我國近期地震烈度有關問題討論——以2013年蘆山7.0級地震為例

趙建明，張 民，楊雅瓊，王曉山，刁桂苓

（1.河北省地震局唐山中心臺，河北 唐山 063021；2.河北省灤縣地震局，河北 灤縣 063700；3.河北省地震局，石家莊 050021）

0 引言

地震烈度是地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。地震烈度的概念包括震害大小和地震動強弱雙重內涵，兩者之間并不存在簡單明確的物理關系。這種雙重性決定烈度不是一個嚴格且科學的物理概念，對于地震這種自然現象的宏觀觀察很難做出定量的描述，所以烈度評定是經驗性的而且具有不確定性。盡管烈度的用途廣泛，但是在科學性方面存在局限性。地震烈度表分別描述了人的感覺、器物響應、建筑破壞和地面破壞，都是定性的和模糊的指標。而用不同指標評定的烈度是否能順序排列反映地震動或震害的單調變化呢？況且根據破壞程度評定烈度必須考慮一定地域范圍內群體的平均破壞狀態(tài)。烈度評定很大程度上是一種經驗行為，在罕遇的多次大地震中能有成熟經驗的積累并非易事，何況，地震烈度評定也很難由少數專業(yè)技術人員完成［1］。

鑒于地震烈度分布圖會及時向社會公布，地面破壞和強震動的分析成果也會很快發(fā)表。結合蘆山主震的震源機制、破裂過程和序列震源分布進行對比研究，發(fā)現上述不同要素與烈度圖有顯著的不匹配狀況，需要查找異同及存在差異的原因，以便提出改善、解決的途徑。

1 剖析2013年4月20日蘆山7.0級地震

1.1 蘆山7.0級地震烈度分布

2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級強烈地震，造成196人死亡，11 470人受傷。地震發(fā)生后，中國地震局現場應急工作隊在地震災區(qū)開展災害調查評估工作，對21個縣（市、區(qū)）的房屋建筑、生命線工程、工礦企業(yè)等進行了現場調查。其中，災害調查包括360個調查點和231個抽樣點。綜合考慮現場調查、遙感震害解譯、強震觀測記錄等資料，編制出地震烈度圖。中國地震局在2013年4月26日發(fā)布了烈度圖［2］。極震區(qū)烈度為Ⅸ度，等震線長軸呈NE走向分布。

Ⅸ度區(qū)大多數房屋嚴重破壞，墻體龜裂，局部坍塌，復修困難，面積208km2，長半軸為11.5km，短半軸為5.5km，長短軸之比2.09。Ⅷ度區(qū)大多數房屋中等破壞，結構受損，需要修理，面積1 418 km2，長半軸為29km，短半軸為17.5km，長短軸之比1.66。Ⅶ度區(qū)大多數房屋輕度破壞，局部開裂，但不妨礙使用，面積4 029km2，長半軸為56km，短半軸為33km，長短軸之比1.70。Ⅵ度區(qū)大多數房屋個別磚瓦掉落、墻體微細裂縫。面積13 027km2，長半軸為95km，短半軸為64km，長短軸之比1.48。蘆山地震烈度分布呈橢圓形狀，從長軸來看，NE方向衰減快，SW 方向衰減慢；從短軸方向看，NW 和SE方向基本對稱。不同烈度區(qū)的長軸和短軸之比基本在1.5～2.0之間，比值相近。

1.2 峰值加速度（PGA）分布

地震烈度圖基本以地震造成的宏觀震害為依據來劃分烈度等級。但宏觀烈度表采用的是定性的標準，觀察者的主觀因素影響較大。如果能夠使用物理標準來評定烈度會更加科學，這種標準既要便于用儀器測定，又要同震害現象密切相關。一般認為地震引起的破壞是地震慣性的力量造成的，地面加速度決定其大小。

溫瑞智等［3］統計蘆山地震強震記錄的峰值加速度（PGA）及峰值速度（PGV），將PGA 和PGV 進行對數取值后再做插值計算，得到了EW、NS、CD 3個方向清晰的PGA 及PGV 對數等值線圖，圖2僅給出了PGA 的分布，存在多處異常點。顯然峰值加速度分布不像地震烈度圖（圖1）那樣規(guī)則，而且2個水平向較為顯著地表現出西部山區(qū)的等值線密集，也就是地震動在西部山區(qū)衰減要快于東部盆地地區(qū)，盆地軟弱土層體現了對于地震動的放大效應。雖然編制烈度圖也考慮了峰值加速度，圖1和圖2相互對比體現出二者差異較大。尤其是盆地軟弱土層得到放大效應幾近忽略，這種放大效應在烈度圖中沒有體現。

