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基于震源机制解的分区地震烈度衰减关系研究
基于震源机制解的分区地震烈度衰减关系研究
郑韵*1) 姜立新*2) 杨天青2) 刘杰2)
1)福建省地震局,福州 350003;
2)中国地震台网中心,北京 100045
 [收稿日期]: 2015-06-21
摘要

根据中国大陆构造应力场分区,本文拟合不同震源机制解的烈度衰减关系,收集了我国西部198次5.0级以上震例,共419条的等震线记录;东部47次5.0级以上震例,共84条等震线记录,采用椭圆模型进行衰减关系拟合,得到了地震烈度随震级和长短轴长度的衰减关系。文章初步分析了几种震源机制地震烈度衰减规律的差异,以西部地区为例,对比了西部走滑型、逆断型烈度衰减关系和汪素云西部衰减关系与实际值之间的差距。本文研究结果表明,区分发震方式的烈度衰减关系长短轴可以作为应急地震影响场的修正因子,在震后几小时得到震源机制解时,对烈度圈长短轴进行初步修正。


引言

地震烈度衰减关系在抗震设防和震后烈度快速评估等工作中,具有重要的实际意义。我国幅员辽阔,地质结构复杂,很多研究者已对不同地区、不同地质构造环境的地震烈度衰减关系进行了研究,得出了适用于各个地区的统计关系。汪素云等(2000)将中国分为东、西部两个区,建立了分区的烈度衰减关系;有些研究人员考虑了地质构造环境和震害分布特点,将川滇地区分为西南地区和盆地地区,分别确定了烈度衰减规律(雷建成等,2007;孙继浩等,2011);谭明等(2011)分不同时段和区域,得到了符合新疆地区的衰减关系。但是,除近地表环境对地表强震动有很大影响外,震源破裂方式也会对烈度的衰减特性造成影响。以往的研究中,缺乏考虑因地震破裂方式不同造成的烈度衰减规律的差别。本文将根据中国大陆构造应力场分区(谢富仁等,2004),回归拟合不同震源机制解的烈度衰减关系,为地震应急救援提供参考。

1 大陆构造应力场分区和震例选取

在区域构造应力作用下地壳应变能积累到一定程度时造成的断层错动,就是地震。区域应力的强度提供了地震可能释放能量的信息,应力的特性显示了可能的地震类型。地震释放的能量和地震类型是影响烈度衰减关系和震害分布的重要因素。谢富仁等(2004)根据中国大陆构造应力场的基本特征,划分了4个二级应力区,分别为东北—华北应力区,华南应力区,新疆应力区和青藏高原应力区。考虑到地震资料的多少和研究区域范围对地震烈度衰减关系合理性的影响,本文将青藏高原应力区进一步分为川滇地区和甘青宁地区进行研究,并将东北—华北应力区和华南应力区合并为东部应力区进行研究。

本文震例资料主要取自《中国近代地震目录(公元1912年—1990年)》、《中国震例》(1966年—2007年)和《中国大陆地震灾害损失评估》(1990年—2014年)等。为避免I和M之间相关性的影响,本文采用的烈度等震线资料的I和M均为独立测定。

震例选取时,若资料中给出等震线长短轴半径,则直接采用;若没有给出,数字化后采用长轴可转向方法进行量取。本文震源机制解结果来自美国哈佛大学的CMT解、中国地震局及其下属机构解析处理结果(《中国震例》,1966年—2007年;《中国大陆地震灾害损失评估》,1990年—2014年)。若存在不同震源机制解,以哈佛大学CMT解为准。本文将震源机制按照走滑型、逆断-逆断走滑型(以下简称逆断型)、正断-正断走滑型(以下简称正断型)和未确定型四种类型进行烈度衰减关系分类统计。依据上述原则,在已知震源机制解的条件下,本文选取了我国西部198次5.0级以上震例,共419条的等震线记录;我国东部47次5.0级以上震例,共84条等震线记录。表1、表2给出了所选用地震资料的震源机制解分布。

