2022年6月1日芦山MS6.1地震近场地震动特征及与西南地区地震动预测方程的对比分析

张斌, 俞言祥, 荣棉水, 傅磊, 谢俊举, 李小军, 陈苏, 张旭, 马秀敏

1 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081 2 自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站, 北京 100081 3 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081 4 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室, 北京 100124

0 引言

据中国地震台网测定,北京时间2022年6月1日17时00分,四川省雅安市芦山县发生MS6.1地震,震中位于30.37°N,102.94°E,震源深度17 km.据6月1日芦山地震新闻发布会通报:此次芦山MS6.1地震属2013年“4·20”MS7.0地震余震,两次地震相距9 km,发震断裂为双石—大川断裂带.截至2022年6月5日8时00分,震区共记录到M3.0及以上余震2次,其中M4.0-4.9地震1次,M3.0-3.9地震1次,最大余震为17时03分发生的4.5级地震.截至2022年6月3日凌晨5时00分,地震共造成4人死亡(均在宝兴县)、42人受伤(宝兴县31人,芦山县11人).此次地震为逆冲型地震,主要破裂持续时间约5 s,矩震级为MW5.9,破裂长度约18 km,破裂优势方向为北东向(张旭等,个人通讯).在中国地震局的组织下,四川、重庆、贵州3个省(市)地震局及相关直属研究所组成现场工作队,按照《地震现场工作 第3部分:调查规范》(GB/T 18208.3-2011)、《中国地震烈度表》(GB/T 17742-2020)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会,2012;国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会,2020),通过灾区震害调查,并综合应用仪器烈度、余震分布、地震构造背景、震源机制和遥感影像等科技成果,编制完成《四川芦山6.1级地震烈度图》(https:∥www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5661356/index.html),确定了此次地震的最高烈度为Ⅷ度,等震线长轴呈NE走向,长轴76 km,短轴65 km,VI度区及以上面积约3887 km2,主要涉及四川省雅安市芦山县、宝兴县、天全县、名山区、雨城区以及成都市邛崃市、大邑县,共计7个县(市、区),40个乡镇(街道),其中雅安市29个乡镇(街道),成都市11个乡镇(街道),如图1黑色实线所示.

研究表明,地震过程中近场区的地震动特征与建筑结构的破坏特征有很强的相关性(张斌等,2021),对近场区地震动特征进行深入细致研究可以更深入认识震害产生的内在机理,也有利于更好地建立符合该地区影响地震动衰减特性的震源、场地、传播路径的模型,如方向性效应、盆地效应等.本文基于芦山MS6.1地震中国家强震动观测台网(NSMONS)的61组强震动记录,对观测的近场强震动记录的幅值特征进行分析;基于水平向地震动强度的空间分布,以及近场台站加速度反应谱值与NGA-West2和Zhang等(2022,下称ZYLW22)地震动预测方程的对比,讨论芦山MS6.1地震的近场地震动是否存在方向性效应;结合水平向实际观测值与ZYLW22模型预测中值的对比以及事件内残差的分布,利用ZYLW22地震动预测方程检验此次芦山MS6.1地震是否符合西南构造活跃区主震的地震动衰减特性,并讨论该预测方程未来的发展方向.

1 强震动观测记录及其数据处理

2008年3月NSMONS开始正式运行至今记录了包括汶川MS8.0、芦山MS7.0、九寨沟MS7.0、门源MS6.9、鲁甸MS6.5等大量地震数以万计的强震动记录,其中包含了数量可观的大震近场记录,极大地丰富了我国强震动数据库(Li et al., 2008a,b; Xie et al., 2014).丰富的强震动数据为利用经验方法进行地震动预测方程研究提供了可能.芦山地震过程中,NSMONS获得了61组自由地表强震动记录.芦山MS6.1地震震中及其触发的强震动台站的分布如图1.根据张旭等(个人通讯)的震源破裂过程反演结果,如图1中的断层破裂面,利用Kaklamanos等(2011)的方法计算断层距(Rrup)、断层投影距(Rjb).经过筛选,本文基于61组强震动数据开展研究.

由于大震近场强震动记录存在永久位移信息,需要使用专门的基线校正方法进行处理,其他的记录可以采用非因果带通滤波进行处理.张斌等(2020)提出了近断层强震动记录基线校正改进方法.Zhang等(2022)详细论述了非因果带通滤波处理的流程和高通截止频率如何选取.本文中使用的强震动记录采用上述方法进行处理,获得了可靠的地震动强度参数,如峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)和加速度反应谱值(SA).基于高通截止频率(fhp)、滤波阶数(n=4)和滤波响应类型,根据1/(1.25×fhp)来选择每条记录的可用周期范围(Boore and Bommer, 2005),本文所用记录最大可用周期均可到10 s.

