2014年新疆于田MS7.3地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬及震動(dòng)圖預(yù)測(cè)*

劉 軍 孫甲寧 宋立軍畢雪梅 譚 明 何金剛

1) 中國(guó)烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局2) 中國(guó)南京210014江蘇省地震局

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2014年新疆于田MS7.3地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬及震動(dòng)圖預(yù)測(cè)*

劉 軍1),*孫甲寧1)宋立軍1)畢雪梅2)譚 明1)何金剛1)

1) 中國(guó)烏魯木齊830011新疆維吾爾自治區(qū)地震局2) 中國(guó)南京210014江蘇省地震局

基于地震動(dòng)的時(shí)空衰減規(guī)律和傳播特征， 采用鄰近地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站地震動(dòng)時(shí)程對(duì)1 km×1 km尺度的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行近實(shí)時(shí)插值計(jì)算， 同時(shí)結(jié)合場(chǎng)地效應(yīng)對(duì)震區(qū)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修正， 并以2014年2月12日新疆于田MS7.3地震為例， 計(jì)算震區(qū)格網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)的地震時(shí)程， 同時(shí)以8 s為時(shí)間間隔繪制出地震動(dòng)峰值等值線(xiàn)圖并將其連續(xù)播放， 得到了于田MS7.3地震峰值地震動(dòng)(PGV， PGA)的空間分布． 結(jié)果表明， 于田縣東部至民豐縣北部地區(qū)受場(chǎng)地條件影響， 震區(qū)震害在軟弱地基土層及淺地下水位等因素作用下對(duì)震區(qū)地震動(dòng)具有明顯的放大效應(yīng)， 預(yù)測(cè)的地震動(dòng)特征與現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查結(jié)果是一致的． 在當(dāng)前強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)分布不均勻的情形下， 本文方法能較好地描述震區(qū)地震動(dòng)特征， 較客觀地反映災(zāi)區(qū)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特征．

于田MS7.3地震 地震動(dòng) 監(jiān)測(cè)臺(tái)站 震動(dòng)圖

引言

2014年2月12日新疆于田縣發(fā)生MS7.3地震， 該地震影響范圍涉及和田地區(qū)于田縣、 民豐縣、 策勒縣、 洛浦縣等區(qū)域， 受災(zāi)戶(hù)達(dá)到12.4萬(wàn)戶(hù)， 共45萬(wàn)余人， 直接經(jīng)濟(jì)損失為10.8億元， 屬較大破壞性地震， 社會(huì)影響較大．

于田MS7.3地震發(fā)生在阿爾金斷裂帶的西段末端， 極震區(qū)位于昆侖山內(nèi)部的高山區(qū)． 阿爾金斷裂帶是青藏高原的北部邊界， 是歐亞大陸內(nèi)部的巨型活動(dòng)斷裂帶(姚遠(yuǎn)等， 2014； 張勇等， 2014)， 為全新世活動(dòng)斷裂． 李海兵等(2014)的研究結(jié)果顯示該斷裂帶以左旋走滑水平運(yùn)動(dòng)為主． 利用中國(guó)地震烈度表(GB/T 17742—2008)(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2008)中烈度與強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系， 在震后黑箱期內(nèi)模擬震區(qū)地震動(dòng)分布和烈度分布， 可為震后應(yīng)急救援和災(zāi)情規(guī)模判定提供參考依據(jù)(陳鯤等， 2010； 孟令媛等， 2014)． 由于新疆“十五”期間布設(shè)的強(qiáng)震臺(tái)站主要集中在北天山中段和南天山西段， 呈帶狀分布， 臺(tái)站分布極不均勻， 孔徑較大(張振斌， 唐麗華， 2010)． 在缺少歷史強(qiáng)震記錄和震后強(qiáng)震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的背景下， 本研究采用數(shù)字地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)， 利用震區(qū)鄰近臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行插值進(jìn)而計(jì)算格網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)的地震動(dòng)時(shí)程， 便于客觀地描述地震動(dòng)衰減的特征， 并彌補(bǔ)因震區(qū)強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)稀疏所造成的信息匱乏． 在此基礎(chǔ)上， 使用鄰近測(cè)震臺(tái)站記錄計(jì)算地震動(dòng)時(shí)程， 以8 s為時(shí)間間隔得到各間隔內(nèi)的峰值地震動(dòng)(PGV， PGA)分布， 進(jìn)而得到于田MS7.3地震的震動(dòng)圖． 本研究提供的震動(dòng)圖不僅應(yīng)用于新疆地震局于田現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)， 還為地方政府和應(yīng)急主管部門(mén)提供災(zāi)區(qū)地表震動(dòng)特征和烈度估計(jì)， 為研究地震預(yù)期破壞情況及災(zāi)區(qū)開(kāi)展應(yīng)急救援提供了幫助．

