摘要:收集1716—2022年130次有烈度數(shù)據(jù)的破壞性地震事件,補(bǔ)充近期新疆區(qū)域破壞性地震烈度數(shù)據(jù),對(duì)124幅地震烈度圖,281對(duì)烈度圈長(zhǎng)、短軸數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理。采用數(shù)學(xué)方法擬合了新疆地區(qū)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)、不同震源機(jī)制解地震烈度衰減模型。研究發(fā)現(xiàn),在烈度衰減過程中,走滑型和逆斷型地震略有不同,不同的地震震源破裂性質(zhì)會(huì)影響烈度衰減關(guān)系的長(zhǎng)短軸,因此,我們可以將其作為修正因子,用于快速評(píng)估地震災(zāi)害的烈度影響場(chǎng),在地震發(fā)生后,修改和完善烈度圈的長(zhǎng)短軸數(shù)據(jù),以便更準(zhǔn)確地進(jìn)行評(píng)估。
關(guān)鍵詞: 烈度; 地震烈度衰減關(guān)系; 震源機(jī)制解; 地震災(zāi)害
doi:10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.005
在快速評(píng)估地震烈度的工作中,經(jīng)常運(yùn)用烈度衰減關(guān)系去判斷烈度區(qū)的面積大小以及影響范圍,在應(yīng)急數(shù)據(jù)庫的支持下,開展更有效的搶險(xiǎn)救災(zāi)工作。針對(duì)地震烈度衰減關(guān)系的研究,國(guó)內(nèi)學(xué)者通過不同的方法和手段得出不同的地震烈度衰減關(guān)系模型[1-2]。張齊等采用應(yīng)用隨機(jī)效應(yīng)回歸方法確定地震烈度衰減關(guān)系模型系數(shù)[3]。肖亮等補(bǔ)充了1991年之后地震資料,分長(zhǎng)、短軸擬合了西部區(qū)域的烈度衰減關(guān)系[4]。譚明等通過對(duì)不同時(shí)段和不同區(qū)域的震例研究,計(jì)算得出了地震動(dòng)的衰減關(guān)系[4]。新疆地震災(zāi)害評(píng)估一般用中國(guó)西部衰減關(guān)系計(jì)算烈度,由于新疆地域廣闊,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變,導(dǎo)致地震震源破裂形式多樣[5-12],為提高地震災(zāi)害評(píng)估模型的可靠性,選出更適合本構(gòu)造區(qū)域的地震烈度衰減關(guān)系,是新疆地區(qū)地震快速評(píng)估的一項(xiàng)必要工作[13]。本文中補(bǔ)充了近期新疆區(qū)域破壞性地震烈度數(shù)據(jù),并根據(jù)地震震源破裂性質(zhì)的不同分區(qū),結(jié)合新疆歷史震例,利用強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)回歸擬合不同震源破裂性質(zhì)的地震烈度衰減關(guān)系,為抗震設(shè)防和震后烈度快速評(píng)估提供有效的參考依據(jù)。
1 地震資料選取
新疆區(qū)域內(nèi)地震帶主要分布有北、中、南天山地震帶、阿爾泰地震帶和塔里木—阿拉善地震帶,是中國(guó)主要的內(nèi)陸地震活動(dòng)地區(qū),地震活動(dòng)強(qiáng)烈,破壞性地震頻繁發(fā)生。
收集新疆地區(qū)1716—2022年130次有烈度數(shù)據(jù)的破壞性地震事件(個(gè)別地震在較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生,作為1次地震事件),130次地震事件中收集到的地震烈度圖為124幅。將124幅烈度圖進(jìn)行數(shù)字化后,采用長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)向的方法測(cè)量烈度圈長(zhǎng)短軸,共計(jì)281對(duì)長(zhǎng)、短數(shù)據(jù),由表1可看出,數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)范圍是Ⅴ~Ⅷ度,在這個(gè)烈度區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)較多。利用Cap方法反演震源機(jī)制解,通過分割波形記錄為Pnl(地震P波)和Snl部分,分別賦予不同的權(quán)重,利用格點(diǎn)搜索的方法進(jìn)行地震震源機(jī)制反演。其中有震源機(jī)制解的地震為120次,按照走滑型、逆斷型、正斷型和未確定型4種類型進(jìn)行地震烈度衰減關(guān)系分類統(tǒng)計(jì)(表2),統(tǒng)計(jì)顯示,新疆區(qū)域破壞性地震的震源破裂方式主要以逆斷和走滑為主。
