2014年2月12日新疆于田地震強地面運動初步模擬及烈度預(yù)測

張振國，張偉，孫耀充，朱耿尚，文健，陳曉非＊

1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地震學(xué)與地球內(nèi)部物理實驗室，合肥 230026

3 蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，合肥 230026

1 引言

2014年2月12日17時19分，新疆自治區(qū)和田地區(qū)于田縣發(fā)生了MS7.3級地震，震中位置為北緯36.1°，東經(jīng)82.5°，震源深度12km.初步推斷該地震的發(fā)震斷層為阿爾金斷裂帶西段，為帶NE向左旋走滑的正斷層地震（徐錫偉和于貴華，2014）.該地震震中距離人口稠密地區(qū)較遠，到目前為止尚未見到有關(guān)人員傷亡的報告，但是本次地震造成了7838人受災(zāi)（中國地震信息網(wǎng)，2014）.地震發(fā)生約2小時之后，中國地震局地球物理研究所張勇等人給出了于田地震運動學(xué)反演過程（張勇等，2014）.本文利用該震源運動模型模擬計算于田地震的近場強地面運動、計算出相應(yīng)的烈度分布圖，并在此基礎(chǔ)上評估與分析該地震的震害分布特征，為科學(xué)抗震減災(zāi)與后續(xù)恢復(fù)重建提供初步的科學(xué)依據(jù).

2 模型和方法

2.1 計算方法

地震災(zāi)害主要是由地震在地表形成的強地面運動造成的.根據(jù)物理學(xué)原理，地震的強地面運動是震源破裂過程產(chǎn)生的地震波傳達至地表所致.因此在已知震源破裂過程條件下，通過數(shù)值求解描述這一物理過程的彈性動力學(xué)基本方程，可以獲得地震波的傳播過程以及其在地表造成的強地面運動.由于該地震發(fā)生在地形變化顯著的地區(qū)，模擬計算必須能夠處理地形影響.為此本文采用曲線網(wǎng)格有限差分方法（Zhang and Chen，2006；Zhang et al.，2012）.該方法根據(jù)起伏地表建立曲線網(wǎng)格，并采用牽引力鏡像法來處理自由表面條件，使得該方法能夠準確的處理復(fù)雜地形問題.關(guān)于該方法的詳細介紹及在強地面運動模擬中的應(yīng)用可參考文獻（Zhang et al.，2008，Zhu et al，2013）.

圖1給出了計算區(qū)域及周邊地貌情況，其中黑色邊框代表計算區(qū)域，斷層在地表的投影用藍色框表示，紅色五角星為震源在地表的位置.整個計算區(qū)域尺度為400km×300km，深度為65km.

圖1 模擬計算區(qū)域以及周邊地形圖Fig.1 Topographic map of the simulation region and its vicinity

2.2 介質(zhì)模型

為了能夠快速模擬實際地震的強地面運動，我們需要構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫，包含感興趣的所有可能發(fā)生地震的地區(qū).如果有可能，最全面的數(shù)據(jù)庫應(yīng)該是針對整個地球.CRUST2.0（Bassin et al.，2000）是一個全球地殼模型，分辨率為2°×2°，即220km左右.盡管該模型空間分辨率比較低，但在全球范圍內(nèi)有覆蓋.對于未知地點的地震強地面運動快速模擬是一個初步選擇.如果我們對地震區(qū)域介質(zhì)有較好的了解，有更好分辨率的介質(zhì)模型，在后續(xù)的詳細的模擬中可以運用分辨率較高的模型以更真實模擬地震波場傳播.另外，我們用全球沉積層模型（分辨率為1°×1°）（Laske and Masters，1997）代替CRUST2.0中上層的沉積層.沉積層、地殼模型覆蓋在AK135地幔模型（Kennett et al.，1995）之上.

2.3 震源模型

于田地震之后，張勇等（2014）利用全球地震臺網(wǎng)遠震體波數(shù)據(jù)快速反演了該地震的震源破裂過程.該反演結(jié)果顯示，地震發(fā)生在一長85km、寬45km斷層面上，斷層出露到地表，走向242°，傾角78°.震中位置北緯35.922°，東經(jīng)82.558°，震源深度12.5km，矩震級為Mw6.9.斷層滑動出露到地表，地表附近的滑動較小，主要滑動集中在震中附近、沿斷層傾斜方向20km深度處，最大滑移量約為1.8m.

