甘肅華亭礦區(qū)設(shè)定地震的地震動(dòng)場(chǎng)影響研究①

賈兆偉，趙烽帆，張 巖，孟令媛

（1.中煤國(guó)際工程集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100022；3.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045）

0 引言

甘肅省華亭地區(qū)位于鄂爾多斯塊體的西南緣，六盤(pán)山擠壓構(gòu)造帶的南部，靠近六盤(pán)山斷裂帶的南段。盡管華亭地區(qū)沒(méi)有中等強(qiáng)度及以上的地震發(fā)生，但該地區(qū)2005年5月31日發(fā)生的ML3.2地震造成了華亭煤礦603工作面損毀，致使井下1人死亡，12人受傷；同年12月2日又發(fā)生ML4.2地震，造成了3人受傷（據(jù)甘肅省平?jīng)龅卣鹁郑?/p>

2013年7月22日甘肅省岷縣、漳縣交界發(fā)生MS6.6地震，震中位置（34.5°N，104.2°E），震源深度20km，地震發(fā)生在臨潭—宕昌斷裂帶附近，震中位于甘青川交界地區(qū)13年的6級(jí)地震平靜區(qū)內(nèi)和12年的5級(jí)空區(qū)邊緣［1］。由于岷縣漳縣MS6.6地震震級(jí)相對(duì)偏小，并沒(méi)有緩解甘青川交界地區(qū)5、6級(jí)地震圍空區(qū)及其邊緣的強(qiáng)震危險(xiǎn)背景。中國(guó)大陸7、8級(jí)地震危險(xiǎn)性中—長(zhǎng)期預(yù)測(cè)研究專(zhuān)項(xiàng)工作組（簡(jiǎn)稱(chēng)“M7專(zhuān)項(xiàng)”）指出南北地震帶北段存在許多地震空區(qū)（破裂空段），根據(jù)北段已發(fā)生強(qiáng)震、大地震的破裂區(qū)沿發(fā)震斷裂的展布，判定的主要地震空區(qū)為：①磴口—五原地震空區(qū)；②同心—靈武地震空區(qū)；③天祝—大靖地震空區(qū)；④六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)；⑤西秦嶺中—西段地震空區(qū)；⑥甘青川交界地震空區(qū)［2］。

岷縣漳縣MS6.6地震即發(fā)生在西秦嶺中—西段地震空區(qū)內(nèi)，距離華亭地區(qū)約280km。實(shí)際上六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)東北邊界距離華亭地區(qū)僅約30km，該地震空區(qū)內(nèi)歷史上發(fā)生過(guò)公元600年M7 1/4地震和公元704年M6地震，主要涉及的斷裂為六盤(pán)山南段斷裂。假設(shè)六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)內(nèi)發(fā)生M7左右地震，華亭地區(qū)會(huì)受到強(qiáng)震地震動(dòng)的影響，還可能因構(gòu)造強(qiáng)震誘發(fā)礦震，從而進(jìn)一步使得礦區(qū)受到礦震地震動(dòng)的直接影響。此外，華亭地區(qū)東側(cè)的寧縣煤田分別于2010年和2012年開(kāi)工建設(shè)了寧縣南煤礦和寧縣中煤礦（寧縣煤炭資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃，2010），一旦六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)內(nèi)發(fā)生M7左右地震，寧縣南和寧縣中煤礦均會(huì)受到不同程度的影響（圖1）。

圖1 2001年以來(lái)華亭地區(qū)礦震及附近MS5.0以上地震分布示意圖.Fig.1 Locations of mineral earthquakes and larger than MS5.0earthquakes in Huating region since 2001

地震動(dòng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)研究是工程地震學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。2008年汶川MS8.0地震之后，近幾年全球范圍7級(jí)及以上強(qiáng)震頻發(fā)。中強(qiáng)地震的發(fā)生往往伴隨著地震災(zāi)害，如何減輕地震的直接災(zāi)害，即地震造成的地震動(dòng)致使震區(qū)內(nèi)建筑物的損毀倒塌，是目前有待解決的實(shí)際問(wèn)題之一。本文結(jié)合M7專(zhuān)項(xiàng)給出的大震危險(xiǎn)區(qū)判定成果，針對(duì)六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)，假設(shè)該空區(qū)內(nèi)六盤(pán)山南段斷裂發(fā)生M7地震。構(gòu)建地震動(dòng)預(yù)測(cè)模型，模擬計(jì)算該發(fā)震斷層周?chē)卣饎?dòng)參數(shù)，給出峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）的預(yù)測(cè)分布圖；同時(shí)基于預(yù)測(cè)得到的PGA分布圖估計(jì)華亭地區(qū)、寧縣南煤田及寧縣中煤田地震PGA的取值情況；最后針對(duì)華亭地區(qū)及附近礦區(qū)受設(shè)定的M7地震影響給出綜合性評(píng)估。