1 理論方法

1.1 地震動(dòng)預(yù)測(cè)模型

地震波在地球介質(zhì)中傳播的過(guò)程中所產(chǎn)生地震動(dòng)的強(qiáng)度會(huì)隨傳播距離的增加而衰減， 為了客觀地反映地震動(dòng)傳播的時(shí)空衰減特征， 采用地震動(dòng)峰值的衰減規(guī)律對(duì)其進(jìn)行描述(孟令媛等， 2014； 張振國(guó)等， 2014)． 根據(jù)地震發(fā)震構(gòu)造和加速度記錄資料的分布情況， 本研究選取霍俊榮和胡聿賢(1992)提出的模型， 其形式為

(1)

(2)

式中，Y為地震波加速度、 速度、 位移等地震動(dòng)峰值，M為震級(jí)，R為震中距，R0為與震級(jí)相關(guān)的近場(chǎng)距離飽和因子，C1，C2，C3，C4，C5為回歸系數(shù)．

基于上述衰減關(guān)系模型， 利用新疆天山地區(qū)1985—2014年MS≥4.0歷史地震動(dòng)數(shù)據(jù)記錄， 運(yùn)用兩步回歸法進(jìn)行回歸， 得到新疆天山地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系的系數(shù) (張振斌， 唐麗華， 2010) ．

在同一地震作用下， 震中距分別為R和RA的兩個(gè)臺(tái)站的地震動(dòng)峰值Y(R)與Y(RA)之間的關(guān)系為(金星等， 2010)

(3)

Y(R)用Y(RA)表示為

(4)

由上式可以看出， 震中距為R的地震動(dòng)峰值可采用RA處的地震動(dòng)峰值Y(RA)與補(bǔ)償函數(shù)f(R，RA)相乘進(jìn)行計(jì)算．

根據(jù)張紅才(2008)提出的方法， 任一點(diǎn)D的地震動(dòng)時(shí)程可以采用鄰近的A，B，C等3個(gè)臺(tái)站的地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行插值計(jì)算得到， 可表示為

(5)

式中，ωA，ωB，ωC為插值計(jì)算的加權(quán)系數(shù)， 可通過(guò)震中距倒數(shù)平方加權(quán)的方法得到較好的展現(xiàn)， 且具有較高的計(jì)算效率， 表達(dá)式如下:

(6)

A，B，C這3個(gè)臺(tái)站相對(duì)于插值點(diǎn)D的時(shí)間延遲ΔtAD， ΔtBD， ΔtCD可表示為

(7)

式中：ΔAD，ΔBD，ΔCD分別為臺(tái)站A，B，C與插值點(diǎn)D之間的距離；RA，RB，RC，RD分別為A，B，C這3個(gè)臺(tái)站和插值點(diǎn)D的震中距． 為客觀反映地震動(dòng)的衰減特性， 將式(5)中震中距換為震源距， 式(5)可改寫(xiě)為

(8)

如圖1b(張紅才， 2008)所示， 若臺(tái)站B所在位置為需要插值計(jì)算的某處， 其P波到時(shí)、 最大值到時(shí)分別為tP和tmax． 計(jì)算該處地震動(dòng)時(shí)程時(shí)，P波到達(dá)至最大值到達(dá)之間的時(shí)程采用上述方法進(jìn)行計(jì)算； 而對(duì)于P波未到之前的地震動(dòng)時(shí)程則為周?chē)_(tái)站脈動(dòng)記錄的加權(quán)平均； 最大值到達(dá)之后時(shí)刻的時(shí)程則認(rèn)為地震動(dòng)以S波速度vS進(jìn)行傳播， 如式(9)所表示．

圖1 插值計(jì)算方法(a)及插值原理(b)示意圖(引自張紅才， 2008)

(9)

