基于ShakeMap_CNST的2014年云南魯?shù)镸S6.5地震震動(dòng)圖研究①

劉　軍,孫甲寧,宋立軍,譚　明,代博洋,何金剛

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.云南省地震局,云南 昆明 430071)

?

基于ShakeMap_CNST的2014年云南魯?shù)镸S6.5地震震動(dòng)圖研究①

劉軍1,孫甲寧1,宋立軍1,譚明1,代博洋2,何金剛1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.云南省地震局,云南 昆明 430071)

分析了2014年8月3日云南魯?shù)?.5級(jí)地震的發(fā)生背景及震害特征,介紹了ShakeMap_CNST震動(dòng)圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)原理及地震動(dòng)參數(shù)的校正方法,并將其應(yīng)用于魯?shù)?.5級(jí)地震的震動(dòng)圖預(yù)測(cè)中,進(jìn)一步分析了震區(qū)場(chǎng)地條件對(duì)局部震害的影響。結(jié)果表明,震動(dòng)圖預(yù)測(cè)的地震動(dòng)特征與現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查的結(jié)果總體上是相適應(yīng)的,最后對(duì)震動(dòng)圖系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

魯?shù)?.5級(jí)地震; 震動(dòng)圖; ShakeMap_CNST; 地震動(dòng)預(yù)測(cè); 烈度

0　引言

2014年8月3日16時(shí)30分10秒,云南省魯?shù)榭h(27.1°N,103.3°E)發(fā)生M6.5地震。地震造成云南省昭通市魯?shù)榭h、巧家縣、昭陽區(qū)、永善縣及曲靖市會(huì)澤縣[1]共55個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受不同程度的破壞,617人死亡、112人失蹤、3 143人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失2 357 810萬元*云南省地震局.2014年8月3日魯?shù)?.5級(jí)地震災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估報(bào)告.2014.。

震區(qū)處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))涼山—滇東臺(tái)褶帶(Ⅱ級(jí))的滇東北臺(tái)褶束(Ⅲ級(jí))內(nèi),區(qū)內(nèi)發(fā)育NE向、近SN向和NW向多組斷裂構(gòu)造,其中NE向的蓮峰—昭通斷裂帶為本區(qū)主體構(gòu)造[2](圖1)。此斷裂帶是由昭通—魯?shù)?、蓮峰兩條斷裂帶組成的以擠壓逆沖為主的區(qū)域性大斷裂,是大涼山次級(jí)活動(dòng)塊體的南部邊界。

圖1　魯?shù)檎饏^(qū)地震構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1　Seismotectonic map of Ludian earthquake area

此次6.5級(jí)地震發(fā)生在昭通—魯?shù)閿嗔雅c包谷垴—小河斷裂的交匯部位,據(jù)震源機(jī)制解、余震分布、地震烈度等震線長軸方向及野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析,其發(fā)震構(gòu)造應(yīng)為包谷垴—小河斷裂。

1　ShakeMap_CNST震動(dòng)圖系統(tǒng)

ShakeMap_CNST震動(dòng)圖能描繪震后災(zāi)區(qū)地震動(dòng)的空間分布,顯示地震產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)和可能的烈度破壞影響范圍,包括PGA (峰值地面加速度)等值線圖、PGV (峰值地面速度)等值線圖和烈度分布圖,其中震區(qū)烈度值I由PGA和PGV擬合的回歸關(guān)系的范圍在《中國地震烈度表》(GBT 17742-2008)中有明確定義。

1.1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

工程場(chǎng)地條件對(duì)震害和地震動(dòng)有明顯的影響,在震后災(zāi)情研判和輔助決策中發(fā)揮積極作用[3],對(duì)地震災(zāi)區(qū)場(chǎng)地類別的劃分有利于判別震害是否因場(chǎng)地條件而加劇,在宏觀上能為地震災(zāi)情的規(guī)模和應(yīng)急救援提供指導(dǎo)意見。

