引言

2015年4月25日06:11:26(UTC),尼泊尔发生强烈地震,中国地震台网测定的震中位于尼泊尔首都加德满都西北约77km处的廓尔喀地区博克拉(28.2oN,84.7oE),震源深度20km,地震震级MS8.1级。西藏自治区日喀则市的聂木拉县、定日县、吉隆县由于距离震中较近,震感非常强烈;同时,印度、孟加拉国、巴基斯坦等国家均有震感。尼泊尔国家地震技术学会(NSET)发布的廓尔喀地震的修正麦卡利(MMI)地震烈度图显示,此次地震的最大烈度为IX度。截至2015年5月13日,地震共造成8151人死亡,17866人受伤,10790栋政府用房完全破坏,14997栋部分破坏;288798栋公众用房完全破坏,254112栋部分破坏。另外,此次地震对尼泊尔中部地区也造成了极为严重的破坏,尤其是加德满都谷地(http://www.nset.org.np/eq2015/index.php)。

为了更好地了解廓尔喀地震的特点,本文介绍了尼泊尔的地质构造及地震活动性,分析了典型强地震动的基本特征,采用随机有限断层法模拟了廓尔喀地震的地震动场(Motazedian等,2005)。同时结合尼泊尔建筑抗震设计规范,探讨了加德满都谷地的严重破坏与地震动及场地的关系。

1 地质构造与地震活动性

Gansser(1964)将喜马拉雅造山带划分为4个纵向地层构造域,自北向南依次是特提斯喜马拉雅(北带)、高喜马拉雅(中带)、小喜马拉雅(南带)以及西瓦利克带(南缘前陆)。其中,小喜马拉雅构造域主要由远古代至中生代的夹砂屑岩的低品位泥质岩构成;高喜马拉雅则主要由中高品位变质岩构成;这两个构造域又以主中央断裂带(MCT)为界。MCT是高喜马拉雅最南部的一系列向北侧逆冲的脆性剪切区。而由一系列逆冲断裂组成的主边界逆冲断裂带(MBT)则分割了小喜马拉雅与西瓦利克带(Monlar等,1982;Sankar等,2000;Imtiyaz等,2001)。尼泊尔主要位于高喜马拉雅和小喜马拉雅构造域,MCT和MBT贯穿尼泊尔全境(Hodges,2000)。在尼泊尔中东部和西部印度板块分别以17.8mm/a和20.5mm/a的速度持续向亚欧板块俯冲运动(Ader等,2012),板块间的碰撞诱发了许多大地震的发生,这使尼泊尔成为世界上地震危险性最高的地区之一。图1给出了1900年以来尼泊尔及周边地区发生的震级不低于M4.0级的地震分布。自1987年以来,几乎每年至少有1次震级不低于M5.0级的地震发生。在过去的100年里,距离廓尔喀地震震中250km范围内曾发生过4次震级不小于M6.0级的地震,其中包括1934年MW8.0级尼泊尔-比哈尔地震(Nepal-Bihar)和1988年MW6.9级Udayapur地震,这2次地震均对加德满都谷地造成了严重破坏。


(震中及震源机制来源于USGS)
图 1 尼泊尔及周边地区1900年以来发生的震级不低于M4.0级的地震分布 Fig. 1Distributions of earthquakes of M 4.0 in Nepal and adjacent regions since 1900

当1905年MW7.9级坎格拉地震与1934年MW8.0级尼泊尔-比哈尔地震发生后,在这2次地震的破裂面之间沿MCT和MBT仍有一段长达750km的未破裂的中央地震带(CSG);尽管在1803年和1833年在CSG曾发生过2次震级<M8.0级的地震,但也不足以释放积累的巨大应变能,所以CSG的地震矩亏损积累速度非常高(Singh等,2002;Khattri,1999;Ader等,2012)。由此处于CSG上的尼泊尔发生大地震的可能性非常高,Khattri(1999)曾预计未来100年内在CSG发生MW8.5级地震的概率高达0.59。

2015年廓尔喀地震是尼泊尔-比哈尔地震以来尼泊尔遭受的最严重的地震,此次地震是CSG东段的一次应变能集中释放。主震之后发生了大量余震,截至5月13日共发生震级不低于M4.0级余震100余次,其中包括4月25日06:45:21(UTC)发生的MB6.6级余震、4月26日07:09:10(UTC)发生的MW6.7级余震、5月12日07:05:19(UTC)发生的MW7.3级余震和5月12日07:36:54(UTC)发生的MB6.3级余震,此次地震的主余震分布如图2所示。从图中可见,余震呈南东向带状分布,包括几次强余震(>M6.0)在内的多数余震集中分布于远离主震震中的东南侧,靠近主震破裂面的边缘,可以推断此次地震自初始破裂点向东南侧破裂。结合余震分布及美国地质调查局(USGS)给出的主震的震源机制解,地震矩震级为MW7.8级,震源深度10km,破裂面走向角295o/倾角11o/滑动角108o。可见此次地震是由印度板块向亚欧板块俯冲运动引起的典型的板间逆冲地震。