2 芦山MS6.1地震地震动特征

2.1 幅值特征

芦山MS6.1地震断层距100 km以内的加速度记录有14组.断层距67.21 km的51WCW台NS向记录到的PGA最大,为-56.28 Gal,其EW和UD向的PGA分别为26.80 Gal和11.06 Gal,EW、NS和UD向的PGV分别为-0.66 cm·s-1、0.99 cm·s-1和0.30 cm·s-1.断层距31.11 km的51YAM台EW向和NS向分别获得第二大和第三大的PGA值,三个方向的PGA和PGV分别为-45.61 Gal、-38.80 Gal、-12.45 Gal和-1.19 cm·s-1、1.38 cm·s-1和-0.73 cm·s-1.图2绘制了这2个台站处理后的三个方向加速度、速度时程.80 km内台站记录及相关地震动参数分别列于表1中.由图2和表1可知,PGA最大的两个台站51WCW、51YAM并不在《四川芦山6.1级地震烈度图》的Ⅵ区内.台站51QLY位于烈度Ⅵ区,而其地震动强度远小于地震烈度相对应的值.

表1 芦山MS6.1地震80 km内台站记录及其相关参数Table 1 Ground motion parameters of strong-motion recording of stations at distance less than 80 km observed in the MS6.1 Lushan earthquake

图2 芦山MS6.1地震台站(a)51WCW、(b)51YAM记录的EW、NS和UD向加速度和速度时程Fig.2 Acceleration and velocity time histories in the EW, NS, and UD directions of (a) 51WCW, (b) 51YAM stations recorded in the MS6.1 Lushan earthquake

2.2 观测的水平向地震动的空间分布

图3给出了水平向地震动PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)方向无关的ROTD50值(Boore, 2010)的空间分布.绘图前使用样条插值法(Wessel and Smith, 1991)对61个台站记录的水平向地震动PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)进行了网格化,以便尽量减小空间分布图受单个台站的影响.从图3可以看出,水平向地震动PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)的等值线形状较为平滑,呈NE走向分布的地震动衰减最慢,与《四川芦山6.1级地震烈度图》的等震线长轴方向、张旭等给出的破裂断层走向以及房立华等给出的余震优势分布方向(https:∥www.cea-igp.ac.cn/kydt/279024.html)基本一致.地震动的最大值均不位于震中处,而是位于断层破裂前方(震中北东方向)两侧,即台站51WCW、51YAM所在区域.经查询建台报告,这两个台站位于河谷一级阶地,场地上覆超过3 m的软土,初步推测由于软土场地放大了这两个台站地震动的短周期和中长周期部分.随着周期的增大,位于四川盆地内部的台站记录的地震动明显大于震中以西位于山区的台站记录的地震动.图3显示此次地震在断层破裂前方(震中北东方向)和后方(震中南西方向)的中长周期地震动强度参数差异较为明显.断层破裂前方的水平向SA在中长周期处大于破裂后方相同距离处的水平向SA.

图3 水平向地震动PGA、PGV、SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)的空间分布Fig.3 Contours of PGA, PGV, and SA (T=0.5, 1.0, 3.0, 5.0 s) in the horizontal direction

3 近场地震动的方向性效应

研究表明,震源破裂的方向性是导致断层破裂前方和后方的各个水平向地震动强度参数存在差异的主要原因(安昭等,2019;Xie, 2019).为了进一步验证这一推测,将断层破裂前方和破裂后方近场台站记录的水平向SA分别与NGA-West2预测方程(Abrahamson et al., 2014; Boore et al., 2014; Campbell and Bozorgnia, 2014; Chiou and Youngs, 2014)以及西南构造活跃区地震动预测方程(Zhang et al., 2022)进行对比分析.NGA-West2预测方程是太平洋地震工程研究中心(PEER)在2014年基于NGA-West2数据库建立的考虑了震源特性、传播路径、场地效应和区域的差异性等影响因素的水平向地震动预测模型.NGA-West2数据库包含从美国西部和全球浅地壳活动构造区的599个M3.0～7.9地震事件的21336组三分量强震动记录处理和计算获得的方向无关平均水平分量(ROTD50),以及矩震级、断层类型、破裂面顶部深度、断层距、断层投影距、场地VS30、到1.0 km·s-1和2.5 km·s-1速度层的深度等元数据(Ancheta et al., 2014).ZYLW22预测方程是基于我国西南构造活跃区的强震动数据库建立的包含震级项、距离项、上盘效应项、断层类型项、线性/非线性场地效应项和非弹性衰减项的水平向地震动预测方程.ZYLW22模型所用数据库包含了从西南构造活跃区2008—2018年发生的70个4.0≤MS≤8.0主震的1324组三分量强震动记录处理和计算获得的方向无关平均水平分量ROTD50,以及矩震级、断层类型、破裂面顶部深度、断层距、断层投影距、场地VS30、上下盘参数等元数据.由于近场台站51QLY的地震动参数异常小,未将这个台站纳入对比.强震动台站的场地VS30来源于Xie等(2022)编制的四川、云南、甘肃、新疆的强震动台站场地的剪切波速和岩土剖面数据库,部分近场台站场地VS30见表1.