ShakeMap_CNST震動(dòng)圖系統(tǒng)考慮了場(chǎng)地效應(yīng)對(duì)PGA、PGV的影響,但需準(zhǔn)備震區(qū)的場(chǎng)地分區(qū)數(shù)據(jù)。本文vS30分類的邊界值依據(jù)NEHRP的場(chǎng)地分類劃分。為了提高分辨率,需進(jìn)一步對(duì)波速邊界值進(jìn)行細(xì)分,并且當(dāng)該坡度范圍內(nèi)的坡度值的格點(diǎn)處為指定波速值時(shí)可通過線性插值完成相關(guān)計(jì)算。ShakeMap_CNST震動(dòng)圖系統(tǒng)還需準(zhǔn)備一套用于計(jì)算震區(qū)理論地震動(dòng)參數(shù)的公里格網(wǎng)數(shù)據(jù),也可以視實(shí)際需求,加大格網(wǎng)數(shù)據(jù)密度。

1.2設(shè)計(jì)思路

ShakeMap_CNST震動(dòng)圖系統(tǒng)獲取地震震源參數(shù)后,根據(jù)震級(jí)大小確定不同的衰減關(guān)系模型,再根據(jù)歷史強(qiáng)震記錄擬合的地震動(dòng)衰減關(guān)系模型估計(jì)出影響區(qū)域內(nèi)各公里格網(wǎng)點(diǎn)的PGA值,然后通過場(chǎng)地放大系數(shù)對(duì)PGA值數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,最后結(jié)合《中國地震烈度表》對(duì)其烈度進(jìn)行轉(zhuǎn)化并成圖(圖2)。

本研究在選擇衰減模型時(shí),參考國內(nèi)外許多研究者提出的諸多參考模型,根據(jù)地震發(fā)震構(gòu)造和加速度記錄資料分布情況,選擇了霍俊榮提出的模型[4],該模型的形式為:

lg Y(M,R)=C1+C2M+C3lg[R+R0(M)]+δ

(1)

在上述衰減關(guān)系模型基礎(chǔ)上,利用崔建文關(guān)于云南地區(qū)分區(qū)擬合的Ⅰ區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系[5]:

長軸:lgPGA=0.046 1+0.830 0M+(0.885 7+0.198 0M)lg(R+20)

(2)

短軸:lgPGA=0.287 0+0.773 8M+(0.838 9+0.189 8M)lg(R+18)

(3)

lnPGV=0.435 6lnPGA-4.394

(4)

圖2　ShakeMap_CNST震動(dòng)圖系統(tǒng)流程圖Fig.2　Flow chart of ShakeMap_CNST system

為客觀地反映震區(qū)地震動(dòng)特征分布,獲取震區(qū)土層的放大系數(shù),采用Borcherdt依賴于振幅和頻率的放大系數(shù)[6],計(jì)算出短周期(0.1～0.5 s)和中周期(0.4～2.0 s)4個(gè)加速度輸入檔下地震動(dòng)參數(shù)的放大系數(shù)。

