震源機制類型對近場峰值加速度(PGA)分布的影響：以唐山和汶川震區(qū)為例

震源機制類型對近場峰值加速度(PGA)分布的影響——以唐山和汶川震區(qū)為例

孫麗娜， 王曉山， 楊家亮， 張素欣， 刁桂苓， 馮向東

(河北省地震局，河北 石家莊050021)

摘要：利用首都圈強震臺網(wǎng)比較密集的數(shù)字地震記錄，研究2003年4月發(fā)生在唐山震區(qū)的2次4級地震。利用布設(shè)在四川、甘肅、陜西的強震臺網(wǎng)和臨時強震臺網(wǎng)的資料，研究2008年7月和8月發(fā)生在四川汶川的2次6級地震。得到正斷層和走向滑動斷層、逆沖斷層和走向滑動斷層的地震近場PGA分布的差異。結(jié)果表明，這種差異是顯著的。不僅大震的PGA近場分布復雜，中小地震也是如此。經(jīng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，這種影響出現(xiàn)差異的地震波頻率較低，城市化的建筑向高層大型發(fā)展，其自振周期相應較長。近直立走向滑動地震的PGA高值區(qū)沿斷層對稱分布，而正斷層和逆斷層則集中在斷層上盤，這對于破壞性地震應急救援中力量、物資的投入有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：震源機制； 唐山震區(qū)； 汶川震區(qū)； 峰值加速度(PGA)； 近場； 低頻地震波； 應急救援

收稿日期：*2014-05-12

基金項目：河北強震的震源構(gòu)造和成因研究(12276903D)；河北省地震科技星火計劃項目(201308)

作者簡介：孫麗娜 (1982-)，女，河北石家莊人，碩士，主要從事地震中長期預測研究.E-mail:sunlina20082008@126.com

通訊作者：馮向東，E-mail：-fxd23@126.com

中圖分類號:P315.3文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0159

Influence of Focal Mechanism Types on the Near-field Distribution of

Peak Ground Acceleration

——Case Study of Tangshan and Wenchuan Earthquake Regions

SUN Li-na， WANG Xiao-shan， YANG Jia-liang， ZHANG Su-xin， DIAO Gui-ling， FENG Xiang-dong

(EarthquakeAdministrationofHebeiProvince，Shijiazhuang，Hebei050021，China))

Abstract：Peak ground acceleration (PGA) in the near field is associated with earthquake damage，but practical instances of the impact of PGA distribution in the near field of different types of focal mechanism is rarely reported.Using the intensive digital seismic records of the capital circle strong motion network，this paper studies two earthquakes that occurred in April 2003 with an epicenter located in Tangshan.Using data from the strong motion network and the temporary seismic network in Sichuan，Gansu，and Shanxi，it also studies two earthquakes that occurred in July and August 2008 with an epicenter located in Wenchan.By using a function of the thematic map in ArcGIS software，the distribution of both the horizontal synthesis and vertical PGA is established，obtaining the differences in earthquake PGA distribution in the near field from the faults and strike-slip faults，and the thrust and strike-slip faults.In this paper，we study the impact of different focal mechanisms in the Ninghe and the Wenchuan earthquake on PGA；the difference in the influence of various focal mechanisms to PGA is especially striking.The results show that this difference is prominent，and that the distribution of major earthquakes PGA is complex in the near field，while that of medium-small earthquakes is also complex.The most crucial place for death and destruction is in the near field.Spectrum analysis established that there are differences in the lower frequencies of seismic waves.Now that there are more buildings and that a greater proportion are multistory and large，the self-vibration period is longer.High values in PGA of nearly vertical strike-slip earthquakes are symmetrically distributed along the fault，while normal faults and reverse faults are concentrated in the hanging wall.The distribution of PGA is complex in the near field，and it is worth noting that the phenomenon of low frequency dip-lip earthquakes is crucial to the input of power and materials in emergency rescue following destructive earthquakes.

