芦山地震地震动上下盘效应研究1

喻 畑 赵亚敏 陆 鸣

（中国地震局地壳应力研究所，北京 100085）

芦山地震地震动上下盘效应研究1

喻 畑 赵亚敏 陆 鸣

（中国地震局地壳应力研究所，北京 100085）

2013年4月20日的芦山7.0级地震是继2008年5月12日汶川8.0级特大地震之后，发生在龙门山断裂带上的又一次大震级逆冲型地震。与汶川地震相比，芦山地震的发震断层没有地表出露，断层的滑动角更大，其逆冲性质更强烈。本文挑选了芦山地震中断层距小于200km的45条强震动记录，基于地震动衰减关系进行统计分析，对比了上盘和下盘台站地震动参数相对于衰减关系的对数残差。结果表明：芦山地震的上下盘效应明显，近断层上盘地震动的高频成分要高于同断层距的下盘；上盘地震动衰减要明显快于下盘。地震动衰减关系用简单的一个距离参数很难描述近场断层尺寸效应的影响，也很难模拟地震动上下盘效应。因此，在近场强地面运动模拟中，应多考虑有限断层模型，以模拟断层的尺寸效应。

芦山地震 地震动 上下盘效应 衰减关系

引言

由于发震断层的几何特性，倾滑地震的近场地震动呈现上盘大于下盘的现象，这就是地震动的上下盘效应，其主要体现在地震动的高频成分。地震工程学家普遍认为上下盘效应的根本原因是：在相同断层距下，上盘的观测点与断层面整体更近。上下盘效应很早就被发现，但受强震动观测发展的限制，一直没有验证。Abrahamson等（1996）基于1994年美国加利福尼亚州Northridge地震以及其与十多个逆冲的强震动记录，验证了地震动的上下盘效应。之后，俞言祥等（2001）基于1999年台湾集集地震再次证实了上下盘效应。Chang等（2004）更是定量分析了集集地震的上下盘效应，给出了集集地震中上下盘效应对峰值加速度以及加速度反应谱的放大系数。王栋等（2008；2010）基于Northridge地震和集集地震的强震动数据，提出了均方根距离来研究上下盘效应，并应用到了汶川地震。

上下盘效应对近场地震动影响显著。美国PEER（太平洋地震工程研究中心）的NGA（Next Generation of Attenuation）项目基于全球逆冲型地震的强震动数据，开发了包含有上下盘效应影响因子的地震动衰减关系模型（Abrahamson等，2008；Boore等，2008；Campbell等，2008；Chiou等，2008）。NGA模型认为，上下盘效应与发震断层类型、断层倾角以及发震断层埋伏深度等因素有关。

我国目前常用的地震动衰减关系一般是椭圆模型，没有考虑地震动的上下盘效应。然而，我国有许多地区易发生逆断层型地震，如龙门山断裂带、天山、祁连山以及台湾地区等；一些重要城市如成都、乌鲁木齐、兰州、西宁等则处于逆断层型地震的威胁之下，在进行这些地区的地震危险性分析、设定地震研究和震害预测时，考虑地震动上下盘效应的影响是必要的（俞言祥等，2001）。

2013年4月20日的芦山7.0级地震造成188人死亡、25人失踪、1万多人受伤，经济损失数百亿。在这次地震中，中国地震台网中心获得了较为丰富的强震记录。芦山地震相比于汶川地震滑动角大，其逆冲特征更加明显。本文拟基于芦山地震的强震动记录和参考地震动衰减关系，进一步研究逆冲断层型地震的上下盘效应，以期为我国大震的近场地震动预测提供科学依据