本文中所選地震烈度數(shù)據(jù)主要來自《新疆通志·地震志》《中國(guó)震例》《中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)報(bào)告》和中國(guó)地震局有關(guān)資料匯編[14],其中現(xiàn)有的等震線資料均來自于對(duì)相關(guān)大地震的實(shí)地考察[15]。地震震源機(jī)制解部分結(jié)果來源于高國(guó)英等對(duì)新疆中強(qiáng)地震震源機(jī)制解的分析[16]。
2 地震烈度衰減關(guān)系
受發(fā)生地震的地質(zhì)構(gòu)造和地貌環(huán)境影響,地震烈度的衰減近似為橢圓分布。根據(jù)新疆地區(qū)地震烈度數(shù)據(jù),使用橢圓模型進(jìn)行烈度衰減關(guān)系擬合,其烈度衰減模型的通用表達(dá)形式為
I=A+BM+Clg(R+R0) ·(1)
Ia=Aa+BaM+Calg(Ra+R0a) ·(2)
Ib=Ab+BbM+Cblg(Rb+R0b) ·(3)
式中:I表示烈度;M為震級(jí);R為震中距;R0為預(yù)設(shè)常數(shù);A、B和C為回歸系數(shù);a和b分別為長(zhǎng)軸和短軸方向。使用不同方法所得到的地震烈度衰減關(guān)系不同,其預(yù)設(shè)常數(shù)也不同,譚明等所選取的預(yù)設(shè)常數(shù)R0a=25,R0b=15;俞言祥等[17]建立的新一代地震區(qū)劃圖地震烈度衰減關(guān)系中的預(yù)設(shè)常數(shù)R0a=25,R0b=13。
2.1 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)烈度衰減關(guān)系
本文中根據(jù)不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)新疆區(qū)域1716—2022年的破壞性地震分別進(jìn)行烈度衰減關(guān)系擬合,得出不同的參數(shù)(表3)。由于新疆地處西北邊陲,其臺(tái)網(wǎng)的使用始于20世紀(jì)70年代,在這之前的破壞性地震災(zāi)害信息主要來源于歷史記載和后期的科學(xué)考察,地震烈度分布圖也是基于此繪制而成。全國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建立之后,強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)逐漸豐富,大大提高了繪制地震烈度圖的精度。故本文中將1970年作為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),分別對(duì)其前后兩個(gè)時(shí)段的地震烈度數(shù)據(jù)擬合烈度衰減關(guān)系曲線(圖1 a、b)。如圖所示,兩個(gè)時(shí)間段衰減趨勢(shì)基本一致,都表現(xiàn)出了近、遠(yuǎn)場(chǎng)飽和趨勢(shì),只是1716—1970年的衰減關(guān)系曲線近場(chǎng)烈度過大,比1970—2022年的衰減關(guān)系曲線近場(chǎng)烈度高,可能與1970年前高震級(jí)烈度數(shù)據(jù)較多,低震級(jí)烈度數(shù)據(jù)有遺漏有關(guān),但這兩個(gè)烈度衰減關(guān)系曲線基本都符合實(shí)際烈度衰減規(guī)律。
此外,1990年之后,新疆區(qū)域破壞性地震頻發(fā),且記錄的地震數(shù)量與之前的大致相當(dāng),將1990年作為另一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),分別對(duì)其前后兩個(gè)時(shí)段的地震烈度數(shù)據(jù)擬合烈度衰減關(guān)系曲線(圖1 c、d)。兩個(gè)時(shí)間段近場(chǎng)震級(jí)飽和趨勢(shì)有明顯不同,主要因?yàn)樾陆畢^(qū)域大地震主要集中在1990年之前,而1990年之后破壞性地震高震級(jí)較少,低震級(jí)低烈度數(shù)據(jù)豐富,近場(chǎng)烈度長(zhǎng)短軸影響距離具有較好的一致性。從遠(yuǎn)場(chǎng)看來,兩個(gè)衰減曲線與整體衰減有較好的一致性。
