2023年土耳其7.8级地震灾害特征

张 升,李兆焱,3,张思宇,袁晓铭

(1. 中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 2. 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 3. 河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室,河北 三河 065201)

0 引言

北京时间2023年2月6日9时17分(当地时间2023年2月6日凌晨4时17分)土耳其发生7.8级地震,震中位于北纬37.17°,东经37.08°,震源深度20 km;同一天18时24分(当地时间13时24分)在土耳其又发生了第二次强烈地震,震级为7.5级,震中位于北纬38.11°,东经37.24°,距离7.8级地震震中约100 km,震源深度10 km。Global CMT提供的震源机制解表明地震属于中东及周边地区的地震构造,为走滑型地震(两个节面走向角/倾角/滑动角分别为54/70/11和320/80/160),地震构造区见图1[1]。

图1 中东及周边地区的地震构造汇总区Fig. 1 Seismotectonic convergence area in the Middle East and its surrounding areas

土耳其北部的右旋走滑的北安纳托利亚断层容纳了安纳托利亚地块和欧亚板块之间的大部分向西运动。1939-1999年间,一系列破坏性的7.0级以上走滑地震沿着北安纳托利亚断裂系统向西传播。这些地震中最西边的一次是1999年8月17日,马尔马拉海附近的伊兹米特7.6级地震,造成约17 000人死亡[2]。此次土耳其出现了极为罕见的“双震”,是土耳其100多年来死亡人数最多的地震[3-4],震害中出现了大量建筑物倒塌、生命线破坏以及场地破坏的现象,其中土壤液化导致的场地破坏使很多周边建筑物的地基失效并产生沉降、倾斜。本文搜集、整理和分析了此次7.8级地震的震害信息,给出了震害严重地区地震动的主要特征,具体分析了建筑物破坏、生命线破坏和场地破坏特征,讨论了美国地质调查局给出震害预测方法的不足。相比于同等级的2022年日本7.4级福岛地震,此次地震灾害极为严重[5],地震动强度高、场地效应影响大、房屋建筑质量存在缺陷[6-8]和抗震措施不完备是其重要原因。

1 地震动强度及烈度

此次地震震中位于北纬37.17°,东经37.08°,最大烈度为IX度,震中位置见图2(a)[9]。最大峰值加速度出现在4 614台站,震中距为34.93 km,EW分量最大且达到1966.99 gal。地震仪器烈度高烈度区域主要集中在近震中地区,这一地区也是此次地震震害集中的地区,见图2(b)[10]。

图2 土耳其7.8级地震震中和烈度分布图Fig. 2 Epicenter and intensity distribution map of Turkey M7.8 earthquake

2 震害分布和主要特征

7.0～8.0级地震属于大震的范畴,对比发生在人口稠密区域的7级左右地震:2013年同为7.0级的雅安地震造成193人死亡,导致房屋倒塌7.24万余栋[11];2021年海地7.3级地震,造成2200多人死亡,大量房屋倒塌,国家宣布一个月紧急状态[12];2022年日本福岛7.4级地震造成3人死亡,64栋房屋完全倒塌[5]。此次土耳其7.8级地震导致至少45089人死亡、114000人受伤,震害相较以往几次人口密集的大地震区域极为严重[13],Hatay省一条公路两侧建筑群地震前后对比图见图3[14]。

图3 Hatay省一条公路两侧建筑群地震前后对比图Fig. 3 Comparative map of buildings on both sides of a highway in Hatay province before and after earthquake

此次7.8级地震震后还发生了多次高强度余震,且在距第一次地震约9小时后又发生了一次高达7.5级的特大余震,是一次极为罕见的“双震”,对在第一次地震中未完全毁坏的建筑物等造成了二次伤害,这也是此次地震震害严重的原因之一,5.0级以上余震位置见图4[15]。

