2022年6月1日蘆山MS6.1地震近場地震動特征及與西南地區(qū)地震動預測方程的對比分析

張斌, 俞言祥, 榮棉水, 傅磊, 謝俊舉, 李小軍, 陳蘇, 張旭, 馬秀敏

1 中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所, 北京 100081 2 自然資源部北京地殼應力應變野外科學觀測研究站, 北京 100081 3 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 4 北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室, 北京 100124

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,北京時間2022年6月1日17時00分,四川省雅安市蘆山縣發(fā)生MS6.1地震,震中位于30.37°N,102.94°E,震源深度17 km.據(jù)6月1日蘆山地震新聞發(fā)布會通報:此次蘆山MS6.1地震屬2013年“4·20”MS7.0地震余震,兩次地震相距9 km,發(fā)震斷裂為雙石—大川斷裂帶.截至2022年6月5日8時00分,震區(qū)共記錄到M3.0及以上余震2次,其中M4.0-4.9地震1次,M3.0-3.9地震1次,最大余震為17時03分發(fā)生的4.5級地震.截至2022年6月3日凌晨5時00分,地震共造成4人死亡(均在寶興縣)、42人受傷(寶興縣31人,蘆山縣11人).此次地震為逆沖型地震,主要破裂持續(xù)時間約5 s,矩震級為MW5.9,破裂長度約18 km,破裂優(yōu)勢方向為北東向(張旭等,個人通訊).在中國地震局的組織下,四川、重慶、貴州3個省(市)地震局及相關直屬研究所組成現(xiàn)場工作隊,按照《地震現(xiàn)場工作 第3部分:調(diào)查規(guī)范》(GB/T 18208.3-2011)、《中國地震烈度表》(GB/T 17742-2020)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會,2012;國家市場監(jiān)督管理總局和國家標準化管理委員會,2020),通過災區(qū)震害調(diào)查,并綜合應用儀器烈度、余震分布、地震構造背景、震源機制和遙感影像等科技成果,編制完成《四川蘆山6.1級地震烈度圖》(https:∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5661356/index.html),確定了此次地震的最高烈度為Ⅷ度,等震線長軸呈NE走向,長軸76 km,短軸65 km,VI度區(qū)及以上面積約3887 km2,主要涉及四川省雅安市蘆山縣、寶興縣、天全縣、名山區(qū)、雨城區(qū)以及成都市邛崍市、大邑縣,共計7個縣(市、區(qū)),40個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),其中雅安市29個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),成都市11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),如圖1黑色實線所示.

研究表明,地震過程中近場區(qū)的地震動特征與建筑結構的破壞特征有很強的相關性(張斌等,2021),對近場區(qū)地震動特征進行深入細致研究可以更深入認識震害產(chǎn)生的內(nèi)在機理,也有利于更好地建立符合該地區(qū)影響地震動衰減特性的震源、場地、傳播路徑的模型,如方向性效應、盆地效應等.本文基于蘆山MS6.1地震中國家強震動觀測臺網(wǎng)(NSMONS)的61組強震動記錄,對觀測的近場強震動記錄的幅值特征進行分析;基于水平向地震動強度的空間分布,以及近場臺站加速度反應譜值與NGA-West2和Zhang等(2022,下稱ZYLW22)地震動預測方程的對比,討論蘆山MS6.1地震的近場地震動是否存在方向性效應;結合水平向?qū)嶋H觀測值與ZYLW22模型預測中值的對比以及事件內(nèi)殘差的分布,利用ZYLW22地震動預測方程檢驗此次蘆山MS6.1地震是否符合西南構造活躍區(qū)主震的地震動衰減特性,并討論該預測方程未來的發(fā)展方向.