Key words： focal mechanism； Tangshan earthquake region； Wenchuan earthquake region； PGA (peak ground acceleration)； near field； low-frequency seismic wave； emergency rescue

0引言

一般在破壞性地震發(fā)生后都能夠很快得到發(fā)震時刻、震級和震中位置信息，但無法很快得到各地區(qū)詳細的地震動分布，也無法得知哪里的震動更強烈，更無法估計災害的分布情況。導致應急指揮部門無法立即組織救援，缺乏詳細信息做出的地震災害評估可能造成誤判。例如1995年日本阪神7.2級地震，中央政府直到震后數(shù)小時才了解地震的真實破壞情況，延誤了震后的救援工作而致災情蔓延[1]。2008年汶川地震初期，只知道震中在汶川，破壞情況不明，各級領(lǐng)導聚集都江堰，但是嚴重的滑坡和塌方導致都江堰到汶川的交通斷絕，許多救援隊伍也滯留在此，實際上傷亡、破壞更重的地方在北川，此時已經(jīng)貽誤了寶貴的拯救生命時間。如果在破壞性地震發(fā)生后能夠快速、準確地判斷地震動情況以及烈度分布情況，使得震后的應急救援部署以及全面工作的展開和物資的調(diào)度更為主動，有利于大幅度減輕災害的傷亡和損失。

大地震的近斷層區(qū)域往往出現(xiàn)強烈的震動，斷層兩側(cè)的地面運動與中遠場區(qū)域存在差別，并且斷層附近的區(qū)域也是震害最為嚴重的地方，例如1989年美國Loma Prieta 7.1級地震、1992年美國Landers 7.2級地震、1994年美國Northridge 6.7級地震、1999年中國臺灣集集7.6級地震和2008年四川汶川8.0級地震都是如此。大地震的近場才是導致人員大量傷亡、建構(gòu)筑物及生命線工程毀壞的地區(qū)，因此近場地震動分布與衰減的研究就顯得非常重要。迄今為止，由于資料不夠充足，較之遠場而言，近場地震動分布與衰減的研究仍然比較薄弱。

近幾年美國太平洋地震研究中心(PEER)、地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和南加利福尼亞地震中心(SCEC)共同領(lǐng)導的“新一代地震動衰減關(guān)系”(Next Generation Attenuation，簡稱NGA )項目取得了較大進展。項目在龐大的強震記錄數(shù)據(jù)庫的支持下，全面考慮地震震源、傳播途徑和局部場地條件對衰減關(guān)系的影響，對國際上地震動衰減關(guān)系的研究產(chǎn)生了巨大的推動[2-4]。NGA在統(tǒng)計中采用了比較復雜的震源破裂相關(guān)項，不同于以前大多數(shù)統(tǒng)計僅采用本地區(qū)的數(shù)據(jù)，強調(diào)地震動衰減的區(qū)域特征[1-6]。

中國的地震動峰值衰減關(guān)系常常忽略地震類型的影響。1999年臺灣集集地震記錄到大量近場強地面運動，從而促進了近場研究的發(fā)展。該震源機制以逆沖為主，兼有左旋走滑，斷層傾角較小，平均為30°左右。研究表明，地震動分布的上盤效應與低傾角的逆走滑震源機制決定了其地面運動的分布特點[9]。郭明珠等[12]、高孟潭等[13]和俞言祥等[14]注意到震源機制對個別臺站地震動的影響。中國地震動衰減的研究開始了一個新的發(fā)展階段[5-11]，對重大工程的抗震設(shè)計都是建立在地震危險性分析的基礎(chǔ)上，場地未來可能遭遇的強地面運動由地震動衰減關(guān)系來估計。如果地震震級較小、距離較遠，這種估計方法無可厚非，但在大震震源區(qū)附近的重大工程，由于強地面運動在斷層兩側(cè)分布不均勻，簡單地用地震動衰減關(guān)系估計是不合理的[13]。雖然我國大陸正在大力布設(shè)強震臺網(wǎng)，但是不同震源機制類型的地震動分布特征差異，實際震例至今尚無報道。劉啟方等[15]對各種類型震源機制進行了數(shù)值計算。

