汶川地震中塔藏断裂对地震动的影响研究

田兆阳，李 平，刘承雨，李国一，刘方斌

(1．防灾科技学院，河北 三河 065201;2．山东省地震局，山东 济南 250014)

0 引言

地震动的频谱特征与地震波传播过程中所经过的构造环境有密切的联系，随着非发震断裂周边地震记录的积累，目前已普遍认识到断层面可能会对强震记录产生复杂的影响。国内外的研究人员从实际断层原位观测、实验室断层模型的试验和数值模拟三个方面就断裂构造场地对地震动的影响进行了一定的研究。20 世纪60年代美国的研究者［1－2］基于地下核试验研究了断层场地对地震动的影响;胡聿贤［3］通过对地震震害的现场调查，得到了与断层提高烈度观点不同的结论。郭恩栋等［4］利用振动台试验研究了覆盖土层模型在正断层和走滑断层位移作用下的反应;王尚旭等［5］利用断层物理模型试验研究了断层对下伏地层地震响应、侧向地层地震反射特征和断点散射特征的影响;温瑞智等［6］根据地震的宏观调查资料，建立具有代表性的断层场地模型，并进行了二维显式有限元计算，得了到若干定性结论;李山有等［7］针对典型工程场地，利用有限元模型进行了P 波和SV 波入射下的地震反应，得到了有关断层倾向、破碎带宽度等对地震动影响的初步定量规律。

2008 年汶川8. 0 级地震中，中国数字强震动台网的台站获得了大量可用于科学研究的加速度记录。在这些台站中，有一部分位于非发震断裂两侧，其记录在峰值与频谱特征中存在一定的差别，在一定程度上反映了断裂构造对地震动及震害的影响。刘必灯等［8－9］、王海云等［10］、李平等［11－12］利用汶川地震的强震观测记录，结合数值模拟的方法研究了断陷盆地及断裂破碎带场地地震动效应。本文以汶川地震中非发震断裂塔藏断裂周边数字强震动台站(永丰、勿角、郭元、白河)所获得的加速度记录为依据，基于研究区的区域地质构造特征，通过频谱分析等手段来研究非发震断裂对地震动的影响，分析非发震断裂构造对地震动影响的规律，以期为场地地震动效应研究、地震烈度速报与预警、近场强地面运动模拟提供一定的参考。

1 研究方法及资料

1.1 研究方法

地震动特性主要受震源破裂效应、地震波的传播过程和场地条件的影响，强震动记录中包含着这些效应带来的复杂信息，研究一种效应的影响必须设法消除或减少其它因素的干扰。在强震动记录的研究中，一般采用谱比法研究场地条件对地震动特性的影响。传统谱比法选择靠近土层的露头基岩作为参考点，参考点和场地土层各点具有近似相同的震源效应和路径效应，然后将土层各点观测记录的振幅谱与参考点相比，得到土层地表各点的卓越周期，以及相对基岩地表放大倍数随频率的变化，称为场地谱比。

本文主要借鉴传统谱比法的思路研究非发震断裂在传播路径方面对地震动的影响。基本方法为:假设非发震断裂对于地震动特性的影响主要体现在传播路径上，在远离震源并垂直于地震波传播路径的非发震断裂两侧选择场地条件类似的几个台站，沿地震波入射方向，将近震源侧的台站作为参考台站，远震源侧的台站作为观测台站，参考台站与观测台站受到近似相同的震源效应和场地条件的影响，将观测台站强震记录的振幅谱与参考点相比，得到其相对近震源侧记录放大倍数随频率的变化，这种谱比方便易用，可忽略震源和场地的影响，反应非发震断裂对地震动特性的影响。

1.2 研究区域构造特征

本文选取了汶川地震中阿坝州九寨县附近，分布于塔藏断裂两侧的勿角、郭元、白河、永丰等4 个台站的远场强震动记录进行分析。该区域在汶川地震中处于Ⅶ度区与Ⅷ度区交界处，地震活动性主要受塔藏断裂的控制，主要研究区域位于塔藏断裂马家磨段。马家磨段西起唐州西北，向东经唐州，苗寨，马家磨，向东南穿越垭口，经英格村，下勿角，向东南延伸到沙尕里东南，全长约32km，走向125°，倾角大于60°，倾向北东。沿断裂自西向东表现为以纯左旋走滑运动，向东以倾滑运动占比例越来越大的转换，区域构造情况如图1 所示［13］。马家磨段活动影响的冲洪积物形成的不良破碎场地在断裂附近堆积，宽度达数千米［13］。塔藏断裂历史上仪器没有记录到M≥5.0的地震，由于断裂多沿深切谷地展布，交通不便，迄今为止对塔藏晚更世以来活动性质的研究甚少。2017年8月8日，四川省阿坝州九寨沟县附近(33.20°N，103.82°E)发生7.0 级地震，震源深度20km。地震震中位于岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂交界处，发震构造推测为塔藏断裂南侧分支和虎牙断裂北段。

