我国近期地震烈度有关问题讨论——以2013年芦山7.0级地震为例

赵建明，张 民，杨雅琼，王晓山，刁桂苓

（1.河北省地震局唐山中心台，河北 唐山 063021；2.河北省滦县地震局，河北 滦县 063700；3.河北省地震局，石家庄 050021）

0 引言

地震烈度是地震引起的地面震动及其影响的强弱程度。地震烈度的概念包括震害大小和地震动强弱双重内涵，两者之间并不存在简单明确的物理关系。这种双重性决定烈度不是一个严格且科学的物理概念，对于地震这种自然现象的宏观观察很难做出定量的描述，所以烈度评定是经验性的而且具有不确定性。尽管烈度的用途广泛，但是在科学性方面存在局限性。地震烈度表分别描述了人的感觉、器物响应、建筑破坏和地面破坏，都是定性的和模糊的指标。而用不同指标评定的烈度是否能顺序排列反映地震动或震害的单调变化呢？况且根据破坏程度评定烈度必须考虑一定地域范围内群体的平均破坏状态。烈度评定很大程度上是一种经验行为，在罕遇的多次大地震中能有成熟经验的积累并非易事，何况，地震烈度评定也很难由少数专业技术人员完成［1］。

鉴于地震烈度分布图会及时向社会公布，地面破坏和强震动的分析成果也会很快发表。结合芦山主震的震源机制、破裂过程和序列震源分布进行对比研究，发现上述不同要素与烈度图有显著的不匹配状况，需要查找异同及存在差异的原因，以便提出改善、解决的途径。

1 剖析2013年4月20日芦山7.0级地震

1.1 芦山7.0级地震烈度分布

2013年4月20日，四川省雅安市芦山县发生7.0级强烈地震，造成196人死亡，11 470人受伤。地震发生后，中国地震局现场应急工作队在地震灾区开展灾害调查评估工作，对21个县（市、区）的房屋建筑、生命线工程、工矿企业等进行了现场调查。其中，灾害调查包括360个调查点和231个抽样点。综合考虑现场调查、遥感震害解译、强震观测记录等资料，编制出地震烈度图。中国地震局在2013年4月26日发布了烈度图［2］。极震区烈度为Ⅸ度，等震线长轴呈NE走向分布。

Ⅸ度区大多数房屋严重破坏，墙体龟裂，局部坍塌，复修困难，面积208km2，长半轴为11.5km，短半轴为5.5km，长短轴之比2.09。Ⅷ度区大多数房屋中等破坏，结构受损，需要修理，面积1 418 km2，长半轴为29km，短半轴为17.5km，长短轴之比1.66。Ⅶ度区大多数房屋轻度破坏，局部开裂，但不妨碍使用，面积4 029km2，长半轴为56km，短半轴为33km，长短轴之比1.70。Ⅵ度区大多数房屋个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝。面积13 027km2，长半轴为95km，短半轴为64km，长短轴之比1.48。芦山地震烈度分布呈椭圆形状，从长轴来看，NE方向衰减快，SW 方向衰减慢；从短轴方向看，NW 和SE方向基本对称。不同烈度区的长轴和短轴之比基本在1.5～2.0之间，比值相近。

1.2 峰值加速度（PGA）分布

地震烈度图基本以地震造成的宏观震害为依据来划分烈度等级。但宏观烈度表采用的是定性的标准，观察者的主观因素影响较大。如果能够使用物理标准来评定烈度会更加科学，这种标准既要便于用仪器测定，又要同震害现象密切相关。一般认为地震引起的破坏是地震惯性的力量造成的，地面加速度决定其大小。

温瑞智等［3］统计芦山地震强震记录的峰值加速度（PGA）及峰值速度（PGV），将PGA 和PGV 进行对数取值后再做插值计算，得到了EW、NS、CD 3个方向清晰的PGA 及PGV 对数等值线图，图2仅给出了PGA 的分布，存在多处异常点。显然峰值加速度分布不像地震烈度图（图1）那样规则，而且2个水平向较为显著地表现出西部山区的等值线密集，也就是地震动在西部山区衰减要快于东部盆地地区，盆地软弱土层体现了对于地震动的放大效应。虽然编制烈度图也考虑了峰值加速度，图1和图2相互对比体现出二者差异较大。尤其是盆地软弱土层得到放大效应几近忽略，这种放大效应在烈度图中没有体现。