1 強震動觀測記錄及其數(shù)據(jù)處理

2008年3月NSMONS開始正式運行至今記錄了包括汶川MS8.0、蘆山MS7.0、九寨溝MS7.0、門源MS6.9、魯?shù)镸S6.5等大量地震數(shù)以萬計的強震動記錄,其中包含了數(shù)量可觀的大震近場記錄,極大地豐富了我國強震動數(shù)據(jù)庫(Li et al., 2008a,b; Xie et al., 2014).豐富的強震動數(shù)據(jù)為利用經(jīng)驗方法進行地震動預測方程研究提供了可能.蘆山地震過程中,NSMONS獲得了61組自由地表強震動記錄.蘆山MS6.1地震震中及其觸發(fā)的強震動臺站的分布如圖1.根據(jù)張旭等(個人通訊)的震源破裂過程反演結果,如圖1中的斷層破裂面,利用Kaklamanos等(2011)的方法計算斷層距(Rrup)、斷層投影距(Rjb).經(jīng)過篩選,本文基于61組強震動數(shù)據(jù)開展研究.

由于大震近場強震動記錄存在永久位移信息,需要使用專門的基線校正方法進行處理,其他的記錄可以采用非因果帶通濾波進行處理.張斌等(2020)提出了近斷層強震動記錄基線校正改進方法.Zhang等(2022)詳細論述了非因果帶通濾波處理的流程和高通截止頻率如何選取.本文中使用的強震動記錄采用上述方法進行處理,獲得了可靠的地震動強度參數(shù),如峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)和加速度反應譜值(SA).基于高通截止頻率(fhp)、濾波階數(shù)(n=4)和濾波響應類型,根據(jù)1/(1.25×fhp)來選擇每條記錄的可用周期范圍(Boore and Bommer, 2005),本文所用記錄最大可用周期均可到10 s.

2 蘆山MS6.1地震地震動特征

2.1 幅值特征

蘆山MS6.1地震斷層距100 km以內(nèi)的加速度記錄有14組.斷層距67.21 km的51WCW臺NS向記錄到的PGA最大,為-56.28 Gal,其EW和UD向的PGA分別為26.80 Gal和11.06 Gal,EW、NS和UD向的PGV分別為-0.66 cm·s-1、0.99 cm·s-1和0.30 cm·s-1.斷層距31.11 km的51YAM臺EW向和NS向分別獲得第二大和第三大的PGA值,三個方向的PGA和PGV分別為-45.61 Gal、-38.80 Gal、-12.45 Gal和-1.19 cm·s-1、1.38 cm·s-1和-0.73 cm·s-1.圖2繪制了這2個臺站處理后的三個方向加速度、速度時程.80 km內(nèi)臺站記錄及相關地震動參數(shù)分別列于表1中.由圖2和表1可知,PGA最大的兩個臺站51WCW、51YAM并不在《四川蘆山6.1級地震烈度圖》的Ⅵ區(qū)內(nèi).臺站51QLY位于烈度Ⅵ區(qū),而其地震動強度遠小于地震烈度相對應的值.

表1 蘆山MS6.1地震80 km內(nèi)臺站記錄及其相關參數(shù)Table 1 Ground motion parameters of strong-motion recording of stations at distance less than 80 km observed in the MS6.1 Lushan earthquake

圖2 蘆山MS6.1地震臺站(a)51WCW、(b)51YAM記錄的EW、NS和UD向加速度和速度時程Fig.2 Acceleration and velocity time histories in the EW, NS, and UD directions of (a) 51WCW, (b) 51YAM stations recorded in the MS6.1 Lushan earthquake

2.2 觀測的水平向地震動的空間分布

圖3給出了水平向地震動PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)方向無關的ROTD50值(Boore, 2010)的空間分布.繪圖前使用樣條插值法(Wessel and Smith, 1991)對61個臺站記錄的水平向地震動PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)進行了網(wǎng)格化,以便盡量減小空間分布圖受單個臺站的影響.從圖3可以看出,水平向地震動PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)的等值線形狀較為平滑,呈NE走向分布的地震動衰減最慢,與《四川蘆山6.1級地震烈度圖》的等震線長軸方向、張旭等給出的破裂斷層走向以及房立華等給出的余震優(yōu)勢分布方向(https:∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/279024.html)基本一致.地震動的最大值均不位于震中處,而是位于斷層破裂前方(震中北東方向)兩側,即臺站51WCW、51YAM所在區(qū)域.經(jīng)查詢建臺報告,這兩個臺站位于河谷一級階地,場地上覆超過3 m的軟土,初步推測由于軟土場地放大了這兩個臺站地震動的短周期和中長周期部分.隨著周期的增大,位于四川盆地內(nèi)部的臺站記錄的地震動明顯大于震中以西位于山區(qū)的臺站記錄的地震動.圖3顯示此次地震在斷層破裂前方(震中北東方向)和后方(震中南西方向)的中長周期地震動強度參數(shù)差異較為明顯.斷層破裂前方的水平向SA在中長周期處大于破裂后方相同距離處的水平向SA.