图1 区域构造展布［13］Fig．1 Tectonic map of the study area［13］

1.3 台站分布及场地条件

本文选择的4 个强震台位于四川省阿坝州九寨县附近，分布于塔藏断裂两侧，勿角台位于塔藏断裂下盘，属于近震源侧，作为参考台站;郭元台、永丰台、白河台位于塔藏断裂北侧，属于远震源侧，作为观测台站;位置如图2。各台站距断裂大致距离如表1 所示。

图2 台站位置分布图Fig．2 Distribution of the location of the observation stations

根据强震台建台报告，台站勘选过程中对台站场地进行了钻探，钻孔深度22m，并进行了钻孔波速测试等工作。各台站所处地形较为平缓，钻探资料表明，场地均为土层场地，以第四系坡积或冲洪积物为主。根据《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》中利用覆盖层厚度和剪切波速双指标的判定方法，4 个台站场地类别均为Ⅱ类，如表2 所示。观测仪器均于2006年12月安装，并于2007年7月投入试运行，采用美国Etna数字强震记录仪以及哈尔滨产SLJ－100 型力平衡式加速度计。

表1 台站经纬度及断层距Tab．1 Distance between each station and the Tazang fault，and the epicentral distance

表2 台站基本情况Tab．2 Basic information of observation stations

1.4 台站强震记录数据

汶川地震对于研究区的台站属于远场大震。地震中，研究区的4 个台站都获取到了相应的主震加速度时程记录(图3)。

图3 台站加速度记录Fig．3 Acceleration records of the observation stations

2 计算结果与分析

2.1 加速度峰值差异

各台站加速度的峰值及相对于勿角台加速度峰值的比值如表3 所示。其中，位于塔藏断裂北部的白河台与永丰台各方向的加速度峰值均小于位于断裂南部勿角台，比值约在0.6～0.9，一定程度上体现了断层的隔震效应。但是，郭元台在各方向的加速度峰值均大于勿角台，比值均在1.3左右，可能与郭元台距离断裂较近，由断裂破碎带引起的放大效应有关。

2.2 频谱特性差异

各台站记录的加速度反应谱卓越周期和傅里叶谱卓越频率如表4 所示。相比于断裂北侧的3个台站，勿角台的长周期成分更加明显，在各方向的卓越周期均大于其它3 个台站，傅里叶谱的卓越频率均小于其它3 个台站(白河台竖向分量除外)。

表3 各台站加速度记录峰值及相对于勿角台比值Tab．3 PGA of each station and their ratios to PGA of Wujiao Station

表4 各台站加速度反应谱卓越周期及傅里叶谱卓越频率Tab．4 Predominant period of acceleration response spectrum and predominant frequency of Fourier spectrum of each station

为分析各台站加速度记录的频谱特性差异，图4 给出了4 个台站不同方向加速度反应谱的对比情况，从图中可以看出，郭元台相比于其它3 个台站，频带更宽、各周期段的谱值也更大，最大谱值可以达到勿角台的2 倍;断裂北部的白河台、永丰台相比断裂南部的勿角台，反应谱值较小，卓越成分向短周期移动，在0.1 ～0.2s 周期下谱值相对最大。

将断裂北侧3 个台站的加速度记录的傅里叶幅值谱(图5)相对于勿角台的最大、最小比值按0.1～1Hz、1～10Hz、10 ～20Hz 来统计，表5 给出了郭元、白河、永丰台不同频率傅里叶谱分段谱比。最大值反映了3 个台站相对于勿角台的地震动放大作用，最小值反映了相应的衰减作用。在0.1～1Hz 频段内，EW、NS、UD 最大谱比在0.7 ～1.3、0.9～1.4、1.2～2.1 范围内;1 ～10Hz 频段内，EW、NS、UD 最大谱比在0.7 ～1.3、0.9 ～1.4、1.2 ～2.1范围内;10～20Hz 频段内，EW、NS、UD 最大谱比在2.5～4.4、1.9 ～3.1、1.6 ～2.8 范围内。在最小谱比上，0.1～1Hz 频段内，EW、NS、UD 最小谱比在0.3～0.6、0.2～0.4、0.4 ～0.6 范围内;1 ～10Hz频段内，EW、NS、UD 最小谱比在0.2 ～0.6、0.2 ～0.3、0.2～0.5 范围内;10 ～20Hz 频段内，EW、NS、UD 最小谱比在0.3 ～0.6、0.2 ～0.5、0.2 ～0.4 范围内。

