2013年四川蘆山MS7.0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

中國地震臺網中心，北京 100045

1 引言

2013年4月20日08時02分四川蘆山發(fā)生MS7.0地震（30.3°N，103.0°E），本次地震距2008年汶川8.0級地震約85km，蘆山地震基本完成了龍門山斷裂帶西南段（約120km）中段的破裂，在汶川地震破裂區(qū)最西南端至蘆山地震破裂區(qū)的最北端，尚有約30km長的空段尚未破裂（陳運泰等，2013）.蘆山地震震源機制解揭示的主破裂為北北東向的擠壓逆沖變形特征，與龍門山斷裂帶總體走向和運動性質一致，蘆山地震震區(qū)發(fā)育著龍門山推覆構造帶南段大邑隱伏斷裂、雙石—大川斷裂、鹽井—五龍斷裂等活動斷層.初步分析該地震與汶川地震均為巴顏喀拉地塊向東運動遇到華南地塊阻擋，應力積累和釋放的結果.汶川地震破裂發(fā)生在龍門山斷裂的中央斷裂和前山斷裂的中段和北段，而蘆山地震發(fā)生在龍門山斷裂南段的前山斷裂附近，是龍門山斷裂帶的又一次強烈活動（徐錫偉等，2013；劉杰等，2013）.

地震發(fā)生后，陳運泰課題組快速給出了該地震的相關震源參數，此次地震的標量地震矩為1.7×1019N·m，為一次逆沖的斷層破裂，斷層面上最大滑動量約為1.5m左右，蘆山地震在時間上包括兩次子事件，其中第一次規(guī)模最大，主要發(fā)生在震后0～10s，第二次子事件規(guī)模較小，主要發(fā)生在10～25s，兩次子事件都沒有體現出明顯的破裂方向性，斷層面上的空間滑動量分布比較簡單，主要滑動都分布在震源附近（張勇等，2013）.本次地震震中附近100km范圍內1900年以來曾發(fā)生5級以上地震12次，其中6～6.9級地震3次，分別為1327年天全MS6.0地震、1941年寶興康定MS6.0地震和1970年大邑的MS6.2地震，最大為2008年汶川MS8.0地震（中國地震臺網中心，2013）.

蘆山地震給當地群眾的生命財產安全帶來了巨大的損失，地震造成196人遇難，21人失蹤，逾萬人受傷，其中最嚴重的破壞發(fā)生在震中附近的蘆山、寶興、天全等地區(qū).震區(qū)余震不斷，截止2013年11月30日，蘆山地震余震區(qū)已記錄到ML3.0～3.9級余震290次，ML4.0～4.9級余震46次，ML5.0～5.9級余震12次，其中最大余震為4月21日17時05分發(fā)生在蘆山縣和邛崍市交界的ML5.7（MS5.4）級地震（中國地震臺網中心，2013，見圖1）.

蘆山地震發(fā)生后，中國國家地震局及國外的科研機構等多家單位分別給出了蘆山地震的震源機制解及相關震源參數（中國地震臺網中心，中國地震局地球物理研究所，USGS，GCMT，2013），多位地震學專家給出了地震的破裂過程和斷層面上的滑動位移分布情況（張勇等，2013；鄭勇等，2013；王衛(wèi)民等，2013）.蘆山、寶興、天全等地區(qū)房屋破壞較為嚴重，這與目前已有的反演得到的震源破裂過程相對一致，但震源破裂過程主要反映的是極震區(qū)的相對破裂情況，造成建筑物破壞的直接原因是強地面運動的大小，尤其是近斷層區(qū)域.

強地面運動預測方法的研究著重于以下4種不同模型的建立、驗證和應用：（1）應驗衰減關系模型；（2）隨機模型；（3）運動學模型；（4）動力學模型.隨機性方法為一種相對簡化但快速的方法，在強地面運動預測領域得到了廣泛的應用（王海云，2010；孟令媛等，2013）.本文利用動態(tài)拐角頻率下有限斷層模型隨機模擬方法（Motazedian and Atkinson，2005），綜合考慮斷層面上滑動位移的分布情況（張勇等，2013；鄭勇等，2013；王衛(wèi)民等，2013），構建有限斷層隨機模型，模擬蘆山地震近斷層強地面運動，進而通過強地震動與烈度的轉換關系給出模擬的烈度分布圖，從而更加合理且直觀地闡明蘆山、寶興等地區(qū)人員傷亡及建筑物破壞的原因.

