2014年新疆于田MS7.3地震近斷層強地面運動模擬及烈度分布估計*

孟令媛 周龍泉 劉 杰

(中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心)

2014年新疆于田MS7.3地震近斷層強地面運動模擬及烈度分布估計*

(中國北京100045中國地震臺網(wǎng)中心)

分析了2014年于田MS7.3地震的震源參數(shù)特征； 結(jié)合已有的震源機制反演結(jié)果,選取斷層面上滑動位移分布構(gòu)建有限斷層模型,模擬計算了近斷層區(qū)域的寬頻帶強地面運動參數(shù),并基于強地面運動模擬結(jié)果估算了該地震的模擬烈度分布． 模擬結(jié)果表明,于田MS7.3地震極震區(qū)的模擬烈度達到Ⅸ度,與中國地震局公布的烈度圖趨于一致,相對于美國地質(zhì)調(diào)查局公布的震動圖中極震區(qū)烈度(Ⅶ—Ⅷ)偏大. 此外文中給出的烈度Ⅶ度及以上影響范圍與中國地震局公布的地震動圖較為一致．

2014年于田MS7.3地震 滑動位移分布 有限斷層模型 模擬烈度圖

引言

2014年2月12日17時19分(北京時間),新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣發(fā)生MS7.3地震,震中位置為36.1°N、 82.5°E(圖1),震源深度約為17 km,初步推斷該地震為一次走滑型事件(中國地震臺網(wǎng)中心,2014a)． 于田MS7.3地震震中位于青藏高原北緣的昆侖山脈,發(fā)震斷層為阿爾金南緣斷裂帶,是一條NNE--SSW向左旋走滑斷裂帶,全長1600 km,由多條長達數(shù)百千米的斷裂組合而成,總體呈NE70°或SW70°走向,斷層面傾角達70°以上(Xuetal,2013)． 該斷裂帶的地震活動較強,公元1600年以來300 km范圍內(nèi)已發(fā)生MS≥5.0地震32次、MS≥6.0地震6次、MS≥7.0地震4次,最大地震為1924年民豐MS7.3地震和2008年于田MS7.3地震(中國地震臺網(wǎng)中心,2014b)．

圖1 2014年2月12日于田MS7.3地震主震位置及ML≥2.0余震 分布(截至2014年2月23日12時00分). 圖中同時給出了該地震 發(fā)震區(qū)域歷史上發(fā)生的3次MS>7.0強震

2014年于田MS7.3地震震中距離于田縣城約110 km,距民豐縣城約100 km,距和田市區(qū)和烏魯木齊市區(qū)分別為250 km和970 km; 震中30 km范圍內(nèi)平均海拔超過5000 m,南、 西、 北部均為高海拔山區(qū),東部為沙漠荒漠地區(qū),人員相對稀少. 迄今為止該地區(qū)發(fā)生的4次強震,包括1924年民豐MS7.3、MS7.2地震和2008年于田MS7.3地震在內(nèi),均未在震區(qū)造成建筑物的較大損毀和人員傷亡． 截止到2014年2月23日12時00分,2014年于田MS7.3地震共記錄到余震4937次,其中MS3.0—3.9地震41次、MS4.0—4.9地震16次、MS5.0—5.9地震1次,最大余震為2月12日17時24分發(fā)生的MS5.7(ML6.0)地震(中國地震臺網(wǎng)中心,2014a, b)．

2014年于田MS7.3地震發(fā)生后,中國地震局(2014)根據(jù)地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)分析計算得到的地震動分布圖顯示極震區(qū)烈度達Ⅸ度,美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS National Earthquake Information Center,2014)給出的震動圖顯示極震區(qū)烈度約為Ⅶ—Ⅷ度． 兩家機構(gòu)給出的結(jié)果存在一定的差異,極震區(qū)烈度的差別最為顯著． 這次于田MS7.3地震震中周圍人口密度低,位處高海拔地區(qū),實測烈度分布圖的獲取難度相對較大． 張振國等(2014)利用有限差分方法模擬了2014年于田MS7.3地震的地震波場傳播過程,并給出速度分布圖及理論烈度分布圖,其結(jié)果顯示于田地震最大烈度為Ⅶ度左右. 該結(jié)果主要基于速度參數(shù)給出,而極震區(qū)的烈度受加速度的影響較為明顯(Waldetal,1999)． 鑒于地震動分布圖對震后應急救援工作的重大指導意義,盡管目前于田震區(qū)無人員傷亡,但仍需深入研究該地震極震區(qū)烈度的取值情況．