1.2 不同場(chǎng)地條件下地震動(dòng)參數(shù)校正

為了客觀地反映震區(qū)地震動(dòng)特征分布， 獲取震區(qū)土層的放大系數(shù)， 本文采用第五代地震區(qū)劃圖(簡(jiǎn)稱(chēng)為五代圖)(GB/T 18306—2015)(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2015)中不同場(chǎng)地條件下的放大系數(shù)． 五代圖計(jì)算出了不同場(chǎng)地條件下短周期分檔加速度的地震動(dòng)參數(shù)的放大系數(shù)， 如表1所示． 本文計(jì)算中， 首先根據(jù)1.1節(jié)中所述方法進(jìn)行初步插值計(jì)算得到PGA， 然后采用五代圖中的場(chǎng)地放大系數(shù)對(duì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行校正．

表1 場(chǎng)地放大系數(shù)

2 于田MS7.3地震震動(dòng)圖

2.1 計(jì)算區(qū)域

圖2 本文所用監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布圖Fig.2 Distribution of monitoring stations used in this paper

本文計(jì)算區(qū)域如圖2所示， 主要涉及新疆和田地區(qū)及周邊區(qū)域． 根據(jù)前期準(zhǔn)備的千米網(wǎng)格(1 km×1 km)數(shù)據(jù)判斷， 于田MS7.3地震共有18萬(wàn)6067個(gè)千米網(wǎng)格地震動(dòng)數(shù)據(jù)待計(jì)算． 由圖2可以看到該地震周邊監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布較為均勻．

本文選取14個(gè)臺(tái)站進(jìn)行插值計(jì)算， 其相關(guān)參數(shù)列于表2．

為了彌補(bǔ)臺(tái)站稀疏地區(qū)測(cè)震數(shù)據(jù)質(zhì)量較低的缺陷， 首先根據(jù)新疆地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系估計(jì)方法， 計(jì)算了震區(qū)基巖面的PGA和PGV地震動(dòng)參數(shù); 然后利用五代圖在不同場(chǎng)地條件下的放大系數(shù)將地震動(dòng)參數(shù)校正到相應(yīng)土層地表上， 計(jì)算得到震區(qū)周邊地區(qū)地表的PGA和PGV； 最后根據(jù)測(cè)震臺(tái)站對(duì)于本次地震的觀測(cè)記錄， 采用距離加權(quán)插值法對(duì)以震區(qū)臺(tái)站為中心、 30 km×30 km范圍內(nèi)的千米格網(wǎng)點(diǎn)的PGA和PGV值進(jìn)行重新計(jì)算， 得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的地震動(dòng)參數(shù)并繪制出地震烈度圖(Borcherdt， 1994)． 在計(jì)算地震動(dòng)參數(shù)過(guò)程中， 加大了實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)的權(quán)重， 便于發(fā)揮震區(qū)強(qiáng)震臺(tái)站的作用．

表2 本文所用臺(tái)站及其主要參數(shù)

2.2 震動(dòng)圖計(jì)算

本文以1 km×1 km為尺度對(duì)震區(qū)周邊30 km×30 km區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化離散后， 結(jié)合新疆及青海周邊地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的于田地震資料， 采用上文所述方法計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)的地震動(dòng)時(shí)程， 并結(jié)合震區(qū)場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行校正， 最終提取 以8 s 為時(shí)間間隔所計(jì)算的速度、 加速度產(chǎn)生的地震動(dòng)參數(shù)快照． 臺(tái)站稀疏地區(qū)則結(jié)合地震動(dòng)衰減關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)充， 發(fā)震斷層主要用于判別長(zhǎng)軸的方向，MS≥7.0地震采用線(xiàn)源衰減關(guān)系模型(李鉑等， 2012)． 于田地震加速度和速度震動(dòng)圖結(jié)果分別如圖3和圖4所示． 每幅子圖為快照提取圖， 時(shí)間間隔為8 s， 從圖中可以看出于田地震的加速度和速度衰減特性.