圖1 2013年4月20日蘆山7.0級地震烈度圖

圖2 蘆山地震PGA 自然對數等值線圖

1.3 震源機制和震源分布

一般認為，淺源地震是在構造運動積累的應力逐漸超過巖石的破裂強度時，在原來相對連續(xù)的介質中，從一個初始破裂點開始向一邊或向四周擴展，逐漸形成一個大的破裂面，擴展到一定程度時，破裂終止。在破裂的過程中，產生的地震波向四周傳播，造成對建筑物的破壞，可能在震源區(qū)留下永久形變。如果地震震源較淺，破裂擴展到地表面就可以看到明顯的斷層錯動現象。陳培善［4］綜合了哈斯克爾（N.A.Haskell）的有限長度的運動斷層模型和安藝敬一（K.Aki）的所謂ω2模型（用一個指數衰減函數作為位錯速度的自相關函數），略去了一些次要的因素和項，考慮了與烈度的聯系，建立了一個計算烈度分布的模型。

這樣一種震源模式，必然對烈度分布產生重要的影響。地震波能量的輻射具有方向性，大部分能量集中在破裂速度矢量的方向上，在其它方向能量分布則較少。對建筑物的破壞，尤其是S波則呈現一個近似于橢圓的輻射圖樣。如果破裂面為傾斜狀態(tài)，這時等震線可能在短軸方向出現不對稱的現象。如果破裂矢量不在水平方向，而是向下或者向上破裂，這時烈度可能會增高或者降低一些。走向滑動與傾向滑動2種破裂的等震線的“扁”、“圓”程度也不相同，走向滑動的顯得較“扁”，而傾向滑動的顯得較“圓”［5］。

實際的烈度分布，受許多因素的影響，使得其形狀各異。根據大量結果統計，可以定性地認為，地震烈度分布受震源機制和地質構造的影響最大。通常認為烈度分布受到發(fā)震構造（震源機制）的制約，強震序列震源位置在三維空間的分布，也是發(fā)震構造在地下深部的具體形態(tài)，余震多數發(fā)生在破裂面及其兩側巖體。1999年臺灣集集地震的震源機制以逆沖為主，兼有左旋走滑。斷層傾角30°左右，較小。研究表明，地震動分布的上盤效應與低傾角的逆走滑震源機制決定了其地面運動的分布特點［6］。在大震震源區(qū)附近的重大工程，由于強地面運動在斷層兩側的分布不均勻，簡單地用地震動衰減關系估計可能會出現較大的偏差。針對不同震源機制類型的地震動分布特征差異，劉啟方等［7］運用震源位錯模型，分析矩形垂直斷層及傾斜斷層走向滑動和傾向滑動的近場地震動場，以地表地震動的傅立葉振幅譜比為參量考察斷層附近地震動空間分布的特點。結果表明，高強度的地震動分布在緊靠斷層兩側有限的帶狀區(qū)域內，傾斜斷層產生的地震動有明顯的上盤效應，空間分布不對稱。

呂堅等［8］采用雙差定位方法［9］精確定位了蘆山7.0級主震，初始破裂深度為15km 左右，震源矩心深度為14km 左右，最佳雙力偶震源機制解的2組節(jié)面分別為走向209°、傾角46°、滑動角94°和走向23°、傾角44°、滑動角86°，可視為純逆沖型地震破裂。余震序列發(fā)生在主震兩側，集中分布的長軸為30km 左右，震源深度主要集中在5～27km，發(fā)震斷層傾向NW。絕大多數余震發(fā)生在斷層面附近10km 左右的區(qū)域。

1.4 破裂過程

劉成利等［10］在反演蘆山地震的動態(tài)破裂過程時，考慮蘆山地震的斷層構造形態(tài)和震源機制解建立了有限破裂斷層模型。結果顯示，破裂面長度主要集中在震中附近28km 范圍，矩震級MW6.6，最大滑動幅度1.5m，基本以逆沖為主，主要破裂集中在13km 深度，地震能量主要釋放在前10s。地表滑移量很小，地表破裂不明顯，能量主要在深部釋放。這可能是受災區(qū)域比主要破裂滑移區(qū)域大的原因（圖3）。破裂模型和余震區(qū)域分布一致（圖4）。

