基于地震滑坡的汶川M8.0地震烈度分布图高烈度区修正

许 冲 徐锡伟 周本刚 于贵华

引言

地震烈度是地震引起的地面震动及其影响的强弱程度（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局与中国国家标准化管理委员会，2008），表征了地震对地表及工程建筑物的影响程度，其根据地震对地面造成的破坏程度划分等级，是在没有仪器记录的情况下，凭地震时人们的感觉或地震发生后器物反应程度、工程建筑物损坏或破坏程度、地表变化状况而定的一种宏观尺度。因此，烈度鉴定主要依靠上述几个方面的宏观考察和定性描述。归纳起来，影响地震烈度的五要素是震级、震源深度、震中距、地质结构和建筑物。地震烈度是地震灾害认定的重要指标，客观准确的地震烈度分布图是地震区工程建设抗震设防的重要标准。

汶川地震后，中国地震局震灾应急救援司在实地调查基础上，编绘了 《汶川M8.0地震烈度分布图》（中国地震局，2008）。该图为地震烈度认定、灾情划分等提供了重要的基础数据。然而，汶川地震发生在高山峡谷区，虽然沿着断裂带有一些乡镇和村庄分布，但是与整个地震区相比，乡镇和村庄所占的面积比例远小于易发生滑坡的高山峡谷区，要依据这些乡镇和村庄的震害调查界定烈度分区显然是不够的。考虑到汶川地震区大部分为斜坡区，滑坡将成为这些地区地震破坏程度的重要指标。此外，汶川地震滑坡数量多，分布面积广，建立详细完整的汶川地震滑坡编目需要耗费大量人力物力，因此在时间上无法满足地震烈度分布图应急调查制作的需要。原 《汶川M8.0地震烈度分布图》（中国地震局，2008）是在缺乏详细完整的汶川地震滑坡编目数据的情况下完成的，未能全面考虑地震滑坡空间分布这一山区地震烈度划分的重要指标，而目前详细完整的汶川地震滑坡编目工作已完成，可以根据地震滑坡这一指标对基于实地调查的原 《汶川M8.0地震烈度分布图》进行修正。

本文在原 《汶川M8.0地震烈度分布图》和汶川地震滑坡编目图的基础上，分析了地震滑坡面积百分比（滑坡密度）与地震烈度之间的对应关系，建立了地震滑坡面积百分比与地震烈度划分的定量匹配标准：LAP≥70%，为XII烈度区；20%≤LAP＜70%，为XI烈度区；5%≤LAP＜20%，为X烈度区；1%≤LAP＜5%，为IX烈度区；LAP＜1%，为VIII烈度区及低于VIII烈度的区域。基于此标准对汶川M8.0地震烈度分布图VII度及VII度以上的烈度区（覆盖面积约123 832km2）进行了修正。修正前后的烈度图与地震滑坡的匹配度分别为93.8%和95.8%，修正后地震滑坡与地震烈度的匹配度提高了2.0个百分点。制定的地震滑坡面积百分比与地震烈度的定量对应关系，可为其他地震事件，尤其是发生于高山峡谷区地震事件的地震烈度分布图制作提供方法参考、标准和依据。

1 汶川地震滑坡

1.1 汶川地震滑坡编目

2008年5月12日MW7.9（MS8.0）汶川地震发生在龙门山地区，地震区地形陡峻，多为高山峡谷区。地震产生了两条主地表破裂带：一条为约240km长的映秀－北川地表破裂带，为逆冲走滑性质；另一条为灌县－江油地表破裂带，长约72km，以逆冲为主。另外，本次地震还产生了一条长约6km北西走向的小鱼洞地表破裂带，为逆冲走滑性质（徐锡伟等，2008，2010；Xu et al，2009a，2009b；Tan et al，2012）。虽然沿地表破裂带多有小城镇，但是地震区地形以山地为主，因此地震滑坡发育情况成为比建筑物破坏等更适合于地震烈度等级判别的标准。汶川地震滑坡数量多、密度大、分布面积广，在地震后较短时间内获得详细完整的汶川地震滑坡编目图比较困难。

