引言

川滇地区是我国地震活动强烈的地区之一,历史地震资料丰富,灾害严重。近年来多次发生中强以上地震,但不同地区地震的破坏及烈度分布各不相同。研究川滇分区地震烈度衰减对地震损失预评估或震后快速评估工作有十分重要的意义。目前,许多专家学者已经对该区域的烈度衰减关系做了大量的研究。例如:李世成等(2003)利用127条地震等震线资料,对云南地区地震烈度衰减特征进行了研究,并根据云南大地构造、新构造分区特征将云南划分为3个构造分区进行了烈度衰减特征的研究;余国政(1993)对四川的历史震例按照地震地质分区并考虑了7级以上地震的空间分布特征,分四川为鲜水河、松潘-龙门山及马边地震带等几个区,应用回归分析统计拟合了震级与不同烈度区面积、烈度值、震源深度间的关系;雷建成等(2007)根据地震构造环境和震害分布特点,将四川及邻区分为西南地区和四川盆地,建立了分区的地震烈度衰减关系;孙继浩等(2011;2013)分别利用强震资料对川滇及其邻区和西南地区的烈度衰减规律进行了研究和讨论;汪素云等(2000)利用我国丰富的地震烈度等震线资料,确定了我国烈度衰减关系分区,并建立了分区地震烈度衰减关系。这些成果对研究川滇地区地震烈度衰减关系有着重要的指导意义。

受地震构造环境的影响和控制,中国大陆内部的地震活动及其震害分布具有明显的地区性特征(雷建成等,2007),其中川滇地区破坏性地震烈度的空间分布随着区域不同也存在差别。为此,本文基于川滇及其邻区的丰富历史震例资料,选择川滇地区1900年以来140个5级以上震例,对川滇地区的地震烈度衰减特征进行了分区研究,得出了各分区的地震烈度衰减关系。同时为了进一步分析其差异性,还将以上结果与已有研究成果进行了对比分析,可为地震损失预评估或震后快速评估工作提供重要的参考依据。

1 分区及数据收集与选择
1.1 区域划分

川滇地区地域辽阔,构造体系繁多。张培震等(2003)根据不同时间尺度的地质及形变资料和现代的地球物理资料对中国大陆进行了活动地块划分,不同地块的构造变形及地震存在着差异性,也就是说不同地块之间的致灾机理方面也有所不同;徐锡伟等(2005)根据川西及其邻近地区的活动构造基本特征,将川滇地区划分为川滇、巴颜喀拉和华南3个活动块体;李世成等(2003)根据云南大地构造、新构造分区特征、地震样本的空间分布情况及震害分布特征,将云南地区划分为3个构造分区;其中:不同破裂类型的地震烈度分布也存在差异,如走滑型地震烈度分布较对称、长条状、近似椭圆形;逆冲型地震烈度分布横向上不对称,呈肾状分布,发震断层倾向方向上的烈度衰减慢。同时,在不同地震地质带上,发震构造不同、震源机制不一样,地震释放能量的表现形式就不会一样,如烈度区面积、形态不相同,衰减形式不一样(余国政,1993);不同地区的震源特性、传播介质与场地条件不同,地震烈度的衰减关系也有着较强的地区性(王晓军等,2012)。本文参考上述研究成果,将川滇地区分为滇西地区(Ⅰ)、川西北及滇中地区(Ⅱ)、四川盆地(Ⅲ)、四川北部地区(Ⅳ)四个研究区域(见图1)进行地震烈度衰减研究。

文中的滇西地区为红河断裂带和金沙江断裂带以西的区域;川西北及滇中地区与四川北部地区的边界为甘孜-玉树断裂带、鲜水河断裂带;川西北及滇中地区与四川盆地的边界包括安宁河断裂带、则木河断裂带和小江断裂带。滇西地区主要是由近南北向及北东向的走滑断裂组成,川西北及滇中地区受到川滇块体侧向挤出滑移的影响,主要构造带由近南北向和北西向的走滑断裂组成,两区1900以来发生的地震主要以走滑型地震为主;四川盆地受到巴颜喀拉块体东向运动的影响,能量主要集中在块体边界的断裂带上,盆地内部的强震较少,主要是以逆冲型地震为主;四川北部地区受到川滇块体顺时针的运动特征及四川盆地的阻挡作用,发生在该区域的地震也以走滑型地震为主,间或发生一些以逆冲型为主的地震。

