蘆山7.0級地震強震臺儀器烈度與調查點烈度的對比分析

馮 蔚 姜立新 楊天青 李 洋 鄭通彥

1)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

3)中國地震局，北京 100036

0 引言

2013年4月20日08時02分四川省雅安市蘆山縣(30.3°N，103.0°E)發(fā)生7.0級地震。這次地震是繼汶川8.0級地震后，四川地區(qū)再次發(fā)生的強烈地震。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，國內外存在顯著差異。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)對強震臺站加速度記錄濾波后，合成三分向記錄，選取一定持時的有效峰值加速度來換算儀器烈度值，通過各種媒體發(fā)布城市烈度速報(震度速報)。其評定方法與烈度表有本質的區(qū)別，并不追求與傳統(tǒng)宏觀烈度描述的一致性。美國地質調查局(USGS)通過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、反應譜等值圖等應急產品;儀器烈度計算主要采用修正麥加利地震烈度(MMI)與地震動峰值加速度、地震動峰值速度關系(Wald et al.，1999)。中國烈度表示地震引起的地面震動及其影響的強弱程度，其表述帶有地震動強度與震害后果的雙重含義?，F(xiàn)行的地震烈度評定主要依據(jù)震后現(xiàn)場調查點建筑物破壞的程度，評定距震中不同地區(qū)的地震烈度。

為了有效地開展震后烈度快速評估工作，許多專家學者利用豐富的地震烈度等震線資料，多運用統(tǒng)計回歸的方法，對不同區(qū)域的烈度衰減關系進行了研究，得出了適用于各地區(qū)的統(tǒng)計規(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)計規(guī)律的點源或線源模型應用，達到了快速災害評估的目的，但是評估過程缺少具體地震的針對性信息，其評估結果存在一定偏差。

近年來隨著強震臺網(wǎng)的建設，國內部分專家與學者開展了基于地震動參數(shù)的烈度計算方法研究，提出了多種地震動參數(shù)與烈度關系的計算方法①金星等，2010，地震儀器烈度標準研究報告。②袁一凡，1998，由地震動三要素確定地震動強度(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)，利用國家強震動臺網(wǎng)中心提供的強震記錄計算儀器烈度，分析地震儀器烈度與周邊5km內調查點烈度的對應關系，以便今后運用地震動參數(shù)作為判斷地震烈度范圍的輔助信息。

1 利用強震記錄計算儀器烈度

強震動臺網(wǎng)直接記錄的地震動加速度數(shù)值，缺少建筑物結構和破壞機理等信息要素，不能直接體現(xiàn)震害結果。金星等(2010)充分考慮中國房屋結構物的主要頻帶范圍(0.3～3.0Hz)，對加速度記錄濾波后，通過統(tǒng)計分析建立有效峰值加速度A0.5與地震儀器烈度值的對應關系。此方法綜合考慮了幅值、頻譜、持時、震動方向等因素，并且其統(tǒng)計關系基于大量統(tǒng)計樣本。因此，我們采用金星的計算方法，選取區(qū)域(29°～31°N，102°～104°E)，利用國家強震動臺網(wǎng)中心提供的28個臺站的強震記錄計算儀器烈度(圖1)。地震儀器烈度計算步驟如下:

(1)讀取數(shù)據(jù)文件，對臺站未校正加速度記錄進行校正;采用純幅值濾波器H(f)對三分向加速度時程分別進行濾波。濾波器表達式為

圖1 震中位置與使用強震動臺站分布圖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加速度時程采用式(3)計算合成加速度時程a(t)。

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

(3)基巖臺站的地震動參數(shù)修正到土層地表。對于沒有30m平均剪切波速度的點位，通過計算高程傾斜率，再根據(jù)傾斜率與速度的相關性求得場地類型與速度，從而確定校正因子。

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

2 地震儀器烈度與調查點對比分析

地震烈度評定主要根據(jù)建筑物破壞的程度和地表面變化狀況等指標判定。地震儀器烈度主要根據(jù)等效峰值加速度(A0.5)來換算，直接體現(xiàn)地表的震動強弱程度，但并不能完全反映地震的破壞程度。同時，由于臺站經(jīng)緯度不可能與調查點經(jīng)緯度完全重合(圖2)，我們篩選烈度Ⅵ度以上地區(qū)強震臺站周邊半徑5km內的調查點，然后將臺站儀器烈度與周邊調查點烈度進行對比分析(表1)。

圖2 四川省蘆山7.0級地震現(xiàn)場調查點與強震動臺站分布圖Fig.2 The distribution map of Lushan M7.0 earthquake field survey spots and strong motion stations.

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

從建筑物受損情況來講，本次地震災區(qū)房屋建筑主要分為:框架結構、磚混結構和磚木結構。根據(jù)調查報告，寶興鹽井(51BXY)周邊調查點鹽井坪村，該自然村總戶數(shù)為585戶，人口約2000人。該村房屋磚混結構約占30%，土木、磚木等簡易房屋約占70%。其中，磚混結構房屋5%嚴重破壞、14%中等破壞、61%輕微破壞(照1);磚木等結構房屋約90%不同程度受損;估計地震烈度Ⅶ，與地震儀器烈度吻合。寶興地辦(51BXD)周邊調查點穆坪鎮(zhèn)，抗震設計的框架結構房屋裂縫普遍，部分承重柱體結構貫通性裂縫，基本完好40%;磚混結構房屋墻體破壞嚴重(照3);磚木結構房屋垮塌，毀壞嚴重;估計地震烈度Ⅷ，與地震儀器烈度吻合。滎經(jīng)石龍(51YAL)周邊調查點石泉村，磚混結構整體表現(xiàn)良好，主要是非承重結構出現(xiàn)輕微裂縫，掉瓦普遍;磚木結構主要表現(xiàn)為磚墻裂縫較大、主體結構傾斜(照5)，小部分房屋由于年代久遠，破壞較為嚴重，個別出現(xiàn)毀壞;估計地震烈度Ⅶ，地震儀器烈度Ⅵ，相差1度。總之，定量計算的地震儀器烈度，雖然不能達到完全吻合，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，具有較高的參考價值。

照1 搖鹽井坪村磚混結構墻體貫通裂縫，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)光明村磚混結構房屋墻體出現(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 搖寶興縣城磚混結構房屋墻體貫通性X裂縫Photo 3 搖Penetrating X－shaped shear crack on the walls of brick-concrete buildings at Baoxing County.

照4 搖鹽墊村磚混結構民房，內墻穿透Photo 4 搖Penetration crack in the room walls at Yandian Village.

照5 搖滎經(jīng)縣天風鄉(xiāng)石泉村磚木結構房屋磚墻裂縫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)水獺村磚木結構墻體出現(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 結論與討論

通過蘆山7.0級地震儀器烈度計算結果與強震臺站周邊現(xiàn)場調查點烈度評定結果對比，得到以下幾點結論:

(1)地震儀器烈度與實際調查點烈度具有相同特征，都可以通過經(jīng)緯度描述具體點位的烈度值;然而，儀器烈度計算的是具體的物理參數(shù)，調查點烈度評定則主要依據(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，強震臺站觀測運動參數(shù)也存在較大離散度。單個臺站測點的地震動參數(shù)值與宏觀烈度的對應關系存在不確定性。地震造成的建筑物破壞受到地震動特性、建筑物類型等多因素影響，因此地震儀器烈度與實際地震烈度的差異性是不容忽視的。

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

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