1.2 汶川地震滑坡面积百分比图

本文考虑根据滑坡定量发育程度来进行地震烈度划分，但通过滑坡编目图尚不能直接获得地震滑坡发育程度的定量信息。因此，我们计划利用汶川地震滑坡编目图来制作滑坡面积百分比图，进而对滑坡面积百分比分级，根据面积百分比分级来进行地震烈度分区，这样便将区域滑坡发育程度定量化。制作滑坡面积百分比图的方法是以1km2正方形区域为单元格，统计每个单元格的滑坡面积百分比，从而得到整个研究区的滑坡面积百分比图（图2a）。滑坡面积百分比最大值为100%。该最大值位于大光包滑坡的位置（如见Yin et al，2011；Huang et al，2012），因为大光包滑坡面积约6.97km2，完全覆盖了至少一个1km×1km的正方形网格。类似大光包滑坡的这些大滑坡处的滑坡面积百分比极高，造成了地面剧烈变化、山河改观的效果。如果较大的区域均发生了这样的滑坡，那么就可以将这些区域划分为XII度区。汶川地震滑坡面积百分比图是汶川地震滑坡发育程度量化分析的初步成果，其在空间分布上表现出了与汶川地震滑坡编目图（图1）较一致的特点。基于量化的地震滑坡发育程度，可对汶川M8.0地震烈度分布图与地震滑坡的匹配结果进行分析，然后制定出滑坡面积百分比与地震烈度之间的定量对应关系，继而根据对应关系修正汶川M8.0地震烈度分布图。

2 原汶川M8.0地震烈度分布图

2.1 中国地震烈度表（GB／T 17742－2008）中的滑坡解读

中国地震烈度表（GB／T 17742－2008）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局与中国国家标准化管理委员会，2008）制定的烈度评定指标包括人的感觉、房屋震害、其他震害现象和水平向地震动参数。因不同的烈度区内地震这些评定指标影响的可调查和易调查性，国标还给出了不同烈度的侧重评定指标选择，Ⅰ～Ⅴ度应以地面上以及底层房屋中的人的感觉和其他震害现象为主；Ⅵ～X度应以房屋震害为主，参照其他震害现象；XI度和XII度应综合房屋震害与地表震害现象。表中针对应用地震滑坡发育程度来描述滑坡烈度的内容并不多，IX度对应的描述为 “干硬土上多处出现裂缝，基岩裂缝、错动，滑坡、塌方常见”；X度对应的描述为 “山崩和地震断裂出现”；XI度对应的描述为 “地震断裂延续很大；大量山崩滑坡”；XII度对应的描述为 “地面剧烈变化，山河改观”。IX度区中的描述为“滑坡、塌方常见”，而X度区对应的为“山崩和地震断裂出现”，从X度区比IX度区滑坡发生更多来判断，两者中的 “滑坡、塌方”与 “山崩”是从滑坡规模上对滑坡加以区分的。“滑坡、塌方”是指发育在松散堆积物质中的浅层小滑坡，危害较小；而“山崩”指发育在基岩中的规模较大的滑坡和崩塌，这类滑坡往往发育在高坡位的山脊和坡肩处，规模大，运动距离远，往往造成大的危害，这类滑坡在X度区开始出现；XI度区的 “大量山崩滑坡”则意味着这类规模较大的高坡位滑坡已经比较常见；XII度中 “地面剧烈变化，山河改观”则表明了整个研究区的大部分区域都发育着大规模的滑坡，区域滑坡覆盖面积估计会超过70%～80%。

中国地震烈度表（GB／T 17742－2008）中烈度分区对应的关于滑坡的描述均为定性的，并未给出一个定量的滑坡发育程度范围界定。因此，当前地震烈度的评判标准还是以各种类型房屋的破坏程度为主。在汶川地震中，人的感觉与房屋震害调查仅限于人类居住区，局限性较大，而水平向地震动参数需要有密集分布的地震动监测台站，否则依据插值得到的结果会多有误差。因此考虑汶川地震区多是高山峡谷区的特点，只有参考“其他震害现象”中的滑坡分布才是其烈度划分的重要指标。

