張 燦,陳文凱,司宏俊,趙懷群

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.西華大學,四川 成都 610039)

0 引言

地震烈度是綜合度量地震災害破壞程度的重要參數(shù)。破壞性地震發(fā)生后,對地震的影響范圍和破壞程度快速、準確的判定是各級政府和應急管理部門開展應急指揮調(diào)度和應急救援工作的重要依據(jù)。地震烈度分布的快速獲取方式主要有以下三種[1]:(1)在地震臺網(wǎng)密集的區(qū)域,依據(jù)實時的地震動數(shù)據(jù)快速獲得儀器烈度分布圖;(2)在地震臺網(wǎng)稀疏的區(qū)域,結(jié)合地震動衰減關系等方式通過空間插值得到儀器烈度分布圖;(3)根據(jù)歷史地震統(tǒng)計分析得到區(qū)域烈度衰減關系,或通過震源反演結(jié)果合成地震動參數(shù)等實時地震學方法得到烈度分布。目前,我國應用范圍最廣的烈度衰減關系為橢圓衰減模型,其計算出的等震線一般呈橢圓形或近橢圓形,大量的研究者依據(jù)此模型建立了適用于不同地區(qū)的烈度衰減模型[2-10]。除此之外,建立地震動參數(shù)(峰值加速度PGA、峰值速度PGV等)與地震烈度之間的定量關系也是獲得烈度分布的重要方法之一。前人研究結(jié)果表明,PGA和PGV是與地震烈度相關性最高的峰值參數(shù)[11]。美國的Modified Mercalli烈度表[12]、歐洲的EMS-98烈度表[13]以及中國地震烈度表(GB/T 17742-2020)[14]等都給出了不同烈度所對應PGA和PGV的取值范圍。

北京時間2021年5月22日2時4分,在青海果洛州瑪多縣(34.59°N,98.34°E)發(fā)生MS7.4(矩震級為MW7.3)地震,震源深度17 km。中國地震觀測臺網(wǎng)分布較稀疏,尤其是我國西北地區(qū),比如距離本次地震震中最近的強震動臺站(大武臺,DAW)為175.6 km,無法滿足地震烈度快速評估的需求。因此,基于地震烈度衰減模型進行烈度快速評估具有重要的現(xiàn)實意義。本文采用青海地區(qū)地震烈度衰減模型[2]和基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型[15]對此次地震烈度的分布進行快速評估(模型軟件實現(xiàn)后,可在地震正式速報后1分鐘產(chǎn)出結(jié)果)。研究結(jié)果表明,基于區(qū)域地震烈度衰減關系的地震烈度快速評估能夠在實際地震災情評估、烈度繪制中發(fā)揮一定程度的參考作用;基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型在準確確定發(fā)震斷層長度的前提下,較業(yè)務系統(tǒng)中常用的區(qū)域烈度衰減關系(歷史地震統(tǒng)計分析得到)結(jié)果更為精細,能夠為實際地震應急指揮和應急救援提供較為可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 災區(qū)概況

青?，敹?.4級地震的震中位于青海省瑪多縣(圖1)?，敹嗫h位于果洛藏族自治州西北部(96°50′～99°20′E,33°50′～35°40′N),屬于高海拔地區(qū),下轄2鄉(xiāng)2鎮(zhèn),30個行政村,常駐人口1.44萬,總面積約為2.53萬km2,人口密度約為0.5人/km2。本次地震震級高、傷亡人數(shù)少,震區(qū)人口密度低是主要因素。災區(qū)地形起伏較小,山間有平坦地、沙漠地等土地類型,平均海拔約為4 500 m。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復雜,地貌輪廓明顯地受構(gòu)造控制,生態(tài)環(huán)境惡劣。災區(qū)內(nèi)分布有瑪多—甘德斷裂、東昆侖斷裂、江措斷裂、甘德南緣斷裂、達日斷裂等多條大規(guī)模的斷裂帶,地震活動性較強[16]。