表1 中国大陆震源机制解分布 Table 1 The geographical distribution of focal mechanism solution in Chinese mainland
表2 西部分区震源机制解分布 Table 2 The geographical distribution of focal mechanism solution in western China
2 地震烈度衰减关系

由于受到发震构造的影响,近场等震线一般呈椭圆分布,远场逐渐衰减趋于圆形。本文采用椭圆模型进行衰减关系拟合。

I=c1+c2Ms+c3lg(a/2+a0)
(1)

式中,c1c2c3a0为回归系数,I表示烈度,a是烈度I的等震线的长轴或短轴长度,Ms表示面波震级。回归系数a0的选取原则是将a0取一系列初值进行计算,选取标准差最小的值为最终结果。

极震区内任意一点具有相同的烈度值,笔者在极震区不同距离进行适当的近场补点,补点仅在震中烈度7度以上及最内圈等震线半径r5km时进行。另外,远场发震构造的影响逐渐消失,等震线趋于圆形,取有感半径作为远场控制点,有感烈度值为4度时进行远场补点。有感半径R和震级M的关系利用下式计算(中国地震烈度区划图编委会,1992):

R=10(0.22M+1.11)
(2)

本文对选取资料基于最小二乘法,对震例频次15的资料进行拟合,得到地震烈度随震级和长短轴长度的衰减关系。表3至表7给出了中国大陆东、西部以及西部各分区的地震烈度衰减关系回归系数。

表3 中国东部地震烈度衰减系数 Table 3 Seismic intensity attenuation coefficients in eastern China
表4 中国西部地震烈度衰减系数 Table 4 Seismic intensity attenuation coefficients in western China
表5 新疆应力区地震烈度衰减系数 Table 5 Seismic intensity attenuation coefficients in Xinjiang stress zone
表6 甘青宁区地震烈度衰减系数 Table 6 Seismic intensity attenuation coefficients in the Gansu-Qinghai-Ningxia areas
表7 川滇区地震烈度衰减系数 Table 7 Seismic intensity attenuation coefficients in the Sichuan-Yunnan stress zone
2.1 各分区回归结果与分析

统计本文收集的震源机制解数据和烈度资料可知,中国大陆5级以上地震中,走滑断层活动占58%,逆断型占31%,仅有10%为正断型断层活动的结果。图1至图5分别为“东部”、“西部”、“新疆”、“甘青宁”、“川滇”不同震源机制解的烈度衰减曲线。从图中可以看出,不同震源错动方式的烈度衰减曲线总体趋势一致,但不同地区不同错动方式具有不同的衰减特征。

图 1 东部不同震源机制解的烈度衰减关系对比 Fig. 1Comparison of seismic intensity attenuation relationships with different focal mechanism solution in eastern China
图 2 西部不同震源机制解的烈度衰减关系对比 Fig. 2Comparison of seismic intensity attenuation relationships with different focal mechanism solution in western China
图 3 新疆不同震源机制解的烈度衰减关系对比 Fig. 3Comparison of seismic intensity attenuation relationships with different focal mechanism solution in Xinjiang
图 4 甘青宁不同震源机制解的烈度衰减关系对比 Fig. 4Comparison of seismic intensity attenuation relationships with different focal mechanismsolution in Gansu-Qinghai-Ningxia
图 5 川滇不同震源机制解的烈度衰减关系对比 Fig. 5Comparison of seismic intensity attenuation relationships with different focal mechanismsolution in Sichuan-Yunnan

东部地区:近场范围内,走滑型地震烈度略低于全部震例,中远场的烈度值几乎重合,这与东部地区走滑型选例占72%有很大关系。

西部地区:近场范围内,M=7、8时,地震烈度正断型逆断型全部震例走滑型;M=5、6时,逆断型地震烈度仍然大于走滑型,但正断型烈度随震级衰减快于其它类型,5级正断型地震衰减曲线略低于其它几条曲线。随着距离的增加,不同类型地震烈度差异缩小。远场范围内,长轴方向走滑型地震影响范围最大,正断型影响范围最小,逆断型居中;短轴方向不同类型地震影响范围趋于一致。