圖3 水平向地震動PGA、PGV、SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)的空間分布Fig.3 Contours of PGA, PGV, and SA (T=0.5, 1.0, 3.0, 5.0 s) in the horizontal direction

3 近場地震動的方向性效應

研究表明,震源破裂的方向性是導致斷層破裂前方和后方的各個水平向地震動強度參數(shù)存在差異的主要原因(安昭等,2019;Xie, 2019).為了進一步驗證這一推測,將斷層破裂前方和破裂后方近場臺站記錄的水平向SA分別與NGA-West2預測方程(Abrahamson et al., 2014; Boore et al., 2014; Campbell and Bozorgnia, 2014; Chiou and Youngs, 2014)以及西南構造活躍區(qū)地震動預測方程(Zhang et al., 2022)進行對比分析.NGA-West2預測方程是太平洋地震工程研究中心(PEER)在2014年基于NGA-West2數(shù)據(jù)庫建立的考慮了震源特性、傳播路徑、場地效應和區(qū)域的差異性等影響因素的水平向地震動預測模型.NGA-West2數(shù)據(jù)庫包含從美國西部和全球淺地殼活動構造區(qū)的599個M3.0～7.9地震事件的21336組三分量強震動記錄處理和計算獲得的方向無關平均水平分量(ROTD50),以及矩震級、斷層類型、破裂面頂部深度、斷層距、斷層投影距、場地VS30、到1.0 km·s-1和2.5 km·s-1速度層的深度等元數(shù)據(jù)(Ancheta et al., 2014).ZYLW22預測方程是基于我國西南構造活躍區(qū)的強震動數(shù)據(jù)庫建立的包含震級項、距離項、上盤效應項、斷層類型項、線性/非線性場地效應項和非彈性衰減項的水平向地震動預測方程.ZYLW22模型所用數(shù)據(jù)庫包含了從西南構造活躍區(qū)2008—2018年發(fā)生的70個4.0≤MS≤8.0主震的1324組三分量強震動記錄處理和計算獲得的方向無關平均水平分量ROTD50,以及矩震級、斷層類型、破裂面頂部深度、斷層距、斷層投影距、場地VS30、上下盤參數(shù)等元數(shù)據(jù).由于近場臺站51QLY的地震動參數(shù)異常小,未將這個臺站納入對比.強震動臺站的場地VS30來源于Xie等(2022)編制的四川、云南、甘肅、新疆的強震動臺站場地的剪切波速和巖土剖面數(shù)據(jù)庫,部分近場臺站場地VS30見表1.

圖4給出了斷層破裂前方臺站(51XJW、51WCW、51DJZ)和破裂后方臺站(51YAM、51LDG、51HYQ)記錄的水平向SA與NGA-West2和ZYLW22預測中值曲線的對比.從圖4a可以看出,斷層破裂前方臺站51XJW、51WCW、51DJZ記錄的水平向SA在短周期處大于NGA-West2和ZYLW22模型的預測中值;圖4b顯示斷層破裂后方臺站51YAM、51LDG、51HYQ記錄的水平向SA在短周期處與NGA-West2模型的預測中值相差不大,而在中長周期處略小于NGA-West2模型的預測中值;斷層破裂后方臺站51YAM、51LDG、51HYQ記錄的水平向SA在整個周期范圍內(nèi)與ZYLW22模型的預測中值相差不大.這可能與NGA-West2模型中考慮的方向性效應的影響而ZYLW22模型中未考慮方向性效應的影響有關.水平向SA的空間分布、水平向SA與NGA-West2和ZYLW22模型預測中值的對比都表明,蘆山MS6.1地震地震動表現(xiàn)出一定的方向性差異.