图4 5.0级以上余震位置图Fig. 4 Location map of aftershocks with M≥ 5.0

震中附近人口稠密也是此次大地震人员损失极大的一个原因。中国地震局工程力学研究所孙柏涛课题组给出了此次地震的人口分布图,见图5,震中附近大约分布着20个大中城市,人口超过2 000万人,可以看出两次大震震中附近的Osmaniye和Gaziantep等省均为人口密集的地区。

图5 土耳其7.8级地震震区人口分布图Fig. 5 Map of population distribution in the earthquake area of Turkey M7.8 earthquake

震害主要有以下几个方面构成:建筑物结构和非结构破坏,生命线破坏、场地破坏和地震引发的次生灾害等。

2.1 建筑物破坏

建筑物的破坏主要集中在近震中的高烈度地区,土耳其境内至少有6万余栋建筑物严重破坏倒塌,其中距震中最近的Hatay省、K.mara省和Gaziantep省破坏最为严重,具体破坏数目见表1[16];高达11.8万栋建筑物损毁严重,需要紧急拆除;另有大量轻微破坏的建筑物[17]。

表1 土耳其各省份建筑物破坏统计表Table 1 Statistical table of building damage in various provinces of Turkey

此次地震造成的建筑物破坏有如下特征:

1)结构破坏是此次地震建筑物破坏的主要形式,其主要破坏形式为房屋梁、柱和承重墙等的破坏,主要出现在砌体结构、RC结构以及古代建筑结构的建筑物,其中砌体结构建筑受损状态大多比RC建筑更为严重,如:处于Hatay省安塔基亚市的一个区域内出现大面积建筑倒塌,考虑是因为该区域建筑施工不符合现行的土耳其建筑规范要求,抗震设防等级不够[6-7,18],且场地破坏导致大面积建筑地基失效,见图6(a)[19];阿德亚曼省格尔巴舍城内一栋建筑物从底部倾覆,该建筑为土耳其2000年以前建造的钢筋混凝土建筑物,这种建筑物的典型缺陷是使用光滑的钢筋,钢筋细节构造不足,混凝土强度可能较低,因此考虑是由于基础接缝处的钢筋不符合要求,导致接缝处的加固不够,无法将地震中的侧向力传递到基础上而导致建筑从其基础上倾覆,整体倾倒情况及接缝处钢筋见图6(b)[16];土耳其境内千年古堡加济安泰普古堡受损最为严重,部分堡垒的墙壁及瞭望塔倒塌,其他部分严重受损,考虑是多次地震的累积损伤引起,见图6(c)[20],叙利亚境内的古建筑也接近损毁状态;有180 a历史的位于土耳其马拉蒂亚的“耶尼清真寺”,在该起地震中结构严重受损,清真寺的圆顶倒塌,见图6(d)[21],这是该寺庙自1843年建造以来第3次被地震摧毁。另外部分地区出现了因跨越断裂带而引起的建筑破坏现象,此类型破坏严重,但周边衰减比较快,考虑与场地有关系。

图6 地震作用下建筑物破坏Fig. 6 Damage to buildings under earthquake

2)在人员不密集且对屋内设施需求不高的建筑物内,非结构构件的破坏较建筑物结构性破坏带来的影响更小,表现为室内物品毁坏和建筑物外壁脱落等,如:黎巴嫩境内巴卜达县受地震影响一栋民居内部物品被震散落,见图7(a)[22];叙利亚境内Amah地区一栋房屋内墙皮开裂和脱落,见图7(b)[22]。

图7 非结构构件的破坏Fig. 7 Non-structural damage to buildings

2.2 生命线破坏

2.2.1 桥梁破坏

地震导致土耳其境内许多桥梁受损,灾区内有15座桥梁受地震影响无法通行,但大约50%的桥梁在地震发生后一天内修复。桥梁破坏的主要表现形式为桥台变形、支座失效及桥墩损坏,如:一处桥梁的桥台发生挤压破坏,导致一侧桥头变形,见图8(a)[23];一座桥梁的支座脱落和挡块破坏,见图8(b)[23];一座桥梁因支座失效导致桥的一侧断裂,路面隆起,见图8(c)[16];一处桥梁的桥墩混凝土脱落,轴向钢筋弯曲,见图8(d)[23]。