實測烈度通常是基于震區(qū)實際調(diào)查獲取的震害資料來確定,往往是震后一段時間才能給出現(xiàn)場震害調(diào)查的烈度分布圖. 然而在地震應急救援中,為快速可靠地估計烈度分布,可以利用烈度與強地面運動參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系在震后第一時間給出模擬的地震動分布圖． 這樣, 一方面可以在地震發(fā)生的初期快速獲取地震烈度的分布特征,另一方面則可以結(jié)合觀測烈度資料對震區(qū)烈度分布特征進行完善,以提高烈度分布圖的可靠性．

由于現(xiàn)有的強震觀測數(shù)據(jù)相對缺乏,有些地區(qū)甚至并未設立強震觀測臺站,一旦地震發(fā)生,很有可能出現(xiàn)強震觀測數(shù)據(jù)空白的實際困難． 因此,通過模擬計算得到的地震動分布圖對震后快速、 高效開展應急救援工作具有重要的現(xiàn)實意義． 2010年玉樹MS7.1地震發(fā)生后,許力生等(2010)基于遠場地震波形反演,并利用Crust2.0提供的玉樹地殼模型,快速計算了近斷層強地面運動,第一時間解釋了玉樹縣城受到嚴重破壞的主要原因．

本研究著重分析2014年于田MS7.3地震的震源特征,并根據(jù)地震發(fā)生后的快速反演結(jié)果和斷層面上滑動位移的分布情況(張勇等,2014),構(gòu)建動力學拐角頻率下的有限斷層模型(Motazedian,Atkinson,2005),計算該地震近斷層區(qū)域的強地面運動參數(shù)． 通過地震動與烈度的轉(zhuǎn)換關(guān)系給出模擬的震動圖(Waldetal,1999),進而更加直觀地展示該地震模擬烈度的分布情況． 這樣不僅可以合理地判斷此次于田MS7.3地震的震后烈度,更可為未來可能發(fā)生的強震提供合理的強地面運動模擬方法．

1 理論方法

本研究基于震后快速反演結(jié)果及斷層面上滑動位移分布情況(張勇等,2014)構(gòu)建有限斷層模型,模擬計算強地面運動參數(shù)(如地表質(zhì)點加速度和速度),并提取其峰值(PGA,PGV),進一步結(jié)合經(jīng)驗關(guān)系給出針對2014年于田MS7.3地震的模擬烈度圖． 對于有限斷層模型模擬方法的確定,考慮到計算時間及需要計算的具體強地面運動參數(shù),本研究選取隨機振動模型方法,構(gòu)建適用于該地震的有限斷層模型．

隨機模型的震源理論以垂直斷層面輻射剪切波的震源模型(Brune,1970,1971)為基礎． 該模型為隨機振動方法的震源理論模型,由Brune于1970年首次提出. Boore(1983)在此基礎上給出了點源模型,實現(xiàn)了地震動時程及反應譜的模擬計算．

基于隨機方法的點源模型中,場地的地震動傅里葉譜通常定義為

(1)

式中,S為震源,P為路徑傳遞函數(shù),G為場地傳遞函數(shù),I為地震動類型轉(zhuǎn)換函數(shù)．

Motazedian和Atkinson(2005)進一步提出了動力學拐角頻率的概念,并以此對有限斷層隨機振動模型進行改進,給出了修正的有限斷層隨機振動模型. 該模型中總輻射能對于各種大小的子斷層都是相同的,從而解決了隨機模型由于子源大小改變而存在的斷層輻射能不守恒的問題． 為了更好地反映斷層面上滑動分布的不均勻性,在采用動力學拐角頻率合成強地面運動的過程中,通常將子斷層的大小設定為1 km×1 km(Motazedian, Atkinson,2005)． 有限斷層隨機振動模型是一種相對簡化、 高效的方法,在工程地震領域得到了廣泛的應用,并在2010年玉樹MS7.1地震和2013年蘆山MS7.0地震的強地面運動模擬中得到了較為廣泛的應用(王海云,2010; 孟令媛等,2014)．