2.2 原地震烈度分布图特点

汶川M8.0地震发生后，中国地震局组织专家赴四川、甘肃、陕西、重庆、云南、宁夏等地开展了现场调查，调查面积达500 000km2，调查点4150个，在实地调查基础上，编绘了汶川M8.0地震烈度分布图（图2e）。该烈度图VII度及VII度以上烈度区具有如下特点（中国地震局，2008）：（1）震中烈度达XI度，以汶川县映秀镇和北川县县城为两个中心。（2）IX度以上地区破坏极其严重，其分布区域紧靠发震断层，沿断层走向成长条形状；X度和IX度边界受龙门山前山断裂错动的影响，在绵竹市和什邡市山区向盆地方向突出，都江堰市区也略有突出。（3）在山前盆地边缘的过渡带，烈度向东衰减很快，而西侧则衰减相对较缓。（4）烈度分布南北也不对称，VIII度区和VII度区范围向四周扩大，且相同烈度的区域在北部比南部大，进入甘肃省和陕西省境内，显示出断层破裂向北东方向传播，最大余震发生在断层北部。

2.3 问题的发现

汶川地震发生在以高山峡谷为主的龙门山地区，虽然地震区内沿断裂或断裂周边区域城镇较多，人类活动较频繁，但是山地无人居住区依然是区内最主要地形与地貌类型。因此，地震滑坡发育情况应是这一区域地震烈度划分的主要标准。我们将汶川地震滑坡面积百分比分布图与原汶川M8.0地震烈度分布图叠加到一起（图2a），两者的匹配关系并不明显。以汶川地震滑坡面积百分比为基础，原烈度图主要存在两个问题：（1）逆冲断层上盘效应不明显；（2）未考虑逆冲运动习性断裂与走滑运动习性断裂导致的烈度差异，将两者影响区域对应的地震烈度等同对待。在原烈度图中映秀XI度区虽然表现出一定的上盘效应，但是实际的上盘效应表现比这个烈度图中的更大，因为地震滑坡面积百分比高值区域受上盘效应的影响更大，超过了映秀XI度区。从地震滑坡面积百分比图来看，逆冲运动习性断裂触发的滑坡要比走滑断裂触发的滑坡高密度区域大，而在对应的烈度图中却没有这样的表现。对应的烈度图将映秀XI度区与北川XI度区等同起来，而从地震滑坡面积百分比可知，逆冲型断裂对周边区域造成的灾害要远大于走滑型断裂。

为具体分析汶川M8.0地震烈度分布图与地震滑坡发育的关系，我们对统计VII烈度区及VII烈度区以上区域的不同烈度分区的面积、滑坡面积、滑坡面积百分比进行了统计，结果见表1。VII烈度区内的滑坡面积百分比为0.014%，XI烈度区内的滑坡面积百分比高达17.848%，从VII烈度区到XI烈度区滑坡面积百分比逐渐增加，这说明了滑坡面积百分比随地震烈度的增加而增加。这似乎说明了原烈度图与滑坡分布存在一定的匹配规律，甚至可以初步认为烈度的划分是比较客观的。然而这种关系存在一些问题，从图2a中可以看出，汶川M8.0地震烈度分布图与地震滑坡分布匹配的情况并不太好，尤其是IX烈度以上的区域。比如XI烈度区包括两个区域，分别为映秀XI烈度区和北川XI烈度区。映秀XI烈度区域内滑坡分布密集，滑坡面积百分比值均较高，两者匹配较一致；而北川XI烈度区内的滑坡面积百分比却相当低。映秀XI烈度区内的滑坡面积百分比为25.901%，而北川XI烈度区内的滑坡面积百分比区仅为8.870%，两者相差很大。而且XI度区内的滑坡面积百分比为17.848%，X度区内的滑坡面积百分比为11.621%，这显然是不合适的。从图1中我们还可以看出，映秀XI度区与北川XI度区之间的X度区与滑坡发育之间的不匹配。这一区域滑坡密度相当高，却仅仅被划为了X度区。在映秀镇与北川县之间的映秀－北川断裂上盘的远断裂区域，地震滑坡密度也相当大，却被划分为了VIII度区和IX度区等低烈度区。考虑到这些原汶川M8.0地震烈度分布图中存在的问题，有必要开展基于滑坡面积百分比分布图的汶川地震滑坡高烈度区边界修正工作。