圖3 2014年于田MS7.3地震加速度震動(dòng)圖

2.3 峰值地震動(dòng)分布

通過(guò)上述方法插值計(jì)算得到于田MS7.3地震的PGA和PGV地震動(dòng)分布， 如圖5所示． 震動(dòng)圖描繪了該地震引起的峰值地面運(yùn)動(dòng)分布， 震后初期可以根據(jù)地震動(dòng)預(yù)測(cè)的地震動(dòng)強(qiáng)度判定地震災(zāi)害的影響和規(guī)模． 利用中國(guó)地震烈度表(GB/T 17742—2008)(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2008)中地震動(dòng)參數(shù)與烈度之間的關(guān)系將地震動(dòng)值轉(zhuǎn)換為烈度值， Ⅶ度及以上區(qū)域采用PGV進(jìn)行計(jì)算， Ⅶ度以下區(qū)域則采用PGA進(jìn)行衡量．

根據(jù)和田地區(qū)水文資料顯示， 于田縣英巴格鄉(xiāng)以東至奧依牙依拉克鄉(xiāng)屬于塔里木盆地， 地下水埋深普遍為1.8—2.5 m， 其中尼雅鄉(xiāng)地下水埋深平均約1.3 m， 震區(qū)位于昆侖山北麓平原區(qū)， 總體地勢(shì)南高北低， 沉積物顆粒由南向北逐漸變細(xì)， 靠近山前屬于礫質(zhì)平原區(qū)(劉軍等， 2014)． 利用場(chǎng)地覆蓋層厚度與土層的平均等效剪切波速的雙參數(shù)法， 確定于田縣英巴格鄉(xiāng)至奧依牙依拉克鄉(xiāng)以東區(qū)域?yàn)棰箢?lèi)場(chǎng)地， 如圖6所示． 該區(qū)域理論P(yáng)GA在65—86 cm/s2之間， 具有優(yōu)勢(shì)分布． 由于場(chǎng)地條件影響， Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地對(duì)該地區(qū)PGA具有明顯放大效應(yīng). 從圖7中可以看出， 本次計(jì)算所得到的地震烈度分布在于田縣、 民豐縣以北大部分地區(qū)， 這些地區(qū)為軟弱地基土層， 地下水位淺， 在地震動(dòng)的作用下， 震害顯著加劇． Ⅶ度區(qū)努爾鄉(xiāng)、 博斯坦鄉(xiāng)及葉亦克鄉(xiāng)的房屋破壞較為嚴(yán)重， 于田縣城、 民豐縣城以北的Ⅵ度區(qū)影響范圍較大． 圖7給出了本文所計(jì)算的烈度分布與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查烈度的對(duì)比， 可以看出， 利用震動(dòng)圖預(yù)測(cè)的地震動(dòng)特征與現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查結(jié)果是一致的．

圖4 2014年于田MS7.3地震速度震動(dòng)圖

圖5 插值網(wǎng)格點(diǎn)峰值加速度(a)和峰值速度(b)等值線(xiàn)圖

圖6 研究區(qū)場(chǎng)地條件分布圖

圖7 預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查烈度對(duì)比圖

3 討論與結(jié)論

本文依據(jù)構(gòu)造地震動(dòng)時(shí)程的插值方法， 應(yīng)用鄰近測(cè)震記錄臺(tái)站地震動(dòng)時(shí)程插值地震動(dòng)時(shí)程的模型， 并采用千米格網(wǎng)離散化進(jìn)行插值計(jì)算， 得到2014年2月12日于田MS7.3地震影響區(qū)內(nèi)格網(wǎng)點(diǎn)的地震動(dòng)時(shí)程， 繪制了該地震的震動(dòng)圖， 并對(duì)震動(dòng)圖計(jì)算結(jié)果予以分析． 本文設(shè)計(jì)的震動(dòng)圖計(jì)算方法具有以下特征：

1) 嘗試?yán)眯陆班徑》莸臏y(cè)震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)缺少臺(tái)站的阿爾金地震帶的地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行插值計(jì)算， 不僅較好地發(fā)揮了現(xiàn)有測(cè)震臺(tái)網(wǎng)資源的作用， 同時(shí)又較客觀地模擬了震區(qū)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)情況．

2) 通過(guò)計(jì)算得到新疆于田MS7.3地震的震動(dòng)圖， 該圖可以直觀地描述震區(qū)地面運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程， 而其地震動(dòng)(PGA， PGV)等值線(xiàn)圖能較全面地反映該地震對(duì)地表的影響和地震動(dòng)時(shí)空衰減特征．