1.2 地震烈度资料的收集与整理

本文所选地震烈度数据主要来自《中国近代地震目录(公元1912—1990年,MS≥4.7)》(中国地震局震害防御司,1999)、《中国古今灾情总汇》(楼宝棠,1996)、《中国震例(1966—2002年)》(张肇成等,1988;1990a;1990b;1999;2000;陈棋福等,2002a;2002b;2003a;2003b;2008)、《中国大陆地震灾害损失评估汇编(1990—2005年)》(中国地震局等,1996;中国地震局监测预报司,2001;中国地震局震灾应急救援司,2010)、中国地震局网站及相关文献等。数据选择依据以下原则:①震例数据来源可靠;②等震线分布图清晰且烈度线完整;③等震线图中有较充分的参考点,可准确的对其进行地理坐标配准,并进行等震线的数字化。根据以上原则,共选择1900年以来川滇地区5级以上震例共140个,其中5.0—5.9级地震79个,6.0—6.9级地震44个,7.0—7.9级地震17个。震例分布如图1所示。由于汶川8.0级地震极震区等震线不规则,且仅此一例不具普遍性,因此本文在震例选择时暂不考虑。各研究区域震例的震级分布情况如表1所示。


Ⅰ:滇西地区;Ⅱ:川西北及滇中地区;Ⅲ:四川盆地;Ⅳ:四川北部地区
图 1 川滇震例分布及烈度衰减区域划分(断层数据来源:基于GIS的地震分析预报系统) Fig. 1Distribution of earthquakes and seismic intensity attenuation zoning in Sichuan-Yunnan region(fault data is from MapSIS)
表1 震例分区、分震级统计表 Table 1 Statistics of earthquakes according to zoning and magnitude
2 地震烈度衰减关系
2.1 地震烈度衰减模型的建立

研究地震烈度衰减关系时,根据研究区域的等震线形状来选择衰减模型。目前最常用的衰减模型包括点圆模型、椭圆模型和断层破裂模型。从本文研究区域的等震线分布来看,基本多呈椭圆形,因此在地震烈度衰减关系的拟合中,采用椭圆长、短轴联合衰减模型(陈达生等,1989)计算,以保证在R=0时烈度相等。联合衰减模型的衰减方程为:

I=a+bM+c1Lg(R1+Ra0)+ c2Lg(R2+Rb0)+ε
(1)

式中,I为地震烈度;M为地震震级;R1R2分别为烈度为I的等震线长、短半轴长度;Ra0Rb0分别为长、短轴两方向烈度衰减的近场饱和因子;abc1c2为回归系数;ε为回归分析中表示不确定性的随机变量,其均值为零,标准差为σ

据《中国地震烈度区划图(1990)概论》(国家地震局,1996)所述,在地震烈度衰减关系的统计中,采用长轴不转向与长轴可转向数据的拟合结果差异不大。因此,本文为了更准确地反映实际情况,在量取地震等震线长、短轴数据时,采用长轴不转向的方法。同时,为了较好地体现在极震区范围内任一点都具有同一震中烈度值,在极震区内不同距离上适当增补了一些数据点,这种补点仅在震中烈度7度以上和最内圈等震线半径>5km情况下进行;同时,为了反映远场等震线形状趋于圆形的特点,在远场没有实际调查数据时取有感范围的半径作为远场控制点,有感烈度值为3—4度,有感半径与震级的关系参考汪素云等(2000)。