图8 地震作用下桥梁破坏Fig. 8 Bridge damage under earthquake

2.2.2 隧道震害

震后隧道大都表现良好,有一些轻微损坏,调查发现仅有GölbaOzan村附近的一条铁路隧道被地震严重破坏,见图9(a)[16],这条隧道建于20世纪40年代,是一条石质衬砌隧道,抗震等级不够且经历了往次地震的累计损伤,因此受损严重;施工中的铁路隧道震损轻微,见图9(b)[16]。

图9 隧道震害Fig. 9 Tunnel earthquake damage

2.2.3 公路破坏

公路破坏主要破坏形式为路面隆起、龟裂和扭曲,这是地震剪切和扭转作用下的一个突出的震害表现。土耳其Anadolu地区一条高速公路因地面变形导致路面出现巨大裂缝,严重损毁,见图10(a)[22];叙利亚境内一条公路同样因地面不均匀沉降而严重破坏,见图10(b)[22]。

图10 公路破坏Fig. 10 Highway damage

2.2.4 铁路破坏

土耳其中部地区共有1275 km的铁路线受到地震的严重影响,部分铁路破坏是因其它生命线破坏而导致的伴生破坏,主要表现形式为轨道扭曲和断裂。在此次地震的震中地区卡赫拉曼马拉什省,途经当地的部分铁路轨道在地震后发生严重弯曲和断裂,原本笔直的铁轨严重扭曲变形,见图11(a)[24];一处铁路因桥梁变形严重而导致轨道扭曲,见图11(b)[16]。

图11 铁路严重破坏Fig. 11 Serious damage to the railway

2.3 场地破坏

地震造成了大量的场地破坏,主要表现形式为土壤液化、山体滑坡和地面变形等,这些场地破坏也进一步对其周边建筑物和生命线带来了破坏。此次地震导致的建筑物破坏原因除施工质量问题和抗震构造不足外[7-8],还有场地效应问题,Hatay省安塔基亚市,和处于平原的城区相比,靠近山体的城区区内建筑物损失较小,且以奥隆特斯河为破坏分界线,分析发现场地效应对建筑物破坏的影响较大,红色点代表地震作用下严重破坏的建筑物,橙色点代表地震作用下中等破坏的建筑物,黄色点代表地震作用下轻微破坏的建筑物,见图12[25];位于Hatay省的克勒汗镇也呈现同样特征的破坏,见图13[25],带颜色点含义同图12。

图12 Hatay省安塔基亚市建筑物破坏示意图 图13 Hatay省克勒汗镇建筑物破坏示意图

2.3.1 土壤液化

地震导致的土壤液化现象较为广泛,主要表现形式为喷砂冒水,在建筑物地基附近也有大量液化现象,导致场地附近的建筑物带地基失效、房屋倾倒等破坏,如:Hatay省伊斯肯德伦港口附近几栋住宅地基因液化失效,见图14[16]。此外,生命线沿途的土壤液化对其带来程度不同的破坏,一架桥梁的桥台处发生液化,导致基础失效桥台倾倒,见图15[16]。

图14 建筑物地基附近的液化Fig. 14 Liquefaction of sand near building foundation

图15 地震土壤液化引起的地基破坏导致桥台旋转Fig. 15 Foundation damage caused by earthquake soil liquefaction leads to the rotation of abutment

2.3.2 山体滑坡

受地震影响,部分地区出现了山体滑坡或者边坡失效的现象,并对当地道路产生破坏。Kahramanmara市南部一条水渠旁边的道路产生滑坡和裂缝,导致混凝土挡土墙发生严重横向位移(向水渠推进),见图16(a)[16];一处山体因土体内部固结能力不足,地震时发生滑坡,落石掩埋了下方道路,见图16(b)[16]。