2 研究區(qū)域和模型構(gòu)建

參照2014年于田MS7.3地震的震源機制解(表1)、 震中位置、 余震分布情況及其周圍主要斷裂構(gòu)造,選取80.0°—84.0°E、 35.0°—37.5°N矩形區(qū)域為研究區(qū),計算的格點間距為0.05°,整體模擬范圍約為11萬km2． 在強地面運動模擬過程中,震源的動態(tài)破裂過程及斷層面上滑動位移的分布情況對近斷層區(qū)域強地面運動的模擬結(jié)果影響最大,由于極震區(qū)缺乏相應的強震觀測記錄,通常無法直接驗證滑動模型與實際情況的一致度．

表1 不同機構(gòu)給出的2014年于田MS7.3地震震源參數(shù)

注： CENC表示中國地震臺網(wǎng)中心,CEA表示中國地震局,USGS表示美國地質(zhì)調(diào)查局.

因此,本研究在模型構(gòu)建過程中,重點約束斷層面上滑動集中區(qū)的分布位置,基于大小不同地震破裂過程具有自相似的假定(Frankel,1991),即主震斷層面可由多個隨機分布的大小尺度不同的子源疊加而成,且隨機疊加而成的斷層面上的滑動位移分布遵從k-2模型(Zeng,Anderson,1996),進而完成對斷層破裂過程的運動學描述(圖2b)． 參照張勇等(2014)給出的震源破裂過程,此次于田地震的集中破裂區(qū)滑動主要分布在深部,最大滑動量約為1.8 m． 本文在模擬計算過程中采用李志海等(2010)給出的新疆伽師地區(qū)的品質(zhì)因子與頻率的相關(guān)衰減參數(shù),具體輸入?yún)?shù)見表2．

圖2 2014年于田MS7.3地震主發(fā)震斷層面上滑動位移量的分布情況 (a) 張勇等(2014)給出的斷層面滑動位移； (b) 本文基于有限斷層模型給出的滑動位移非均勻分布

參數(shù)名稱 參數(shù)值 矩震級MW6．9斷層L×W/km280×40斷層上頂埋深/km0子斷層大小/km21×1應力降/MPa3品質(zhì)因子Q(f)213f0．707路徑持時?/s0 R<10km0．16(R-1) 10km≤R<70km9．6-0．03(R-70) 70km≤R<130km7．7+0．04(R-130) R≥130kmKappa參數(shù)0．05地殼剪切波速度/(km·s-1)3．7地殼平均密度/(g·cm-3)2．8幾何衰減1/R R<70km1/70 70km≤R<130kmR-0．5 R≥130km

*地震波傳播路徑的持續(xù)時間(Atkinson,Boore, 1998)

3 計算結(jié)果

2014年新疆于田MS7.3地震發(fā)生后,中國地震局(2014)根據(jù)地震臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)分析計算得到地震動分布圖(圖3a),極震區(qū)烈度達到Ⅸ度,并初步獲得了該地震的影響范圍． 由圖3a可看到,距離震中較近的葉亦克鄉(xiāng)和阿羌鄉(xiāng)位于Ⅵ度與Ⅶ度分界線附近,于田縣城和民豐縣城則位于Ⅵ度區(qū)內(nèi)． 而美國USGS在其官方網(wǎng)站上第一時間公布的此次地震震動圖(圖3b)顯示,其極震區(qū)烈度約為Ⅶ—Ⅷ度． 兩家機構(gòu)關(guān)于極震區(qū)大小存在較大的差異,且Ⅶ度及以上區(qū)域范圍也有所不同．

根據(jù)該震震中位置(36.1°N,82.5°E),參照發(fā)震斷層的展布情況,本文選擇80.0°—84.0°E、 35.0°—37.5°N矩形區(qū)域為模擬區(qū)域． 模擬計算的網(wǎng)格點間距為0.05°,在約11萬km2范圍的模擬區(qū)域內(nèi)共模擬了81×51=4131個特征點,主要計算這些特征點的質(zhì)點加

圖3 中國地震局(a)、 美國USGS(b)給出的震動圖及本文給出的模擬烈度分布圖(c)

速度,并提取相應的PGA值,進而根據(jù)強地震動與烈度的轉(zhuǎn)換關(guān)系給出模擬的烈度分布圖(圖3c)． 本文采用Wald等(1999)給出的PGA與烈度(IMM)的經(jīng)驗關(guān)系