1976年河北唐山7.8級地震，余震區(qū)展布140 km，是多條斷層參與的復雜破裂體[16]。2002年在首都圈地區(qū)布設(shè)強震臺網(wǎng)，能夠較好地控制唐山震區(qū)西部的地震。2008年汶川地震余震區(qū)延伸340 km，地表破裂帶達到240 km[17]，主震由多次子事件組成[18]，在北西部以逆沖為主，在北東部以走向滑動為主。地表破裂既有逆沖，也有右旋走向滑動。震前震區(qū)附近已經(jīng)布設(shè)強震的固定臺網(wǎng)，震后又布設(shè)一批流動臺網(wǎng)，對于較大地震也有較好的記錄。本文利用這2個相對密集的臺網(wǎng)記錄資料，旨在研究震源機制類型對地震動分布的影響。

俞言祥等[19]分析1997年新疆伽師強震群震級大小和震源機制對長周期地震動特性的影響。雖然臺站數(shù)目少，但是地震震級對長周期地震動的影響較為明顯，震級越大，長周期地震動的成分越多；與走滑型地震相比，傾滑型地震的垂直向長周期成分更為豐富；走滑型地震的水平向長周期加速度反應譜值高于正斷層型地震的水平向長周期加速度反應譜值。

近年來獲得的強震記錄表明，地震震源機制對加速度峰值有很大影響，逆斷層型地震的近場加速度峰值比走滑型地震要大20%～30%[20-23]。一些學者也研究了地震動的上盤效應[24-25]，地震動包含了震源、地震波傳播路徑和局部場地條件等因素的影響，要在記錄到的地震動中分離出它們是非常困難的。

在研究震源機制對地震動的影響方面，一般通過在地震動衰減關(guān)系中引入震源機制項來進行[20-23]，但也只限于周期小于4 s的短周期地震動。限于資料的原因，國內(nèi)外對長周期地震動研究還不夠深入，更沒有對長周期地震動受震源機制的影響進行專門研究。

1震例資料分析方法和結(jié)果

1.1唐山震區(qū)的2次地震PGA分布比較

首都圈數(shù)字強震臺網(wǎng)及其烈度速報系統(tǒng)是我國第一個烈度速報系統(tǒng)，共有71個強震實時傳輸臺站和80個撥號臺站。其目的是對首都圈地區(qū)(E 114°～ 120°，N 37.15°～ 41°) 地震烈度在Ⅳ度以上的地震，在5～10分鐘內(nèi)給出受影響地區(qū)的城市和大多數(shù)縣鎮(zhèn)的地震烈度(地震動強度)，直接為震害快速評估和大震應急服務(wù)，也可以為地震工程學和近場地震學研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[26]。

2003年4月唐山震區(qū)發(fā)生4.1級和4.3級地震，被2002年開始運行的首都圈強震臺網(wǎng)很好地記錄到，震中距在150 km之內(nèi)，分別有36和33個臺站得到3分向記錄，其中大多數(shù)震中距在50 km之內(nèi)。

2003年4月23日21時46分01.2秒，39°22.27′N，117°38.53′E，h：16.3 km，P波殘差：0.37 s，ML4.1。撥號記錄15個臺，實時記錄21個臺。

2003年4月24日2時39分18.4秒，39°21.24′N，117°36.85′E，h：14.6 km，P波殘差：0.40 s，ML4.3。撥號記錄12個臺，實時記錄21個臺。

采用層狀介質(zhì)點源位錯模型，由觀測垂直向的記錄直達P波和S波最大振幅與理論地震圖的振幅擬合，反演震源機制的方法，得到2次地震的震源機制解。一次是NNW向近直立斷層的左旋走向滑動，另一次是近EW向傾斜斷層的正傾滑動。2次地震的震源位置相近，但是斷層錯動方式完全不同。在唐山地震序列的早期也發(fā)生過這兩種地震[27]。使用格點嘗試法取附近地震臺站的大量P波初動分向，計算的震源機制與此相同，驗證了使用振幅比方法反演震源機制的可靠性。