表1 原汶川M8.0地震烈度分布与滑坡关系统计

图2 汶川M8.0地震烈度分布图修正。（a）滑坡面积百分比图与原烈度分布图叠加；（b）滑坡面积百分比图分级与原烈度分布图叠加；（c）基于滑坡面积百分比的区域分类；（d）基于滑坡面积百分比分级的烈度修正；（e）原汶川M8.0地震烈度分布图；（f）汶川M8.0地震烈度分布图修正结果

3 地震烈度的滑坡匹配标准与汶川M8.0地震烈度分布图修正

本节我们基于原汶川M8.0地震烈度分布图（图2e）存在的问题，构思基于滑坡空间分布的修正方案，对汶川M8.0地震烈度分布图，尤其是高烈度区，基于地震滑坡空间分布进行重新界定。

3.1 烈度与滑坡面积百分比匹配标准

烈度与滑坡面积百分比（LAP）的匹配标准为：

由于高职院校的学生大多学习习惯和学习自律性较差、知识基础较为薄弱，因此教师在正常开展课堂教学的同时，需要花费较多的精力组织课堂教学。倘若班级学生人数过多，势必造成“顾此失彼”“按下葫芦浮起了瓢”的局面，极大地增加了教师组织课堂教学的难度。长此以往，教师组织课堂教学的积极性也会下降。

LAP≥70%为XII烈度区；

20%≤LAP＜70%，对应XI烈度区；

5%≤LAP＜20%，对应X烈度区；

1%≤LAP＜5%，对应IX烈度区；

LAP＜1%，对应VIII烈度区及低于VIII烈度的区域。

制定这一标准的根据是原烈度图与汶川地震滑坡百分比分布图。滑坡与烈度的定量化匹配标准是结合原烈度图与滑坡的对应关系，经过分析得到的。原烈度图中两个XI烈度区（表1），南西方向的映秀XI烈度区面积为1 200km2，其中滑坡面积为310.77km2，滑坡面积百分比为25.901%；北东方向的北川XI烈度区面积为1 075km2，其中滑坡面积为95.38km2，滑坡面积百分比为8.870%。虽然两区域均被划分为了XI烈度区，然而这两个区域的滑坡面积百分比分别为25.901%和8.870%，相差甚大。而X烈度区的滑坡面积百分比值为11.621%，显然该值高于了北川县XI烈度区的地震滑坡面积百分比，因此，原烈度图中的北川县XI烈度区的划分是不合适的。从图2a和图2b中可以看出，映秀镇的XI烈度区内包括的滑坡密度值较高而且分布基本一致，原烈度图的映秀XI度区的外边界的西南边界线恰好是一个明显的滑坡发育分界线，这表明了这个烈度分区的西南边界是客观的，再加上映秀XI度区内的滑坡发育情况比较一致，因此制定了XI度区与X度区分界的滑坡发育标准为20%。这些值与XI烈度区评定标准的其他震害现象“地震断裂延续很长；大量山崩滑坡”相互对应。而XII烈度区中的描述 “地面剧烈变化，山河改观”对应的滑坡面积百分比肯定特别大，我们将对应的滑坡面积百分比阈值设定为70%。以这两个值得到了分类界线。如图2c，我们大概框出了LAP＞70%的区域作为XII烈度区，LAP为20%～70%的区域为XI烈度区。原烈度图X与IX烈度区的滑坡面积百分比分别为11.621%和2.626%，因此将X和IX烈度区对应的滑坡面积百分比标准分别设定为5%≤LAP＜20%和1%≤LAP＜5%。

3.2 汶川M8.0地震烈度分布图修正

根据上述滑坡面积百分比与烈度分区的匹配标准，对滑坡面积百分比进行分级（图2c）。图2c中依据滑坡面积百分比为1%和5%做出了X与IX度区分界线，以这两个值得到了这两个烈度的分类界线。原烈度图中VIII与VII度区中的滑坡面积百分比分别为0.567%和0.014%，两者均较低，说明了依据滑坡分布来区分这两个烈度区并不合适，因此VIII与VII烈度区保留了原烈度图中的VIII与VII划分边界。但在VIII烈度区的外边界的南西端（图2d），滑坡分布表现出了与原烈度分区不同的趋势，因此将VII和VIII烈度区分界线的南西端稍作调整，调整结果见图2d。考虑到地震滑坡烈度区划的宏观特点，我们根据图2c中的滑坡面积百分比标准界线，大概圈定了IX、X和XI度区的外边界范围（图2d）。虽然一些地区的滑坡面积百分比已经大于了70%，这么高的滑坡面积百分比可以用山河改观来形容。但是这些区域的面积较小，仅为10km2左右，因此修正后的烈度图未考虑将这些区域划分为XII度区。这样，得到了修正后的汶川M8.0地震烈度分布图（图2f）。