1 地震動(dòng)場(chǎng)預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

從工程地震的角度研究斷層，通常最關(guān)心的問(wèn)題是發(fā)震斷層周?chē)卣饎?dòng)的分布情況。對(duì)震區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)破壞作用的地震動(dòng)影響通常取決于地震震源過(guò)程，涉及斷層的破裂過(guò)程和斷層的滑動(dòng)方向和速率，以及觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于震源和發(fā)震斷層的位置等［3－4］。地震動(dòng)預(yù)測(cè)方法通常有以下四種不同模型：（1）衰減關(guān)系模型；（2）隨機(jī)模型；（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；（4）動(dòng)力學(xué)模型。其中經(jīng)驗(yàn)衰減關(guān)系模型是在對(duì)強(qiáng)震觀測(cè)記錄的統(tǒng)計(jì)回歸分析之上建立不同震級(jí)下的地表運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)；動(dòng)力學(xué)模型據(jù)給定斷層內(nèi)部邊界條件和初始條件，通過(guò)數(shù)值求解彈性動(dòng)力學(xué)方程，仿真模擬斷層動(dòng)態(tài)破裂過(guò)程和相應(yīng)的地表運(yùn)動(dòng)場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)模型則從根本上解決了寬頻帶（0≤f≤10Hz）地表運(yùn)動(dòng)的合成計(jì)算。目前比較有代表性的成果包括經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法，復(fù)合震源模型和雜交法（Hybrid）［5］。

隨機(jī)模型的震源理論模型為Brune在1970年首次提出，Hanks和 McGuire［6］給出了隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算峰值加速度和峰值速度的公式；Boore［7］在Hanks等人的工作基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震動(dòng)時(shí)程及反應(yīng)譜的估計(jì)；Atkinson［8］在 Hanks和Boore等人的研究成果上給出了三段幾何衰減模型。該方法為一種相對(duì)簡(jiǎn)化的方法，在工程地震領(lǐng)域得到了廣泛的采用。隨機(jī)方法中點(diǎn)源模型通常把一個(gè)場(chǎng)地的地震動(dòng)傅里葉譜定義為震源（S），路徑傳遞函數(shù)（P），場(chǎng)地傳遞函數(shù)（G），以及地震動(dòng)類(lèi)型轉(zhuǎn)換函數(shù)（I）的乘積，即

式中震源S為地震矩M0和頻率f的函數(shù)；路徑傳遞函數(shù)P為震源距R和f的函數(shù)；場(chǎng)地傳遞函數(shù)G和轉(zhuǎn)換函數(shù)I均為f的函數(shù)。

表1 六盤(pán)山南段地震空區(qū)M7設(shè)定地震主震模型參數(shù)Table 1 Parameters of the model for M7scenario earthquake in the eastern segment of Liupanshan seismic gap

應(yīng)用隨機(jī)方法合成加速度時(shí)程曲線，需要給定高斯白噪聲、應(yīng)用窗函數(shù)調(diào)整白噪聲，基于用傅里葉變換實(shí)現(xiàn)時(shí)間域到頻率域的轉(zhuǎn)換得到傅里葉幅值譜，使用傅里葉幅值譜的均方根對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化譜值進(jìn)一步得到加速度的傅里葉譜，最后進(jìn)行從頻率域到時(shí)間域的轉(zhuǎn)換，從而得到預(yù)測(cè)的加速度時(shí)程［9］。Motazedian和Atkinson［10］針對(duì)該模型由于子源大小改變而存在的斷層輻射能不守恒現(xiàn)象，提出了動(dòng)態(tài)拐角頻率的概念，給出了修正的有限斷層隨機(jī)振動(dòng)模 型 （Stochastic Finite－ Fault Model，簡(jiǎn) 寫(xiě)SFFM），本文采用有限斷層隨機(jī)振動(dòng)模型（SFFM），針對(duì)研究區(qū)域內(nèi)設(shè)定地震進(jìn)行地震動(dòng)的模擬計(jì)算。

南北地震帶北段的六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)內(nèi)歷史上發(fā)生過(guò)的最大地震震級(jí)為M7 1/4（圖1），且主要涉及NE走向的六盤(pán)山南段斷裂。因此本文選取六盤(pán)山南段斷裂為發(fā)震斷層，設(shè)定地震震級(jí)為M7，命名為六盤(pán)山南段地震空區(qū)M7設(shè)定地震（簡(jiǎn)稱(chēng)M7設(shè)定地震），應(yīng)用SFFM構(gòu)建計(jì)算模型的相關(guān)參數(shù)，詳見(jiàn)表1。此外，斷層長(zhǎng)約80km，寬約20 km，走向角140°，傾向80°，斷層面上應(yīng)力降2MPa。