新疆地区:近场范围内,逆断型地震烈度大于走滑型,随距离的增加两者烈度逐渐接近。远场范围内,长轴方向走滑型震例影响范围略大于逆断型,即逆断型烈度衰减曲线衰减速度快于走滑型。全部震例衰减曲线位于两者之间。

甘青宁地区:烈度衰减曲线整体情况和新疆地区接近。近场范围内,逆断型地震烈度大于走滑型,随距离的增加两者烈度逐渐接近。远场范围内,长轴方向走滑型震例影响范围略大于逆断型,即逆断型烈度衰减曲线衰减速度快于走滑型。全部震例衰减曲线位于两者之间。

川滇地区:走滑型地震在震级大于7时,衰减曲线整体低于全部震例拟合曲线,6级左右时两者衰减曲线几乎重合,5级走滑型地震烈度高于全部震例,也就是说,走滑型大地震破坏小一些,随震级下降烈度衰减速率慢于全部震例。

2.2 与前人结果的对比

我国地震等震线资料丰富,许多学者都已对不同区域的烈度衰减关系进行过研究,得到了符合区域特点的结果。图6至图10分别为本文所得到的各地区的拟合曲线与汪素云等(2000)、肖亮等(2001)、谭明等(2001)、周中红等(2010)、雷建成等(2007)和孙继浩等(2011)所给出的几种拟合曲线的对比。

图 6 中国东部烈度衰减关系对比 Fig. 6Comparison of seismic intensity attenuation relationships in eastern China
图 7 中国西部烈度衰减关系对比 Fig. 7Comparison of seismic intensity attenuation relationships in western China
图 8 新疆地区烈度衰减关系对比 Fig. 8Comparison of seismic intensity attenuation relationships in Xinjiang
图 9 甘青宁地区烈度衰减关系对比 Fig. 9Comparison of seismic intensity attenuation relationships in Gansu-Qinghai-Ningxia
图 10 川滇地区烈度衰减关系对比 Fig. 10Comparison of seismic intensity attenuation relationships in Sichuan-Yunnan

本文所得的东部衰减曲线在震级为7级以上时略低于曲线a,中强震级地震烈度较为一致。西部地区的衰减曲线和曲线b、曲线c的结果总体趋势一致,曲线b影响范围稍大于本文的结果和曲线c,曲线c的衰减速率快于本文的结果和曲线b。新疆地区长轴方向,本文所得的结果在近场范围内略低于曲线e和曲线d,中远场位于两者之间;短轴方向近场范围内本文曲线和曲线d接近,均高于曲线e,中远场烈度值高于其它两者。甘青宁全震例衰减曲线的长轴方向在近场范围时,本文曲线位于曲线g和曲线f之间,中远场烈度值低于曲线g和曲线f的结果;短轴方向近场处甘青宁全震例和曲线g的烈度大于曲线f的结果,中远场范围内甘青宁全震例的烈度值略低于其它两条曲线。川滇地区本文拟合曲线的衰减速率快于曲线j,慢于曲线i的计算结果,曲线j的地震影响范围最大,曲线i拟合结果的地震影响范围较小,本文结果影响范围居于二者之间。这主要由于孙继浩没有采用远场补点,且选用资料为6级以上震例,而雷建成远场补点依据四川有感半径与震级关系,且选用资料为4级以上震例所造成的差异。同一地区衰减曲线差异主要是震级选取、烈度资料分布以及是否进行远场补点等因素制造而成。

为进一步探讨地震破裂方式对烈度衰减的影响,本文比较了西部地区走滑型、逆断型地震的烈度衰减关系,以及汪素云西部衰减关系计算的Ⅵ至Ⅸ度影响场半径与实际结果的差距,长度差均值如表8、表9所示:

表8 走滑型长短轴与实际值长度差均值计算结果 Table 8 The mean deviation value of major and minor axis length of strike-slip faults between calculated and practical value
表9 逆断型长短轴与实际值长度差均值计算结果 Table 9 The mean deviation value of major and minor axis length of thrust faults between calculated and practical value