图 2 截至2015年5月13日廓尔喀地震主余震分布(主震破裂面、主震及强余震的震源机制解来源于USGS) Fig. 2The Gorkha earthquake sequences as of May 13, 2015(The rupture plane of the main shock and the source mechanics are from USGS)
2 强地震动特征分析
2.1 速度脉冲识别

尼泊尔的地震观测工作始于1976年,并与法国合作开始建立地震观测实验室。至2012年底,尼泊尔共建有21个测震台,29个GPS观测站以及7个强震台,其中强震台采用Geosig Ac23传感器和GSR 24数字采集仪。截至5月13日强震动工程数据库仅公布了加德满都的强震台站KATNP的主震记录和部分余震记录(http://www.strongmotioncenter.org/),主震记录三个分量的加速度及速度时程如图3所示。从直观上判断,记录的两个水平分量表现出近场脉冲地震动的特征,而记录水平分量的峰值地面加速度(PGA)并不高,但速度时程却富含了长周期成分,两个水平分量均有明显的双向长周期大脉冲,东西(EW)和南北(NS)方向峰值地面速度(PGV)与PGA的比值较高,分别为0.69和0.5。为进一步分析,本文采用Shahi等(2014)提出的脉冲地震动判断方法进行识别,利用小波变换方法提取速度时程中的长周期脉冲信号,如图3所示。提取的EW和NS方向的速度脉冲信号的脉冲周期(Tp)分别为5.73s和6.55s,速度脉冲峰值分别为121.55cm•s-1和113.11cm•s-1,记录两个水平分量的脉冲指标均为1.0,因此可以判断记录水平分量为典型的脉冲地震动记录。结合震源位置以及破裂过程,KATNP台站恰好处于震源破裂传播的前方且距离断层面仅14.3km,可以认为速度脉冲是震源破裂传播的方向性效应引起的(Somerville,2003)。

图 3 KATNP台站主震记录的加速度、速度时程及提取的速度脉冲信号(图中的数值分别表示相应的峰值) Fig. 3The acceleration, velocity time histories and the extracted velocity pulse signals of the strong motion recordings obtained by the KATNP station in the main shock(The numbers represent the peak values)
2.2 场地非线性
图 4 KATNP台站的场地反应 Fig. 4The site responses of KATNP station estimated from the strong-motion records

水平垂直谱比法(HVSR)最早由日本学者Nakamura(1989)提出,是一种基于同一地表观测点的地脉动水平分量与竖向分量傅里叶幅值谱比估计场地特征的方法,也称为Nakamura方法。Yamazaki等(2008)将这种方法扩展到利用强震加速度记录来评估场地特征。KATNP台站在主震之后的余震中捕获到多条记录,其中包括4月25日MB6.6级和4月26日MW6.9级2次强余震的记录,本文基于水平垂直谱比法估计了台站附近场地对地震动的放大效应(Wen等,2011)。由图4可见,KATNP台站附近场地对地震动有十分显著的放大,笔者采用主震和余震记录分别估计的场地特征有较大的差异,几次较小震级(M5.3—5.6)的余震估计的场地反应只有一个明显的峰值,峰值频率约为3.0Hz;2次强余震估计的场地反应存在2个明显的峰值,相应的峰值频率分别为3.0Hz和0.3Hz;而主震记录估计的场地反应在0.5—2.0Hz有明显的平台段,整个平台段的场地放大高于余震的估计值,与余震相比峰值频率明显向低频段偏移,约为0.2Hz,可以推断KATNP台站附近场地在主震及2次强余震中可能都存在非线性反应,主震中峰值频率附近特别高的场地放大效应可能也与脉冲地震动特性相关。