2 方法

隨機模型的震源理論模型為Brune在1970年首次提出的垂直斷層面輻射剪切波的震源模型（Brune，1970，1971）；Boore（1983）在前人的工作基礎上，給出了隨機點源模型，實現了對地震動時程及反應譜的估計.隨機方法中點源模型通常把一個場地的地震動傅里葉譜定義為震源（S），路徑傳遞函數（P），場地傳遞函數（G），以及地震動類型轉換函數（I）的乘積，即

圖1 蘆山地震主震位置及其余震分布情況，紅色震中位置為蘆山地震及ML3.0級及以上余震震中分布，截止2013年11月30日Fig.1 Locations of main shock（red）and aftershocks（blue）of Lushan earthquake from 04－20－2013to 11－30－2013

上式中震源S為地震矩M0和頻率f的函數，路徑傳遞函數P為震源距R和f的函數，場地傳遞函數G和轉換函數I均為f的函數.Motazedian和Atkinson（2005）在動力學拐角頻率（dynamic corner frequency）概念的基礎上，對有限斷層隨機振動模型進行了改進，即給出了修正的有限斷層隨機振動模型（Stochastic Finite－Fault Model，簡寫SFFM），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現象，基于動力學拐角頻率的SFFM的總輻射能對于各種大小的子斷層都是相同的，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，Motazedian和Atkinson（2005）建議可以使用1km大小的子斷層.

3 研究區(qū)域和模型構建

表1中列出了國內外權威地震測定機構給出的地震位置和震源機制解參數.現有震源機制均表明，蘆山地震為逆沖事件，斷層面上滑動位移分布較集中，本文綜合了三個研究小組的斷層面上的滑動位移分布，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，隨機疊加而成的斷層面上的滑移分布遵從k－2模型（Zeng and Anderson，1996），進而完成對斷層破裂過程的運動學描述（圖2）（張勇等，2013；鄭勇等，2013；王衛(wèi)民等，2013）.因此，一旦確定斷層面上的滑動位移分布，便可以用來構建有限斷層模型，進而模擬近斷層區(qū)域的強地面運動，基于以上方法，作者在針對2008年汶川MS8.0地震的強地面運動模擬計算中，取得了與實測記錄一致性較高的結果（孟令媛和史保平，2011）.

圖2 研究小組給出的蘆山地震斷層面上滑動分布情況，模型編號參見表2Fig.2 Slip distributions of Lushan earthquake for different research groups，the model number same as in Table 2

三個研究小組給出的斷層面上滑動位移的分布結果（圖2a，2b，2c）在斷層長度、震源起始破裂位置及滑動位移的分布形態(tài)均存在細節(jié)上的差別，但均表明該地震為自震中分別向西南和東北方向傳播的雙側破裂（表2），圖2d為本研究給出的斷層面上滑動位移上的分布結果.基于圖2d構建有限斷層模型，模擬蘆山地震發(fā)震斷層周圍近斷層區(qū)域的強地面運動，由于地震波在地殼中的傳播模型包括幾何衰減函數和滯彈性衰減函數，且?guī)缀嗡p函數通常采用與距離成反比的關系，本文在構建隨機振動模型過程中根據華衛(wèi)等（2009）給出的龍門山地區(qū)品質因子與頻率的相關衰減關系，詳細的輸入參數詳見表3.

表1 研究機構給出的蘆山地震震源參數Table 1 Source parameters of the Lushan earthquake for different institutes

表2 研究小組給出的蘆山地震斷層面上滑動分布情況Table 2 Slip parameters of the Lushan earthquake for different research groups

表3 蘆山地震強地面運動模擬計算的基本輸入參數Table 3 The input parameters for simulation of strong ground motion of Lushan earthquake

4 計算結果

蘆山地震的震中位于30.3°N，103.0°E，參照發(fā)震斷層的展布情況，選擇經緯度范圍為102.0°E—104.0°E、29.5°N—31.5°N 的矩形區(qū)域作為模擬區(qū)域，模擬計算的網格點間距為0.05°，在約44000km2范圍的模擬區(qū)域上一共計算41×41＝1681個特征點，主要計算了這些特征點的質點加速度和速度，并提取加速度和速度的峰值，進而基于強地震動與烈度的轉換關系給出模擬的烈度分布圖.