图1 2013年4月20日芦山7.0级地震烈度图

图2 芦山地震PGA 自然对数等值线图

1.3 震源机制和震源分布

一般认为，浅源地震是在构造运动积累的应力逐渐超过岩石的破裂强度时，在原来相对连续的介质中，从一个初始破裂点开始向一边或向四周扩展，逐渐形成一个大的破裂面，扩展到一定程度时，破裂终止。在破裂的过程中，产生的地震波向四周传播，造成对建筑物的破坏，可能在震源区留下永久形变。如果地震震源较浅，破裂扩展到地表面就可以看到明显的断层错动现象。陈培善［4］综合了哈斯克尔（N.A.Haskell）的有限长度的运动断层模型和安艺敬一（K.Aki）的所谓ω2模型（用一个指数衰减函数作为位错速度的自相关函数），略去了一些次要的因素和项，考虑了与烈度的联系，建立了一个计算烈度分布的模型。

这样一种震源模式，必然对烈度分布产生重要的影响。地震波能量的辐射具有方向性，大部分能量集中在破裂速度矢量的方向上，在其它方向能量分布则较少。对建筑物的破坏，尤其是S波则呈现一个近似于椭圆的辐射图样。如果破裂面为倾斜状态，这时等震线可能在短轴方向出现不对称的现象。如果破裂矢量不在水平方向，而是向下或者向上破裂，这时烈度可能会增高或者降低一些。走向滑动与倾向滑动2种破裂的等震线的“扁”、“圆”程度也不相同，走向滑动的显得较“扁”，而倾向滑动的显得较“圆”［5］。

实际的烈度分布，受许多因素的影响，使得其形状各异。根据大量结果统计，可以定性地认为，地震烈度分布受震源机制和地质构造的影响最大。通常认为烈度分布受到发震构造（震源机制）的制约，强震序列震源位置在三维空间的分布，也是发震构造在地下深部的具体形态，余震多数发生在破裂面及其两侧岩体。1999年台湾集集地震的震源机制以逆冲为主，兼有左旋走滑。断层倾角30°左右，较小。研究表明，地震动分布的上盘效应与低倾角的逆走滑震源机制决定了其地面运动的分布特点［6］。在大震震源区附近的重大工程，由于强地面运动在断层两侧的分布不均匀，简单地用地震动衰减关系估计可能会出现较大的偏差。针对不同震源机制类型的地震动分布特征差异，刘启方等［7］运用震源位错模型，分析矩形垂直断层及倾斜断层走向滑动和倾向滑动的近场地震动场，以地表地震动的傅立叶振幅谱比为参量考察断层附近地震动空间分布的特点。结果表明，高强度的地震动分布在紧靠断层两侧有限的带状区域内，倾斜断层产生的地震动有明显的上盘效应，空间分布不对称。

吕坚等［8］采用双差定位方法［9］精确定位了芦山7.0级主震，初始破裂深度为15km 左右，震源矩心深度为14km 左右，最佳双力偶震源机制解的2组节面分别为走向209°、倾角46°、滑动角94°和走向23°、倾角44°、滑动角86°，可视为纯逆冲型地震破裂。余震序列发生在主震两侧，集中分布的长轴为30km 左右，震源深度主要集中在5～27km，发震断层倾向NW。绝大多数余震发生在断层面附近10km 左右的区域。

1.4 破裂过程

刘成利等［10］在反演芦山地震的动态破裂过程时，考虑芦山地震的断层构造形态和震源机制解建立了有限破裂断层模型。结果显示，破裂面长度主要集中在震中附近28km 范围，矩震级MW6.6，最大滑动幅度1.5m，基本以逆冲为主，主要破裂集中在13km 深度，地震能量主要释放在前10s。地表滑移量很小，地表破裂不明显，能量主要在深部释放。这可能是受灾区域比主要破裂滑移区域大的原因（图3）。破裂模型和余震区域分布一致（图4）。

