汶川8.0級地震峰值地震動特性研究①

喬震元，劉本玉，張遠(yuǎn)富

（1.云南大學(xué)地球物理系，云南昆明 650091；2.平?jīng)鍪械卣鹁?，甘肅平?jīng)?744000）

汶川8.0級地震峰值地震動特性研究①

喬震元1，劉本玉1，張遠(yuǎn)富2

（1.云南大學(xué)地球物理系，云南昆明 650091；2.平?jīng)鍪械卣鹁?，甘肅平?jīng)?744000）

對汶川MS8.0地震的加速度峰值進(jìn)行統(tǒng)計和處理，得到加速度（PGA）與斷層距的統(tǒng)計關(guān)系、等值線圖以及地震三方向的三維加速度圖。發(fā)現(xiàn)加速度峰值沿斷層方向衰減較慢，沿其它方向衰減較快，斷層距在100km內(nèi)衰減最快。大峰值的加速度基本位于斷裂的兩側(cè)的狹長地帶及沿斷裂方向。用中國西部加速度衰減公式計算的加速度值與實際記錄值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者偏小并且衰減得快，可能與本次地震的斷裂破裂機(jī)制和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

汶川MS8.0地震；加速度峰值；衰減規(guī)律；加速度分布；斷層距

Abstract：Based on the statistical and processing work for the peak acceleration data of Wenchuan MS8.0earthquake in 2008，the statistical relationship between PGA and distance from the fault，PGA isogram and the 3－D acceleration diagrams in three directions are obtained.The results show that the peak acceleration attenuated slowly along the seismogenic fault，but attenuated rapidly in other directions，and the fastest decay appeared in the region within 100km from the fault.High values of the peak acceleration commonly recorded in a narrow belt on both sides of the fault.Comparison of recorded values with values from the acceleration attenuation formula for west China shows that the latters are smaller and attenuate faster，it is consideredly related with the earthquake rupture mechanism and the tectonics.

Key words：Wenchuan MS8.0earthquake；Peak acceleration；Attenuation；Acceleration distribution；Distance from the fault

0 引言

2008年5月12日在四川省汶川境內(nèi)發(fā)生了MS8.0特大地震，全國各省市均有不同程度的震感，以川陜甘三省震情最為嚴(yán)重。震中位置103.4° E，31.0°N，震源深度14km，震中烈度為Ⅺ度。地震發(fā)生在位于青藏高原與四川盆地分界的龍門山逆沖斷裂帶上。該斷裂帶長約400km，寬約60km，由4條大斷裂構(gòu)成。汶川地震的發(fā)震斷層是中央斷裂（北川－映秀斷裂），地震破裂帶始于汶川縣映秀鎮(zhèn)附近，向NE方向經(jīng)北川延伸了300km［1］。

中國數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)完成于2007年底，在汶川特大地震中該臺網(wǎng)布設(shè)在四川、甘肅、陜西、云南、寧夏、青海、山西、山東、河南、河北、北京、天津、內(nèi)蒙古、江蘇、上海、福建、廣東、湖北、安徽等19個省、市、自治區(qū)的455個臺站獲得了主震加速度記錄［2］。本文利用這些記錄數(shù)據(jù)來進(jìn)行衰減規(guī)律的研究，應(yīng)用GB 17741－2005《工程場地地震安全性評價》中［3］提供的中國西部地震動峰值加速度衰減關(guān)系，將加速度記錄進(jìn)行處理并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到了四川地區(qū)地震峰值加速度的分布規(guī)律?？蔀闉?zāi)區(qū)重建及今后防震減災(zāi)工作提供參考。

