ground motion simulation and ShakeMap of 2014 YutianMS7.3 earthquake

Liu Jun1),*Sun Jianing1)Song Lijun1)Bi Xuemei2)Tan Ming1)He Jingang1)

1)EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion， ürümqi830011，China2)EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince,Nanjing210014,China

Based on attenuation law and space-time propagation characteristics of seismic ground motion, we use recorded time histories from adjacent monitoring stations to make near real-time interpolation calculation in a 1 km×1 km grid, and correct ground motion parameters according to the site effects. Taking the 12th February, 2014 YutianMS7.3 earthquake as an example, we calculated seismic time history in each grid near the epicenter, and then plot peak ground motion contour maps with 8 s intervals continuously. Finally we showed spatial distribution of peak ground motions (PGV and PGA) of this earthquake. The results show that, influenced by site conditions as well as soft ground soil and shallow groundwater level, ground motions in the region from eastern Yutian County to northern Minfeng County were amplified obviously, which were well consistent with field survey results. On the conditions of uneven distribution of strong ground motion observation stations, the method can be used to describe the characteristics of earthquake ground motions, and reflect the characteristics of strong ground motion in disaster areas objectively.

YutianMS7.3 earthquake; seismic ground motion; monitoring station; ShakeMap

中國地震局 “三結(jié)合”項(xiàng)目(163101)與地震科技星火攻關(guān)項(xiàng)目(XH15051)聯(lián)合資助．

2015-09-28收到初稿， 2016-07-22決定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.06.011

P315.9

A

劉軍, 孫甲寧, 宋立軍, 畢雪梅， 譚明, 何金剛. 2016. 2014年新疆于田MS7.3地震強(qiáng)地面運(yùn)動模擬及震動圖預(yù)測. 地震學(xué)報(bào), 38(6): 914--923. doi:10.11939/jass.2016.06.011.

Liu J, Sun J N, Song L J, Bi X M, Tan M, He J G. 2016. Research on strong ground motion simulation and ShakeMap of 2014 YutianMS7.3 earthquake.ActaSeismologicaSinica, 38(6): 914--923. doi:10.11939/jass.2016.06.011.

*通訊作者 e-mail: liujun_eq@sina.com