图3 芦山7.0 级地震的破裂模型

1.5 地面破坏

芦山地震区位于龙门山推覆构造带。地震现场应急科学考察表明，沿这些活动断层及其邻近地段没有发现明显的地表破裂带，地表可见到一些脆性水泥路面挤压破裂现象，说明在双石镇、太平镇、龙门乡、隆兴乡等地存在着NW－SE 向局部的地壳缩短，结合余震的空间分布特征、震源机制解等资料，推测芦山地震属典型的盲逆断层型地震［11］。

图4 芦山7.0 级地震破裂面在地形图上的投影（左）及芦山和汶川地震的余震分布情况（右）

滑坡现象是地面破坏的典型表现。许冲等［12］给出芦山地震触发滑坡的分布图像（图5）。芦山地震虽在地表没有出现地震断层，但属于逆冲性质的发震构造。一般情况下，逆冲断裂型地震破坏性强于走滑断裂型地震。在断层的上盘往往会发生更严重的滑坡灾害，滑坡在断层上盘的衰减明显低于下盘。受青藏块体向SE 运动的影响，逆冲断层的上盘有较大的挤压形变，隆升形成龙门山，这种长期挤压变形会导致断裂的上盘区域与近断层区域岩体较破碎，强度较低。图5绘出烈度和滑坡分布区域，与烈度区域不同，滑坡相对震中的NW 方向分布多，衰减慢，存在显著的上盘破坏加重效应。

图5 烈度与滑坡分布图（滑坡内圈是滑坡集中分布区，外圈是滑坡限制分布区）

2 讨论

从前述芦山地震的烈度图分析来看，以房屋破坏调查为主编制的烈度图与地震动、地面破坏存在不匹配情况。余震分布在深部为倾斜状态，震源机制是纯逆冲性质，而且得到破裂过程的支持。低烈度区SSW 方向衰减缓慢，看不出受余震分布、震源机制、破裂过程的强烈影响。那么这些问题是否具有普遍性？

2.1 烈度等震线的形状问题

目前已经发现，强地面运动分布对断层面介质特性有关的断层位错量、断层面的倾角、破裂方式和运动方向等震源机制参数有很大的影响［13］。

已经发布的烈度图多数类似于共焦点、等间距椭圆模型，这种模型对应着走向滑动类型的地震。逆冲等倾向滑动更可能近似于圆形，因为存在上盘效应。如果地震发生在造山带，下盘的沉积盆地也存在放大效应。2014年10月7日景谷6.6级地震发生在普文断裂的延长线上，错动类型为右旋走向滑动，断裂与震源机制的一个节面（走向149°、倾角78°、滑动角174°）完全符合，但是等震线长短轴之比较小（约为1.3），和走向滑动的震源机制并不一致。震源剖面长轴NW，呈狭窄直立分布，支持震源机制错动方式。2014年5月30日盈江6.1级地震的等震线近似圆形，而震源机制的走向351°、倾角84°、滑动角－172°，为走向近NS、近直立、右旋滑动方式的破裂特征，盈江地震造成的滑坡区域为方向NNW 的狭长形状。烈度图则完全不一致，亦和当地大盈江断裂的性质不同。2013年7月22日发生在甘肃岷县漳县的6.6 级地震的震源机制走向301°、倾角57°、滑动角38°，即走向NW、倾斜断层面、逆冲为主兼具有左旋滑动分量。等震线长轴方向和震源机制节面走向接近，而峰值加速度分布不均匀，存在异常点。高峰值加速度在SW 方向衰减慢［14］，大致因为震区在山区，起伏的地形、陡峭的山坡、较厚的表层覆盖黄土，多数民居建筑在陡坡或山顶，地震动在边坡有放大效应，民房的破坏程度加重。烈度图却为比较规则的椭圆形，没有体现逆冲上盘效应和沉积盖层的放大效应。