反演給出的震源模型中，子斷層的空間分辨率為5km×5km，空間采樣頻率是2，即間隔0.5s給定一個滑動速率.為了計算上的合理，我們將斷層面重采樣為2.5km×2.5km.由于張勇給出的震源模型中任意子斷層的滑動角隨時間是可變的，在空間重采樣中我們考慮到了這一因素，即在每個時間間隔上都對整個斷層面上的所有斷層的滑動速率進行插值.

3 強地面運動模擬結(jié)果

圖2 給出了于田地震模擬的Vx分量快照.紅色五角星代表震源模型中的震中位置（35.922°N，82.558°E），黑色矩形框表示地震斷層在地表的投影.

圖2 于田地震模擬速度波場快照Fig.2 Snapshots of simulated velocity field of Yutian earthquake

于田地震主要能量由位于震中附近下方的位錯產(chǎn)生，以水平走向錯動為主，因此在斷層垂向上產(chǎn)生了能量較強S波.由圖2（c－d）可以發(fā)現(xiàn)，地震波在斷層兩側(cè)存在不對稱性，即位于盆地一側(cè)的波場振幅比另外山區(qū)一側(cè)的要大.

圖3給出了由模擬計算得到的水平峰值速度（PGV－h(huán)），并根據(jù)《中國地震烈度表（GB／T 17742－2008）》計算的地震烈度分布.結(jié)果顯示該地震最大地震烈度為7度，位于震源模型中地表附近錯動較大區(qū)域.由于地震主要錯動發(fā)生在深部大約20km深度處，該地震對地表照成的破壞有限.于田縣城的烈度大約在5～6度之間.另外從烈度分布圖上可以看出，斷層西北方向的地震動要比另外一側(cè)強，這主要由兩個因素造成.一個原因是該地震斷層面朝西北傾斜，傾角為78°.地震上盤效應(yīng)使得地震能量在西北方向（上盤）要比東南方向（下盤）略大.另外一個方面是，地震波朝西北方向傳播一定距離之后進入塔里木盆地.地震波在相對低速結(jié)構(gòu)中傳播，振幅得到加強（圖2c－d），這一點在PGV－h(huán)中也得到體現(xiàn).

從烈度分布圖還可以看出，山峰地區(qū)的峰值速度比山谷地區(qū)偏大.這主要是地震波在山峰、山脊區(qū)域多次反射，振幅加強.Lee等（2008）以及Zhang等（2008）等研究詳細討論了起伏地表對地震波場傳播的影響.于田縣城北面的褶皺地區(qū)對地震動起到了放大作用，該放大作用主要是由于形態(tài)較為規(guī)則的褶皺地貌導(dǎo)致地震波的相干疊加所致.因而該褶皺地區(qū)的地震烈度較之周圍地區(qū)高出1～2度.

圖3 理論地震烈度圖分布Fig.3 Calculated seismic intensity map for the Yutian earthquake

4 初步結(jié)論

本文基于新疆于田地震運動學(xué)反演模型，并根據(jù)發(fā)震地區(qū)及鄰近地區(qū)的三維速度模型和地形數(shù)據(jù)，利用地震波模擬方法在地震發(fā)生之后及時模擬了該地震的近場地震波傳播.根據(jù)地震波場的模擬結(jié)果，計算了該區(qū)域內(nèi)的地震烈度分布.結(jié)果表明：總體上地震動在西北方向明顯比東南方向大，震中最大烈度略大于7度.除震中地區(qū)，盆地邊緣山區(qū)的山脊地震烈度較大.此外，于田縣城北面的褶皺地區(qū)地震烈度較大，接近6度.相比之下，震中距較近的于田縣城和民豐縣城的地震烈度僅為5度和4.5度.計算結(jié)果還顯示該地震本身主要能量釋放區(qū)域在深部因此對地表造成的破壞有限，這與目前尚無人員傷亡報告的情況相符合.

致謝 感謝中國地震局地球物理研究所張勇博士等人提供震源模型.

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附中文參考文獻

徐錫偉，于貴華.2014.新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣（北緯36.1°，東經(jīng)82.5°）7.3級地震發(fā)震構(gòu)造圖，http：／／www.eq－igl.ac.cn［2014－02－16］.

張勇，許力生，陳運泰.2014.2014年2月12日新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)于田縣7.3級地震（II）－地震破裂過程，http：／／www.ceaigp.ac.cn／tpxw／269361.shtml［2014－02－16］.

中國地震信息網(wǎng)，《新疆地震致新疆和田7838人受災(zāi)》，http：／／www.csi.ac.cn／publish／main／1／734／100660／100661／20140213141857195364796／index.html［2014－02－16］.