3) 利用新疆地區(qū)不同場(chǎng)地條件下的地震動(dòng)放大效應(yīng)對(duì)臺(tái)站地震動(dòng)時(shí)程插值進(jìn)行校正， 考慮了發(fā)震斷層、 局部場(chǎng)地地形條件以及震源復(fù)雜性影響的震動(dòng)圖更能反映出災(zāi)區(qū)的地震動(dòng)空間分布特征． 由于當(dāng)前新疆地區(qū)強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站主要分布在天山地區(qū)， 局部地區(qū)的結(jié)果因當(dāng)前臺(tái)站分布不均等因素， 其可靠性在一定程度上受到影響， 但其影響必將隨著預(yù)警工程臺(tái)站的建設(shè)得到逐漸改善. 此外， 地震動(dòng)衰減關(guān)系的引入在一定程度上能夠彌補(bǔ)局部地區(qū)臺(tái)站稀疏等對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響．

另一方面， 本研究仍存在一些問(wèn)題亟待解決， 也是進(jìn)一步深入研究的方向：

1) 采用最近距離原則選用臺(tái)站， 即單純選用與待插值點(diǎn)距離最近的觀測(cè)臺(tái)站， 在插值過(guò)程中并未考慮臺(tái)站與插值點(diǎn)之間的空間分布和相對(duì)位置， 所以其結(jié)果的準(zhǔn)確性有待于進(jìn)一步研究與驗(yàn)證， 可嘗試引入臺(tái)站相對(duì)位置加權(quán)項(xiàng)等方法來(lái)減弱由此造成的影響.

2) 在新疆北天山中段和南天山西段強(qiáng)震臺(tái)站分布較為密集的情況下， 可以嘗試采用實(shí)時(shí)觀測(cè)強(qiáng)震數(shù)據(jù)與測(cè)震數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行插值計(jì)算， 并可利用地震動(dòng)衰減關(guān)系和地震臺(tái)站記錄的數(shù)據(jù)研究地震動(dòng)強(qiáng)度衰減中地震事件內(nèi)部的不確定性． 通過(guò)臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)值與理論計(jì)算值之間的殘差分析， 應(yīng)用測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)和偏差校正方法， 對(duì)本文設(shè)計(jì)的插值方法進(jìn)行校正， 以提高觀測(cè)臺(tái)站空缺地區(qū)的震動(dòng)圖精度． 同時(shí)， 在臺(tái)站稀疏的地區(qū)也可以結(jié)合區(qū)域地震動(dòng)衰減關(guān)系、 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿鄬臃较虻纫蛩剡M(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)充．

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Research on strong ground motion simulation and ShakeMap of 2014 YutianMS7.3 earthquake

Liu Jun1),*Sun Jianing1)Song Lijun1)Bi Xuemei2)Tan Ming1)He Jingang1)

1)EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion， ürümqi830011，China2)EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince,Nanjing210014,China

Based on attenuation law and space-time propagation characteristics of seismic ground motion, we use recorded time histories from adjacent monitoring stations to make near real-time interpolation calculation in a 1 km×1 km grid, and correct ground motion parameters according to the site effects. Taking the 12th February, 2014 YutianMS7.3 earthquake as an example, we calculated seismic time history in each grid near the epicenter, and then plot peak ground motion contour maps with 8 s intervals continuously. Finally we showed spatial distribution of peak ground motions (PGV and PGA) of this earthquake. The results show that, influenced by site conditions as well as soft ground soil and shallow groundwater level, ground motions in the region from eastern Yutian County to northern Minfeng County were amplified obviously, which were well consistent with field survey results. On the conditions of uneven distribution of strong ground motion observation stations, the method can be used to describe the characteristics of earthquake ground motions, and reflect the characteristics of strong ground motion in disaster areas objectively.

YutianMS7.3 earthquake; seismic ground motion; monitoring station; ShakeMap

中國(guó)地震局 “三結(jié)合”項(xiàng)目(163101)與地震科技星火攻關(guān)項(xiàng)目(XH15051)聯(lián)合資助．

2015-09-28收到初稿， 2016-07-22決定采用修改稿.

10.11939/jass.2016.06.011

P315.9

A

劉軍, 孫甲寧, 宋立軍, 畢雪梅， 譚明, 何金剛. 2016. 2014年新疆于田MS7.3地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬及震動(dòng)圖預(yù)測(cè). 地震學(xué)報(bào), 38(6): 914--923. doi:10.11939/jass.2016.06.011.

Liu J, Sun J N, Song L J, Bi X M, Tan M, He J G. 2016. Research on strong ground motion simulation and ShakeMap of 2014 YutianMS7.3 earthquake.ActaSeismologicaSinica, 38(6): 914--923. doi:10.11939/jass.2016.06.011.

*通訊作者 e-mail: liujun_eq@sina.com