基于ShakeMap_CNST的2014年云南魯?shù)镸S6.5地震震動圖研究①

劉　軍,孫甲寧,宋立軍,譚　明,代博洋,何金剛

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.云南省地震局,云南 昆明 430071)

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基于ShakeMap_CNST的2014年云南魯?shù)镸S6.5地震震動圖研究①

劉軍1,孫甲寧1,宋立軍1,譚明1,代博洋2,何金剛1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.云南省地震局,云南 昆明 430071)

分析了2014年8月3日云南魯?shù)?.5級地震的發(fā)生背景及震害特征,介紹了ShakeMap_CNST震動圖系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)原理及地震動參數(shù)的校正方法,并將其應(yīng)用于魯?shù)?.5級地震的震動圖預(yù)測中,進一步分析了震區(qū)場地條件對局部震害的影響。結(jié)果表明,震動圖預(yù)測的地震動特征與現(xiàn)場宏觀調(diào)查的結(jié)果總體上是相適應(yīng)的,最后對震動圖系統(tǒng)的優(yōu)缺點及應(yīng)用前景進行了探討。

魯?shù)?.5級地震; 震動圖; ShakeMap_CNST; 地震動預(yù)測; 烈度

0　引言

2014年8月3日16時30分10秒,云南省魯?shù)榭h(27.1°N,103.3°E)發(fā)生M6.5地震。地震造成云南省昭通市魯?shù)榭h、巧家縣、昭陽區(qū)、永善縣及曲靖市會澤縣[1]共55個鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受不同程度的破壞,617人死亡、112人失蹤、3 143人受傷,直接經(jīng)濟損失2 357 810萬元*云南省地震局.2014年8月3日魯?shù)?.5級地震災(zāi)害直接經(jīng)濟損失評估報告.2014.。

震區(qū)處于揚子準(zhǔn)地臺(Ⅰ級)涼山—滇東臺褶帶(Ⅱ級)的滇東北臺褶束(Ⅲ級)內(nèi),區(qū)內(nèi)發(fā)育NE向、近SN向和NW向多組斷裂構(gòu)造,其中NE向的蓮峰—昭通斷裂帶為本區(qū)主體構(gòu)造[2](圖1)。此斷裂帶是由昭通—魯?shù)椤⑸彿鍍蓷l斷裂帶組成的以擠壓逆沖為主的區(qū)域性大斷裂,是大涼山次級活動塊體的南部邊界。

圖1　魯?shù)檎饏^(qū)地震構(gòu)造簡圖Fig.1　Seismotectonic map of Ludian earthquake area

此次6.5級地震發(fā)生在昭通—魯?shù)閿嗔雅c包谷垴—小河斷裂的交匯部位,據(jù)震源機制解、余震分布、地震烈度等震線長軸方向及野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析,其發(fā)震構(gòu)造應(yīng)為包谷垴—小河斷裂。

1　ShakeMap_CNST震動圖系統(tǒng)

ShakeMap_CNST震動圖能描繪震后災(zāi)區(qū)地震動的空間分布,顯示地震產(chǎn)生的地面運動和可能的烈度破壞影響范圍,包括PGA (峰值地面加速度)等值線圖、PGV (峰值地面速度)等值線圖和烈度分布圖,其中震區(qū)烈度值I由PGA和PGV擬合的回歸關(guān)系的范圍在《中國地震烈度表》(GBT 17742-2008)中有明確定義。

1.1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

工程場地條件對震害和地震動有明顯的影響,在震后災(zāi)情研判和輔助決策中發(fā)揮積極作用[3],對地震災(zāi)區(qū)場地類別的劃分有利于判別震害是否因場地條件而加劇,在宏觀上能為地震災(zāi)情的規(guī)模和應(yīng)急救援提供指導(dǎo)意見。

ShakeMap_CNST震動圖系統(tǒng)考慮了場地效應(yīng)對PGA、PGV的影響,但需準(zhǔn)備震區(qū)的場地分區(qū)數(shù)據(jù)。本文vS30分類的邊界值依據(jù)NEHRP的場地分類劃分。為了提高分辨率,需進一步對波速邊界值進行細(xì)分,并且當(dāng)該坡度范圍內(nèi)的坡度值的格點處為指定波速值時可通過線性插值完成相關(guān)計算。ShakeMap_CNST震動圖系統(tǒng)還需準(zhǔn)備一套用于計算震區(qū)理論地震動參數(shù)的公里格網(wǎng)數(shù)據(jù),也可以視實際需求,加大格網(wǎng)數(shù)據(jù)密度。