从表8、表9可以看出,本文所得结果除走滑型Ⅸ度长轴和逆断型Ⅵ度短轴略差于汪素云西部之外,其它情况划分震源机制的地震烈度衰减关系计算平均结果均优于汪素云西部,长轴提升率在-6.26%—9.96%之间,短轴提升率在-0.87%—16.63%之间。总体来说,区分发震方式的烈度衰减关系比未区分的更接近真实情况,进一步佐证了地震破裂方式对烈度衰减的影响,这将有助于我们更加准确地估计影响场的大致范围,对于震后灾害评估,震后应急救援具有一定指导意义。

3 讨论和结论

发震方式对地震烈度衰减关系的影响是较为显著的。总体来看,震级相同时走滑型地震的烈度衰减曲线值是最小的,逆断型以及正断型衰减曲线烈度值是最大的,全部震例的拟合曲线介于二者之间。长轴方向走滑型地震影响范围似乎略大于其它类型,但是地震的不同类型在短轴方向的影响范围差异不大。可以看出,同一区域不同震源机制的地震烈度衰减特征有差别,不同区域相同震源机制的烈度衰减关系并不完全一致,震源机制对不同震级的烈度影响也不同。此外,地震烈度衰减规律的影响因素是复杂的,除震源特性之外,地震波传播过程中非弹性和非均匀性导致的衰减主要取决于品质因子Q值,而Q值是区域性变量。另外,局部场地条件也会对烈度衰减造成显著影响。

本文根据中国大陆构造应力场分区,分别拟合不同震源机制解的烈度衰减关系,得出以下结论:

(1)建立了中国大陆不同震源机制解的分区地震烈度衰减关系。

(2)震源机制对地震烈度衰减关系的影响显著。总体来看,逆断型、正断型地震的烈度衰减曲线烈度值大于走滑型。

(3)震源机制对不同震级的地震烈度影响程度不同。

(4)区分发震方式的烈度衰减关系长短轴可以作为应急影响场的修正因子,在震后几小时得到震源机制解时,对烈度圈长短轴进行初步修正。

参考文献
1.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.
2.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.地震工程与工程振动,31(1):11—18.
3.谭明,李帅,孙静等,2011.新疆地震烈度衰减关系模型参数拟合.内陆地震,25(1):29—35.
4.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):5—12.
5.肖亮,俞言祥,2011.中国西部地区地震烈度衰减关系.震灾防御技术,6(4):358—371.
6.谢富仁,崔效锋,赵建涛等,2004.中国大陆及邻区现代构造应力场分区.地球物理学报,47(4):654—662.
7.中国地震烈度区划图编委会,1992.中国地震烈度区划图(1990)及其说明书.中国地震,8(4):1—11.
8.周中红,何少林,陈文凯,2010.甘肃省地震烈度衰减关系研究.西北地震学报,31(1):72—75.


Study on Seismic Intensity Attenuation Relationship with Regions via Focal Mechanism Solutions
Zheng Yun*1), Jiang Lixin*2), Yang Tianqing2) and Liu Jie2)
1) Earthquak Administration of Fujian province, Fuzhou 350003, China;
2) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
Abstract

On the basis of regional division of tectonic stress field in China, we fit the seismic intensity attention relationships with different focal mechanism solution. The data we have collected includes 198 earthquakes and 419 isoseismal lines with MS≥5.0 in western China, altogether; 47 earthquakes and 84 isoseismal lines with MS≥5.0 in eastern China. By using the ellipse model fitting attenuation relation, seismic intensity attenuation relationship between the magnitude and the length of axis is established. In this paper, we preliminarily analyze the discrepancy between seismic intensity attenuation relationships of several focal mechanism solutions. Then, taking western China as an example, we compare western seismic intensity attenuation relationship of thrust fault and strike-slip fault with Wang Suyun’s results. Our research results indicate that the length of axis of intensity attenuation relationship which have distinguished focal mechanism solutions could be a modifying factor for seismic influence field in case of emergency. When we obtain focal mechanism solution several hours after the earthquake, we can make a preliminary correction to the length of axis.



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基于震源机制解的分区地震烈度衰减关系研究
郑韵*1) 姜立新*2) 杨天青2) 刘杰2)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20160218