2 研究方法

2.1 青海省地震烈度衰減模型

地震烈度衰減關系受震源特性、場地條件和傳播介質(zhì)等因素的影響,存在地區(qū)性差異。任靜等[2]選取橢圓烈度模型,通過對青海省內(nèi)33個地震的回歸分析得出了適合青海地區(qū)的地震烈度衰減模型(本文簡稱任靜模型)。該模型已經(jīng)在甘肅省地震災害快速評估原型系統(tǒng)中得以應用[17],可以在地震正式速報1分鐘內(nèi)自動計算地震烈度。其公式為:

沿長軸方向

Ia=1.911 8+1.509 1M-1.193 6ln (Ra+14.895 2)

(1)

沿短軸方向

Ib=1.576 0+1.362 1M-1.116 9ln (Rb+5.713 9)

(2)

式中:M為地震的里氏震級;Ra和Rb分別為烈度為Ia和Ib的橢圓等震線的長、短半軸長度。

2.2 地震動參數(shù)衰減模型

2.2.1 基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型

司宏俊等[15]基于包括多個近距離強震記錄的地震動態(tài)數(shù)據(jù)庫,考慮了地震規(guī)模、斷層類型、場地效應等對地震強度衰減特性的影響,提出了一種基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型(本文簡稱Si模型),并在汶川地震中取得了較好的應用效果[18]。該方法基于地表破裂的長度、方向等因素,以震中位置為中心,生成一定范圍(本文生成的格網(wǎng)范圍為400 km×400 km)的公里格網(wǎng),通過尋找每個格網(wǎng)中心與其三維距離最近的地表破裂點,計算每個公里格網(wǎng)的地震動參數(shù)。其公式為:

lgPGA=0.50MW+0.004 3D-lg(R+0.005 5×

100.5MW)-0.003R+0.61

(3)

lgPGV=0.58MW+0.003 8D-lg(R+0.002 8×

100.5MW)-0.002R-1.29

(4)

lg(AMP)=1.83-0.66lg(vS30)

(5)

PGV-vS30=AMP·PGV

(6)

式中:PGA為地震的峰值加速度,單位為m/s2;PGV為地震的峰值速度,單位為m/s;PGV-vS30為考慮了場地效應的峰值速度,單位為m/s;MW為地震的矩震級;D為震源深度,單位為km;R為最短斷層距,單位為km;AMP為考慮場地效應的放大系數(shù);vS30為地表以下30 m深度范圍內(nèi)的等效剪切波速。

2.2.2 地表破裂長度與震級的經(jīng)驗關系

在基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型的計算中,每個公里格網(wǎng)的地震動參數(shù)都需要依靠距離地表破裂的最短三維距離來計算。因此,震后地表破裂長度計算的準確性是運用地震動衰減模型計算PGA、PGV分布準確性的前提。Wells等[19]基于全球范圍內(nèi)歷史地震的震源參數(shù),針對不同類型的斷層,分別總結(jié)了地震破裂參數(shù)與震級之間的經(jīng)驗關系,并取得了廣泛的應用?，敹嗟卣鸢l(fā)震斷層為昆侖山口-江措斷裂(走滑型斷裂),因此,本文選擇走滑型斷裂的經(jīng)驗公式。其公式為:

M=5.16+1.12lgL

(7)

冉洪流[20]基于中國西部地區(qū)30個地震的震源參數(shù),總結(jié)了適用于中國西部地區(qū)的地震破裂參數(shù)與震級之間的經(jīng)驗關系,其公式為:

M=5.303+1.18lgL

(8)

式(7)和(8)中:M為地震的里氏震級;L為地表破裂長度,單位為km。

3 結(jié)果分析

3.1 不同地震烈度衰減模型的對比分析

本文分別采用任靜模型和Si模型對青?，敹?.4級地震進行地震烈度分布的快速評估,將計算結(jié)果(圖2)與實際烈度進行對比分析。圖2(a)為任靜模型的地震烈度分布;圖2(b)～(d)分別為根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的地表破裂進行計算,基于PGA、PGV、PGV-vS30分類(表1)的Si模型的地震烈度分布[后文及圖中分別簡稱Si模型-PGA、Si模型-PGV和Si模型-(PGV-vS30)]。四個烈度結(jié)果的走向都與實際烈度相同,均呈NWW走向。