2.3 计算结果分析

本文所选择的4 个台站场地情况相近、监测仪器相同，区别在于勿角台位于塔藏断裂南侧，相对于汶川地震属于近震源侧;郭元、永丰、白河台位于塔藏断裂北侧，相对于汶川地震属于远震源侧，其中郭元台距断裂距离较近，考虑位于断裂破碎带上。从各台站强震记录的分析对比结果可以发现，位于同一断裂附近的场地加速度记录在峰值和频谱特性上表现出了较大的差别。分析认为，造成差别的原因在于断裂构造对场地地震动的影响，影响特点主要体现在以下两个方面:

图4 各台站加速度反应谱Fig．4 Comparison of acceleration response spectrums of each station

(1)各台站加速度记录峰值对比显示:位于断裂北侧的永丰台、白河台各分向加速度峰值明显小于位于断裂南侧的勿角台，比值在0.6 ～0.8之间，这在一定程度上说明了断裂构造对于地震动的阻隔作用。位于断裂破碎带上的郭元台，在峰值上明显大于位于断裂两侧的其他台站，各通道相对于勿角台的比值在1.3 ～1.4，体现了断裂破碎带对于场地地震动的放大作用。

图5 勿角台傅里叶幅值谱(a)及其它各台站相对于勿角台傅氏谱比值(b，c，d)Fig．5 Fourier amplitude spectrum of Wujiao station(a)and Fourier spectrum ratio of other station to Wujiao station (b，c，d)

(2)各台站加速度记录频谱特征对比显示:位于断裂北部的白河台、永丰台相比断裂南部的勿角台，各周期段反应谱值相对较小，卓越成分向短周期移动，说明断层在一定程度上过滤了对应频率在3 ～4Hz 的地震动成分，保留了4 ～7Hz 的地震动成分;位于断层破碎带上的郭元台，在频带宽度和谱值上明显大于其它3 台站，放大频率主要集中在3 ～10Hz，说明位于非发震断层破碎带上的场地震害会有所增大。

表5 各台站傅里叶幅值谱分段谱比(相对于勿角台)Tab．5 Spectral ratio of Fourier amplitude spectrum of each station in different frequency (relative to Wujiao station)

3 结论与讨论

2008年汶川地震中，四川省境内的强震台站获取了高质量的强震观测数据。其中位于四川省阿坝州境内的非发震断裂塔藏断裂两侧的4 个强震台(勿角、郭元、永丰、白河)的记录有明显差异，显示出了非发震断裂对地震动的影响。利用4 个台站在汶川地震中所获取的强震记录，借鉴传统谱比分析的方法研究非发震断裂对地震动的影响，并结合场地钻探、波速测试和震害调查资料，具体分析了各频段地震动对断裂的响应特性，研究结果表明:

(1)非发震断裂构造对于地震动具有一定的阻隔作用，即减小加速度峰值，又会对地震动起到滤波效果，塔藏断裂的通频带大致在4～7Hz。

(2)断裂破碎带场地会放大场地地震动，即增加加速度峰值，又会在各个频段增加地震动强度，本研究中主要体现了塔藏断裂破碎带场地在3～10Hz 频段对地震动的放大作用。

综上所述，非发震断裂对于地震动具有一定的隔震作用，断层破碎带场地对地震动具有一定的放大作用。在靠近非发震断裂场地的建筑物抗震设防中，虽然远震源侧的震害可能会有所减轻，但要重视其破碎带对于地震动的放大效应。同时，该研究成果可为地震动场地效应研究、地震烈度速报与预警、近场强地面运动模拟提供一定的参考。

由于非发震断裂对于场地地震动的影响比较复杂。本文仅基于强震观测记录对其规律进行了初步的探索，还有大量问题有待于进一步的研究。例如，由于钻探深度限制，部分台址未能揭露基岩面深度，后续研究中需对台站地形地貌以及土层条件进行更加细致的了解。后续更深入的研究中，可以在详细了解场地资料的基础上，建立断层场地模型，采用实际观测地震动和人工合成地震动进行输入，对断层场地地震动特性进行数值模拟计算分析，将结果与地震现场调查情况进行对比，从而更加深入的探究非发震断层构造对地震动影响的规律。

致谢 感谢国家强震动台网中心提供汶川地震主震加速度时程。