1.2設(shè)計思路

ShakeMap_CNST震動圖系統(tǒng)獲取地震震源參數(shù)后,根據(jù)震級大小確定不同的衰減關(guān)系模型,再根據(jù)歷史強震記錄擬合的地震動衰減關(guān)系模型估計出影響區(qū)域內(nèi)各公里格網(wǎng)點的PGA值,然后通過場地放大系數(shù)對PGA值數(shù)據(jù)進行校正,最后結(jié)合《中國地震烈度表》對其烈度進行轉(zhuǎn)化并成圖(圖2)。

本研究在選擇衰減模型時,參考國內(nèi)外許多研究者提出的諸多參考模型,根據(jù)地震發(fā)震構(gòu)造和加速度記錄資料分布情況,選擇了霍俊榮提出的模型[4],該模型的形式為:

lg Y(M,R)=C1+C2M+C3lg[R+R0(M)]+δ

(1)

在上述衰減關(guān)系模型基礎(chǔ)上,利用崔建文關(guān)于云南地區(qū)分區(qū)擬合的Ⅰ區(qū)地震動衰減關(guān)系[5]:

長軸:lgPGA=0.046 1+0.830 0M+(0.885 7+0.198 0M)lg(R+20)

(2)

短軸:lgPGA=0.287 0+0.773 8M+(0.838 9+0.189 8M)lg(R+18)

(3)

lnPGV=0.435 6lnPGA-4.394

(4)

圖2　ShakeMap_CNST震動圖系統(tǒng)流程圖Fig.2　Flow chart of ShakeMap_CNST system

為客觀地反映震區(qū)地震動特征分布,獲取震區(qū)土層的放大系數(shù),采用Borcherdt依賴于振幅和頻率的放大系數(shù)[6],計算出短周期(0.1～0.5 s)和中周期(0.4～2.0 s)4個加速度輸入檔下地震動參數(shù)的放大系數(shù)。

2　魯?shù)?.5級地震震動圖

根據(jù)地球物理所CAP方法的矩張量反演結(jié)果顯示,此次6.5級地震發(fā)生在昭通—魯?shù)閿嗔雅c包谷垴—小河斷裂的交匯部位。據(jù)震源機制解、余震分布、地震烈度等震線長軸方向及野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析,此次地震的發(fā)震構(gòu)造應(yīng)為包谷垴—小河斷裂,其為左旋走滑型地震,系統(tǒng)確定主軸方向為長軸NNW走向。在為本次地震快速生成震區(qū)烈度圖的過程中,應(yīng)用云南地區(qū)場地條件分區(qū)數(shù)據(jù)與不同場地條件放大參數(shù)。再考慮震中位置、地震震級、震區(qū)構(gòu)造背景、震源機制等因素,根據(jù)云南地區(qū)地震動衰減經(jīng)驗關(guān)系估計方法計算震中地區(qū)基巖面的PGA和PGV地震動參數(shù)結(jié)果,并結(jié)合局部場地效應(yīng)的影響及由Borcherdt提供的場地放大系數(shù),用理論基巖上的PGA、PGV地震動參數(shù)分布通過場地放大校正到相應(yīng)土層地表上[7],計算得到魯?shù)?.5級地震及周邊地區(qū)的PGA和PGV,再根據(jù)本次地震強震臺站實際PGA、PGV地震動觀測值,采用距離加權(quán)插值法對以震區(qū)強震臺站為中心30 km×30 km范圍內(nèi)公里格網(wǎng)點的PGA、PGV值進行重新計算。在計算地震動參數(shù)過程中,以加大實際觀測地震動值權(quán)重來發(fā)揮震區(qū)強震臺站的效能,得到重新計算后網(wǎng)格節(jié)點的地震動值來繪制等值線[8]。云南強震臺網(wǎng)中81個臺站成功獲取了此次地震的記錄,而魯?shù)辇堫^山鎮(zhèn)財政所強震動臺為獲取本次地震記錄最近的臺站,震中距4.4 km,其場地為基巖,記錄到的水平向加速度峰值達(dá)948.5 gal[9]。儀器記錄對應(yīng)烈度為Ⅷ度,震中距≤50 km或PGA≥10 cm·s-2的強震動臺站如表1所列[10]。

表1　魯?shù)?.5級強震動臺網(wǎng)記錄

根據(jù)前人研究結(jié)果[11]L當(dāng)?shù)卣鹆叶菼<Ⅶ時使用峰值加速度,而I>Ⅶ時使用峰值速度來確定效果比較理想。本系統(tǒng)在計算中首先利用《中國地震烈度表》對應(yīng)PGA的關(guān)系來計算烈度I,如果校正后的網(wǎng)格點計算的PGA的烈度值大于等于Ⅶ即90 gal,系統(tǒng)將自行切換到采用PGV的衰減關(guān)系來計算該點的烈度值,本次產(chǎn)出的地震震動圖如圖3所示。

