青海玛多7.4级地震烈度快速评估

张 灿,陈文凯,司宏俊,赵怀群

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.西华大学,四川 成都 610039)

0 引言

地震烈度是综合度量地震灾害破坏程度的重要参数。破坏性地震发生后,对地震的影响范围和破坏程度快速、准确的判定是各级政府和应急管理部门开展应急指挥调度和应急救援工作的重要依据。地震烈度分布的快速获取方式主要有以下三种[1]:(1)在地震台网密集的区域,依据实时的地震动数据快速获得仪器烈度分布图;(2)在地震台网稀疏的区域,结合地震动衰减关系等方式通过空间插值得到仪器烈度分布图;(3)根据历史地震统计分析得到区域烈度衰减关系,或通过震源反演结果合成地震动参数等实时地震学方法得到烈度分布。目前,我国应用范围最广的烈度衰减关系为椭圆衰减模型,其计算出的等震线一般呈椭圆形或近椭圆形,大量的研究者依据此模型建立了适用于不同地区的烈度衰减模型[2-10]。除此之外,建立地震动参数(峰值加速度PGA、峰值速度PGV等)与地震烈度之间的定量关系也是获得烈度分布的重要方法之一。前人研究结果表明,PGA和PGV是与地震烈度相关性最高的峰值参数[11]。美国的Modified Mercalli烈度表[12]、欧洲的EMS-98烈度表[13]以及中国地震烈度表(GB/T 17742-2020)[14]等都给出了不同烈度所对应PGA和PGV的取值范围。

北京时间2021年5月22日2时4分,在青海果洛州玛多县(34.59°N,98.34°E)发生MS7.4(矩震级为MW7.3)地震,震源深度17 km。中国地震观测台网分布较稀疏,尤其是我国西北地区,比如距离本次地震震中最近的强震动台站(大武台,DAW)为175.6 km,无法满足地震烈度快速评估的需求。因此,基于地震烈度衰减模型进行烈度快速评估具有重要的现实意义。本文采用青海地区地震烈度衰减模型[2]和基于断层最短距离的地震动参数衰减模型[15]对此次地震烈度的分布进行快速评估(模型软件实现后,可在地震正式速报后1分钟产出结果)。研究结果表明,基于区域地震烈度衰减关系的地震烈度快速评估能够在实际地震灾情评估、烈度绘制中发挥一定程度的参考作用;基于断层最短距离的地震动参数衰减模型在准确确定发震断层长度的前提下,较业务系统中常用的区域烈度衰减关系(历史地震统计分析得到)结果更为精细,能够为实际地震应急指挥和应急救援提供较为可靠的数据支撑。

1 灾区概况

青海玛多7.4级地震的震中位于青海省玛多县(图1)。玛多县位于果洛藏族自治州西北部(96°50′～99°20′E,33°50′～35°40′N),属于高海拔地区,下辖2乡2镇,30个行政村,常驻人口1.44万,总面积约为2.53万km2,人口密度约为0.5人/km2。本次地震震级高、伤亡人数少,震区人口密度低是主要因素。灾区地形起伏较小,山间有平坦地、沙漠地等土地类型,平均海拔约为4 500 m。区域内地质条件复杂,地貌轮廓明显地受构造控制,生态环境恶劣。灾区内分布有玛多—甘德断裂、东昆仑断裂、江措断裂、甘德南缘断裂、达日断裂等多条大规模的断裂带,地震活动性较强[16]。

2 研究方法

2.1 青海省地震烈度衰减模型

地震烈度衰减关系受震源特性、场地条件和传播介质等因素的影响,存在地区性差异。任静等[2]选取椭圆烈度模型,通过对青海省内33个地震的回归分析得出了适合青海地区的地震烈度衰减模型(本文简称任静模型)。该模型已经在甘肃省地震灾害快速评估原型系统中得以应用[17],可以在地震正式速报1分钟内自动计算地震烈度。其公式为:

沿长轴方向

Ia=1.911 8+1.509 1M-1.193 6ln (Ra+14.895 2)

(1)

沿短轴方向

Ib=1.576 0+1.362 1M-1.116 9ln (Rb+5.713 9)

(2)

