2012年5月28日唐山4.8級地震強(qiáng)地面運(yùn)動模擬

范 強(qiáng)，趙志遠(yuǎn)，楊彥明

（1.河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站,河北 隆堯 055350；2.河北省地震局,石家莊 050021；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010000）

0 引言

2012年5月28日10時22分52秒，在唐山市古冶區(qū)與灤縣交界（39.7°N，118.5°E）發(fā)生4.8級地震，震中烈度為Ⅴ度，震源深度8 km，唐山轄區(qū)震感強(qiáng)烈，北京、天津、遼寧、內(nèi)蒙古部分地區(qū)震感較強(qiáng)[1]。這次地震是1976年唐山大地震近36年后的一次中強(qiáng)地震，引起了社會的廣泛關(guān)注。謝祖軍等[2]利用Hypo2000絕對定位法確定該地震的震中位置，同時采用CAP方法反演了該地震的震源機(jī)制解，李赫等[3]對該地震的震源機(jī)制解和震源深度進(jìn)行了精確測定。張杰卿等[4]從地震活動性的角度對該地震進(jìn)行了分析，賈曉輝等[5]分析了該地震的強(qiáng)震動記錄特征。本文采用謝祖軍等[2]對唐山4.8級地震反演得到的震源參數(shù)，建立點(diǎn)源模型，模擬計算唐山4.8級地震的強(qiáng)地面運(yùn)動分布特征，并與該地震周邊臺站的波形記錄進(jìn)行對比，為唐山地區(qū)抗震設(shè)防參數(shù)的設(shè)定，重要工程的選址規(guī)劃、烈度分布的確定和人員傷亡情況的預(yù)評估等提供參考依據(jù)。

1 地震地質(zhì)背景

唐山地區(qū)位于河北平原地震構(gòu)造帶北段，該地震構(gòu)造帶北起灤縣、盧龍地區(qū)，向西南經(jīng)過唐山、寧河、河間、辛集、寧晉、邯鄲等地區(qū)，最后到達(dá)磁縣。唐山地區(qū)的斷裂帶展布以NE向?yàn)橹?，例如穿過唐山市區(qū)的唐山斷裂帶，唐山斷裂帶規(guī)模較大，具右旋走滑性質(zhì)，位于豐臺-野雞坨斷裂、寧河-昌黎斷裂、灤縣-樂亭斷裂和薊運(yùn)河斷裂圍成的菱形塊體中間。唐山4.8級地震發(fā)生在唐山斷裂帶上，震源機(jī)制解的一個節(jié)面走向與唐山斷裂帶走向一致，錯動方式以走滑為主。張杰卿等[4]發(fā)現(xiàn)震前2個月從天津漢沽到北京平谷快速形成一條NW走向的ML1.0以上小震條帶。

2 模型和方法

圖1展示了唐山地區(qū)的地貌情況，圖中的震源機(jī)制投影使用謝祖軍等[2]的反演結(jié)果（表1），顯示該地震震源破裂類型為走滑類型，黑色三角代表不同臺基的臺站位置。計算區(qū)域尺度為200 km×180 km，深度為40 km。

圖1 研究區(qū)域地形和臺站位置圖

表1 唐山4.8級地震震源參數(shù)表

采用曲線網(wǎng)格有限差分方法[6-7]快速模擬唐山4.8級地震的強(qiáng)地面運(yùn)動。該方法根據(jù)地表起伏建立曲線網(wǎng)格，并采用牽引力鏡像法來處理自由表面條件，從而能夠準(zhǔn)確地處理復(fù)雜地形問題。模擬選取SRTM-3地形數(shù)據(jù)，精度上接近1∶10 000地形圖生成的數(shù)字網(wǎng)格高程數(shù)據(jù)。圖1展示的計算區(qū)域北部為山區(qū)，南部為平原，地形起伏較大，這將對強(qiáng)地面運(yùn)動分布特征有較大影響。