根據(jù)巧家縣水文資料顯示,老店鎮(zhèn)、包谷佬鄉(xiāng)及新店鎮(zhèn)三角地帶的地下水埋深平均約1.3 m,該區(qū)域構(gòu)造巖主要為松散的斷層角礫巖,局部地區(qū)由細(xì)粉砂和高含水量的可塑黃土構(gòu)成,根據(jù)白鶴灘電站鉆孔資料分析及新店鎮(zhèn)東南實測資料計算得出本區(qū)域場地土層的平均等效剪切波速,依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2010)》表4.1.6中土層等效剪切波速對應(yīng)場地覆蓋層厚度的雙參數(shù)法確定場地類別。巧家縣東部地區(qū)vS30的平均剪切波速為512 m/s,為C類場地。該區(qū)會澤迤車太臺及巧家馬樹強震臺站PGA記錄在105～123 gal具有優(yōu)勢分布,而C類場地對PGA具有一定放大效應(yīng)。由圖3可以看出,本次地震烈度Ⅶ度區(qū)分布西部地區(qū)影響范圍明顯較大,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查報告結(jié)果顯示巧家縣東部地區(qū)老店鎮(zhèn)、新店鎮(zhèn)至小河鎮(zhèn)房屋破壞較為嚴(yán)重,即Ⅵ度區(qū)影響范圍較大,可見根據(jù)震動圖預(yù)測的本次地震的地震動特征與現(xiàn)場宏觀調(diào)查的結(jié)果是相適應(yīng)的。

圖3　魯?shù)?.5級地震震動圖 Fig.3　Shake Map of Ludian MS6.5 earthquake

3　結(jié)語

破壞性地震發(fā)生后,震動圖系統(tǒng)能為地方政府和應(yīng)急主管部門提供災(zāi)區(qū)地表震動特征和烈度估計信息,為研究地震預(yù)期破壞情況及災(zāi)區(qū)開展應(yīng)急救援提供幫助,輔助地震現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查人員進行損失估計工作。當(dāng)然,震動圖系統(tǒng)的應(yīng)用也具有一定局限性,如在魯?shù)?.5級地震中由于臺站布局相對稀疏,臺站間距較大,使得實際記錄數(shù)據(jù)間隙比較大,需采用空間插值算法來完成地表震動的分布,這在小范圍研究中會有明顯的誤差。其次,由震動圖得到的烈度值是由歷史地震的地震動衰減關(guān)系擬合得到的,與真實烈度分布有一定差距,地震動衰減關(guān)系的選取需要盡量考慮本地的衰減特征,震動圖需要和強震臺網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查結(jié)果相結(jié)合并對烈度圖進行動態(tài)修正,以期能在地震應(yīng)急和防震減災(zāi)工作中發(fā)揮顯著的成效。

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ShakeMap Study of 2014 Ludian,Yunnan MS6.5 Earthquake Based on ShakeMap_CNST

LIU Jun1,SUN Jia-ning1,SONG Li-jun1,TAN Ming1,DAI Bo-yang2,HE Jin-gang1

(1.Earthquake Administration ofXinJiangUygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China;2.Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)

In this study,we applied the ShakeMap_CNST system,which considers the epicenter location,earthquake magnitude,seismic tectonic background,and focal mechanism,for the rapid prediction of the ground motion spatial distribution of the Ludian,Yunan 6.5 earthquake of August 3,2014.Using a method for estimating the seismic motion attenuation relationship in the Yunnan area,we calculated the PGA and PGV values of the bedrock surface in the epicenter area.Based on the observation results of strong ground motion by the stations and by using the distance weighted interpolation method,we recalculated the PGA and PGV values as being in the range of 30×30 km2around the stations.In the calculation process of the seismic ground motion parameters,we increased the weight of the actual observation data to recalculate the ground motion data of each grid node and then drew a seismic intensity map.From the map,we can see that the scope of the VII-degree zone was obviously larger than originally believed.The field survey results also show that the houses were damaged more seriously in the towns of Laodian,Xindian,and Xiaohe,which are located in the eastern part of Qiaojia county in which earthquake damage was more significant.Therefore,the spatial distribution characteristics of the ground motion predicted by this system are consistent with field survey results.

Ludian 6.5 earthquake; ShakeMap; ShakeMap_CNST; seismic motion prediction; intensity

2015-07-29

中國地震局“三結(jié)合”課題(163101);地震星火計劃項目(XH2015044Y)

劉軍(1982-),男,碩士,高級工程師,主要從事地震應(yīng)急與災(zāi)害學(xué)相關(guān)研究。E-mail:liujun_eq@sina.com。

P315.9

A

1000-0844(2016)04-0647-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0647