汶川地震中鮮水河斷裂帶的隔震效應1

劉必燈王 偉李小軍于 淼

1）防災科技學院，三河 065201

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

汶川地震中鮮水河斷裂帶的隔震效應1

劉必燈1）王 偉1）李小軍2）于 淼1）

1）防災科技學院，三河 065201

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

本文以汶川地震中的非發震斷層鮮水河斷裂帶周邊石棉地區所獲取的加速度記錄為依據，研究了這些記錄在峰值、頻譜間的差異。結果表明，以鮮水河斷裂帶為界，近震源側地震動強度更大且高頻更豐富。對該地區區域構造特征初步分析表明，鮮水河斷裂帶對汶川地震產生的地震動具有隔震效應。基于顯式有限元和局部透射人工邊界的二維有限元斷層場地模型，對該地區的地面運動模擬結果表明，入射波動所指向的一側地面運動更小，說明較陡的斷層破碎帶對斜入射地震波具有一定的隔震效應。

非發震斷層 鮮水河斷裂帶 隔震效應 數值模擬

引言

2008年汶川地震時，位于雅安石棉縣附近的多個強震臺站獲得了高質量的遠場強震記錄，在分析該縣境內的草科、挖角、先鋒、擦羅、美羅等強震臺站記錄的加速度峰值和譜特征時發現，其揭示的該區域強地面運動差異顯著。通過查看四川省地震局提供的強震臺臺址勘察資料2四川省地震局，2004—2007. 四川省地震臺站建臺報告系列材料.，以及臺址現場考察后發現，該5個臺址（草科、挖角、先鋒、擦羅、美羅）均不太可能存在局部場地地基土及局部地形對地震動的顯著影響。為探求產生這種強地面運動顯著差異的原因，本文基于研究區區域構造特征，開展了基于強震動記錄宏觀分析及二維場地數值模擬的聯合解譯。

1 研究區區域構造特征

本文選擇的草科、挖角、先鋒、擦羅、美羅5個強震臺位于大渡河兩岸石棉縣境內，研究區地震活動十分頻繁，歷史上曾發生多次7級以上強震，1786年康定、瀘定磨西間級地震即發生于此；該區域活動構造也非常發育，包含了我國西部著名強震活動帶在內的鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂等5條大規模的深大斷裂。這些斷裂的空間展布簡圖及與研究臺站的位置關系見圖1。經統計3四川省地震局工程地震研究院，2004．大渡河大崗山水電站工程場地地震安全性評價.（何玉林等，2006），研究區主要斷裂構造特征如表1所示。可以看出，研究區主要活動斷裂大致走向為北西-南北，傾向北東-東，傾角60—90°。

圖1 研究區地震地質構造示意圖Fig. 1 Seismotectonic map of study area in Shimian

表1 石棉研究區活動斷裂構造特征Table 1 Tectonic characteristic of the fault zone in Shimian area

區域地質調查表明，研究區包括貢嘎山強斷隆和大涼山中升區2個新構造單元，以鮮水河斷裂磨西段和安寧河斷裂小相嶺段組成分界斷裂帶。貢嘎山強斷隆是典型斷塊山地，邊界均被斷裂圍限，第四紀以來主要表現為大幅度隆起抬升；大涼山中升區整體性較好，除邊界斷裂和大涼山斷裂表現出明顯的差異性活動外，其他區域主要表現為整體隆起抬升。挖角、美羅、擦羅、先鋒臺位于分界斷裂帶東側的大涼山中升區一側，而草科臺則位于分界斷裂帶西側的貢嘎山強斷隆塊體上。

據強震臺臺址勘察資料1四川省地震局，2004—2007. 四川省地震臺站建臺報告系列材料.及臺址現場考察結果，各臺址都處于河流階地或沖洪積扇上，均為土層場地，且淺層地層情況基本相似，大都以碎石和卵石地層為主。據鉆孔土層剖面資料及等效剪切波速測試結果可知，各臺址20m以內等效剪切波速在246—283m/s之間，覆蓋層厚度大約20m，均為II類場地。

2 強震記錄幅值及頻譜差異

汶川地震主震微觀震中和研究區臺站方位關系如圖2所示。位于分界斷裂帶西側的草科臺屬汶川地震的遠震源側，分界斷裂帶東側大涼山中升區上的挖角、先鋒、擦羅和美羅臺屬汶川地震的近震源側。盧壽德等（2008）給出了研究區5個臺站所取得的加速度記錄及反應譜。表2和表3分別列出了這些臺站的加速度峰值、反應譜卓越周期及相應的比值（或差值）。