2.3 地震动场模拟

强震记录可直观地反映地面运动的强弱,有助于地震宏观烈度的评定、震后损失评估及震后应急救援。尼泊尔境内强震台站密度小,目前廓尔喀地震中仅有1个强震台站的记录可用,无法通过强震观测直接给出此次地震的地震动场。为此,本文采用随机有限断层方法模拟了廓尔喀地震的加速度时程,在83°—89°E、25°—30°N范围内以0.1°间隔均匀选取3111个网格点,破裂面滑动分布模型采用USGS提供的反演结果(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/ eventpage/us20002926#scientific_finitefault),相应的震源、传播路径和场地参数见表1。模拟的廓尔喀地震PGA场如图5所示,从图中可见断层面在地表的投影区域地震动强度较高,地震动最强烈的区域主要分布于震中东南侧,模拟记录的最大PGA=585.0cm•s-2,与断层面上主要滑动区域在地表面上的投影十分一致,这也是此次地震中损失最为集中的区域;沿断层走向震中东南侧地震动强度明显强于西北侧,垂直于断层走向上盘(东北侧)地震动强度明显高于下盘;模拟的地震动分布与中国地震局发布的宏观地震烈度图具有一定的相似性。由于场地资料的缺乏,所有的场地均被假设为坚硬岩石场地,没有考虑地形及土层场地的放大效应;某些地区模拟的加速度时程可能偏小,比如处于深厚沉积层上的加德满都谷地无法体现盆地效应。

图 5 模拟的廓尔喀地震PGA场与中国地震局发布的宏观地震烈度图 Fig. 5The simulated PGA fields of 2015 Gorkha earthquake and the macro seismic intensity map was released by the China Earthquake Administration
表1 地震动模拟参数 Table 1 Input parameters for the stochastic finite-fault simulation of the Gorkha earthquake
3 地震动与震害讨论

加德满都谷地是尼泊尔人口最为密集、经济最为发达的地区。其中,加德满都、帕坦和帕克塔普尔均处于谷地内,西瓦普利山、布恰吉山、纳迦郡山和钱德拉基里山环绕四周,巴格马提河从谷地中穿过,加德满都谷地位于河流湖泊沉积物厚达100m的古湖泊旧址上(Harutaka等,2006)。廓尔喀地震的极震区恰好处于加德满都谷地,其中加德满都、巴克塔普尔和帕坦三个位于加德满都谷地的地区,有20%的建筑物被完全毁坏或部分破坏(http://drrportal.gov.np/);大约90%的老建筑全部或部分被毁,包括老皇宫、比姆森塔等在内的12座世界文化遗产被部分或完全毁坏,如图6所示。

图 6 震后的比姆森塔(左图)和老皇宫(右图)(图片来源于http://www.emsc-csem.org/) Fig. 6The Bihmsen Tower (left) and the Hanuman Dhoka (right) after the earthquake (Pictures are from http://www.emsc-csem.org/)

位于加德满都谷地的砌体结构、砖混结构以及高层建筑在此次地震中均破坏十分严重,部分典型受损建筑如图7所示。由图7可以看见,设置了圈梁、构造柱的砌体结构整体倒塌;砖混结构中间薄弱层的柱顶和柱脚被剪切破坏;高层建筑的窗下墙体有明显的水平裂缝。1988年尼泊尔政府曾完成了加德满都谷地的地震风险评估,报告指出如果1934年MW8.0级地震重现,加德满都的场地条件(松软沉积土层)会显著地放大地震动,加重震害,地震烈度最高能达到X度,并可能产生严重的液化,估计加德满都60%的建筑物将遭受无法修复性的破坏,参照1934年地震的伤亡率,可能会造成22000人死亡和25000人受伤。可见廓尔喀地震造成的损失远低于预测值。

图 7 砌体结构(左)、砖混结构(中)及高层建筑(右)的震害(图片来源于http://www.emsc-csem.org/) Fig. 7The seismic damage to the masonry structure (left), brick-and-concrete building (middle), and the high-rise building (right) (Pictures are from http://www.emsc-csem.org/)

1988年MW6.9级Udayapur地震的巨大损失使尼泊尔认识到抗震设计的重要性,1994年尼泊尔颁布了建筑抗震设计规范,整套规范共有20部分册。NBC000(1994)规定,尼泊尔建筑抗震设计规范中对所有的建筑结构并非采用统一的标准,可根据所处地区、使用者或所有者、建筑规模以及建筑材料的不同,将建筑结构划分为四种抗震设计施工等级,即国际标准、专业标准、经验推广和偏远农村初级指南。前两个抗震设计等级等同于或高于尼泊尔建筑抗震设计标准,第三类则是适用于规模较小建筑的经验推广,第四类仅对偏远农村建筑提供基本的抗震建议。由于按照不同的标准进行建筑设计施工,占比较高的第三、四类建筑的抗震能力较低,也是此次地震破坏严重的一个重要原因。