速度模型對強(qiáng)地面運(yùn)動模擬結(jié)果有重要的影響。本文采用華北地區(qū)地殼-上地幔地震波速度結(jié)構(gòu)模型 VMNC2.0（簡稱V2.0）[8]，其水平分辨率為0.2°。V2.0模型包含了地殼和上地幔2部分，地殼部分模型包括沉積蓋層底界面、上地殼-下地殼分界面、Moho面深度分布以及分層等信息；上地幔模型部分包括巖石圈底界面深度，地幔過渡帶上、下界面深度和厚度等信息。研究區(qū)域內(nèi)的波速結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 計算區(qū)三維P波速度結(jié)構(gòu)模型

在水平方向以 12″×12″（x方向 281 m，y方向366 m）為單位劃分網(wǎng)格點(diǎn)，豎直方向根據(jù)研究程度和深度范圍的不同劃分不同精度的網(wǎng)格點(diǎn)，劃分方式為：①0～2 km，20個網(wǎng)格；②2～10 km，50個網(wǎng)格；③10～40 km，100個網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸隨深度增加而增大，網(wǎng)格劃分效果見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分效果圖

3 強(qiáng)地面運(yùn)動模擬結(jié)果

圖4給出唐山4.8級地震模擬的水平速度EW向分量VX快照，VX在7～42 s之間的快照，時間間隔為7 s。紅色三角形代表震源模型中的震中位置。圖中動態(tài)演示了VX在地表的傳播過程，圖中顯示的帶顏色的數(shù)值為地震波傳到該點(diǎn)時在地表的速度，定義該點(diǎn)速度與傳播方向一致為正值，與傳播方向相反為負(fù)值。從圖中可以看出，地震波呈圓形向四周擴(kuò)散，能量分布比較均勻，符合點(diǎn)源地震的特征。

圖4 唐山4.8級地震模擬速度波場快照

4 計算波形與不同臺基臺站記錄波形對比

為了檢驗(yàn)計算結(jié)果的可靠性，選取計算區(qū)域內(nèi)不同臺基的ZUH臺（基巖）、CLI臺（基巖與第四系覆蓋層過渡區(qū)）和SJT臺（第四系覆蓋區(qū)）3個臺站的唐山4.8級地震的波形記錄，去除數(shù)據(jù)的線性趨勢、均值和尖滅點(diǎn)，去除儀器響應(yīng)轉(zhuǎn)為速度記錄。將計算波形與3個臺站的波形記錄進(jìn)行對比，并初步分析波形特征。

4.1 基巖臺記錄對比

ZUH臺位于唐山4.8級地震北西方向100 km處，臺站記錄波形采用帶通濾波（圖5），通帶截止頻率為0.3 Hz，阻帶截止頻率0.7 Hz，中心頻率為0.5 Hz，帶寬為0.4 Hz。ZUH臺EW向P波初動與計算波形存在一定偏差，S波的初動位置對應(yīng)較好，計算波形的最大振幅與記錄波形的最大振幅接近。ZUH臺NS向的P波初動位置與計算波形存在偏差，S波動初動位置對應(yīng)較好。計算波形的最大振幅與記錄波形的最大振幅近似，相位有一定的偏差。ZUH臺垂直方向的P波初動位置對應(yīng)較差，S波的初至位置對應(yīng)得較好，計算波形的最大振幅是記錄波形最大振幅的近1倍。后續(xù)S波列的振幅變大，是記錄波形振幅的二分之一左右，相位有一定的偏差。