圖2 青?，敹?.4級地震地震烈度分布評估圖(底圖引自全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng) 網(wǎng)址www.webmap.cn)Fig.2 Seismic intensity distribution evaluation map of Maduo M7.4 earthquake in Qinghai Province

表1 地震烈度對照表(《中國地震烈度表: GB/T 17742—2020》)Table 1 Comparison table of seismic intensity

一般認為,地震烈度Ⅷ度及以上區(qū)域為重災區(qū)(災害破壞嚴重區(qū)域)。重災區(qū)是震后應急救援重點區(qū)域,因此準確評估重災區(qū)尤為重要。任靜模型計算此次地震的最高烈度為Ⅸ度,覆蓋了實際烈度的Ⅹ度區(qū)和部分Ⅸ度區(qū);計算的Ⅷ度區(qū)與實際的Ⅷ度區(qū)吻合,但在實際調(diào)查中位于Ⅸ度區(qū)的部分區(qū)域處于計算烈度的Ⅶ度區(qū)、Ⅷ度區(qū)交界處。Si模型-PGA和Si模型-PGV的最高烈度均為Ⅸ度,基本覆蓋了實際烈度的Ⅷ度區(qū)、Ⅸ度區(qū)和Ⅹ度區(qū)。Si模型-(PGV-vS30)的最高烈度為Ⅹ度,與實際調(diào)查烈度的最高烈度一致,Ⅹ度區(qū)的范圍也大致吻合,覆蓋了宏觀震中附近的區(qū)域。Si模型-(PGV-vS30)的Ⅸ度以上區(qū)域也基本覆蓋了實際調(diào)查烈度的Ⅷ度區(qū)、Ⅸ度區(qū)和Ⅹ度區(qū)。

我們將兩種評估模型計算結(jié)果中重災區(qū)所涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)與現(xiàn)場調(diào)查重災區(qū)所涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進行對比分析,結(jié)果如表2所列。從各烈度區(qū)涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)看,任靜模型計算的Ⅷ度區(qū)涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果較為吻合,但在Ⅸ度區(qū)和Ⅹ度區(qū)存在一定的偏差。如在現(xiàn)場調(diào)查中位于Ⅸ度區(qū)的大武鎮(zhèn)、優(yōu)云鄉(xiāng)、大武鄉(xiāng),在任靜模型的計算結(jié)果中則位于Ⅷ度區(qū)和Ⅶ度區(qū)中;現(xiàn)場調(diào)查中位于Ⅹ度區(qū)的瑪查理鎮(zhèn)在計算結(jié)果中位于Ⅸ度區(qū),在提供震后救援決策建議時,可能會導致救援不利,致使破壞嚴重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的人員得不到及時的救助。Si模型-PGA和Si模型-PGV的結(jié)果也存在瑪查里鎮(zhèn)的評估烈度較實際情況低1度的現(xiàn)象;Si模型-(PGV-vS30)的最高烈度(Ⅹ度)及其范圍與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致,較Si模型-PGA和Si模型-PGV的結(jié)果更符合實際情況。但Si模型普遍存在結(jié)果值偏大的情況,可能會高估高烈度區(qū)域的危險性。

表2 評估結(jié)果與實際對比(重災區(qū))Table 2 Comparison of assessment results and actual situation (Severe disaster area)

3.2 兩種地表破裂長度與震級關系對比分析

在3.1節(jié)中,Si模型的結(jié)果是基于現(xiàn)場調(diào)查的地表破裂計算的,但實際地震應急響應時地震烈度分布的快速評估具有很強的時效性(地震后0.5 h),通常采用地表破裂長度經(jīng)驗公式估計地表破裂長度。不同的經(jīng)驗公式具有很大的差異性,因此選擇合適的破裂長度經(jīng)驗公式才能獲得較為準確可靠的烈度評估結(jié)果。以青海瑪多7.4級地震為例,分別采用Wells關系式和冉洪流關系式計算此次地震的地表破裂長度(表3)?；趦煞N地表破裂長度的經(jīng)驗公式,采用Si模型分別計算地震烈度分布(圖3),將Ⅵ度區(qū)及以上長軸長度與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果進行對比(表4)。