圖3 蘆山7.0 級地震的破裂模型

1.5 地面破壞

蘆山地震區(qū)位于龍門山推覆構造帶。地震現場應急科學考察表明，沿這些活動斷層及其鄰近地段沒有發(fā)現明顯的地表破裂帶，地表可見到一些脆性水泥路面擠壓破裂現象，說明在雙石鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、龍門鄉(xiāng)、隆興鄉(xiāng)等地存在著NW－SE 向局部的地殼縮短，結合余震的空間分布特征、震源機制解等資料，推測蘆山地震屬典型的盲逆斷層型地震［11］。

圖4 蘆山7.0 級地震破裂面在地形圖上的投影（左）及蘆山和汶川地震的余震分布情況（右）

滑坡現象是地面破壞的典型表現。許沖等［12］給出蘆山地震觸發(fā)滑坡的分布圖像（圖5）。蘆山地震雖在地表沒有出現地震斷層，但屬于逆沖性質的發(fā)震構造。一般情況下，逆沖斷裂型地震破壞性強于走滑斷裂型地震。在斷層的上盤往往會發(fā)生更嚴重的滑坡災害，滑坡在斷層上盤的衰減明顯低于下盤。受青藏塊體向SE 運動的影響，逆沖斷層的上盤有較大的擠壓形變，隆升形成龍門山，這種長期擠壓變形會導致斷裂的上盤區(qū)域與近斷層區(qū)域巖體較破碎，強度較低。圖5繪出烈度和滑坡分布區(qū)域，與烈度區(qū)域不同，滑坡相對震中的NW 方向分布多，衰減慢，存在顯著的上盤破壞加重效應。

圖5 烈度與滑坡分布圖（滑坡內圈是滑坡集中分布區(qū)，外圈是滑坡限制分布區(qū)）

2 討論

從前述蘆山地震的烈度圖分析來看，以房屋破壞調查為主編制的烈度圖與地震動、地面破壞存在不匹配情況。余震分布在深部為傾斜狀態(tài)，震源機制是純逆沖性質，而且得到破裂過程的支持。低烈度區(qū)SSW 方向衰減緩慢，看不出受余震分布、震源機制、破裂過程的強烈影響。那么這些問題是否具有普遍性？

2.1 烈度等震線的形狀問題

目前已經發(fā)現，強地面運動分布對斷層面介質特性有關的斷層位錯量、斷層面的傾角、破裂方式和運動方向等震源機制參數有很大的影響［13］。

已經發(fā)布的烈度圖多數類似于共焦點、等間距橢圓模型，這種模型對應著走向滑動類型的地震。逆沖等傾向滑動更可能近似于圓形，因為存在上盤效應。如果地震發(fā)生在造山帶，下盤的沉積盆地也存在放大效應。2014年10月7日景谷6.6級地震發(fā)生在普文斷裂的延長線上，錯動類型為右旋走向滑動，斷裂與震源機制的一個節(jié)面（走向149°、傾角78°、滑動角174°）完全符合，但是等震線長短軸之比較?。s為1.3），和走向滑動的震源機制并不一致。震源剖面長軸NW，呈狹窄直立分布，支持震源機制錯動方式。2014年5月30日盈江6.1級地震的等震線近似圓形，而震源機制的走向351°、傾角84°、滑動角－172°，為走向近NS、近直立、右旋滑動方式的破裂特征，盈江地震造成的滑坡區(qū)域為方向NNW 的狹長形狀。烈度圖則完全不一致，亦和當地大盈江斷裂的性質不同。2013年7月22日發(fā)生在甘肅岷縣漳縣的6.6 級地震的震源機制走向301°、傾角57°、滑動角38°，即走向NW、傾斜斷層面、逆沖為主兼具有左旋滑動分量。等震線長軸方向和震源機制節(jié)面走向接近，而峰值加速度分布不均勻，存在異常點。高峰值加速度在SW 方向衰減慢［14］，大致因為震區(qū)在山區(qū)，起伏的地形、陡峭的山坡、較厚的表層覆蓋黃土，多數民居建筑在陡坡或山頂，地震動在邊坡有放大效應，民房的破壞程度加重。烈度圖卻為比較規(guī)則的橢圓形，沒有體現逆沖上盤效應和沉積蓋層的放大效應。