1 基础资料

2013年4月20日芦山地震（MW6.8，MS7.0，震中位于30.3°N、103.0°E，震源深度15km）是继2008年汶川地震之后，龙门山断裂带发生的又一次大的逆冲断层型地震。反演的震源机制解（张勇等，2013）和破裂过程结果（谢祖军等，2013）显示：发震断层走向219°，倾角44°，滑动角91°，逆冲特征非常显著；发震断层长度约60km，破裂过程呈双向破裂，以震中为中心，向东北和西南方向均破裂30km。地震发生后，中国地震局组织了科研考察队对地表断裂进行了详细的野外调查，没有发现大规模的断层地表出露。参考我国第四代区划图所用地质图件中的龙门山断裂带大川-双石断裂的具体位置（见图1），并结合震源机制解和破裂过程反演结果，最终确定了发震断层位置、尺寸、走向。

芦山地震中，四川省的83个国家强震动台记录到了强震动记录，其中45个台站的断层距小于200km。大部分数字强震动台采用的是ETNA和SYSCOM型数字强震仪，满刻度为2g，通频带范围0—80Hz。图1显示了芦山地震中触发的强震台。根据发震断层模型以及龙门山断裂带的地理位置，45个断层距小于200km的强震台站被划分成上盘台站和下盘台站两类，见表1。从表1可以看出：上盘台站有18个，断层距最小16km，最大190km；下盘台站有27个，断层距最小8km，最大197km；绝大部分台站为土层场地，有5个基岩台站，上盘有3个，下盘有2个。

图1 45个断层距小于200km的强震台站分布图Fig. 1 Location of strong motion stations with distance to the fault less than 200km

表1 芦山地震断层距小于200km的强震台站类别划分Table 1 Site condition classification of 45 strong motion stations

2 芦山地震地震动上下盘效应分析

本文采用断层距小于200km的45个强震动台站数据回归地震动衰减关系式，对比上、下盘台站强震动数据获取的地震动参数相对于地震动衰减关系式的残差，分析地震动上、下盘效应。本文采用的地震动参数为工程上常用的峰值加速度（PGA）、阻尼比为5%的加速度反应谱Sa（T=0.3s和T=1.0s）。为了消除强震仪安装方向对地震动参数的影响，本文取强震动记录的双水平分量的一种与仪器安装方向无关的几何平均值GMROTI50，具体方法参考Boore等（2006）。

本文统计分析采用的衰减关系式为：

式中，Y为地震动参数，主要有水平向和竖直向的PGA和加速度反应谱Sa，其中水平向地震动参数采用GMROTI50值，单位为G；R为断层距；C0，C1，C2为回归系数，回归结果如下：

水平向

计算地震动衰减关系式（3）—（8）与各台站强震动数据获取的地震动参数的对数残差，即log10实际-log10预测，见图2—图7，图中上盘台站的断层距>0，下盘台站的断层距<0。从图2—图7可以看出，对于地震动高频成分（水平向和竖直向的PGA和周期值为0.3s的加速度反应谱Sa），断层距40km范围内上盘台站的对数残差全部大于0，显示出明显的上盘效应；而对于长周期成分（水平向和竖直向周期值为1.0s的加速度反应谱Sa），残差结果没有明显的上盘效应；从200km断层距范围上看，上盘地震动衰减明显快于下盘，这种趋势在地震动高频成分表现也尤为明显。

图2 断层上盘和下盘的水平向峰值加速度PGA对数残差对比Fig. 2 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on horizontal PGA

图3 断层上盘和下盘的水平向加速度反应谱Sa（T=0.3s）对数残差对比Fig. 3 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on horizontal Spectral Acceleration at T=0.3s

图4 断层上盘和下盘的水平向加速度反应谱Sa（T=1.0s）对数残差对比Fig. 4 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on horizontal Spectral Acceleration at T=1.0s

图5 断层上盘和下盘的竖直向峰值加速度PGA对数残差对比Fig. 5 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on vertical PGA

图6 断层上盘和下盘的竖直向加速度反应谱Sa（T=0.3s）对数残差对比Fig. 6 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on vertical Spectral Acceleration at T=0.3s

图7 断层上盘和下盘的竖直向加速度反应谱Sa（T=1.0s）对数残差对比Fig. 7 Comparison of Logarithmic residuals betweensites at hanging-wall and foot wall on vertical Spectral Acceleration at T=1.0s