(2)

將計算得到的地表水平PGA轉(zhuǎn)換為相應的地震烈度值． 式(2)中,PGA單位為cm/s2,IMM為場地烈度(其中MM為modified Mercalli的縮寫)．

圖3a,b分別為中國地震局和USGS給出的2014年于田MS7.3地震的模擬震動圖． 圖3a顯示的有效計算范圍約為17.4萬km2(80.2°—85.3°E,34.6°—37.5°N),極震區(qū)對應烈度約為Ⅸ度,震動分布圖中相當于Ⅶ度地震烈度的范圍約1.1萬km2； 圖3b的有效模擬范圍約為33萬km2(79.5°—85.5°E,33.5°—38.5°N),估計極震區(qū)烈度為Ⅶ—Ⅷ度,Ⅶ度地震烈度的范圍為0.7—0.8萬km2； 圖3c為本文基于所構(gòu)建的有限斷層隨機振動模型計算得到的于田MS7.3地震模擬烈度分布圖, 該圖顯示極震區(qū)烈度為Ⅸ度,烈度超過Ⅶ度的范圍約為1.65萬km2．

對比圖3c與圖3a,二者模擬烈度圖的極震區(qū)烈度一致度較高,且分布形狀也比較相似,均具有極震區(qū)呈NNE向展布的特點. 對于圖3c中Ⅶ度地震烈度的范圍比圖3a中偏大的問題,其原因可能為受有限斷層模型幾何尺度及近斷層區(qū)域強地面運動模擬結(jié)果的影響. 實際上,圖3c中極震區(qū)所呈現(xiàn)的NNE向展布比圖3a略顯偏長． 此外,圖3b為基于點源模型給出的震動圖,未考慮有限斷層長度的影響,這也可能是其極震區(qū)烈度及Ⅶ度以上烈度區(qū)偏小的原因之一．

4 討論與結(jié)論

2014年于田MS7.3地震發(fā)生后,張振國等(2014)利用有限差分方法模擬了這次地震地震波場的傳播過程,并給出速度分布圖及理論烈度分布圖,其結(jié)果顯示該地震最大烈度為Ⅶ度,并指出由于斷層滑動未及地表,對地表造成的破壞有限． 動力學模型是強地面運動預測方法之一,通常給定斷層內(nèi)部邊界條件和初始應力場條件,通過數(shù)值方法求解強震震源的動力學方程,仿真模擬斷層動態(tài)破裂過程和相應的地表運動場. 其常用的數(shù)值計算方法包括有限差分法、 有限元法等. 動力學模型計算量較大,尚未實現(xiàn)高頻地表運動的模擬計算(史保平, 孟令媛, 2010)．

2014年于田MS7.3地震是繼2013年蘆山地震之后又一例典型的盲斷層地震(徐錫偉等,2013)． 盲斷層地震造成的近斷層強地面運動觀測結(jié)果往往相對于發(fā)震斷層破裂至地表的地震偏高,由于斷層未破裂至地表,盲斷層地震通常產(chǎn)生較高的應力降,且較高應力降被認為是盲斷層地震近斷層強地面運動變大的關(guān)鍵因素之一,主要影響范圍為距離震中30 km內(nèi)及距離斷層10 km左右的近斷層區(qū)域內(nèi)(Pitarkaetal,2009). 這一區(qū)域直接影響了極震區(qū)高頻強地面運動的高低,進而影響了極震區(qū)烈度的理論值(式(2))． 如何在今后的模型計算過程中充分考慮震源參數(shù)(如應力降)的影響也是未來強地面運動模擬工作的重點之一．

實際上,2010年墨西哥Baja地區(qū)MW7.2地震, 2011年新西蘭MW6.1地震,2013年臺灣地區(qū)南投MS6.7地震,以及2014年新疆于田MS7.3地震均為近年來發(fā)生的較為典型的盲斷層地震． 其中2011年新西蘭MW6.1地震為近年來發(fā)生的一次典型的城市直下型盲斷層地震,造成約163人遇難. 該地震記錄到的近斷層強地面運動峰值加速度高達2160 cm/s2,記錄臺站距離震中約為1 km,實測記錄頻率成分豐富,主要由高頻成分組成,對極震區(qū)破裂帶來較大影響(孟令媛,史保平, 2012)． 因此,針對2014年于田MS7.3地震烈度分布模擬,需要考慮近斷層強地震運動加速度高頻成分對其峰值的影響,即著重探討近斷層區(qū)域強地面運動峰值對極震區(qū)烈度的影響． 盡管本次于田地震震中位于海拔5000 m以上的人員稀少地區(qū),且無人員傷亡,但這一點與其極震區(qū)理論烈度估計的大小并無完全對應關(guān)系．