2.2 不同震源機(jī)制解的地震烈度衰減關(guān)系
根據(jù)不同震源機(jī)制解類型數(shù)量分布(表2),新疆地區(qū)較容易形成走滑型、逆斷型的地震震源破裂方式,選擇走滑型、逆斷型的地震烈度數(shù)據(jù),利用最小二乘法進(jìn)行地震烈度衰減關(guān)系初步擬合(表4)。如圖2所示,走滑型和逆斷型地震烈度衰減關(guān)系,震級(jí)飽和趨勢(shì)具有明顯差異,走滑型烈度衰減關(guān)系曲線近場(chǎng)影響表現(xiàn)出接近于圓的趨勢(shì);逆斷型烈度衰減關(guān)系曲線在地震烈度遠(yuǎn)場(chǎng)影響接近于圓。
2.3 烈度衰減曲線頭尾限定計(jì)算
2.3.1 頭尾限定方法
通過頭尾限定方法對(duì)衰減曲線進(jìn)行頭尾限定,能夠更加貼近實(shí)際工程需求,從而提高衰減曲線的精準(zhǔn)度,是進(jìn)行烈度衰減關(guān)系研究至關(guān)重要的一步。常用的衰減曲線頭尾限定方法一種是在曲線的頭尾處增加樣本點(diǎn),另一種是使用兩部擬合法來進(jìn)行限定。本文中采用的烈度衰減數(shù)據(jù)大部分分布在Ⅴ~Ⅷ度內(nèi),優(yōu)勢(shì)明顯,在曲線頭尾增補(bǔ)樣本點(diǎn)會(huì)影響烈度數(shù)據(jù)的整體優(yōu)勢(shì),樣本點(diǎn)的多少也不好控制,因此,本研究采用數(shù)學(xué)方法對(duì)烈度衰減曲線進(jìn)行頭尾限定處理。限頭:當(dāng)短軸方向無限接近零時(shí),長(zhǎng)軸方向與短軸方向無限接近但不等于零,這時(shí)橢圓形狀變?yōu)橐粭l所有烈度值都相等的線段。在計(jì)算時(shí),通常將最小的短軸值設(shè)為1;限尾:當(dāng)短軸和長(zhǎng)軸無限增長(zhǎng)時(shí),形狀從橢圓變成圓,烈度值都會(huì)相互對(duì)等,在計(jì)算中,可以選取合適的數(shù)值作為R,M為地震震級(jí),計(jì)算公式[18]為
R=10(0.22M+1.11) ·(4)
2.3.2 烈度衰減曲線頭尾限定計(jì)算
對(duì)走滑型、逆斷型地震烈度衰減關(guān)系結(jié)果進(jìn)行頭尾限定修正,以走滑型衰減關(guān)系公式(5)、(6)為例。
長(zhǎng)軸: Ia=4.329 6+1.313 6M-3.257 4lg(Ra+25) · (5)
短軸:Ib=3.453 2+1.239 4M-2.931 8lg(Rb+13) · (6)
從表1可知,由于地震烈度數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)范圍為Ⅴ~Ⅷ度,而高烈度和低烈度的數(shù)據(jù)又比較稀少,所以在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的高烈度曲線頭部雖然呈明顯飽和態(tài)勢(shì),卻又沒有相交,這不符合震中烈度雙高飽和規(guī)律。在遠(yuǎn)場(chǎng)尾部的衰減關(guān)系曲線,隨著震中距的增大,長(zhǎng)短軸并沒有顯示出無限接近的態(tài)勢(shì)且在較低烈度也沒有交叉現(xiàn)象,這與實(shí)際結(jié)果并不一致(圖2)。利用頭尾限定方法對(duì)公式(5)、(6)進(jìn)行修正。具體方法如下:
(1) 本次數(shù)據(jù)采集到的歷史破壞性地震最高震級(jí)為8.2級(jí),最低為4.6級(jí),故有式(6)中令M=M1=8.2,R=Rb0=1,得I1=10.25,將Ia=l1=10.25,M=8.2數(shù)值代入到公式(5)中,計(jì)算出Ra0=5.85,這就代表最里面的烈度曲線為橢圓的短半軸b=1時(shí),長(zhǎng)半軸a=5.85;
(2) 令M=M1=8.2,利用公式(4)計(jì)算出R1=820.35,分別將數(shù)值代入到公式(5)、(6)中,計(jì)算出Ia=5.56,Ib=5.05,在R1處將I2=(Ia+Ib)/2=5.3為曲線尾部;
(3) 令M=M2=4.6, 利用公式(4)計(jì)算出R2=132.43, 將數(shù)值代入到公式(5)、(6)中,計(jì)算出Ia=2.84,Ib=2.81,在 R2處將I2=(Ia+Ib)/2=2.82為曲線尾部;
(4) 把上述計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入到橢圓長(zhǎng)軸的衰減公式(7):