從PGA上看，分界斷裂帶東側的4個臺站都比其西側的草科臺大不少，其峰值比約為1.5—3.5；反應譜分析結果顯示，草科臺長周期成分更豐富，其水平和豎向卓越周期都達到0.43s，相比其它各臺長了0.09—0.33s。

為進一步分析各臺站記錄的頻譜差異，圖3繪出了相對于草科臺的各臺站記錄反應譜譜比。結果顯示，除極個別頻段，各臺站反應譜譜比基本都大于1，反應譜的最大譜比值列于表4中。分析表明，各臺站南北向譜比均大于4，水平向最大譜比達7.8；挖角臺垂直向譜比最大，在0.13s處達到5.15。

圖2 汶川地震主震微觀震中與觀測臺站方位關系示意圖Fig. 2 Location of the observation stations and the epicenter of Wenchuan quake

表2 臺站記錄加速度峰值（PGA）及反應譜卓越周期Table 2 PGA and predominant period of response spectrum for 5 observation stations

表3 各臺相對于草科臺記錄的加速度峰值比及卓越周期差值Table 3 Ratio of PGA and the predominant period difference of response spectrum for 5 observation stations

圖3 各臺相對于草科臺的反應譜譜比Fig. 3 Response spectrum ratio for 4 observing stations respect to Caoke station

以上初步分析結果表明，遠震源側的草科臺振動強度要明顯弱于近震源側的其它4臺，且遠震源側的草科臺長周期成分比近震源側的其它各臺要更豐富。通過查看臺址勘察資料及臺址現場考察后發現，各臺址淺層地層情況和地形情況基本相似，均在II類場地的河流階地上，該5個臺址均不太可能存在局部場地地基土及局部地形對地震動的顯著影響。因此，這種近震源側比遠震源側振動更劇烈、高頻更豐富的特點，可能與較陡傾角的斷裂帶阻隔了地震動有關，以下通過數值試驗進行探討。

表4 各臺站相對于草科臺反應譜譜比值Table 4 Response spectrum ratio for 4 observing stations respect to Caoke station

3 斷層隔震效應數值試驗

針對較陡傾角的斷裂帶阻隔了地震動的問題，筆者采用廖振鵬（2002）提出的時域集中質量有限單元法和人工透射邊界相結合的一種波動顯式有限元法，進行該斷層場地二維地震反應分析。

以中心差分法為基礎的顯式有限元法，通過巧妙的數學處理，在不需解聯立方程組的情況下即可求得節點任何時刻的位移值；同時利用多次透射邊界條件，把本例中實際無限域問題轉化為有限域問題進行求解。

該實際問題不考慮巖土介質的動力非線性效應，因此數值試驗可簡化為線彈性波動問題來求解。首先，利用顯式有限元法求取在寬頻帶脈沖激勵（如有限帶寬脈沖時程）下的傳遞函數，然后，利用傳遞函數法求取實際地震動輸入下場地地表的反應，提高計算效率。劉必燈（2011）給出了詳細的計算方法及輸入脈沖。傳遞函數法的具體求解可歸納為圖4所示的步驟。

根據調查，該區段的鮮水河斷裂帶傾向近直立，故建立了垂直斷層帶斜入射地震動的二維斷層場地計算模型，以用來模擬該真實的場地條件。模型示意圖見圖5。模型長高分別取為2000m和1000m，斷層破碎帶寬度取為200m，入射角α取為40°，介質物理力學參數如表5所示。最大離散網格尺寸和最小時間步距均滿足動力有限元計算的精度和穩定性要求。底邊界和側邊界均為多次透射人工邊界。在底人工邊界斜入射寬頻帶脈沖時程，求取地表反應及場地傳遞函數，并通過傳遞函數法獲取實際地震記錄輸入下的地表地震反應時程。

圖4 傳遞函數法示意圖Fig. 4 Sketch of transfer function method

表5 計算模型物理力學參數Table 5 Physical parameters of the finite element model

圖5 斜入射情況下垂直斷層場地二維有限元模型示意圖Fig. 5 Sketch for 2D finite element vertical fault model struck by external oblique incidence seismic wave