使用ArcGIS軟件的專題地圖制作功能，分別給出水平向合成和垂直向峰值加速度(PGA)的分布(圖1(a)、(b)，圖2(a)、(b))。圖1顯示，能夠勾畫PGA的分布區(qū)域特征，確立峰值的中心區(qū)域和描述向外遞減的規(guī)律。其中圖1(a)、圖2(a)是2次地震PGA垂直向分布，基本一致。而圖1(b)和圖2(b)是2次地震PGA水平向合成的分布，在外圍區(qū)差別不大；但是在中心區(qū)卻存在明顯差異，走向滑動地震大體沿NE向破裂面做長軸延展，而正斷層地震集中在斷層上盤。可能震級較小，PGA的分布在垂直向看不出差別，水平向的差異也僅僅在近場，尺度不超過60 km。

利用首都圈數(shù)字地震臺網(wǎng)的速度記錄，經(jīng)過計算地震波非彈性衰減和臺站場地響應之后，首先參考Atkinson的方法從觀測譜中扣除傳播路徑效應和場地響應等因素的影響，得到2次地震震源位移譜[28]。

2003-04-23地震記錄參加計算臺站數(shù)是21個，2003-04-24地震參加計算臺站數(shù)是28個。這兩次地震的震源譜如圖3所示，圖3(a)和圖3(b)中藍色線是每個臺站的震源譜，綠色線為平均震源譜，紅色線為擬合的理論震源譜。圖3(c)中綠色線為4.3級地震的平均震源譜，紅色線為4.1級地震的平均震源譜。

筆者利用首都圈數(shù)字地震臺網(wǎng)的速度記錄計算了震源譜(圖3)，圖3(c)是2次地震的平均震源譜的比較，在1 ～10 Hz范圍正斷層地震的幅值(4.3級)高于走向滑動地震(4.1級)，超過10 Hz之后2者重合。當然震級大震源譜幅值也大，我們無法剝離出震源機制類型造成的差別。這種在低頻段出現(xiàn)的差異是否可以推論PGA分布在近場受震源機制控制，體現(xiàn)在低頻段，和高頻段無關(guān)。

使用ArcGIS軟件對各個臺站的PGA進行插值處理繪制插值圖。在此沒有考慮峰值加速度隨距離衰減的確定關(guān)系，而是對衰減區(qū)域的形狀進行分析，查找影響形狀的原因。2次地震基本形狀接近。外圍(遠場)比較一致，而近場存在方向性的差別。2次地震的震源機制不同，前者是走滑斷層，后者是正斷層。胡新亮等[27]采用不同方法給出了2次地震的震源機制，驗證了解的可靠性。

圖1　2003年4月23日寧河M L4.1地震垂直向和水平向合成PGA Fig.1　Vertical PGA and horizontal synthetric PGA of the Ninghe M L4.1 earthquake on April 23，2003

圖2　2003年4月24日寧河M L4.3地震垂直向和水平向合成PGA Fig.2　Vertical PGA and horizontal synthetic PGA of the Ninghe M L 4.3 earthquake on April 24，2003

圖3　兩次地震震源譜 Fig.3　 The source spetrums of two earthquakes

1.2汶川震區(qū)的2次地震PGA分布

“十五”期間建設(shè)的中國數(shù)字強震動觀測臺網(wǎng)于2008年3月通過驗收并正式投入運行。2008年5月12日汶川8.0級地震主震中，臺網(wǎng)中19個省市的420個臺站獲得了高質(zhì)量的完整加速度記錄，這些記錄均是臺網(wǎng)固定強震動臺獲取的。

流動強震動觀測是我國首創(chuàng)的行之有效的強震動觀測方法之一，在我國固定臺網(wǎng)不能覆蓋所有地震區(qū)、臺站密度不高的情況下，流動觀測是獲取強余震記錄的重要手段。主震之后的余震是逐漸衰減的，流動觀測工作完成得愈快，捕捉到余震記錄的機會就愈多。因此，強震動流動觀測設(shè)備具有高度的靈活機動性。與歷次破壞性地震一樣，汶川大地震發(fā)生后中國地震局迅速組織開展了余震強震動流動觀測任務(wù)其獲取了949次余震的3 250組三分量加速度記錄。