I1=A1+A2M1-A3lg(Ra0+25)
I2=A1+A2M2-A3lg(R1+25)
I3=A1+A2M3-A3lg(R2+25) ·(7)
求得A1=4.433 8,A2=1.334 4,A3=3.439 6。
接著把上述計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入到橢圓短軸的衰減公式(8):
I1=B1+B2M1-B3lg(Rb0+13)
I2=B1+B2M2-B3lg(R1+13)
I3=B1+B2M3-B3lg(R2+13) ·(8)
求得B1=3.403 6,B2=1.224 5,B3=2.784 3。
(5) 把上述求得系數(shù)代入衰減公式,得到頭尾限定修正后的走滑型衰減關(guān)系。用同樣方法得到逆斷型修正后的衰減關(guān)系(表5)。
3 對(duì)比分析
3.1 與前人結(jié)果的對(duì)比
目前,在新疆快速評(píng)估地震烈度的工作中,一般用譚明的烈度衰減模型(式9、10)。此外,肖亮等補(bǔ)充了1991年之后地震資料,分長(zhǎng)、短軸擬合了西部區(qū)域的烈度衰減關(guān)系(式11、12),故本文中將所得到的走滑型、逆斷型地震烈度衰減關(guān)系統(tǒng)一與譚明的新疆地區(qū)烈度衰減關(guān)系以及肖亮的西部地區(qū)新疆地區(qū)衰減關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。
Ia=4.269 7+1.515 7M-3.990 2ln(Ra+25)·(9)
Ib=3.243 8+1.399 6M-3.314 2ln(Rb+13)·(10)
Ia=5.601 8+1.434 7M-4.489 9ln(Ra+25)·(11)
Ib=3.611 3+1.434 7M-3.847 7ln(Rb+13)·(12)
圖3給出了譚明、肖亮的地震烈度衰減關(guān)系與本文中衰減關(guān)系的對(duì)比結(jié)果。對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文中逆斷型模型與譚明的新疆地區(qū)衰減模型基本一致。在震中附近,本文中兩種模型的烈度值明顯低于肖亮衰減模型。當(dāng)R>50 km 時(shí),肖亮烈度衰減曲線逐漸低于本文中兩種模型衰減曲線和譚明烈度衰減曲線。隨著震中距的增加,肖亮烈度衰減速度明顯快于本文中兩種模型和譚明模型。
3.2 實(shí)際地震檢驗(yàn)對(duì)比
以2020年1月19日伽師6.4級(jí)地震來驗(yàn)證,此次地震震源破裂方式為逆斷型,Ⅵ度烈度長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度為135 km、短半軸長(zhǎng)度為71 km,用3種衰減關(guān)系計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比見表6。以2017年8月9日精河6.6級(jí)地震來驗(yàn)證,此次地震震源破裂方式為走滑型,Ⅵ度烈度長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度為149 km、短半軸長(zhǎng)度為137 km,用3種衰減關(guān)系計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比見表7。對(duì)比兩次地震發(fā)現(xiàn),肖亮西部地區(qū)新疆地區(qū)烈度衰減關(guān)系得到的長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度與實(shí)際地震烈度差異較大,而本文中衰減關(guān)系得到的長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度和譚明衰減關(guān)系得到結(jié)果與實(shí)際地震烈度差異相對(duì)較小。相對(duì)而言,本文中兩種模型烈度衰減關(guān)系得到的長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)度較譚明的衰減的關(guān)系更為接近實(shí)際烈度分布情況。
4 結(jié)束語