2.2 烈度圖的穩(wěn)定性問題

出于社會和公眾的需要，地震系統已經能夠在破壞性地震之后迅速公布地震參數。中國地震局的工程力學研究所和地球物理研究所也會公布儀器烈度預測圖。2013年8月3日發(fā)生的云南魯甸6.5級地震之后中國地震局地質研究所初步給出的發(fā)震構造為NE走向的昭通－魯甸斷裂，隨即儀器烈度的橢圓長軸方向也是NE；隨后發(fā)震構造改為NW走向，儀器烈度長軸方向也調整為NW。看來，目前強震臺網的密度尚難準確控制烈度分布的方向，儀器烈度圖的繪制需要結合其它資料作出。實際上，震源機制解有NW 和NE 2 個方向的節(jié)面。節(jié)面1：走向74°，傾角84°，滑動角177°；節(jié)面2：走向165°，傾角87°，滑動角6°。主震后余震主要呈NW方向分布，和震源機制NW 節(jié)面、烈度分布NW 向長軸，相互驗證了發(fā)震構造，當然另一個節(jié)面方向也有余震分布。

2014年11月22日四川康定發(fā)生6.3級地震，中國地震局經過現場考察發(fā)布了烈度圖。11月25日當地又發(fā)生5.8級余震，之后中國地震局發(fā)布了修訂的烈度圖。該烈度圖是綜合了2次地震震害疊加的結果，并且斷層線也有改變。其實完全可以單獨繪制5.8級地震的烈度圖，即便像1976年河北唐山 的7.8 級 大 震，之 后16 個 小 時 發(fā) 生 了7.1 級 余震，也是單獨繪出等震線烈度圖，能夠使人分別了解2次地震的不同影響。由于目前組織大量人力編制的烈度圖不僅僅能夠為地方政府服務，還有重要的研究價值。在中國數千年的歷史地震記載中，宏觀震害的描述占據大多數，故以此來估計歷史地震的震中烈度、勾畫等震線圖，再根據震級與烈度的經驗關系，估算出歷史地震的震級和震源深度，從而編制出具有中國特色的地震目錄享譽天下。這些成果為研究地震活動性、地震危險性分析、推測地震發(fā)生趨勢等奠定了寶貴的基礎。歷史地震等震線的長軸方向，用來判斷發(fā)震斷層的走向或地震破裂傳播方向；而烈度分布的形狀可以用于震源機制研究。歷史地震等震線向外圍遞減的規(guī)律能夠反映區(qū)域的地震能量衰減特征，可估算地震動參數衰減關系。通過最新而且可靠的烈度圖重新統計烈度和其它相關參數的關系，可以減小過去統計結果的不確定性。而此次康定地震2次地震修訂的烈度圖卻無法利用。

2.3 烈度異常問題

通常，地震烈度應隨震中距離的增加而遞減，但也存在地質構造、土質、地形等因素的影響，以及地震波的深部反射波的疊加作用，在低烈度區(qū)中會出現高烈度點。以往，破壞性地震的烈度圖大多數存在烈度異常區(qū)（點），可是近2年的烈度圖都比較規(guī)則，等震線比較圓滑，沒有烈度異常區(qū)（點）存在。而峰值加速度分布圖則不是這樣，是否局部場地的影響考慮不足？或者完全采用外包線圈出烈度區(qū)？指明烈度異常區(qū)（點），分析研究烈度異常的原因，尤其是工程、建筑結構的反應，對于各種設施的抗震設計非常重要，對于場地的地震安全性評價也不可或缺。組織大量專業(yè)技術人員現場的宏觀考察應當包括細致的烈度異常調查。

通過分析亦發(fā)現，最新的烈度圖囊括了越來越多的行政區(qū)域，過多顧及外圍地方政府，救災重建的需求或許是一種可能的原因。如果烈度圖的科學性降低，將要貽誤后人。

3 認識與展望

在我國有世界上時間最長、最為豐富的歷史地震及其震害的資料，也可以組織較充裕的人力資源進行震害調查和烈度評定，烈度評定結果在中國有最廣泛的應用，在防震減災事業(yè)和地震工程發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。因此，破壞性地震現場宏觀考察，編制烈度圖依然是地震系統不可或缺的重要任務。況且，其它部門的地震現場工作往往也涉及烈度分析，這也促使我們需要盡快給出烈度圖，避免陣地丟失的憂慮。為了保證快速，往往采用人海戰(zhàn)術，而且是按照行政區(qū)域分別考察，就可能帶來前后方脫節(jié)、評價標準不統一的后果。所以可以嘗試對地震動、房屋破壞和地面破壞三者分別進行描述和研究，不必刻意追求“綜合”，有利于還原事物的根本面貌。采用一個宏觀、模糊的指標向政府、公眾和媒體通報震情也是一種直截了當的方法。