式中:M为地震的里氏震级;Ra和Rb分别为烈度为Ia和Ib的椭圆等震线的长、短半轴长度。

2.2 地震动参数衰减模型

2.2.1 基于断层最短距离的地震动参数衰减模型

司宏俊等[15]基于包括多个近距离强震记录的地震动态数据库,考虑了地震规模、断层类型、场地效应等对地震强度衰减特性的影响,提出了一种基于断层最短距离的地震动参数衰减模型(本文简称Si模型),并在汶川地震中取得了较好的应用效果[18]。该方法基于地表破裂的长度、方向等因素,以震中位置为中心,生成一定范围(本文生成的格网范围为400 km×400 km)的公里格网,通过寻找每个格网中心与其三维距离最近的地表破裂点,计算每个公里格网的地震动参数。其公式为:

lgPGA=0.50MW+0.004 3D-lg(R+0.005 5×

100.5MW)-0.003R+0.61

(3)

lgPGV=0.58MW+0.003 8D-lg(R+0.002 8×

100.5MW)-0.002R-1.29

(4)

lg(AMP)=1.83-0.66lg(vS30)

(5)

PGV-vS30=AMP·PGV

(6)

式中:PGA为地震的峰值加速度,单位为m/s2;PGV为地震的峰值速度,单位为m/s;PGV-vS30为考虑了场地效应的峰值速度,单位为m/s;MW为地震的矩震级;D为震源深度,单位为km;R为最短断层距,单位为km;AMP为考虑场地效应的放大系数;vS30为地表以下30 m深度范围内的等效剪切波速。

2.2.2 地表破裂长度与震级的经验关系

在基于断层最短距离的地震动参数衰减模型的计算中,每个公里格网的地震动参数都需要依靠距离地表破裂的最短三维距离来计算。因此,震后地表破裂长度计算的准确性是运用地震动衰减模型计算PGA、PGV分布准确性的前提。Wells等[19]基于全球范围内历史地震的震源参数,针对不同类型的断层,分别总结了地震破裂参数与震级之间的经验关系,并取得了广泛的应用。玛多地震发震断层为昆仑山口-江措断裂(走滑型断裂),因此,本文选择走滑型断裂的经验公式。其公式为:

M=5.16+1.12lgL

(7)

冉洪流[20]基于中国西部地区30个地震的震源参数,总结了适用于中国西部地区的地震破裂参数与震级之间的经验关系,其公式为:

M=5.303+1.18lgL

(8)

式(7)和(8)中:M为地震的里氏震级;L为地表破裂长度,单位为km。

3 结果分析

3.1 不同地震烈度衰减模型的对比分析

本文分别采用任静模型和Si模型对青海玛多7.4级地震进行地震烈度分布的快速评估,将计算结果(图2)与实际烈度进行对比分析。图2(a)为任静模型的地震烈度分布;图2(b)～(d)分别为根据现场调查的地表破裂进行计算,基于PGA、PGV、PGV-vS30分类(表1)的Si模型的地震烈度分布[后文及图中分别简称Si模型-PGA、Si模型-PGV和Si模型-(PGV-vS30)]。四个烈度结果的走向都与实际烈度相同,均呈NWW走向。

图2 青海玛多7.4级地震地震烈度分布评估图(底图引自全国地理信息资源目录服务系统 网址www.webmap.cn)Fig.2 Seismic intensity distribution evaluation map of Maduo M7.4 earthquake in Qinghai Province

表1 地震烈度对照表(《中国地震烈度表: GB/T 17742—2020》)Table 1 Comparison table of seismic intensity

一般认为,地震烈度Ⅷ度及以上区域为重灾区(灾害破坏严重区域)。重灾区是震后应急救援重点区域,因此准确评估重灾区尤为重要。任静模型计算此次地震的最高烈度为Ⅸ度,覆盖了实际烈度的Ⅹ度区和部分Ⅸ度区;计算的Ⅷ度区与实际的Ⅷ度区吻合,但在实际调查中位于Ⅸ度区的部分区域处于计算烈度的Ⅶ度区、Ⅷ度区交界处。Si模型-PGA和Si模型-PGV的最高烈度均为Ⅸ度,基本覆盖了实际烈度的Ⅷ度区、Ⅸ度区和Ⅹ度区。Si模型-(PGV-vS30)的最高烈度为Ⅹ度,与实际调查烈度的最高烈度一致,Ⅹ度区的范围也大致吻合,覆盖了宏观震中附近的区域。Si模型-(PGV-vS30)的Ⅸ度以上区域也基本覆盖了实际调查烈度的Ⅷ度区、Ⅸ度区和Ⅹ度区。