4 滑坡面积百分比计算窗口对结果的影响

以上滑坡面积百分比图采用1km×1km（图3a）的栅格计算窗口。为研究滑坡面积百分比计算窗口大小对结果可能产生的影响，将滑坡面积百分比计算窗口分别设置成2km×2km（图3b）、4km×4km（图3c）和8km×8km（图3d）。将修正前后的烈度分区界线分别叠加到这些不同滑坡面积百分比计算窗口的结果栅格上，结果（图3）表明，1km×1km、2km×2km、4km×4km 和8km×8km的滑坡面积百分比栅格计算窗口均可以较好地与修正后的烈度分区相匹配。这表明滑坡面积百分比栅格计算窗口大小对结果的影响较小。需要说明的是，因为随着滑坡面积百分比计算窗口面积的增加（从边长为1km到边长为8km），在小计算窗口面积的情况下某些区域的滑坡面积百分比值可能大于70%，但是对于该区域的更大的计算窗口面积条件，滑坡面积百分比值就可能会小于70%。图3a和3b中存在一些滑坡面积百分比大于70%的区域，但是仅仅是个别大滑坡所处的位置，在图上表现为零星的斑块。图3a中这样的斑块有一些，但是数量不多，图3b中这样的斑块就更少了。图3c和3d为根据制图结果进行计算机分类，已经没有滑坡面积百分比大于70%的区域了，因此图例中没有了滑坡面密度大于70%的图例。

5 地震烈度分布图的滑坡匹配度检验

基于修正后的汶川M8.0地震烈度分布图（图2f）与原烈度分布图（图2e）分别进行地震滑坡的匹配度结果检验。首先，我们对修正前后的汶川M8.0地震烈度分布图的每个烈度分区的分布面积、分区内的滑坡面积、滑坡面积百分比进行统计（表2）。可以看出烈度分区内的滑坡面积百分比符合滑坡和烈度匹配标准。制作了修正前后烈度分区面积滑坡与分区内滑坡面积、分区内滑坡面积百分比结果分布图（图4）。从图中可以清楚的看到两个烈度图中的分区面积变化和滑坡变化。修正前后的各个烈度分区的面积变化并不明显。在VIII、IX和X这三个烈度分区内，修正后的分区滑坡面积减少了，分区滑坡面积百分比也略有降低。在XI烈度区内，修正后的分区滑坡面积与面积百分比明显提高了，由17.848%提高到23.452%。

图3 不同面积百分比计算窗口大小与校正后的烈度区界线的匹配。（a）1km×1km计算窗口；（b）2km×2km计算窗口；（c）4km×4km计算窗口；（d）8km×8km计算窗口

为定量对比修正前后汶川M8.0地震烈度分布图与地震面积百分比的匹配关系，我们基于烈度分区及其滑坡面积百分比，建立了烈度降序下研究区分级面积百分比累加与烈度降序下分级内滑坡面积占总滑坡面积百分比累加的关系曲线（图5）。修正前后的汶川M8.0地震烈度分布图和地震滑坡的匹配度分别为93.8%和95.8%，两者相差仅2.0个百分点。这一数值看似差别不大，事实上，这是由于研究区过大的原因，整个VII度及以上的区域为研究区，烈度越低，分区面积越大，VII度区和VIII度区的面积占了研究区的大部分，在原烈度分区内滑坡的分布相对集中在高烈度区，因此修正前的滑坡匹配度也高达93.8%。考虑到VII度和VII度以上烈度区面积的大小，这2.0%的地震烈度与滑坡面积百分比匹配度提高是比较显著的。