2　魯?shù)?.5級(jí)地震震動(dòng)圖

根據(jù)地球物理所CAP方法的矩張量反演結(jié)果顯示,此次6.5級(jí)地震發(fā)生在昭通—魯?shù)閿嗔雅c包谷垴—小河斷裂的交匯部位。據(jù)震源機(jī)制解、余震分布、地震烈度等震線長軸方向及野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析,此次地震的發(fā)震構(gòu)造應(yīng)為包谷垴—小河斷裂,其為左旋走滑型地震,系統(tǒng)確定主軸方向?yàn)殚L軸NNW走向。在為本次地震快速生成震區(qū)烈度圖的過程中,應(yīng)用云南地區(qū)場(chǎng)地條件分區(qū)數(shù)據(jù)與不同場(chǎng)地條件放大參數(shù)。再考慮震中位置、地震震級(jí)、震區(qū)構(gòu)造背景、震源機(jī)制等因素,根據(jù)云南地區(qū)地震動(dòng)衰減經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估計(jì)方法計(jì)算震中地區(qū)基巖面的PGA和PGV地震動(dòng)參數(shù)結(jié)果,并結(jié)合局部場(chǎng)地效應(yīng)的影響及由Borcherdt提供的場(chǎng)地放大系數(shù),用理論基巖上的PGA、PGV地震動(dòng)參數(shù)分布通過場(chǎng)地放大校正到相應(yīng)土層地表上[7],計(jì)算得到魯?shù)?.5級(jí)地震及周邊地區(qū)的PGA和PGV,再根據(jù)本次地震強(qiáng)震臺(tái)站實(shí)際PGA、PGV地震動(dòng)觀測(cè)值,采用距離加權(quán)插值法對(duì)以震區(qū)強(qiáng)震臺(tái)站為中心30 km×30 km范圍內(nèi)公里格網(wǎng)點(diǎn)的PGA、PGV值進(jìn)行重新計(jì)算。在計(jì)算地震動(dòng)參數(shù)過程中,以加大實(shí)際觀測(cè)地震動(dòng)值權(quán)重來發(fā)揮震區(qū)強(qiáng)震臺(tái)站的效能,得到重新計(jì)算后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的地震動(dòng)值來繪制等值線[8]。云南強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中81個(gè)臺(tái)站成功獲取了此次地震的記錄,而魯?shù)辇堫^山鎮(zhèn)財(cái)政所強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)為獲取本次地震記錄最近的臺(tái)站,震中距4.4 km,其場(chǎng)地為基巖,記錄到的水平向加速度峰值達(dá)948.5 gal[9]。儀器記錄對(duì)應(yīng)烈度為Ⅷ度,震中距≤50 km或PGA≥10 cm·s-2的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站如表1所列[10]。

表1　魯?shù)?.5級(jí)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)記錄

根據(jù)前人研究結(jié)果[11]L當(dāng)?shù)卣鹆叶菼<Ⅶ時(shí)使用峰值加速度,而I>Ⅶ時(shí)使用峰值速度來確定效果比較理想。本系統(tǒng)在計(jì)算中首先利用《中國地震烈度表》對(duì)應(yīng)PGA的關(guān)系來計(jì)算烈度I,如果校正后的網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算的PGA的烈度值大于等于Ⅶ即90 gal,系統(tǒng)將自行切換到采用PGV的衰減關(guān)系來計(jì)算該點(diǎn)的烈度值,本次產(chǎn)出的地震震動(dòng)圖如圖3所示。

根據(jù)巧家縣水文資料顯示,老店鎮(zhèn)、包谷佬鄉(xiāng)及新店鎮(zhèn)三角地帶的地下水埋深平均約1.3 m,該區(qū)域構(gòu)造巖主要為松散的斷層角礫巖,局部地區(qū)由細(xì)粉砂和高含水量的可塑黃土構(gòu)成,根據(jù)白鶴灘電站鉆孔資料分析及新店鎮(zhèn)東南實(shí)測(cè)資料計(jì)算得出本區(qū)域場(chǎng)地土層的平均等效剪切波速,依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2010)》表4.1.6中土層等效剪切波速對(duì)應(yīng)場(chǎng)地覆蓋層厚度的雙參數(shù)法確定場(chǎng)地類別。巧家縣東部地區(qū)vS30的平均剪切波速為512 m/s,為C類場(chǎng)地。該區(qū)會(huì)澤迤車太臺(tái)及巧家馬樹強(qiáng)震臺(tái)站PGA記錄在105～123 gal具有優(yōu)勢(shì)分布,而C類場(chǎng)地對(duì)PGA具有一定放大效應(yīng)。由圖3可以看出,本次地震烈度Ⅶ度區(qū)分布西部地區(qū)影響范圍明顯較大,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告結(jié)果顯示巧家縣東部地區(qū)老店鎮(zhèn)、新店鎮(zhèn)至小河鎮(zhèn)房屋破壞較為嚴(yán)重,即Ⅵ度區(qū)影響范圍較大,可見根據(jù)震動(dòng)圖預(yù)測(cè)的本次地震的地震動(dòng)特征與現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查的結(jié)果是相適應(yīng)的。