尼泊尔建筑抗震设计规范NBC105(1994)中采用底部剪力法或振型分解反应谱法进行建筑结构抗震设计,其中设计反应谱Cd(Ti)表示为:

Cd(Ti)=C(TiZ×I×K
(1)

式中,C(Ti)、Z、I和K分别表示基本设计反应谱、地震区划系数、结构重要性系数及结构体系系数。

尼泊尔场地类别划分为三类,I类场地为岩石或硬土场地,II类场地为中软土场地,III类场地为软土场地,对应不同场地类别规范给出了不同的基本设计反应谱。根据各地区地震活动性的差异,尼泊尔全境的地震区划系数在0.8—1.1之间。结构重要性系数和结构体系系数与具体的建筑结构相关,对于占多数的普通结构I=1.0,结构体系系数则反映了对不同类型结构的延性需求。

本文比较了KATNP台站的主震记录两个水平分量5%阻尼比的拟加速度反应谱与尼泊尔抗震设计规范给出的加德满都谷地的设计反应谱,如图8所示。图中给出了最为保守的设计反应谱,加德满都谷地位于沉积层上场地类别为III类,地震区划系数Z=1.0,结构重要性系数I=1.0,结构体系系数K=4.0。NBC105(1994)设计反应谱给出的最大周期仅为3.0s,为了反映反应谱长周期部分与设计反应谱的关系,本文将NBC105(1994)设计反应谱的最大周期延长到10.0s。由图8可见,KATNP台站记录水平分量的加速度反应谱在短周期(0—1.0s)与长周期(4.0—6.0s)均明显高于设计反应谱,按照尼泊尔抗震规范设计的加德满都谷地内的低层(短周期)与高层(长周期)建筑结构在此次地震中均易被破坏,这也是加德满都谷地破坏严重的一个重要原因。

图 8 KATNP台站的记录水平分量拟加速度反应谱与规范设计反应谱的比较 Fig. 8Comparison of the strong-motion spectral acceleration at horizontal 5% damping-ratio of recorded from the KATNP station with the code design spectrum of the NBC105

已有的许多研究均表明,脉冲地震动会显著加剧建筑结构的破坏,尤其是对中、长周期的结构(Bertero,1978;Mavroeidis等,2004),加德满都谷地的地震动为脉冲周期特别长的脉冲地震动。同时加德满都谷地的地表土层对地震动的放大效应十分明显,主震中出现显著的非线性反应,峰值频率向低频段偏移,中、长特征周期的建筑结构更易被破坏。脉冲地震动特性及加德满都谷地场地对地震动的显著放大效应均加剧了加德满都谷地的破坏。

4 结论

2015年4月25日尼泊尔廓尔喀地区发生MS8.1级地震,包括尼泊尔首都加德满都在内的尼泊尔中部地区遭受严重破坏,本文介绍了尼泊尔的地质构造及地震活动性,分析了此次地震的强地震动特性,主要从强地震动与尼泊尔建筑抗震设计规范两个方面探讨了加德满都谷地破坏严重的原因,得到以下认识。

(1)廓尔喀地震中包括3次强余震(>M6.0)在内的多数余震集中发生于远离震中的东南侧,紧靠加德满都谷地的东北侧,推断此次地震自初始破裂点向东南侧传播。加德满都谷地的KATNP台站在主震中捕获的强震记录两个水平分量为显著的脉冲地震动,脉冲周期约为6.0s,PGV与PGA的比值特别高。加德满都谷地位于深厚沉积层的古湖泊上,场地对地震动的放大效应十分明显,主震中场地出现明显的非线性反应,峰值频率向低频段偏移。

(2)尼泊尔地区的强震动台网密度较低,此次地震中难以获得更多的强震动记录,为此本文采用随机有限断层方法模拟了廓尔喀地震的加速度场,模拟结果与中国地震局发布的宏观地震烈度图比较吻合,同时也说明在地震发生后基于测震数据反演的震源的滑动分布模型可以快速地模拟空间地震动分布,服务于震后应急救援工作。

(3)尼泊尔的建筑抗震设计规范实施较晚,而且针对不同建筑结构采用了不同的抗震标准,这导致了大量规模较小的建筑结构及偏远农村的建筑抗震能力低下,震害显著。加德满都谷地中记录的加速度反应谱在短周期与长周期段均明显高于较为保守的设计反应谱,严格按照建筑抗震规范设计施工的建筑结构也难以抵御此次地震的破坏。

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