表2 修正后的汶川M8.0地震烈度分布和滑坡关系统计

图4 修正前后分区面积与滑坡面积、滑坡面积百分比统计。（a）滑坡面积；（b）滑坡面积百分比

6 结论

本文基于当前高山峡谷区地震烈度划分工作中 “人的感觉”和 “房屋震害”评判标准的难获取和不可获取性、地震滑坡全面信息的可获取和相对易获取性，尝试建立地震滑坡面积百分比与地震烈度之间的定量判据，并对汶川M8.0地震烈度分布图进行简单修正，属于一个探索性的研究。该标准能否用于别的震例，如2010年4月14日玉树地震（许冲等，2012，2013b；Xu et al.，2013d）、2010年1月12日海地地震（许冲与徐锡伟，2012）、2013年4月20日芦山地震（徐锡伟等，2013；许冲等，2013c；许冲与肖建章，2013；陈晓利等，2013）和2013年7月22日岷县漳县地震（许冲等，2013d，2013e；郑文俊，2013）等，以及能否将这些地震震例的烈度分区与滑坡密度对应起来，还需要开展更深入的讨论和更细致的研究。通过本文研究，可得出以下结论：

图5 烈度图修正前后地震烈度与滑坡面积百分比匹配结果检验

（1）受地形与实地调查条件的限制，高山峡谷区地震烈度划分主要依据人的感觉和房屋震害两个地震烈度评定指标显然是不实际的。本文认为地震滑坡应作为发生在类似区域内地震烈度划分的主要指标，并提出了一种基于地震滑坡面积百分比分析的地震烈度划分新方法和标准，适用于高山峡谷区IX度以及以上烈度区域的划分，为高山峡谷区地震烈度划分开拓了新的思路。

（2）本文通过地震滑坡面积百分比图与原汶川M8.0地震烈度分布图的叠加分析，发现烈度图存在一些与滑坡发育不匹配的情况，主要表现在：烈度分区的逆冲断层上盘效应不明显；未考虑逆冲运动习性断裂与走滑运动习性断裂导致的烈度差异，将两者影响区域对应的地震烈度等同对待。这与实际滑坡发育情况不相符合，尤其是北川XI度区，其滑坡面积百分比（8.870%）甚至低于X度区的滑坡面积百分比（11.621%）。

（3）在原汶川M8.0地震烈度分布图的基础上，基于地震滑坡面积百分比分析，建立了地震滑坡面积百分比与地震烈度匹配定量标准：LAP≥70%，为XII烈度区；20%≤LAP＜70%，为XI烈度区；5%≤LAP＜20%，为X烈度区；1%≤LAP＜5%，为IX烈度区；LAP＜1%，为VIII烈度区及低于VIII烈度的区域。制定的这一地震滑坡面积百分比与地震烈度的定量对应关系为其他地震事件，尤其是发生于高山峡谷区地震事件基于地震滑坡面积百分比的地震烈度划分提供了科学参考、标准和依据。

（4）对比了1km×1km、2km×2km、4km×4km和8km×8km的滑坡面积百分比计算栅格计算窗口对结果可能会产生的影响。结果表明均可以较好地与修正后的烈度分区相匹配。这说明滑坡面积百分比栅格计算窗口大小对结果的影响较小。

（5）对原烈度图覆盖约123 832km2的VII及VII以上烈度区边界进行了修正。修正前后的烈度图和地震滑坡的匹配度分别为93.8%和95.8%，修正后地震滑坡与地震烈度的匹配度提高了2.0个百分点。与主要表现为走滑运动习性的断裂（北川北东方向段落）相比，修正后的地震滑坡烈度分布图更突出了逆冲运动习性断裂（北川南西段）周边的烈度，同时还更突出了逆冲断裂的上盘效应。

（6）本文是基于原汶川M8.0地震烈度分布图开展的修正工作，原汶川M8.0地震烈度分布图是本文的基础。本文对原烈度图中实地调查点充足的平原区或低山区的烈度等值线未作任何改动，而根据滑坡丰度对人烟稀少、实地调查点稀少的高山峡谷区内的烈度等值线进行了合理的修正。本文工作是对原有成果合理的完善。总之，虽然地震后的震害实地调查确定依然是地震烈度划分工作的不可缺少的基本方法，但是本文方法可以作为基于实地调查结果的地震烈度分布图的一个很好的补充。