烈度通常是通過對震區(qū)實際調查獲取的震害資料，由于地震發(fā)生后的影響區(qū)域很大，往往是震后一段時間才能給出現場的震害調查的烈度分布圖.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之間的轉換關系，一方面可以在地震發(fā)生的初期快速地獲取地震烈度分布特征，另一方面則可以結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.同樣的，由于現有的強震觀測數據相對缺乏，甚至有些地區(qū)并未設立強震觀測臺站，一旦地震發(fā)生，很有可能出現強震觀測數據空白的實際困難.本研究應用 Wald等（1999）給出的PGA（PGV）和烈度（IMM）的經驗關系：

依據上式，將計算所得到的地表水平PGA（PGV）轉換為相應的地震烈度值.其中PGA單位為cm／s2，PGV的單位為cm／s，IMM為場地的烈度.

圖3給出的是蘆山地震的模擬烈度分布圖，圖4為中國國家地震局發(fā)布的初步實測烈度分布圖（中國地震局，2013）.本研究應用發(fā)震斷層面上滑動位移分布的綜合影響，構建有限斷層模型，模擬蘆山地震震中及發(fā)震斷層周圍強地面運動的分布情況，基于式（2）將強地面運動的分布轉換為更為直觀的模擬烈度分布圖.將本研究給出的烈度模擬結果，極震區(qū)烈度為IX級，距離震中及發(fā)震斷層位置最近的特征城市蘆山，其為IX級區(qū)，相對較近的寶興和天全處在VIII—IX級區(qū)，周邊距離震中和發(fā)震斷層相對較遠的大邑、邛城等特征城市均處在VI級區(qū)，距離相對最遠的夾江處在V—VI級區(qū)，總體模擬烈度在VI級及以上的地區(qū)范圍超過16000km2.

圖3 蘆山地震模擬烈度分布圖Fig.3 Simulated intensity map of MS7.0Lushan earthquake

圖4 是基于蘆山地震后中國地震局調集300多名技術人員在震區(qū)針對360個調查點和231個抽樣點進行實測災害調查給出的結果，實測烈度圖中最大烈度為IX級，等震線長軸呈北東走向分布，VI級區(qū)及以上級區(qū)總面積為18682km2；IX級區(qū)范圍為，東北自蘆山縣太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)以北，西南至蘆陽鎮(zhèn)向陽村；VIII級區(qū)范圍為，東北自蘆山縣寶盛鄉(xiāng)漆樹坪村，西南至天全縣興業(yè)鄉(xiāng)，西北自寶興縣靈關鎮(zhèn)，東南至名山城區(qū)；VII級區(qū)范圍為，東北自蘆山縣大川鎮(zhèn)，西南至滎經縣龍蒼溝鎮(zhèn)崗上村，西北自天全縣紫石鄉(xiāng)，東南至洪雅縣漢王鄉(xiāng)；VI級區(qū)范圍為，東北自大邑縣新場鎮(zhèn)李家山村，西南至甘洛縣兩河鄉(xiāng)，西北自瀘定縣嵐安鄉(xiāng)，東南至丹棱縣楊場鎮(zhèn).

對比圖3和4，模擬烈度圖與實測的烈度圖在分布特征、最大烈度值及主要城市的烈度上一致程度均較高.模擬烈度圖計算的經緯度范圍約為44000km2，計算的網格點個數1681個，應用SFFM模型針對網格點進行逐一計算，單個PC機需要約60min就可以給出計算區(qū)域內所有網格點的強地面運動的模擬時程曲線圖，進一步提取每一個特征點的PGA和PGV，基于式（2）給出模擬烈度分布圖.

5 結論與討論

2013年蘆山MS7.0地震發(fā)生后，王衛(wèi)民等（2013）根據單一破裂過程及Boore（1983）的點源模型初步給出了理論烈度計算圖，其結果表明，極震區(qū)主要在蘆山附近，最大烈度在X—XI之間.蘆山地震的發(fā)震斷層約為35km，為逆沖型機制，斷層面上滑動集中區(qū)主要在震中周圍區(qū)域，滑動位移的分布模式較為簡單（圖2）.實際上，近斷層區(qū)域的強地面運動的高頻成分較多，極震區(qū)的烈度展布受到斷層長度及走向的影響，因此，蘆山地震受到破壞的區(qū)域相對集中，且主要分布在震中位置及斷層破裂面在地表的投影區(qū)域，且其烈度的極值區(qū)域主要在蘆山和寶興一帶（圖3、圖4）.圖3中給出的基于強地面運動模擬結果的烈度分布圖集中分布在蘆山、寶興一帶，與實測烈度一致程度較高，二者的極震區(qū)最大烈度值均為IX級，并與災區(qū)人員傷亡的分布情況也較為一致（中國地震局，2013）.