2008年5月12日汶川地震發(fā)生當天下午，國家強震動臺網(wǎng)中心會同西北強震動區(qū)域分中心和西南強震動區(qū)域分中心迅速做好奔赴現(xiàn)場的準各工作，派遣技術(shù)人員開展強震動流動觀測。在汶川極震區(qū)，國家強震動臺網(wǎng)中心布設(shè)28個強震臺，西北強震動區(qū)域分中心布設(shè)20個強震臺，西南強震動區(qū)域分中心布設(shè)6個強震臺，此外四川省地震局布設(shè)3個強震臺，湖北省地震局布設(shè)2個強震臺，共計59個流動臺。另外，汶川8.0級地震后，在甘肅南部地區(qū)原有的6個固定強震臺的基礎(chǔ)上，甘肅省地震局又在碧口、文縣、丹堡等地分別布設(shè)了若干流動強震臺，獲得了一系列強震動記錄[29-30]

汶川地震震前震區(qū)附近已經(jīng)布設(shè)固定的強震臺網(wǎng)，震后又布設(shè)大量流動強震臺網(wǎng)。對于固定的強震臺網(wǎng)我們僅用震區(qū)附近的資料[31]，與流動強震臺網(wǎng)的記錄一起分析。從USGS(網(wǎng)址)網(wǎng)站下載了2008年7月24日6.0級地震和2008年8月1日6.1級地震數(shù)據(jù)[32]，2次強余震的震源機制前者屬于走向滑動錯動，后者屬于逆沖斷層錯動。2008年7月24日地震發(fā)生在震區(qū)的NE端，當?shù)貨]有出現(xiàn)地表破裂帶，NE走向的節(jié)面近于直立，屬于右旋走向滑動錯動。2008年8月1日地震則發(fā)生在破裂帶的NE部位，震源機制節(jié)面走向與破裂帶重合，傾斜的節(jié)面傾向NW，即該分向是斷層的上盤。

2次地震的矩震級相差0.1，面波震級相等。2次地震都有數(shù)十個強震臺的3分向記錄，仍然采用ArcGIS軟件的專題地圖制作功能，給出PGA的分布(圖4)。圖中右下角是全圖，上部是特征分布部位的放大，其中藍色線是地表破裂帶。

圖4(a)、(b)分別是2008年7月24日走向滑動地震PGA的垂直向和水平向合成分布，二者形態(tài)基本一致。PGA高值區(qū)長軸沿破裂帶對稱延伸，但是NE方向衰減慢，SW方向衰減快，衰減慢的方向表明破裂傳播的方向。

圖4(c)、(d)分別是2008年8月1日逆沖斷層地震PGA的垂直向和水平向合成分布，二者形態(tài)也基本一致。高值區(qū)主要集中在斷層的上盤，沿斷層面傾向衰減慢，而斷層下盤PGA數(shù)值很低。體現(xiàn)龍門山上盤的上沖屬于典型造山運動，下盤代表穩(wěn)定的四川盆地沒有活動。

圖5是這兩次地震的加速度反應譜，逆斷層地震高頻衰減慢，在1 Hz左右重合，低頻段震級大的逆沖地震幅值高，但是形態(tài)上7月24日走向滑動地震低頻段平緩，峰值并不突出；8月1日地震逆沖斷層地震峰值突出，對應頻率低于7月24日地震，高頻段衰減慢。與唐山的正斷層地震拐角頻率低于走向滑動地震類似。

1.3寧河地震和汶川地震的不同震源機制對PGA的影響

表1給出了寧河2次地震的基本參數(shù)和本文用到的臺站記錄到的PGA不同方向的最大值。

表 1　寧河地震的 PGA最大值

從表1可以看出，這2次地震震源機制解不同，對應的三個分向的PGA也存在差異。但是垂直向的PGA相差無幾，這在圖1(a)和圖2(a)圖中也得到了驗證，垂直向上PGA的分布也近相同；而水平向合成的PGA相差的比較大，4.3級地震的PGA大于4.1級的PGA，圖1(b) 和圖2(b)也反映出了這個差別，在近場區(qū)這兩個地震的方向是不同的。可見不同的震源機制對PGA的影響不同。