圖4 斷層破裂前方(a)和破裂后方(b)臺站記錄的水平向加速度反應譜值與NGA-West2和ZYLW22預測方程的預測中值對比Fig.4 Comparison of observed horizontal spectral accelerations in the forward direction (a) and backward direction (b) with the median predictions from NGA-West2 and ZYLW22 GMPEs

4 與西南地區(qū)新一代GMPE的對比

地震動預測方程可以在給定震級、斷層類型、斷層上/下盤、距離和場地等條件下更精確地計算地面運動強度,預測的地震動強度是地震危險性評估(SHA)最重要的輸入.因此,GMPE在確定SHA工程場地的設計地震動參數(shù)中起著重要作用.利用本地區(qū)實際觀測記錄進行統(tǒng)計回歸獲得的經(jīng)驗地震動預測方程才能更精確地體現(xiàn)本地區(qū)的地震動衰減特性.

4.1 ZYLW22模型預測曲線與地震動觀測值對比

為了進一步驗證此次蘆山MS6.1地震是否符合西南構造活躍區(qū)主震的地震動衰減特性,將蘆山MS6.1地震的水平向地震動PGA、PGV、SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)觀測值與ZYLW22模型的預測中值進行對比.本文中采用兩個水平分量的與方向無關的ROTD50值進行對比,VS30取61個臺站的VS30中位數(shù)392.29 m·s-1.對比圖如圖5所示,黑色虛線為預測中值的±1倍標準差值.由圖5可知,絕大多數(shù)蘆山MS6.1地震的水平向地震動PGA、PGV、SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)觀測值分布在ZYLW22模型預測中值的±1倍標準差曲線以內(nèi),表明ZYLW22模型可以很好地預測蘆山MS6.1地震大多數(shù)的水平向地震動.ZYLW22模型的預測中值小于斷層距100 km以遠少數(shù)臺站的短周期地震動觀測值,而較好地預測了中長周期地震動.從圖1中可以看出,這些臺站基本位于四川盆地內(nèi)部,四川盆地屬于構造穩(wěn)定區(qū),其地震動的衰減較構造活躍區(qū)慢.而ZYLW22模型是基于西南構造活躍區(qū)地震的地震動數(shù)據(jù)構建的,未包含四川盆地的數(shù)據(jù).同時由于盆地的復雜構造和表面覆蓋的較厚松軟土層引起的邊緣效應和共振效應會放大地震動的中長周期成分(Bindi et al., 2009, 2011).因此,顯示出ZYLW22模型低估了少數(shù)幾個遠場臺站高頻地震動觀測值,而較好地預測不同距離臺站中長周期地震動觀測值.

圖5 強震臺記錄的水平向加速度反應譜ROTD50值與ZYLW22地震動預測方程的對比Fig.5 Comparison of observed horizontal spectral accelerations with the median predictions from ZYLW22 GMPE

4.2 ZYLW22模型的事件內(nèi)殘差相對于斷層距分布

圖6給出了計算的ZYLW22模型PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)事件內(nèi)殘差隨斷層距的分布.由圖6可知,ZYLW22模型大多數(shù)PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)的事件內(nèi)殘差均位于-1～1(對數(shù)坐標)以內(nèi),且未表現(xiàn)出系統(tǒng)性偏差,表明ZYLW22模型能很好地預測蘆山MS6.1地震區(qū)300 km范圍內(nèi)的地震動PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s),僅低估了遠場少數(shù)幾個臺站的高頻地震動(PGA、SA(T=0.5 s)).