圖4 蘆山地震實測烈度分布圖（截自2013年4月27日中國地震局正式公布的蘆山地震烈度圖）Fig.4 Observation intensity map of MS7.0Lushan earthquake（Based on the observed intensity Map published by China Earthquake Administration）

房立華等（2013）通過對蘆山地震及余震序列重定位的結果指出，蘆山地震余震展布長度約為35km，寬度約為16km，余震序列優(yōu)勢深度范圍在10～20km之間，震源深度剖面顯示斷層面向北西傾斜，淺部傾角教陡，深部略緩，表現為“鏟形”逆沖斷層的特征.沿“鏟形”逆沖斷層兩側，上盤的同震變形遠遠大于其對下盤的同震形變，由此地震發(fā)生后上盤地殼的破壞程度會遠遠大于其對下盤的破壞，進一步表現在地表，地震對斷層上盤地面建筑物的破壞程度也會比下盤嚴重.這一點與圖3、圖4中的結果同樣具有一致性，參照圖1，處于下盤的雅安和名山相對于處于上盤的天全和寶興，其二者的地震烈度及破壞程度也相對較輕.

實際上，強地面運動是震源破裂過程、地震波在介質中傳播過程及場地效應3個物理過程組成的一種復雜的物理結果，能夠反映地震尤其是強烈地震近場區(qū)域地面振動的大小和強弱.在模擬強地面運動的過程中，震源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過程影響最大，可以根據淺源地震的滑動分布特征提取地震的平均特征，但由于極震區(qū)缺乏相應的強震觀測記錄，因此往往無法驗證具體哪一個滑動模型更接近于實際情況（孟令媛等，2013）.

盡管如此，強地面運動的預測計算通常被應用于工程地震領域及強烈地震發(fā)生后地震動圖（ShakeMap）的生成.理想情況下，可靠的地震動圖是對密集的強震臺網觀測結果進行插值得到的，這就需要震區(qū)具有密集的遙測強震臺網覆蓋，蘆山地震震中周邊區(qū)域尚不具備這樣的條件.因此地震發(fā)生后，在已知破裂過程和發(fā)震斷層面上滑動位移分布的情況下，可以對強地面運動的分布情況及烈度分布圖進行估算.

目前，包括中國地震局和美國地質調查局在內的地震信息權威發(fā)布機構，都會在確定震中位置后，基于點源模型（Boore，1983）初步給出強烈地震的ShakeMap.盡管點源模型不考慮斷層的具體長度及斷層面上的破裂過程和滑動位移的分布情況，且給出的結果也相對粗糙，但其優(yōu)勢在于快速.2010年玉樹MS7.1地震發(fā)生后，許力生等（2010）基于反演遠場波形得到的震源破裂過程，利用Crust2.0提供的玉樹當地地殼模型，震后快速模擬計算了近斷層強地面運動，并第一時間解釋了玉樹縣城受到嚴重破壞的主要原因.

本文中給出的圖3為基于有限斷層模型計算強地面運動進而給出的模擬烈度分布圖，優(yōu)勢在于建模過程綜合考慮震源機制、斷層幾何特征及斷層面上滑動位移的分布特征，計算快速，結果直觀.地震發(fā)生后，一旦震源參數及斷層面上滑動位移分布情況大體確定，便可以快速給出模擬結果，用以指導震后的震情判定及救災工作.實際操作時，如果采用配置高的計算機設備并采用區(qū)域化整體計算，可以將計算效率大大提高，大概需要10min.許力生等（許力生等，2010）指出，快速的強地面運動估計對于震后救援有著重要的意義.不僅如此，考慮到大眾對地震烈度概念的熟悉及接受的容易度，快速地估計地震烈度分布同樣具備重要的實用價值.

致謝 本文在成稿過程中，史保平教授、蔣海昆研究員和張永仙研究員給予了有益的指導與幫助，作者謹表謝意.

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