2.2 分区烈度衰减模型

根据选取的地震烈度统计数据,利用(1)式的联合衰减模型采用最小二乘法进行回归分析,得到了不同区域地震分别沿长、短轴的烈度衰减关系,如式(2)—(9)所示。图2给出了各分区沿长、短轴方向烈度衰减关系曲线(M=5,6,7);图3给出了四个分区的地震烈度分别沿长、短轴方向衰减关系曲线的对比图。

滇西地区(Ⅰ)烈度衰减:

Ia=6.617+0.847M-3.360Lg(Ra+16.046)  σ=0.561
(2)
Ib=4.146+0.847M-2.401Lg(Rb+4.025)   σ=0.530
(3)

川西北及滇中地区(Ⅱ)烈度衰减:

Ia=6.297+1.351M-4.527Lg(Ra+29.069)  σ=0.662
(4)
Ib=2.436+1.351M-3.042Lg(Rb+7.974)   σ=0.662
(5)

四川盆地(Ⅲ)烈度衰减:

Ia=7.358+0.988M-3.976Lg(Ra+22.225)  σ=0.586
(6)
Ib=4.827+0.988M-2.991Lg(Rb+8.341)   σ=0.565
(7)

四川北部地区(Ⅳ)烈度衰减:

Ia=3.744+1.232M-3.263Lg(Ra+8.477)  σ=0.584
(8)
Ib=2.108+1.232M-2.612Lg(Rb+4.583)  σ=0.702
(9)
图 2 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各区地震烈度衰减关系拟合曲线(其中红色为长轴震例、蓝色为短轴震例) Fig. 2Regression curves of the intensity attenuation relationships in area Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

从图2、图3的拟合曲线对比结果看,川滇各分区的地震烈度衰减差异显著,主要表现在以下几个方面:

(1)从各区长、短轴衰减的对比看(图2),四川北部地区(Ⅳ)的拟合曲线短轴的近场烈度值在各震级处均低于长轴方向。

(2)从四个区域的烈度衰减拟合曲线的对比来看(图3),四川北部地区(Ⅳ)的衰减速度要快于其他三个区域。在M=6级时,各分区的烈度衰减曲线近场烈度值基本一致,未发现明显差别。

(3)M=5和M=7级时近场烈度值明显不同。M=5时川西北及滇中地区(Ⅱ)的近场烈度明显降低;而M=7时川西北及滇中地区(Ⅱ)与四川北部地区(Ⅳ)的近场烈度值较高;与之相反的是,滇西地区(Ⅰ)的近场烈度在M=5时偏高,在M=7时又显著偏低。

图 3 各分区烈度衰减关系对比图(M=5,6,7) Fig. 3Comparison of the attenuation relationships of earthquake intensity in different areas (M=5, 6, 7)

同时,为了进一步分析各区域地震的烈度衰减特征,将上述研究结果与以往的研究成果进行对比。参考汪素云等(2000)给出的中国西部地震烈度衰减关系:

(1)沿长轴方向衰减为:

Ia=5.253+1.389M-4.164Lg(Ra+26.000)  σ=0.632
(10)

(2)沿短轴方向衰减为:

Ib=2.019+1.389M-2.943Lg(Rb+8.000)   σ=0.632
(11)

川西北及滇中地区(Ⅱ)的近场烈度及衰减规律基本与中国西部一致,如图4所示;滇西地区(Ⅰ)和四川盆地(Ⅲ)的近场烈度则在M=5级时明显高于中国西部,而M=7时又明显偏低。

由于本文中滇西地区(Ⅰ)、川西北及滇中地区(Ⅱ)、四川北部地区(Ⅳ)三区与雷建成等(2007)在四川及邻区分区中给出的西南地区重合,在此重点将以上三区的结果与西南地区烈度衰减关系进行对比。

(1)沿长轴方向衰减为:

Ia=7.3568+1.2780M-5.0655Lg(Ra+24.0)  σ=0.45
(12)

(2)沿短轴方向衰减为:

Ib=3.9502+1.2780M-3.7567Lg(Rb+9.0)   σ=0.45
(13)