圖3　魯?shù)?.5級(jí)地震震動(dòng)圖 Fig.3　Shake Map of Ludian MS6.5 earthquake

3　結(jié)語

破壞性地震發(fā)生后,震動(dòng)圖系統(tǒng)能為地方政府和應(yīng)急主管部門提供災(zāi)區(qū)地表震動(dòng)特征和烈度估計(jì)信息,為研究地震預(yù)期破壞情況及災(zāi)區(qū)開展應(yīng)急救援提供幫助,輔助地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查人員進(jìn)行損失估計(jì)工作。當(dāng)然,震動(dòng)圖系統(tǒng)的應(yīng)用也具有一定局限性,如在魯?shù)?.5級(jí)地震中由于臺(tái)站布局相對(duì)稀疏,臺(tái)站間距較大,使得實(shí)際記錄數(shù)據(jù)間隙比較大,需采用空間插值算法來完成地表震動(dòng)的分布,這在小范圍研究中會(huì)有明顯的誤差。其次,由震動(dòng)圖得到的烈度值是由歷史地震的地震動(dòng)衰減關(guān)系擬合得到的,與真實(shí)烈度分布有一定差距,地震動(dòng)衰減關(guān)系的選取需要盡量考慮本地的衰減特征,震動(dòng)圖需要和強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果相結(jié)合并對(duì)烈度圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正,以期能在地震應(yīng)急和防震減災(zāi)工作中發(fā)揮顯著的成效。

References)

[1]盧永坤,張建國,宋立軍,等.2014年云南魯?shù)?.5級(jí)地震烈度分布與房屋震害特征[J].地震研究,2014,37(4):549-557.

LU Yong-kun,ZHANG Jian-guo,SONG Li-jun,et al.Analysis on Intensity Distribution and Seismic Disaster Characteristics of Buiding of Yunnan Ludian MS6.5 Earthquake in 2014[J].Journal of Seismological Research,2014,37(4):549-557.(in Chinese)

[2]張勇,許力生,陳運(yùn)泰,等.2014年8月3日云南魯?shù)镸W6.1(MS6.5)地震破裂過程[J].地球物理學(xué)報(bào),2014,57(9):3052-3059.

ZHANG Yong,XU Li-sheng,CHEN Yun-tai,et al.Rupture Process of the 3 August 2014 Ludian Yunnan MW6.1 (MS6.5)Earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2014,57(9):3052-3059.(in Chinese)

[3]劉軍,宋立軍,胡偉華,等.新疆地區(qū)場(chǎng)地條件分區(qū)及其矢量化[J].內(nèi)陸地震,2014,28(1):70-74.

LIU Jun,SONG Li-jun,HU Wei-hua,et al.Zoning and Vectorization of Site Condition in Xinjiang[J].Inland Earthquake,2014,28(1):70-74.(in Chinese)

[4]霍俊榮,胡聿賢.地震動(dòng)峰值參數(shù)衰減規(guī)律的研究[J].地震工程與工程振動(dòng),1992,21(2):129-136.HUO Jun-rong,HU Yu-xian.Research on Vibration Attenuation Law of Peak Ground Motion Parameters[J].Earthquake Engineering and Engineering,1992,21(2):129-136.(in Chinese)[5]崔建文,李世成,高東,等.云南分區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系程[J].地震研究,2006,29(4):386-391.

CUI Jian-wen,LI Shi-cheng,GAO Dong,et al.Ground Motion Attenuation Relation in Yunnan Area[J].Journal of Seismological Research,2006,29(4):386-391.(in Chinese)

[6]Borcherdt R D.Estimates of Site—Dependent Response Spectra for Design (Methodology and Justifieation)[J].Earthquake Spectra,1994,10:617-654.

[7]盧育霞,石玉成,萬秀紅,等.近地表速度結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)地強(qiáng)地震動(dòng)特征的影響[J].地震工程學(xué)報(bào),2014,36(4):813-819.