圖2中給出的六盤(pán)山南段地震空區(qū)M7設(shè)定地震地震動(dòng)場(chǎng)預(yù)測(cè)圖中顯示，極震區(qū)的PGA最高可達(dá)1500cm／s2，但主要集中在斷層兩側(cè)的近斷層區(qū)域；由于設(shè)定傾向?yàn)?0°，以走滑為主的特征也導(dǎo)致了斷層兩側(cè)PGA高值以斷層在地表的出露位置為參照呈現(xiàn)近對(duì)稱(chēng)的分布；此外距離發(fā)震斷層較近的華亭地區(qū)PGA預(yù)測(cè)結(jié)果約為100cm／s2，寧縣中煤田和寧縣南煤田的PGA預(yù)測(cè)結(jié)果約為50cm／s2，參照寧縣煤炭資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃（2010），所在區(qū)50年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度0.05g。六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)內(nèi)一旦發(fā)生M7級(jí)左右強(qiáng)震，附近的寧縣礦區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)尚能滿足抗震需求，而華亭地區(qū)的建筑標(biāo)準(zhǔn)則略顯偏低。

圖2 M7設(shè)定地震六盤(pán)山南段斷層附近地震動(dòng)場(chǎng)（加速度）預(yù)測(cè)圖Fig.2 Forecast for near－fault ground motion field（acceleration）along the eastern segment of Liupanshan fault，based on a M7scenario earthquake

2 討論和結(jié)論

地震動(dòng)的預(yù)測(cè)計(jì)算通常被應(yīng)用于工程地震領(lǐng)域及強(qiáng)烈地震發(fā)生后地震動(dòng)圖（ShakeMap）的生成。目前包括中國(guó)地震局和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在內(nèi)的地震信息權(quán)威發(fā)布機(jī)構(gòu)都會(huì)在確定震中位置后，基于點(diǎn)源模型初步給出強(qiáng)烈地震的ShakeMap。盡管點(diǎn)源模型不考慮斷層的具體長(zhǎng)度及斷層面上的破裂過(guò)程和滑動(dòng)位移的分布情況，且給出的結(jié)果也相對(duì)粗糙，但其優(yōu)勢(shì)在于快速。2010年玉樹(shù)MS7.1地震發(fā)生后，許力生等［11］基于反演遠(yuǎn)場(chǎng)波形得到的震源破裂過(guò)程，利用Crust2.0提供的玉樹(shù)當(dāng)?shù)氐貧つＰ停鸷罂焖倌M計(jì)算了近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)，并第一時(shí)間解釋了玉樹(shù)縣城受到嚴(yán)重破壞的主要原因。本文中給出的圖2為基于有限斷層模型（SFFM）計(jì)算地震動(dòng)進(jìn)而給出的模擬PGA分布圖，優(yōu)勢(shì)在于建模過(guò)程考慮斷層幾何特征，計(jì)算快速，結(jié)果直觀。

需要指出的是，未來(lái)的工作中不僅要應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的、距離城市較近的中小型地震，重視震后及時(shí)、快速估算地震周邊區(qū)域地震動(dòng)的分布情況，同時(shí)要應(yīng)對(duì)重點(diǎn)工業(yè)園區(qū)，如礦山、油田附近可能發(fā)生的中強(qiáng)地震后造成的地震動(dòng)影響。本文針對(duì)2013年甘肅省岷縣漳縣MS6.6地震后南北地震帶北段較為嚴(yán)峻的地震形勢(shì)，結(jié)合華亭地區(qū)當(dāng)?shù)氐牡V震活動(dòng)，選取六盤(pán)山—西秦嶺東段地震空區(qū)作為設(shè)定的M7地震的發(fā)震區(qū)域，構(gòu)建地震動(dòng)預(yù)測(cè)模型，給出相應(yīng)的PGA預(yù)測(cè)分布圖，明確指出一旦設(shè)定地震發(fā)生，華亭地區(qū)PGA可能達(dá)到100cm／s2左右，以便應(yīng)對(duì)未來(lái)華亭地區(qū)可能受到地震動(dòng)影響對(duì)礦區(qū)內(nèi)建筑物和人員造成的損失，以及其主震后誘發(fā)的小型危害性礦震對(duì)礦區(qū)可能造成的二次破壞。

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