与雷建成等(2007)西南地区烈度衰减规律对比结果可以看出(见图5),不同分区的烈度衰减规律分别沿长、短轴的衰减稍有不同。从长轴衰减看,M=5级时滇西地区(Ⅰ)和四川北部地区(Ⅳ)的近场烈度基本与西南地区接近,但四川北部地区(Ⅳ)的衰减速度较快,川西北及滇中地区(Ⅱ)的近场烈度值明显偏低;而M=7级时滇西地区(Ⅰ)的近场烈度明显偏低,其他两区与西南地区接近。从区域划分来说,三个区域为西南地区的子区域,衰减规律的区域性差异对该地区的地震灾害预评估及应急决策具有重要参考意义。

图 4 各分区烈度衰减与中国西部烈度衰减关系对比图(M=5,6,7) Fig. 4Comparison of intensity attenuation relations between in this study and in west of China
图 5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ分区烈度衰减与西南地区烈度衰减规律对比图(M=5,6,7) Fig. 5Comparison of intensity attenuation relations between in this study and in southwest of China

以上两组对比分析结果进一步说明各分区的烈度衰减存在明显不同。同时,地震烈度内圈的等震线的长、短轴比值的区域差异是地震烈度衰减关系分区的最直观表现。根据图1的分区,量取地震烈度的最内圈等震线的长、短轴,分别计算其比值、平均值及标准差,结果如表2所示。图6为最内层长、短轴比分布图。从上述结果可以看出,以逆冲型地震为主的四川盆地(Ⅲ)与以走滑型地震为主的其它三个分区的烈度分布存在差异;这与闻学泽等(2014)的对烈度分布与地震类型的表述基本一致。但从图6可以看到,川西北及滇中地区(Ⅱ)7级以上地震表现出明显不同,最内圈长、短轴比值随震级增高而增大,这可为该分区地震烈度预估提供参考。

表2 各区最内圈等震线长、短轴比值对比 Table 2 Comparison of Ra/Rb of inner isoseismal line in different areas
图 6 各区最内层长、短轴比分布图 Fig. 6Distribution of (Ra/Rb) of inner isoseismal line in each areas
3 讨论

本文基于川滇地区丰富的历史地震资料,结合区域地震活动特征、地震构造环境、地震烈度圈分布等特性,利用椭圆型烈度衰减模型,采用最小二乘法拟合,计算得出了川滇地区不同分区的地震烈度衰减关系。通过对比分析结果得到了以下认识。

(1)川滇地区各分区的地震烈度衰减特征与中国西部及西南地区有一致性,但存在明显的区域差异性。无论是从各分区烈度衰减关系拟合曲线对比,还是与已有研究成果的对比结果看,分区的烈度衰减存在明显不同。这可能与各区域的构造环境特性、震源特性等多种因素有关。因此,研究分区的地震烈度衰减特征在地震安全性评价、震害预测、地震应急快速评估或预估中具有一定的参考价值。

(2)本文回归出的川滇四个区域的Ra0Rb0值有所不同,滇西地区(Ⅰ)和四川北部地区(Ⅳ)的Ra0Rb0值小于川西北及滇中地区(Ⅱ)和四川盆地(Ⅲ),且相差较大。Ra0Rb0分别为长、短轴两方向烈度衰减的近场饱和因子,胡聿贤(1999)指出,R0与震源体尺度关联,而震源体大小与震级正相关,在烈度衰减统计分析中,R0应与震级、震源深度以及震中距等有关(李世成等,2003)。因此,川滇地区不同的构造环境、发震断裂、场地条件等,可能也是造成川滇地区不同分区烈度衰减存在差异的主要原因。

(3)决定或影响地面地震烈度衰减的因素复杂多样。以地震等震线资料进行烈度衰减关系分析是基于较多地震样本量统计回归的结果,仅是一种统计分析的结果,是诸多地震衰减的统计平均值,反映了区域烈度的总体特征。而作为每一个地震样本的烈度等震线所反映的烈度衰减关系有其随机性和不确定性。同时,本文分析所用的7级以上地震样本较少,结果还需进一步补充资料并完善,应用时仅供参考。