從圖6分別給出的寬頻帶脈沖時程輸入下地表各觀測點加速度時程及峰值隨地表觀測點位置的分布圖可知，由于垂直斷層帶對斜入射地震動的阻隔，經斷層帶反射和散射后，地震動在左側集聚作用明顯，斷層帶左側地震動明顯強于右側。從圖7給出的斷層破碎帶相同距離的左、右側典型觀測點傳遞函數幅值比可知，斷層帶左側相對與右側地震動在全頻段基本都表現為放大效應，有些頻段放大效應還較明顯。圖8表示實際地震動輸入下斷層破碎帶相同距離的左、右兩側典型觀測點地震動時程結果也表明，斷層帶左側地震動峰值更大，振動更強。綜上所述，垂直斷層帶對斜入射的地震動具有一定的阻隔作用。

圖6 寬頻帶SV波脈沖輸入下各觀測點反應波形圖及反應峰值分布圖Fig. 6 Time history records and PGA distribution for surface observation stations by SV incident mode

圖7 斷層破碎帶左、右側典型觀測點傳遞函數幅值比Fig. 7 Transfer function ratio for typical observation point at the left and right side of fault zone

圖8 實際地震輸入下斷層破碎帶左、右側典型觀測點加速度時程Fig. 8 Time-acceleration history for typical observation point at the left and right side of fault zone

4 結束語

在四川汶川地震中，位于鮮水河斷裂和安寧河斷裂所組成的分界斷裂西側的遠震源側的草科臺記錄，與東側近震源側的挖角、先鋒、擦羅和美羅臺記錄相比，基本都表現為峰值更小、振動較弱且長周期成分更豐富的特點。通過查看四川省地震局提供的強震臺臺址勘察資料，及臺址現場考察后發現，各臺址淺層地層情況和地形情況基本相似，均不太可能存在局部場地地基土及局部地形對地震動的顯著影響。初步分析表明，近震源側比遠震源側振動更劇烈、高頻更豐富的特點，可能與較陡傾角的鮮水河斷裂和安寧河斷裂組成的分界斷裂帶，阻隔了位于東側龍門山斷裂上發出的射向分界斷裂帶西側的地震波，從而造成位于斷裂帶西側的草科臺振動變小，高頻過濾明顯的特征。

通過基于時域集中質量有限元法和人工透射邊界相結合的二維波動顯式有限元數值模擬顯示，由于垂直斷層帶對斜入射地震動的阻隔，經斷層帶反射和散射后，地震動在入射側集聚明顯，斷層帶入射側地震動明顯強于另一側，且全頻段均表現為這一特征。

綜上所述，垂直斷層帶對斜入射的地震動具有一定的隔震效應。

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何玉林，何宏林，李勇，2006．大型變電站廠址的地震地質條件研究——四川省石棉地區變電站遴選實例．中國地震，22（4）：382—393．

盧壽德，李小軍，2008．汶川8.0級地震未校正加速度記錄．北京：地震出版社．

廖振鵬，2002．工程波動理論導論（第二版）．北京：科學出版社．

劉必燈，2011．斷陷盆地及斷層破碎帶場地地震動效應［博士學位論文］．哈爾濱：中國地震局工程力學研究所．

Isolation Effect of Xianshuihe Fault Zone in Wenchuan Earthquake

Liu Bideng1），Wang Wei1），Li Xiaojun2）and Yu Miao1）

1）Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，China
2）Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China

In this study，we analyzed the peak ground acceleration（PGA）and spectral characteristics of the earthquake acceleration records from the main shock of Wenchuan earthquake，the difference of the ground motion at both sides of the Xianshuihe fault zone．We found anomalously large amplitude and extremely rich high frequency in the ground motion near source side（right side of the fault in this case）．Our results indicate that the non-causative fault（Xianshuihe fault zone）can obstruct the spread of seismic wave，and the isolation effect of the non-causative fault is presented．Numerical solution of 2-D model of this fault site derived by the explicit finite element combining with local multi-transmitting artificial boundary method is used for interpreting the mechanism of difference of the ground motion．The study of 2-D vertical low velocity fault zone（LVFZ）model struck by external oblique incidence seismic radiation shows that vertical LVFZ can obstruct the spread of oblique incidence seismic wave．

Non-causative fault; Xianshuihe fault zone；Isolation effect；Numerical calculation

劉必燈，王偉，李小軍，于淼，2014．汶川地震中鮮水河斷裂帶的隔震效應．震災防御技術，9（4）：855—862．

10.11899/zzfy20140413

中央高校基本科研業務費專項資金（ZY20110205，ZY20110206，ZY20120103）；國家自然科學基金（51208107，51308118）

2014-07-10

劉必燈，男，生于1983年。講師，博士。主要從事工程地震與結構動力學研究。E-mail：ladeng244@163.com