3 结论

芦山地震强震动数据的统计分析结果表明，芦山地震的地震动场有比较明显的上下盘效应，这种效应主要体现在地震动高频成分上；且上盘地震动衰减比下盘地震动衰减更快。芦山地震属于大震级的逆冲型地震，其发震断层没有出露地表，这会抑制高频地震动的产生。即便如此，本文的研究结果再次证明了逆冲型大地震的近场上下盘效应。地震动衰减关系应用一个简单的距离参数（震中距、断层距、均方根距离）很难模拟断层尺寸效应对近场地震动的叠加效应，大震的近场地震动衰减特征与中远场有明显的区别，因此，对于近场地震动参数的估计，尤其是高频成分，应用地震动衰减关系时需要慎重。

参考文献

王栋，谢礼立，胡进军，2008．倾斜断层不对称分布引起的几何效应——上下盘效应．地震学报，30（3）：271—278．

王栋，2010．近断层地震动的上下盘效应研究［博士学位论文］．中国地震局工程力学研究所．

谢祖军，金笔凯，郑勇，葛粲，熊熊，熊诚，许厚泽，2013．近远震波形反演2013年芦山地震震源参数．中国科学：地球科学，43（6）：1010—1019．

俞言祥，高孟潭，2001．台湾集集地震近场地震动的上盘效应．地震学报，23（6）：615—621．

张勇，许力生，陈运泰，2013．芦山“4.20”地震破裂过程及其致灾特征初步分析．地球物理学报，56（4）：1408—1411．

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Campbell K．and Bozorgnia Y.，2008．NGA ground model for the geometric mean horizontal component of PGA，PGV，PGD and 5%-Damped linear elastic response spectra for periods ranging from 0.01 to 10s．Earthquake Spectrum，24：139—172．

Chang T.Y.，Cotton F.，Tsai Y.B．and Angelier J.，2004．Quantification of hanging-wall effect s on ground motion：some insights from the 1999 Chi-Chi earthquake．Bull．Seism．Soc．Am.，94（6）：2186—2197．

Chiou B．and Youngs R.B.，2008．An NGA model for the average horizontal component of Peak Ground motion and Response Spectra．Earthquake Spectrum，24：173—216．

Study of Hanging-wall Effect of Fault in Lushan Earthquake

Yu Tian, Zhao Yamin and Lu Ming

（Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China）

Lushan MS7.0 earthquake on 20th April, 2013 is another thrust fault generated earthquake occurred at Longmen Mountain Fault Zone after 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake. Compared with Wenchuan earthquake, the rupture of seismogenic fault of Lushan earthquake did not reach the ground, and had a greater rake angle. Based on ground motion attenuation model, this paper we chosen 45 strong motion records with rupture distance less than 200km, to analyze the logarithmic residuals of ground motion data at sites of the hanging wall and the foot wall. The results show that the attenuation model overall underestimate the ground motion at the hanging wall, especially for the high frequency component of ground motion; ground motion in the hanging wall attenuated with increasing rupture distance more quickly than that at the foot wall. A simple parameter, such as rupture distance, is not efficient enough to describe the influence of fault size to the near-fault ground motion attenuation. As a result, we should consider the finite fault model in the near field strong ground motion simulation.

Lushan earthquake; Ground motion; Hanging-wall effect; Ground motion attenuation relationship

喻畑，赵亚敏，陆鸣，2014．芦山地震地震动上下盘效应研究．震灾防御技术，9（3）：431—438．

10.11899/zzfy20140309

中国地震局地壳应力研究所基本科研业务专项“我国新一代地震动衰减关系研究（ZDJ2013-04）”和国家自然科学基金资助项目（51108428）联合资助

2014-06-26

喻畑，男，生于1983年。博士，中国地震局地壳应力研究所助理研究员。主要从事强震观测及工程地震研究。Email: yutian0721@yeah.net