图4给出了断层破裂前方台站(51XJW、51WCW、51DJZ)和破裂后方台站(51YAM、51LDG、51HYQ)记录的水平向SA与NGA-West2和ZYLW22预测中值曲线的对比.从图4a可以看出,断层破裂前方台站51XJW、51WCW、51DJZ记录的水平向SA在短周期处大于NGA-West2和ZYLW22模型的预测中值;图4b显示断层破裂后方台站51YAM、51LDG、51HYQ记录的水平向SA在短周期处与NGA-West2模型的预测中值相差不大,而在中长周期处略小于NGA-West2模型的预测中值;断层破裂后方台站51YAM、51LDG、51HYQ记录的水平向SA在整个周期范围内与ZYLW22模型的预测中值相差不大.这可能与NGA-West2模型中考虑的方向性效应的影响而ZYLW22模型中未考虑方向性效应的影响有关.水平向SA的空间分布、水平向SA与NGA-West2和ZYLW22模型预测中值的对比都表明,芦山MS6.1地震地震动表现出一定的方向性差异.

图4 断层破裂前方(a)和破裂后方(b)台站记录的水平向加速度反应谱值与NGA-West2和ZYLW22预测方程的预测中值对比Fig.4 Comparison of observed horizontal spectral accelerations in the forward direction (a) and backward direction (b) with the median predictions from NGA-West2 and ZYLW22 GMPEs

4 与西南地区新一代GMPE的对比

地震动预测方程可以在给定震级、断层类型、断层上/下盘、距离和场地等条件下更精确地计算地面运动强度,预测的地震动强度是地震危险性评估(SHA)最重要的输入.因此,GMPE在确定SHA工程场地的设计地震动参数中起着重要作用.利用本地区实际观测记录进行统计回归获得的经验地震动预测方程才能更精确地体现本地区的地震动衰减特性.

4.1 ZYLW22模型预测曲线与地震动观测值对比

为了进一步验证此次芦山MS6.1地震是否符合西南构造活跃区主震的地震动衰减特性,将芦山MS6.1地震的水平向地震动PGA、PGV、SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)观测值与ZYLW22模型的预测中值进行对比.本文中采用两个水平分量的与方向无关的ROTD50值进行对比,VS30取61个台站的VS30中位数392.29 m·s-1.对比图如图5所示,黑色虚线为预测中值的±1倍标准差值.由图5可知,绝大多数芦山MS6.1地震的水平向地震动PGA、PGV、SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)观测值分布在ZYLW22模型预测中值的±1倍标准差曲线以内,表明ZYLW22模型可以很好地预测芦山MS6.1地震大多数的水平向地震动.ZYLW22模型的预测中值小于断层距100 km以远少数台站的短周期地震动观测值,而较好地预测了中长周期地震动.从图1中可以看出,这些台站基本位于四川盆地内部,四川盆地属于构造稳定区,其地震动的衰减较构造活跃区慢.而ZYLW22模型是基于西南构造活跃区地震的地震动数据构建的,未包含四川盆地的数据.同时由于盆地的复杂构造和表面覆盖的较厚松软土层引起的边缘效应和共振效应会放大地震动的中长周期成分(Bindi et al., 2009, 2011).因此,显示出ZYLW22模型低估了少数几个远场台站高频地震动观测值,而较好地预测不同距离台站中长周期地震动观测值.