圖5 ZUH臺記錄波形與計算波形對比圖

4.2 過渡區(qū)臺站記錄對比

CLI臺位于唐山4.8級地震正東方向60 km處，臺站記錄波形采用帶通濾波（圖6），通帶截止頻率為0.3 Hz，阻帶截止頻率0.7 Hz，中心頻率為0.5 Hz，帶寬為0.4 Hz。CLI臺EW向的P波初動與計算波形對應(yīng)較好，S波的初至位置對應(yīng)存在偏差。計算波形的最大振幅遠(yuǎn)大于記錄波形的最大振幅，誤差較大，相位也存在一定偏差。CLI臺NS向的P波初動振幅較小，位置對應(yīng)不明顯，S波的初至位置對應(yīng)較好，計算波形的最大振幅略小于記錄波形的最大振幅，偏差不超過20%。CLI臺站垂直方向的P波初動與計算波形對應(yīng)較好，S波的初至位置對應(yīng)較好，計算波形的振幅明顯大于記錄波形振幅，偏差超過1倍。20 s之后的計算波形與臺站記錄波形對應(yīng)較好，但是相位有一定的偏差。CLI臺波形記錄存在偏差的原因可能與該臺處于基巖和第四系覆蓋的過渡區(qū)，波形傳播過程中受到不同介質(zhì)散射的影響有關(guān)。

圖6 CLI臺記錄波形與計算波形對比圖

4.3 第四系覆蓋區(qū)臺站記錄對比

SJT臺位于唐山4.8級地震西南方向115 km處，臺站記錄波形采用帶通濾波（圖7），通帶截止頻率為0.3 Hz，阻帶截止頻率為0.7 Hz，中心頻率為0.5 Hz，帶寬為0.4 Hz。SJT臺EW向的P波初動與計算波形對應(yīng)較好，S波的初至位置對應(yīng)也較好，計算波形的振幅小于記錄波形的振幅；計算波形振幅在32 s之后衰減為零，而臺站記錄波形的振幅則沒有衰減，有放大的趨勢。SJT臺NS向的P波初動與計算波形對應(yīng)較好，S波的初至對應(yīng)較差，計算波形的最大振幅小于記錄波形的最大振幅；計算波形在30 s之后的振幅快速衰減為零，而臺站記錄波形的振幅衰減緩慢。SJT臺垂直方向的P波初動位置對應(yīng)較好，S波的初至位置對應(yīng)較差，計算波形的最大振幅小于記錄波形最大振幅，偏差約為記錄波形最大振幅的二分之一；計算波形在32 s之后振幅衰減到零值附近，而臺站記錄波形的振幅不僅沒有衰減，還有放大的趨勢。SJT臺三個分量的記錄波形在35 s之后，與計算波形迅速衰減到零值附近不同，衰減非常緩慢，在東西和垂直方向上有放大的趨勢，推斷可能與該地區(qū)較厚的沉積蓋層引起的盆地放大效應(yīng)有關(guān)。

圖7 SJT臺記錄波形與計算波形對比

5 結(jié)論與討論

本文將曲線網(wǎng)格有限差分方法應(yīng)用到唐山4.8級地震的強(qiáng)地面運(yùn)動模擬中，得到VX波速在地表的快照圖，波場總體呈圓形向外傳播，能量分布比較均勻，符合點(diǎn)源地震的特征。為檢驗(yàn)?zāi)M計算的可靠性，將計算波形與不同臺基臺站記錄波形進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，計算波形和基巖區(qū)臺站記錄波形有較好的對應(yīng)性，P波、S波初至位置、相位和最大振幅都可以較好地對應(yīng)，證明模擬的結(jié)果是可靠的。計算波形與第四系覆蓋區(qū)和過渡區(qū)的臺站記錄波形對比的效果較差，P波和S波初至位置可以對應(yīng)，最大振幅和相位有較大偏差，計算波形在S波到達(dá)之后的能量衰減快于臺站記錄波形，尤其是第四系覆蓋區(qū)臺站，30 s之后的記錄波形振幅不但沒有衰減，而且還有放大的趨勢。這一現(xiàn)象說明在第四系覆蓋較厚的地區(qū)進(jìn)行強(qiáng)地震動模擬要考慮第四系地層的影響，而且對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響非常大。

致謝感謝陳曉非老師在文章選題和參考文獻(xiàn)上的指導(dǎo)，感謝張偉老師提供的計算程序，感謝李正波博士在程序調(diào)試和計算過程方面給予的極大幫助，感謝張振國博士在整個論文編寫過程中的答疑解惑。