表3 計算破裂長度Table 3 Calculation of fracture length

圖3 不同破裂長度關系式的烈度結(jié)果(底圖引自全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng) 網(wǎng)址www.webmap.cn)Fig.3 Intensity results of different rupture length relations

通過表3可以發(fā)現(xiàn),兩種破裂長度經(jīng)驗公式差異較大。Wells關系式在青?，敹嗟卣鹬芯哂休^好的適用性,與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本一致。冉洪流關系式的結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果有較大的差異。但通過圖3和表4可以發(fā)現(xiàn),Si模型依據(jù)Wells關系式計算出的長軸長度與實際長軸長度的相差更大,這可能與Si模型在西部地區(qū)的適用性有關,下一步要針對該模型在西部地區(qū)的應用來修改模型參數(shù)。

表4 計算烈度長軸長度與實際長度對比Table 4 Comparison between calculated and actual long-axis lengths

4 結(jié)論與討論

本文分別利用青海地震烈度衰減模型和基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型,對青?，敹?.4級地震進行了地震烈度分布的快速評估,將計算結(jié)果與實際地震烈度圖進行了對比分析,得到以下幾點認識:

(1)利用本文中的兩種模型可以在地震正式速報后1分鐘內(nèi)得到地震烈度分布的快速評估結(jié)果,時效性強,可以在最短的時間內(nèi)為應急指揮和救援工作提供參考;

(2)基于歷史地震統(tǒng)計分析的青海地震烈度衰減模型計算結(jié)果比較理想化,在大致范圍內(nèi)有一定的參考性,但在重災區(qū)范圍內(nèi)與實際結(jié)果有較大偏差,而且隨著震級越大這種誤差也會越大,汶川地震就是一個典型的案例;

(3)基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型基于地表破裂長度進行計算,考慮了發(fā)震斷層性質(zhì)、斷層長度、場地效應等多種因素,計算結(jié)果較青海地震烈度衰減模型更為精細,對高烈度的評估結(jié)果較好;相較于PGA和PGV兩種峰值參數(shù),PGV-vS30可以更真實地描述地震烈度空間分布特征;

(4)相較于冉洪流等研究的地表破裂與震級的經(jīng)驗關系,Wells等研究的經(jīng)驗關系在本次地震中的適用性更好。

在下一步的研究中,仍有以下問題需要進行探討:

(1)基于橢圓衰減模型的地震烈度衰減模型和地震動參數(shù)地震烈度衰減模型都依賴于發(fā)震斷層,因此,在實際應用這兩種模型時需謹慎選取發(fā)震斷層性質(zhì)及方向。實時地震學中震源反演結(jié)果能夠較好地解決此類問題,將震源反演結(jié)果應用于地震烈度分布的快速評估將是未來的發(fā)展趨勢[17,21]。目前可根據(jù)震后余震精定位、震源反演結(jié)果對烈度衰減模型進行修正,提高評估結(jié)果準確性和精度。

(2)基于斷層最短距離的地震動參數(shù)衰減模型的烈度值相較于實際烈度整體偏大,其原因可能為該模型是根據(jù)日本地區(qū)的地震研究得到,在日本地區(qū)的適用性較好。盡管在汶川地震的應用中取得了較好的效果,但在中國西部地區(qū)的應用中,模型參數(shù)仍然有待改進。

(3)本文在計算PGV-vS30時使用的vS30數(shù)據(jù)來自于美國USGS,該數(shù)據(jù)在中國區(qū)域可能存在一定的偏差。下一步需要研究中國地區(qū)的vS30數(shù)據(jù),從而提高該模型地震烈度分布的快速評估精度。