图5 强震台记录的水平向加速度反应谱ROTD50值与ZYLW22地震动预测方程的对比Fig.5 Comparison of observed horizontal spectral accelerations with the median predictions from ZYLW22 GMPE

4.2 ZYLW22模型的事件内残差相对于断层距分布

图6给出了计算的ZYLW22模型PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)事件内残差随断层距的分布.由图6可知,ZYLW22模型大多数PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)的事件内残差均位于-1～1(对数坐标)以内,且未表现出系统性偏差,表明ZYLW22模型能很好地预测芦山MS6.1地震区300 km范围内的地震动PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s),仅低估了远场少数几个台站的高频地震动(PGA、SA(T=0.5 s)).

图6 强震台记录的PGA、PGV和SA(T=0.5、1.0、3.0、5.0 s)事件内残差随断层距的分布Fig.6 Distribution of within-event residuals with respect to rupture distance for PGA, PGV, and SA (T=0.5, 1.0, 3.0, 5.0 s) of strong motion stations

5 结论与讨论

本文基于NSMONS获得的芦山MS6.1地震61组自由地表强震动记录,分析了近场强震动记录的幅值特征、水平向地震动强度的空间分布;将近场台站反应谱值与NGA-West2和ZYLW22模型的预测中值进行了对比,讨论了芦山MS6.1地震的近场地震动是否存在方向性效应;结合实际观测值与ZYLW22模型预测中值的对比、事件内残差的分布,检验了此次芦山MS6.1地震是否符合西南构造活跃区主震的地震动衰减特性.得到了如下主要结论:

(1) PGA最大的两个台站51WCW、51YAM并不在《四川芦山6.1级地震烈度图》的Ⅵ区内.台站51QLY位于烈度Ⅵ区,而其地震动强度远小于地震烈度相对应的值.

(2) 空间分布显示,此次地震在断层破裂前方(震中北东方向)和后方(震中南西方向)的各个地震动强度参数差异较为明显.断层破裂前方的水平向SA明显大于破裂后方相同距离处的水平向SA,随着周期的增加,两者差异逐渐增大.与NGA-West2和ZYLW22预测方程对比显示,断层破裂前方台站记录的水平向SA在短周期处大于NGA-West2和ZYLW22模型的预测中值;断层破裂后方台站记录的水平向SA在短周期处与NGA-West2模型的预测中值相差不大,而在中长周期处小于NGA-West2模型的预测中值;断层破裂后方台站记录的水平向SA在整个周期范围内与ZYLW22模型的预测中值相差不大.芦山MS6.1地震地震动表现出一定的方向性差异,断层破裂前方记录的短周期地震动高于平均水平,断层破裂后方则低于平均水平.

(3) ZYLW22模型可以很好地预测芦山MS6.1地震大多数的水平向地震动,表明此次芦山MS6.1地震基本符合西南构造活跃区主震的地震动衰减特性.

由于部分远场台站位于构造稳定的四川盆地内部,其地震动的衰减较构造活跃区慢.同时由于盆地的复杂构造和表面覆盖的较厚松软土层引起的边缘效应和共振效应会放大地震动的中长周期成分(Bindi et al., 2009, 2011).而ZYLW22模型是基于西南活动构造区的地震动数据构建的,所以ZYLW22模型低估了部分远场高频地震动,而较好地预测远场中长周期地震动.

震源破裂方向性通常会导致地震的近场地震动呈现出方向性效应,即断层破裂前方的不同周期的地震动强度被放大,从而导致断层破裂前方的建筑结构的破坏更为严重(谢俊举等,2017;安昭等,2019),而ZYLW22模型中未考虑方向性效应的影响.盆地会放大地震动的中长周期成分(Bindi et al., 2009, 2011),从而导致处于盆地内的中长周期建筑结构破坏更为严重.因此,在西南地区建筑结构的抗震设计和地震动预测方程的研究中需进一步考虑震源破裂方向性效应以及盆地放大效应的影响.另外,由于构造活跃区和构造稳定区的地震动衰减速率并不相同,西南地区进行地震动预测方程研究时应分构造活跃区和构造稳定区进行.芦山MS6.1地震基本符合西南构造活动区主震的地震动衰减特性,而Boore和Atkinson(1989)、Atkinson(1993)认为主震和余震的谱衰减并不相同,Abrahamson和Silva(2008)、Chiou和Young(2008)观察到余震的短周期中值地震动比主震的短周期中值地震动系统的低20%～40%.因此,芦山MS6.1地震是否是2013年MS7.0地震的余震需要进一步详细的研究.

致谢感谢中国地震局工程力学研究所为本研究提供数据支持.感谢审稿专家和编辑的意见和建议.