圖4　汶川地震兩次強余震PGA分布 Fig.4　PGA distribution of two strong aftershocks of the Wenchuan earthquake

表2是汶川2次地震不同震源機制對應的本文所用到的臺站記錄的PGA不同方向的最大值。

從表2中可以看出，這2次地震不同的震源機制對應的PGA值有很大的差異。6.1級地震的PGA值在水平合成和垂直向上均大于6.0級地震，而且這種差別在PGA分布上(圖4)也表現(xiàn)明顯。

2結(jié)論和討論

目前，對于地震的近場和遠場的定義還不統(tǒng)一，不同學科理解不同。李新樂等[33]認為分析地震動衰減需要考慮地震的震級、斷層距、場地特征和PGA的下限等因素。為討論問題的方便，本文所述近場沒有嚴格定義，只是考慮相對的遠近。

本文研究的兩對地震，各對地震的震源位置差別不大，PGA在近場存在的顯著差異并不僅僅是上盤效應[14，33]，近于直立走向滑動斷層兩盤差異不大，沿斷層近似對稱分布。當斷層為傾向滑動類型時，上盤才會加重破壞，尤其是汶川震區(qū)，逆沖斷層PGA高值分布區(qū)域幾乎集中在上盤。這種影響的細節(jié)分析需要更多震例總結(jié)。僅僅考慮構(gòu)造(例如的板塊邊界的位置)是不完善的，或許結(jié)合震源機制分析更為重要。

表 2　汶川地震的PGA最大值

本文僅采用最為簡單的方法，使用通用軟件ArcGIS，利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠勾畫出PGA分布的特征，得到受震源機制控制的例子。當然ShackMap方法更好[34]，但是需要在給定地區(qū)做大量基礎(chǔ)工作，如考慮衰減、場地條件、臺基條件的歸算等問題。目前使用起來比較復雜，或許今后可以用來進行研究。從本文的研究結(jié)果看，即便是近場衰減其影響因素眾多、非常復雜，并不能簡單而論。

圖5　2次地震的加速度反應譜 Fig.5　Acceleration response spectra of the two earthquakes

大地震速報不僅能提供時間、震級和震源位置，而震源位置表示的是初始破裂點，不一定是破壞最為嚴重的地方，如汶川地震。PGA值的大小及其高值區(qū)分布的面積[35]實際可以代表破壞的嚴重程度和區(qū)域范圍，這對應急救援尤為重要。如何采用更簡單、實用的方法，盡快提供有用的信息，是必須考慮的首要因素。

目前我國大陸在中等強度以上地震后可以很快得到震源機制(陳運泰院士小組，USGS網(wǎng)站)，也可以迅速給出一批余震定位的目錄，據(jù)此可以判斷震源機制的哪個節(jié)面是斷層面?？梢圆捎脛⒎降萚15]由震源模型計算PGA的理論分布，再用震中附近的強震動數(shù)據(jù)進行標定，迅速作出PGA的分布圖形的方法，結(jié)合速度數(shù)字地震記錄資料，通過實時仿真技術(shù)[37]，給出實際觀測到的PGA、PGV、PGD等值線圖，可以為應急救災確定重災區(qū)和有感范圍提供幫助，并進一步作出災情預估，提高應急救援的科學性和主動性,滿足公眾的知情權(quán)，避免社會恐慌，傳播地震科學知識。

雖然本文給出的PGA圖形稍顯粗糙，主要原因是強震臺站密度不足。我們也期待今后能夠用更多的強震記錄來研究這個問題。

另外，近場PGA分布復雜、傾向滑動地震頻率低的現(xiàn)象值得注意，因為現(xiàn)代的建筑向大型化和高層化發(fā)展，自振周期趨于加大，更容易和低頻地震波產(chǎn)生共振。

致謝：資料收集過程得到卞真付、毛國良、張素靈、郭訓、解全才等人的幫助及審稿專家提出的寶貴修改意見，在此表示衷心的感謝。

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