此外,張振國等(2014)的模擬結(jié)果中提到由于山峰、 山脊區(qū)域多次反射導致振幅加強,對于田縣城北面褶皺地區(qū)產(chǎn)生地震動的加強、 放大作用． 由于本文基于運動學模型而未考慮地表地形影響,因此圖3c所呈現(xiàn)的結(jié)果為基巖上的模擬結(jié)果,未能體現(xiàn)該區(qū)域的放大效應,這也是運動學模型的局限性之一,下一步研究工作中可以嘗試通過考慮淺層速度結(jié)構(gòu)(vS30)加以改善．

針對2014年于田MS7.3地震極震區(qū)強地面運動及烈度的模擬計算,在充分考慮斷層面上滑動位移分布情況的基礎上,仍需要關(guān)注模型構(gòu)建過程中震源參數(shù)如應力降的設定和選取(表2)． 2013年蘆山MS7.0地震發(fā)生后,作者基于本研究應用的有限斷層隨機振動模型針對該地震震源特征及近斷層區(qū)域強地面運動展開相關(guān)研究,并基于強地面運動模擬結(jié)果給出蘆山MS7.0地震烈度分布圖,該烈度圖與中國地震局2013年4月27日給出的蘆山地震震區(qū)的實測烈度圖一致度較高(孟令媛等,2013,2014)． 本文針對2014年于田MS7.3地震模擬烈度圖計算的經(jīng)緯度范圍超過10萬km2,計算的特征點共4131個,單一PC機的計算時間約需1小時． 本文結(jié)果表明,地震發(fā)生后,通過計算震源參數(shù)及斷層面上滑動位移分布的選取,可以實現(xiàn)烈度的快速模擬,對震后的震情判定及救災工作具有一定的指導意義和實用價值．

本文在成稿過程中,史保平教授、 劉桂萍研究員、 蔣海昆研究員和張永仙研究員給予了有益的指導與幫助； 審稿專家對本文提出了修改意見和建議,作者在此一并表示感謝．

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Estimation of near-fault strong ground motion and intensity distribution of the 2014 Yutian, Xinjiang,MS7.3 earthquake

(ChinaEarthquakeNetworksCenter,Beijing100045,China)

The February 12, 2014,MS7.3, Yutian earthquake of Xinjing Uygur Autonomous Region, China, occurred as a result of shallow strike-slip faulting in the tectonically complex region of the northern Tibetan Plateau, with focal depth of 17 km. This earthquake occurred several hundred kilometers north of the convergent India-Eurasia Plate boundary. The location of Yutian earthquake is 110 km north of Yutian County, Hetian region. The maximum intensity is up to Ⅸ in the near-fault field shown in the ShakeMap from the China Earthquake Administration (CEA), which is different from the result from USGS. In this study, we analyzed the source parameters and studied the effect of slip distribution on the fault plane. One finite fault source model was constructed and the strong ground motions, including acceleration and velocity, were calculated. Based on the simulation of the near-fault strong ground motion, we described the intensity distribution of the Yutian earthquake. The maximum simulated intensity, Ⅸ, is consistent with the results from the CEA, but higher than that from USGS (Ⅶ—Ⅷ). In fact, the numerical modeling developed in this study has great application in the strong ground motion prediction and intensity estimation for the earthquake rescue.

2014 YutianMS7.3 earthquake; distribution of slip; finite fault source model; simulated intensity map

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.003.

中國地震局地震科技星火計劃青年項目(XH14055Y)、 國家科技支撐計劃項目(2012BAK19B02-01)、 中國地震局監(jiān)測預報司震情跟蹤合同制定向工作任務(2014020412)及中國地震臺網(wǎng)中心青年科技基金(QNJJPZ-YBB-1307)聯(lián)合資助.

2014-02-20收到初稿,2014-03-18決定采用修改稿.

e-mail: meng.lingyuan@hotmail.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.003

P315.3+3

A

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