幾乎在所有地震中近斷層區(qū)域建筑破壞是最嚴(yán)重的，而對結(jié)構(gòu)物的危害主要來自地震產(chǎn)生的水平剪切運(yùn)動［4］。在一般情況下，地震動加速度水平向幅值比垂直方向幅值大。影響地震動峰值加速度的因素很多，包括震級、距離、斷層方向、地質(zhì)構(gòu)造等。于海英等認(rèn)為沿著斷層方向地震動峰值明顯大于其它方向，在斷層上盤地震動峰值大于同等情況下下盤峰值加速度，體現(xiàn)了斷盤效應(yīng)［5］。一般情況下，地震動峰值隨震級的增大而增大，隨距離的增大而減?。?］。胡聿賢等也認(rèn)為震級對加速度關(guān)系影響頗大［7］。本文應(yīng)用最小二乘法對汶川地震記錄所得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，并對統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行比較和討論。

1 數(shù)據(jù)和模型

本文數(shù)據(jù)來自中國數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)記錄的399個土層上三方向加速度數(shù)據(jù)。斷層距是通過百度地圖上直接測距得到；臺站經(jīng)緯度由Google Earth中測出，誤差在1%～2%左右。本文應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行統(tǒng)計得到結(jié)果。計算加速度的理論公式是用中國西部地區(qū)地震動峰值加速度衰減關(guān)系求得［3］

式中，aRa為長軸方向的加速度；aRb為短軸方向加速度；M為震級；Ra和Rb是距離項，為震源距，本文用的是斷層距［3］。

2 結(jié)果

運(yùn)用得到的數(shù)據(jù)，我們?nèi)鄬泳嘈∮?00km的加速度值進(jìn)行擬合，得到加速度與斷層距的關(guān)系（圖1）?？梢钥闯?，加速度峰值隨著距離的增大而減小，特別是在斷層距100km以內(nèi)。大峰值加速度基本位于斷裂附近，最大的幾個點(diǎn)基本位于斷層距40km左右。南北向和東西方向加速度值變化幾乎是一致的，只是在最高峰值比東西向稍微偏低，衰減的速度比東西向稍慢，在300km以后趨于水平，其幅值變化不大?？赡芘c斷裂的東西向逆沖并兼有走滑機(jī)制有關(guān)。垂直方向的加速度值與其他兩個方向相比加速度值較低且衰減更快，在200km處就很小了。

為了清楚的看到加速度的分布情況，我們?nèi)?9°～36°N，102°～108°E范圍內(nèi)做加速度等值線圖，等值線之間的差值為100cm／s2（圖2）。

圖1 三方向加速度與斷層距的關(guān)系Fig.1 Relationship between distance from the fault and the acceleration in three directions.

圖2 三個方向峰值加速度等值線圖Fig.2 Isograms of acceleration in three directions.

從圖2可以看出加速度沿著斷裂帶的分布及加速度衰減的情況。加速度高峰值地帶基本是沿著斷裂的狹長地帶。東西向和南北向在青川附近分成兩支，這與斷裂的分布和臺站分布有關(guān)。垂直向沒有很明顯的分支，可能是衰減較快。由于映秀－北川斷層是NE走向的逆沖斷層，上盤的加速運(yùn)動方向是向東，下盤的加速運(yùn)動方向是向西。汶川地震的破裂由南向北，由逆沖變?yōu)樽呋瑪鄬娱_始逆沖破裂階段的東西分量PGA值較南北分量大，然而就整個區(qū)域的PGA分布來看，東西分量和南北分量的大小沒有明顯規(guī)律［2，5］。為了進(jìn)一步的更直觀的看出地震動峰值衰減。我們做了三維加速度峰值的衰減圖（圖3）。從圖3可以明顯看出加速度沿斷裂分布的情況及斷層的上下盤效應(yīng)。峰值加速度沿斷裂衰減比其他方向衰減的慢，震中位置加速度峰值非常明顯，加速度高峰值基本上是沿著斷裂的狹長地帶。破裂的上下盤效應(yīng)也很明顯。圖中還可以明顯的看到加速度的分叉（圖4中也有所體現(xiàn)）。