近年來，烈度評定工作在世界范圍內越來越少，美國、日本、印度、伊朗、土耳其、加拿大、意大利、新西蘭等國在發(fā)生破壞性地震后，不再進行認真全面的宏觀烈度評定，也不再注重烈度等震線圖的編制。由烈度計自動得出“儀器烈度”，迅速對各城市做出烈度速報，是日本在地震發(fā)生后的正常做法，這和宏觀烈度評定的結果無關。美國甚至在全球發(fā)生較大地震之后迅速給出ShakeMap，來估計一次地震的影響范圍和強弱程度，也無需震害的宏觀調查。ShakeMap根據每個臺站實際記錄到的地面運動數據做場地校正，在臺站稀疏地區(qū)或者數據間隙（Data Gap）較大的區(qū)域根據震級、震中和經驗衰減關系估計地面運動值，然后對這些數據做內插，繪制出等值分布圖，數據缺乏的地區(qū)往往給出近似圓的圖像。我國臺灣地區(qū)密集布設了數字化強震臺網，現在TREIRS（Taiwan Ripad Earthquake Information Release System）有間距75km 的75個遙測強震臺站，TSMIP（Taiwan Strange Motion Instrumentation Program）有臺站距離為5km 的650個現代數字加速度臺站，能夠利用這些實時臺站記錄插值生成震動圖，在破壞性地震發(fā)生后快速提供地面運動峰值分布圖和儀器烈度值圖。在震后1 min之內，根據峰值加速度≥100cm／s2的臺站的分布面積推測震級，分布區(qū)域的中心作為宏觀震中，既迅速又便于應急救災。

我國即將實施的《國家地震烈度速報及預警工程》項目，計劃用5年時間建設覆蓋全國的由5 000多個臺站組成的國家地震烈度速報與預警系統，和國際先進水平接軌。大量布設強震儀（或簡易強震儀），可以提供近震源的記錄，根據強地震動參數（如加速度峰值、速度峰值等）確定地震動及其分布是科學的方法，也是國際通行的發(fā)展趨勢。根據強震儀實測的地震動數據自動計算烈度，作為向政府、公眾和媒體發(fā)布災情、實施應急救災的依據。儀器烈度從本質上反映了地震動強度，也與建筑震害相關，是容易被社會接受的一個指標，也比宏觀烈度評定更迅速、更節(jié)省人力。地震后地面破壞與地震動強度或房屋破壞、經濟損失可能并不完全相關，可以單獨公布。也可以在地圖上標注斷層出露、滑坡、崩塌、泥石流、液化、震陷、堰塞湖和地裂縫等的位置或區(qū)域，向社會公眾發(fā)布，提供給應急救災、恢復重建和其他研究使用。另外，迅速積累描述強地面運動的特征，充分考慮一些對強地面運動有重要影響的參數，例如近斷層地區(qū)的破裂方向性、盆地響應、地形地貌、速度結構等，不斷改進地面運動經驗模型，也能夠在破壞性地震之后迅速給出理論烈度（強地面運動）的估計，以便約束烈度速報臺網產出結果的可靠性。

國家強震動臺網中心2014年開始嘗試給出部分儀器烈度圖，如魯甸、景谷、康定主震和強余震，無疑是重大進步。逐漸發(fā)現一批地震峰值加速度最大值往往不在烈度圖的極震區(qū)的例子，如2008年5月12日汶川地震的臥龍臺（土層，PGA 955.7cm／s2）；2013年4月20日蘆山地震寶興地辦臺的PGA 達到－1 005.3cm／s2，是目前中國最大PGA 記錄，在7度區(qū)而不是極震區(qū)；2013年7月22日岷縣漳縣地震岷縣臺最大PGA 為178cm／s2，在7 度區(qū)，也不是極震區(qū)。而小震級的地震也可出現高的地震動峰值加速度，如汶川3.7級余震PGA 達966.5cm／s2。由此看來，采用儀器記錄估計震害程度也會面臨更多的科學問題。

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