综上所述,本文在充分考虑了区域地震构造环境、地震活动等特征给出的川滇地区分区的烈度衰减关系有其合理性和适用性,分区的结果更为精细、更加具体。研究川滇分区的烈度衰减规律可为研究区域震害分布特点提供参考,对该地区震后的震害预估等具有重要意义。


①闻学泽,2014.断层与地震构造基础报告.
参考文献
[1]陈达生,刘汉兴,1989.地震烈度椭圆衰减关系. 华北地震科学 ,7(3):32—42.[本文引用:1次]
[2]陈棋福,郑大林,车时等,2002a.中国震例(1992—1994). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[3]陈棋福,郑大林,刘桂萍等,2002b.中国震例(1995—1996). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[4]陈棋福,郑大林,高荣胜等,2003a.中国震例(1995—1996). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[5]陈棋福,郑大林,刘桂萍等,2003b.中国震例(1997—1999). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[6]陈棋福,郑大林,车时等,2008.中国震例(2000—2002). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[7]国家地震局,1996.中国地震烈度区划(1990)说明书. 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[8]胡丰贤主编,1999.地震安全性评价技术教程. 北京:地震出版社 ,282—298.[本文引用:1次]
[9]雷建成,高孟潭,俞言祥,2007.四川及邻区地震动衰减关系. 地震学报 ,29(5):500—511.[本文引用:4次]
[10]李世成,崔建文,韩新民,2003.云南地区地震烈度衰减特征研究. 中国地震 ,19(3):287—294.[本文引用:3次]
[11]楼宝棠,1996.中国古今地震灾情总汇. 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[12]孙继浩,帅向华,2011.川滇及其邻区中强地震烈度衰减关系适用性研究. 地震工程与工程震(振)动 ,31(1):11—18.[本文引用:1次]
[13]孙继浩,帅向华,李智蓉,2013.中国西南地区强震烈度衰减模型的研究. 地震 ,33(3):51—59.[本文引用:1次]
[14]汪素云,俞言祥,高阿甲等,2000.中国分区地震动衰减关系的确定. 中国地震 ,16(2):99—106.[本文引用:3次]
[15]王晓军,文毅,鲁权等,2012.陕西分区烈度衰减关系研究. 灾害学 ,27(4):98-113.[本文引用:1次]
[16]徐锡伟,张培震,闻学泽等,2005.川西及其邻近地区活动构造基本特征与强震复发模型. 地震地质 ,27(3):446—461.[本文引用:1次]
[17]余国政,1993.四川地震震级与烈度区面积和震源深度的关系. 四川地震 ,(2):37—42.[本文引用:2次]
[18]张培震,邓起东,张国民等,2003.中国大陆的强震活动与活动地块. 中国科学(D辑) ,33(增刊):12—20.[本文引用:1次]
[19]张肇成,罗兰格,李海华等,1988.中国震例(1966—1975). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[20]张肇成,罗兰格,李海华等,1990a.中国震例(1976—1980). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[21]张肇成,罗兰格,李海华等,1990b.中国震例(1981—1985). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[22]张肇成,郑大林,徐京华等,1999.中国震例(1986—1988). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[23]张肇成,郑大林,徐京华等,2000.中国震例(1989—1991). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[24]中国地震局,国家统计局,1996.中国大陆地震灾害损失评估汇编(1990—1995). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[25]中国地震局监测预报司,2001.中国大陆地震灾害损失评估汇编(1996—2000). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[26]中国地震局震灾应急救援司,2010.2001—2005中国大陆地震灾害损失评估汇编. 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[27]中国地震局震害防御司,1999.中国近代地震目录(公元1912—1990年,MS≥4.7). 北京:地震出版社. [本文引用:1次]
[28]闻学泽2014. [本文引用:1次]