我们将两种评估模型计算结果中重灾区所涉及的乡镇与现场调查重灾区所涉及的乡镇进行对比分析,结果如表2所列。从各烈度区涉及的乡镇看,任静模型计算的Ⅷ度区涉及的乡镇与现场调查结果较为吻合,但在Ⅸ度区和Ⅹ度区存在一定的偏差。如在现场调查中位于Ⅸ度区的大武镇、优云乡、大武乡,在任静模型的计算结果中则位于Ⅷ度区和Ⅶ度区中;现场调查中位于Ⅹ度区的玛查理镇在计算结果中位于Ⅸ度区,在提供震后救援决策建议时,可能会导致救援不利,致使破坏严重的乡镇中的人员得不到及时的救助。Si模型-PGA和Si模型-PGV的结果也存在玛查里镇的评估烈度较实际情况低1度的现象;Si模型-(PGV-vS30)的最高烈度(Ⅹ度)及其范围与现场调查结果一致,较Si模型-PGA和Si模型-PGV的结果更符合实际情况。但Si模型普遍存在结果值偏大的情况,可能会高估高烈度区域的危险性。

表2 评估结果与实际对比(重灾区)Table 2 Comparison of assessment results and actual situation (Severe disaster area)

3.2 两种地表破裂长度与震级关系对比分析

在3.1节中,Si模型的结果是基于现场调查的地表破裂计算的,但实际地震应急响应时地震烈度分布的快速评估具有很强的时效性(地震后0.5 h),通常采用地表破裂长度经验公式估计地表破裂长度。不同的经验公式具有很大的差异性,因此选择合适的破裂长度经验公式才能获得较为准确可靠的烈度评估结果。以青海玛多7.4级地震为例,分别采用Wells关系式和冉洪流关系式计算此次地震的地表破裂长度(表3)。基于两种地表破裂长度的经验公式,采用Si模型分别计算地震烈度分布(图3),将Ⅵ度区及以上长轴长度与现场调查的结果进行对比(表4)。

表3 计算破裂长度Table 3 Calculation of fracture length

图3 不同破裂长度关系式的烈度结果(底图引自全国地理信息资源目录服务系统 网址www.webmap.cn)Fig.3 Intensity results of different rupture length relations

通过表3可以发现,两种破裂长度经验公式差异较大。Wells关系式在青海玛多地震中具有较好的适用性,与现场调查结果基本一致。冉洪流关系式的结果与现场调查结果有较大的差异。但通过图3和表4可以发现,Si模型依据Wells关系式计算出的长轴长度与实际长轴长度的相差更大,这可能与Si模型在西部地区的适用性有关,下一步要针对该模型在西部地区的应用来修改模型参数。

表4 计算烈度长轴长度与实际长度对比Table 4 Comparison between calculated and actual long-axis lengths

4 结论与讨论

本文分别利用青海地震烈度衰减模型和基于断层最短距离的地震动参数衰减模型,对青海玛多7.4级地震进行了地震烈度分布的快速评估,将计算结果与实际地震烈度图进行了对比分析,得到以下几点认识:

(1)利用本文中的两种模型可以在地震正式速报后1分钟内得到地震烈度分布的快速评估结果,时效性强,可以在最短的时间内为应急指挥和救援工作提供参考;

(2)基于历史地震统计分析的青海地震烈度衰减模型计算结果比较理想化,在大致范围内有一定的参考性,但在重灾区范围内与实际结果有较大偏差,而且随着震级越大这种误差也会越大,汶川地震就是一个典型的案例;

(3)基于断层最短距离的地震动参数衰减模型基于地表破裂长度进行计算,考虑了发震断层性质、断层长度、场地效应等多种因素,计算结果较青海地震烈度衰减模型更为精细,对高烈度的评估结果较好;相较于PGA和PGV两种峰值参数,PGV-vS30可以更真实地描述地震烈度空间分布特征;

(4)相较于冉洪流等研究的地表破裂与震级的经验关系,Wells等研究的经验关系在本次地震中的适用性更好。

在下一步的研究中,仍有以下问题需要进行探讨:

(1)基于椭圆衰减模型的地震烈度衰减模型和地震动参数地震烈度衰减模型都依赖于发震断层,因此,在实际应用这两种模型时需谨慎选取发震断层性质及方向。实时地震学中震源反演结果能够较好地解决此类问题,将震源反演结果应用于地震烈度分布的快速评估将是未来的发展趋势[17,21]。目前可根据震后余震精定位、震源反演结果对烈度衰减模型进行修正,提高评估结果准确性和精度。

(2)基于断层最短距离的地震动参数衰减模型的烈度值相较于实际烈度整体偏大,其原因可能为该模型是根据日本地区的地震研究得到,在日本地区的适用性较好。尽管在汶川地震的应用中取得了较好的效果,但在中国西部地区的应用中,模型参数仍然有待改进。

(3)本文在计算PGV-vS30时使用的vS30数据来自于美国USGS,该数据在中国区域可能存在一定的偏差。下一步需要研究中国地区的vS30数据,从而提高该模型地震烈度分布的快速评估精度。