圖6 強震臺記錄的PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)事件內(nèi)殘差隨斷層距的分布Fig.6 Distribution of within-event residuals with respect to rupture distance for PGA, PGV, and SA (T=0.5, 1.0, 3.0, 5.0 s) of strong motion stations

5 結論與討論

本文基于NSMONS獲得的蘆山MS6.1地震61組自由地表強震動記錄,分析了近場強震動記錄的幅值特征、水平向地震動強度的空間分布;將近場臺站反應譜值與NGA-West2和ZYLW22模型的預測中值進行了對比,討論了蘆山MS6.1地震的近場地震動是否存在方向性效應;結合實際觀測值與ZYLW22模型預測中值的對比、事件內(nèi)殘差的分布,檢驗了此次蘆山MS6.1地震是否符合西南構造活躍區(qū)主震的地震動衰減特性.得到了如下主要結論:

(1) PGA最大的兩個臺站51WCW、51YAM并不在《四川蘆山6.1級地震烈度圖》的Ⅵ區(qū)內(nèi).臺站51QLY位于烈度Ⅵ區(qū),而其地震動強度遠小于地震烈度相對應的值.

(2) 空間分布顯示,此次地震在斷層破裂前方(震中北東方向)和后方(震中南西方向)的各個地震動強度參數(shù)差異較為明顯.斷層破裂前方的水平向SA明顯大于破裂后方相同距離處的水平向SA,隨著周期的增加,兩者差異逐漸增大.與NGA-West2和ZYLW22預測方程對比顯示,斷層破裂前方臺站記錄的水平向SA在短周期處大于NGA-West2和ZYLW22模型的預測中值;斷層破裂后方臺站記錄的水平向SA在短周期處與NGA-West2模型的預測中值相差不大,而在中長周期處小于NGA-West2模型的預測中值;斷層破裂后方臺站記錄的水平向SA在整個周期范圍內(nèi)與ZYLW22模型的預測中值相差不大.蘆山MS6.1地震地震動表現(xiàn)出一定的方向性差異,斷層破裂前方記錄的短周期地震動高于平均水平,斷層破裂后方則低于平均水平.

(3) ZYLW22模型可以很好地預測蘆山MS6.1地震大多數(shù)的水平向地震動,表明此次蘆山MS6.1地震基本符合西南構造活躍區(qū)主震的地震動衰減特性.

由于部分遠場臺站位于構造穩(wěn)定的四川盆地內(nèi)部,其地震動的衰減較構造活躍區(qū)慢.同時由于盆地的復雜構造和表面覆蓋的較厚松軟土層引起的邊緣效應和共振效應會放大地震動的中長周期成分(Bindi et al., 2009, 2011).而ZYLW22模型是基于西南活動構造區(qū)的地震動數(shù)據(jù)構建的,所以ZYLW22模型低估了部分遠場高頻地震動,而較好地預測遠場中長周期地震動.

震源破裂方向性通常會導致地震的近場地震動呈現(xiàn)出方向性效應,即斷層破裂前方的不同周期的地震動強度被放大,從而導致斷層破裂前方的建筑結構的破壞更為嚴重(謝俊舉等,2017;安昭等,2019),而ZYLW22模型中未考慮方向性效應的影響.盆地會放大地震動的中長周期成分(Bindi et al., 2009, 2011),從而導致處于盆地內(nèi)的中長周期建筑結構破壞更為嚴重.因此,在西南地區(qū)建筑結構的抗震設計和地震動預測方程的研究中需進一步考慮震源破裂方向性效應以及盆地放大效應的影響.另外,由于構造活躍區(qū)和構造穩(wěn)定區(qū)的地震動衰減速率并不相同,西南地區(qū)進行地震動預測方程研究時應分構造活躍區(qū)和構造穩(wěn)定區(qū)進行.蘆山MS6.1地震基本符合西南構造活動區(qū)主震的地震動衰減特性,而Boore和Atkinson(1989)、Atkinson(1993)認為主震和余震的譜衰減并不相同,Abrahamson和Silva(2008)、Chiou和Young(2008)觀察到余震的短周期中值地震動比主震的短周期中值地震動系統(tǒng)的低20%～40%.因此,蘆山MS6.1地震是否是2013年MS7.0地震的余震需要進一步詳細的研究.

致謝感謝中國地震局工程力學研究所為本研究提供數(shù)據(jù)支持.感謝審稿專家和編輯的意見和建議.