图16 滑坡震害现象Fig. 16 Landslide earthquake damage phenomenon

2.3.3 地面变形

地震还导致了多处地面变形,一处地面土体发生侧移和地震错动变形,见图17(a)[16];一处地面变形导致了沿途的铁路轨道发生扭曲破坏,见图17(b)[16]。

图17 地面变形Fig. 17 Ground deformation

2.4 次生灾害

地震引发了火灾和停电等一系列次生灾害,2023年2月6日伊斯肯德伦港的部分集装箱受地震影响发生倒塌,并在随后发生火灾,见图18(a)[26];土耳其哈塔伊省一个天然气运输管道受地震影响发生爆炸并引发火灾,见图18(b)[27];地震导致了为铁路线供应电力的10个变电站停止运作。

图18 次生灾害Fig. 18 Secondary disaster

3 目前震害预测方法

土耳其2023年2月6日发生的“双震”给土耳其造成约342亿美元的直接损失,相当于土耳其2021年国内生产总值(GDP)的4%;至少45 089人死亡和114 000人受伤。震后第一时间,土耳其当局和USGS分别给出基于不同模型的地震损失预测,均和实际损失差距较大;但经过地震数据的不断累积和收集资料,模型重新计算的预测结果趋于准确。

3.1 土耳其风险评估模型

土耳其根据欧洲地震风险模型ESRM20估计,住宅重置成本超过5千亿欧元,商业建筑重置成本约1600亿欧元,工业建筑重置成本约900亿欧元,预测相对偏高;倒塌房屋7万余栋,严重破坏3万余栋,中等破坏7万余栋,轻微破坏23万余栋,预测偏低;伤亡人口7千人左右,预测明显过低[28]。

3.2 美国地质调查局风险评估模型

美国地质调查局(USGS)第一时间预测此次地震造成的经济损失可能在10亿至100亿美元之间,达到土耳其国内生产总值的2%,预测偏于保守;此次地震造成100～1000人死亡的可能性最大,为45%,预测差距过大。

经过地震灾害数据累积,2023年2月19日重新预测的结果趋于真实损失值,预测经济损失最可能在100亿～1000亿,见图19(a)[29];预测死亡人数最可能在1万～10万人,见图19(b)[29]。

图19 美国地质调查局(USGS)给出的震害估计Fig. 19 Seismic loss estimation by USGS

4 结论

通过收集、对比和分析震后的实地勘察数据,大体得出以下结论:

1)此次地震导致了数量极大的建筑物的毁坏,其中有大量建筑物完全倒塌或严重破坏,结构性破坏为主要破坏形式。

2)生命线系统破坏中桥梁损坏较为轻微,主要破坏形式为桥台变形、支座失效及桥墩损坏等;公路没有严重的破坏,但在多个地区产生了严重的拥堵,基本破坏形式为路面隆起、龟裂和扭曲;铁路系统受到了严重破坏,大多是伴随桥梁和隧道破坏发生,主要破坏形式为轨道发生严重弯曲和断裂。

3)此次地震导致了大量场地破坏,主要表现形式为土壤液化、山体滑坡和地面变形等,其中土壤液化现象较为广泛,这些场地破坏也进一步对其周边建筑物和生命线带来了破坏。

4)美国地质调查局(USGS)第一时间的预测过低地估计了此次地震震害,不利于震害评估和灾害救援,但经过完善数据重新得到的预测结果接近真实损失。未来需要完善和发展更加合理的地震灾害预测方法。

致谢：中国地震局工程力学研究所地震应急队员收集了大量的震害资料并快速给出了仪器地震烈度分布图;王涛研究员和林旭川研究员对土耳其地震现场进行细致勘察,提供地震现场震害资料,在此表示衷心的感谢!