3 實測值與中國西部地震動峰值加速度衰減公式計算值比較

用文獻(xiàn)［3］中中國西部地震動峰值加速度衰減公式計算得到的理論加速度值與實際觀測到的值進(jìn)行比較［3，8－9］（圖4）。從圖4中可以明顯看出，峰值加速度形態(tài)兩者基本上是一致的，說明加速度的衰減與斷裂的方向關(guān)系密切。但是衰減公式算出的加速度值比實際觀測到的加速度值小，且衰減比實際的衰減要快。根據(jù)中華人民共和國建筑抗震設(shè)計規(guī)范《GB50011－2001》，可能是土層場地對地震動有放大作用［10－11，5］。衰減公式計算得到的加速度值沿著斷裂方向的衰減沒有實際記錄到的明顯，范圍也較實際觀測的小。實際記錄到的加速度的三維表面圖有很明顯的加速度峰值，并且峰值比衰減公式計算的要大，且明顯雙峰。但是在東北方向理論計算的比實際測量的大。加速度正的最大值和負(fù)的最大值也能明顯看出沿著斷裂方向，并且體現(xiàn)出幾個峰值來；用衰減公式計算的也有幾個峰值也很突出，但是沒有實際記錄到的突出。還可以看出衰減公式算出的加速度的三維表面圖中，斷裂東北段的青川、北川加速度比汶川、理縣方向的大?？赡芘c龍門山斷裂地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。龍門山斷裂帶由幾條斷裂構(gòu)成，西部加速度衰減公式的計算范圍在105°以西，而斷裂一部分已經(jīng)超過了這個經(jīng)度，所以計算的加速度也存在一定的誤差。

4 結(jié)論

汶川大地震以前由于我國強(qiáng)震動臺站數(shù)量很少，缺乏自己的強(qiáng)震動觀測記錄尤其是大震近場記錄。汶川大地震強(qiáng)震動記錄群均為數(shù)字強(qiáng)震儀記錄，震相完整、記錄質(zhì)量高，極大地豐富了我國強(qiáng)震動記錄數(shù)據(jù)庫。由本文的初步分析可以得到下列結(jié)論：

（1）加速度記錄的高峰值基本是在斷裂附近，較大的地表加速度值分布在斷層兩側(cè)及沿斷層破裂方向；

（2）加速度衰減沿著斷裂方向衰減較慢，沿著其他方向衰減較快；

圖3 三個方向峰值加速度三維表面圖Fig.3 3－D images of peak acceleration in three directions.

（3）較大的加速度峰值沿發(fā)震斷層分布，集中在靠近斷層的狹長區(qū)域。在相同情況下，斷裂上盤峰值加速度值明顯高于下盤值。上盤效應(yīng)和方向性效應(yīng)較明顯；

（4）理論計算的加速度與實際觀測的加速度存在差異，可能與土層對加速度峰值具有放大效應(yīng)有關(guān)，也存在一定的誤差，但基本上和實際觀測的一致；

（5）加速度峰值隨著距離的加大不斷減小，在100km以內(nèi)衰減最快，到300km處基本上已經(jīng)很小了；

本文也提供了一種方法，就是應(yīng)用加速度的三維圖可以更清楚更直觀的看到加速度峰值的特性。

圖4 實測水平方向峰值加速度與中國西部地區(qū)加速度衰減公式計算的加速度值的等值線圖和三維表面圖的比較Fig.4 Comparison of the peak acceleration isograms in horizontal and 3－D images between recorded data and values from the acceleration attenuation formula for west China.

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Research on the Peak Ground Motion Characteristics of Wenchuan MS8.0Earthquake

QIAO Zhen－yuan1，LIU Ben－yu1，ZHANG Yuan－fu2
（1.Department of Geophysics，Yunnan University，Kunming 650091，China；2.Earthquake Administration of Pingliang City，Gansu Pingliang 744000，China）

P315.914

A

1000－0844（2011）01－0091－05

2009－12－24

國家自然科學(xué)基金（40564002）

喬震元（1984－），男，云南昆明人，碩士生，主要從事地震工程方面的研究.