LU Yu-xia,SHI Yu-cheng,WAN Xiu-hong,et al.Influence of Near-surface Velocity Stucture on Site Characteristics of Strong Ground Motion[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(4):813-819.(in Chinese)

[8]李偉,李山有,盧緒強(qiáng),等.地震動(dòng)等值線生成方法研究[J].世界地震工程,2008,24(4):42-46

LI Wei,LI Shan-you,LU Xu-qiang,et al.Study on the Generation of Isoline of Earthquake Ground Motion[J].World Earthquake Engineering,2008,24(4):42-46.(in Chinese)

[9]崔建文,劉瓊仙,段建新,等.2014年云南魯?shù)?.5級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)記錄及初步分析[J].地震研究,2014,37(4):542-548.

CUI Jian-wen,LIU Qiong-xian,DUAN Jian-xin,et al.Strong-motion Recordings of MS6.5 Ludian Earthquake in Yunnan in 2014 and Their Preliminary Analysis[J].Journal of Seismological Research,2014,37 (4):542-548.(in Chinese)

[10]冀昆,溫瑞智,崔建文,等.魯?shù)镸S6.5級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)記錄及震害分析[J].震災(zāi)防御技術(shù),2014,9(3):325-338.

JI Kun,WEN Rui-zhi,CUI Jian-wen,et al.Observation of Strong Motion and Damage Investigation for MS6.5 Ludian Earthquake[J].Technology Earthquake Disaster Prevention,2014,9(3):325-338.(in Chinese)

[11]孫麗娜,王曉山,楊家亮,等.震源機(jī)制類型對(duì)近場(chǎng)峰值加速度(PGA)分布的影響——以唐山和汶川震區(qū)為例[J].地震工程學(xué)報(bào),2015,37(1):159-167.

SUN Li-na,WANG Xiao-shan,YANG Jia-liang,et al.Influence of Focal Mechanism Types on the Near-field Distribution of Peak Ground Acceleration——Case Study of Tangshan and Wenchuan Earthquake Regions[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(1):159-167.(in Chinese)

ShakeMap Study of 2014 Ludian,Yunnan MS6.5 Earthquake Based on ShakeMap_CNST

LIU Jun1,SUN Jia-ning1,SONG Li-jun1,TAN Ming1,DAI Bo-yang2,HE Jin-gang1

(1.Earthquake Administration ofXinJiangUygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China;2.Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)

In this study,we applied the ShakeMap_CNST system,which considers the epicenter location,earthquake magnitude,seismic tectonic background,and focal mechanism,for the rapid prediction of the ground motion spatial distribution of the Ludian,Yunan 6.5 earthquake of August 3,2014.Using a method for estimating the seismic motion attenuation relationship in the Yunnan area,we calculated the PGA and PGV values of the bedrock surface in the epicenter area.Based on the observation results of strong ground motion by the stations and by using the distance weighted interpolation method,we recalculated the PGA and PGV values as being in the range of 30×30 km2around the stations.In the calculation process of the seismic ground motion parameters,we increased the weight of the actual observation data to recalculate the ground motion data of each grid node and then drew a seismic intensity map.From the map,we can see that the scope of the VII-degree zone was obviously larger than originally believed.The field survey results also show that the houses were damaged more seriously in the towns of Laodian,Xindian,and Xiaohe,which are located in the eastern part of Qiaojia county in which earthquake damage was more significant.Therefore,the spatial distribution characteristics of the ground motion predicted by this system are consistent with field survey results.

Ludian 6.5 earthquake; ShakeMap; ShakeMap_CNST; seismic motion prediction; intensity

2015-07-29

中國地震局“三結(jié)合”課題(163101);地震星火計(jì)劃項(xiàng)目(XH2015044Y)

劉軍(1982-),男,碩士,高級(jí)工程師,主要從事地震應(yīng)急與災(zāi)害學(xué)相關(guān)研究。E-mail:liujun_eq@sina.com。

P315.9

A

1000-0844(2016)04-0647-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0647