從新疆整體烈度衰減看,1716—1970年的烈度衰減關(guān)系曲線近場(chǎng)烈度比1970—2020年的近場(chǎng)烈度稍大,可能因?yàn)?970年前高震級(jí)烈度數(shù)據(jù)較多,低震級(jí)烈度數(shù)據(jù)有遺漏;當(dāng)M=5或6時(shí),1716—1970年的烈度衰減快于1970—2020年,說明1970年后MS≤7.0的地震烈度影響范圍有擴(kuò)大的趨勢(shì)。發(fā)震方式對(duì)地震烈度衰減關(guān)系的影響較為顯著。走滑型和逆斷型烈度衰減有明顯差異,近場(chǎng)范圍內(nèi)逆斷型地震烈度大于走滑型,隨距離的增加兩者烈度逐漸接近;遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)長(zhǎng)軸方向逆斷型烈度衰減曲線衰減速度快于走滑型。總體來看,M=6或7時(shí),走滑型地震的烈度衰減曲線值小于逆斷型衰減曲線烈度值。長(zhǎng)軸方向走滑型地震影響范圍大于逆斷型地震,但兩者在短軸方向的影響范圍差異不大。同一區(qū)域不同震源機(jī)制的地震烈度衰減特征有差別,不同區(qū)域相同震源機(jī)制的烈度衰減關(guān)系并不完全一致,震源機(jī)制對(duì)不同震級(jí)的烈度影響也不同。
本文中通過設(shè)定不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)、不同震源機(jī)制解進(jìn)行烈度衰減關(guān)系擬合,采用數(shù)學(xué)方法對(duì)新疆地區(qū)不同震源機(jī)制解的地震烈度衰減曲線進(jìn)行頭尾限定修正,更符合實(shí)際地震烈度衰減情況,可在新疆破壞性地震初評(píng)估中用以初步確定受災(zāi)范圍。地震震源破裂性質(zhì)不同的烈度衰減關(guān)系長(zhǎng)短軸可作為地震災(zāi)害快速評(píng)估系統(tǒng)中烈度影響場(chǎng)的修正因子,在地震發(fā)生后及時(shí)得到震源機(jī)制解,修改和完善烈度圈長(zhǎng)短軸數(shù)據(jù)。
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XIE Jiang-li, Abuduwalisi Abuduwayiti, ZHANG Wen-xiu,LI Bo
(Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China)
Abstract: Collect 130 destructive earthquake events with intensity data from 1716 to 2022, supplement the recent destructive earthquake intensity data in Xinjiang, and classify 124 seismic intensity maps and 281 pairs of intensity circle long and short axis data. The mathematical method is used to fit the seismic intensity attenuation model of different time nodes and different focal mechanisms in Xinjiang. It is found that in the process of intensity attenuation, strike-slip and reverse-fault earthquakes are slightly different. Different seismic source rupture properties will affect the long and short axes of intensity attenuation relationship. Therefore, we can use it as a correction factor to quickly evaluate the intensity influence field of earthquake disasters. After the earthquake occurs, the long and short axis data of the intensity circle can be modified and improved to evaluate more accurately.
Key words: Intensity;Seismic intensity attenuation relationship;Source mechanism solution;Earthquake disasters