2.2 烈度图的稳定性问题

出于社会和公众的需要，地震系统已经能够在破坏性地震之后迅速公布地震参数。中国地震局的工程力学研究所和地球物理研究所也会公布仪器烈度预测图。2013年8月3日发生的云南鲁甸6.5级地震之后中国地震局地质研究所初步给出的发震构造为NE走向的昭通－鲁甸断裂，随即仪器烈度的椭圆长轴方向也是NE；随后发震构造改为NW走向，仪器烈度长轴方向也调整为NW。看来，目前强震台网的密度尚难准确控制烈度分布的方向，仪器烈度图的绘制需要结合其它资料作出。实际上，震源机制解有NW 和NE 2 个方向的节面。节面1：走向74°，倾角84°，滑动角177°；节面2：走向165°，倾角87°，滑动角6°。主震后余震主要呈NW方向分布，和震源机制NW 节面、烈度分布NW 向长轴，相互验证了发震构造，当然另一个节面方向也有余震分布。

2014年11月22日四川康定发生6.3级地震，中国地震局经过现场考察发布了烈度图。11月25日当地又发生5.8级余震，之后中国地震局发布了修订的烈度图。该烈度图是综合了2次地震震害叠加的结果，并且断层线也有改变。其实完全可以单独绘制5.8级地震的烈度图，即便像1976年河北唐山 的7.8 级 大 震，之 后16 个 小 时 发 生 了7.1 级 余震，也是单独绘出等震线烈度图，能够使人分别了解2次地震的不同影响。由于目前组织大量人力编制的烈度图不仅仅能够为地方政府服务，还有重要的研究价值。在中国数千年的历史地震记载中，宏观震害的描述占据大多数，故以此来估计历史地震的震中烈度、勾画等震线图，再根据震级与烈度的经验关系，估算出历史地震的震级和震源深度，从而编制出具有中国特色的地震目录享誉天下。这些成果为研究地震活动性、地震危险性分析、推测地震发生趋势等奠定了宝贵的基础。历史地震等震线的长轴方向，用来判断发震断层的走向或地震破裂传播方向；而烈度分布的形状可以用于震源机制研究。历史地震等震线向外围递减的规律能够反映区域的地震能量衰减特征，可估算地震动参数衰减关系。通过最新而且可靠的烈度图重新统计烈度和其它相关参数的关系，可以减小过去统计结果的不确定性。而此次康定地震2次地震修订的烈度图却无法利用。

2.3 烈度异常问题

通常，地震烈度应随震中距离的增加而递减，但也存在地质构造、土质、地形等因素的影响，以及地震波的深部反射波的叠加作用，在低烈度区中会出现高烈度点。以往，破坏性地震的烈度图大多数存在烈度异常区（点），可是近2年的烈度图都比较规则，等震线比较圆滑，没有烈度异常区（点）存在。而峰值加速度分布图则不是这样，是否局部场地的影响考虑不足？或者完全采用外包线圈出烈度区？指明烈度异常区（点），分析研究烈度异常的原因，尤其是工程、建筑结构的反应，对于各种设施的抗震设计非常重要，对于场地的地震安全性评价也不可或缺。组织大量专业技术人员现场的宏观考察应当包括细致的烈度异常调查。

通过分析亦发现，最新的烈度图囊括了越来越多的行政区域，过多顾及外围地方政府，救灾重建的需求或许是一种可能的原因。如果烈度图的科学性降低，将要贻误后人。

3 认识与展望

在我国有世界上时间最长、最为丰富的历史地震及其震害的资料，也可以组织较充裕的人力资源进行震害调查和烈度评定，烈度评定结果在中国有最广泛的应用，在防震减灾事业和地震工程发展中发挥了重要作用。因此，破坏性地震现场宏观考察，编制烈度图依然是地震系统不可或缺的重要任务。况且，其它部门的地震现场工作往往也涉及烈度分析，这也促使我们需要尽快给出烈度图，避免阵地丢失的忧虑。为了保证快速，往往采用人海战术，而且是按照行政区域分别考察，就可能带来前后方脱节、评价标准不统一的后果。所以可以尝试对地震动、房屋破坏和地面破坏三者分别进行描述和研究，不必刻意追求“综合”，有利于还原事物的根本面貌。采用一个宏观、模糊的指标向政府、公众和媒体通报震情也是一种直截了当的方法。

近年来，烈度评定工作在世界范围内越来越少，美国、日本、印度、伊朗、土耳其、加拿大、意大利、新西兰等国在发生破坏性地震后，不再进行认真全面的宏观烈度评定，也不再注重烈度等震线图的编制。由烈度计自动得出“仪器烈度”，迅速对各城市做出烈度速报，是日本在地震发生后的正常做法，这和宏观烈度评定的结果无关。美国甚至在全球发生较大地震之后迅速给出ShakeMap，来估计一次地震的影响范围和强弱程度，也无需震害的宏观调查。ShakeMap根据每个台站实际记录到的地面运动数据做场地校正，在台站稀疏地区或者数据间隙（Data Gap）较大的区域根据震级、震中和经验衰减关系估计地面运动值，然后对这些数据做内插，绘制出等值分布图，数据缺乏的地区往往给出近似圆的图像。我国台湾地区密集布设了数字化强震台网，现在TREIRS（Taiwan Ripad Earthquake Information Release System）有间距75km 的75个遥测强震台站，TSMIP（Taiwan Strange Motion Instrumentation Program）有台站距离为5km 的650个现代数字加速度台站，能够利用这些实时台站记录插值生成震动图，在破坏性地震发生后快速提供地面运动峰值分布图和仪器烈度值图。在震后1 min之内，根据峰值加速度≥100cm／s2的台站的分布面积推测震级，分布区域的中心作为宏观震中，既迅速又便于应急救灾。

我国即将实施的《国家地震烈度速报及预警工程》项目，计划用5年时间建设覆盖全国的由5 000多个台站组成的国家地震烈度速报与预警系统，和国际先进水平接轨。大量布设强震仪（或简易强震仪），可以提供近震源的记录，根据强地震动参数（如加速度峰值、速度峰值等）确定地震动及其分布是科学的方法，也是国际通行的发展趋势。根据强震仪实测的地震动数据自动计算烈度，作为向政府、公众和媒体发布灾情、实施应急救灾的依据。仪器烈度从本质上反映了地震动强度，也与建筑震害相关，是容易被社会接受的一个指标，也比宏观烈度评定更迅速、更节省人力。地震后地面破坏与地震动强度或房屋破坏、经济损失可能并不完全相关，可以单独公布。也可以在地图上标注断层出露、滑坡、崩塌、泥石流、液化、震陷、堰塞湖和地裂缝等的位置或区域，向社会公众发布，提供给应急救灾、恢复重建和其他研究使用。另外，迅速积累描述强地面运动的特征，充分考虑一些对强地面运动有重要影响的参数，例如近断层地区的破裂方向性、盆地响应、地形地貌、速度结构等，不断改进地面运动经验模型，也能够在破坏性地震之后迅速给出理论烈度（强地面运动）的估计，以便约束烈度速报台网产出结果的可靠性。

国家强震动台网中心2014年开始尝试给出部分仪器烈度图，如鲁甸、景谷、康定主震和强余震，无疑是重大进步。逐渐发现一批地震峰值加速度最大值往往不在烈度图的极震区的例子，如2008年5月12日汶川地震的卧龙台（土层，PGA 955.7cm／s2）；2013年4月20日芦山地震宝兴地办台的PGA 达到－1 005.3cm／s2，是目前中国最大PGA 记录，在7度区而不是极震区；2013年7月22日岷县漳县地震岷县台最大PGA 为178cm／s2，在7 度区，也不是极震区。而小震级的地震也可出现高的地震动峰值加速度，如汶川3.7级余震PGA 达966.5cm／s2。由此看来，采用仪器记录估计震害程度也会面临更多的科学问题。

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