汶川地震區地震動估計經驗模型

喻 畑

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

2008年5月12日，我國四川省汶川縣遭遇了MW7.9級大地震，強烈的地震動以及所帶來的地質災害，致使房屋、橋梁等結構物和構筑物倒塌不計其數，受災地區人民生命財產和經濟社會發展蒙受巨大損失。地質災害和結構破壞的主要誘因是汶川地震區的強地面運動(又稱強地震動)。地震動的研究是地震工程學中很重要的一部分。基于豐富的汶川地震動數據研究好汶川地震的地震動參數對我國的其他地震區、帶的地震動研究有很大的借鑒意義。

地震動是一個復雜的結合體，它是震源效應、地球介質衰減以及場地效應三者聯合作用的產物。地震動的長周期成分具有明顯的確定性，一般用表示定理給出。表示定理給出的地震動能較好地擬合地震動長周期波形。但是地球介質的復雜性導致根據物理模型求解的格林函數精度有限。同時，由于震源破裂過程的復雜性、地球介質的非均勻性、地形以及場地類別的多樣性導致地震動的高頻成分具有很強的隨機性。因此，地震動場的預測和估計更多地依靠經驗模型。

經驗模型主要分為兩種，衰減關系模型和隨機模型。對于強震動記錄豐富的地區，衰減關系模型比較可靠，如美國加州、日本及中國臺灣地區。我國強震動觀測工作起步較晚，大震級的強震動數據較少，制約了我國在衰減關系模型的研究，導致大部分衰減關系并非根據我國強震動記錄數據擬合而來，而為根據其他資料轉換得到。然而，地震動有很強的地域性，這種轉換方法的有效性需要未來大量地震數據的檢驗。對于強震動記錄較少的地區，隨機模型成為常用方法。國內應用隨機模型的研究大部分參考國外的震源參數、衰減函數以及場地放大系數進行計算。但是，震源參數受目標區域地質構造、地殼應力場分布、發震斷層類型等影響，衰減函數也受地殼厚度、地質構造等影響，由于地表土層參數對場地反應影響甚大，場地放大系數具有強烈的地域性特點。因此，采用其他地區的隨機模型來模擬我國地震動場的方法需要用我國未來的強震動數據復核以及改進相應的模型參數。

本論文分別從衰減關系和隨機模型兩方面擬合汶川地震強余震數據，建立了基于汶川地震強余震(MS3.8～6.3)的地震動經驗模型，并應用有限斷層隨機模型重演了汶川地震主震地震動場。

本文采用的衰減關系模型為NGA Campbell-Bozorgnia模型，它用Vs30參數衡量場地特征。而汶川地震震感強烈的四川、甘肅地區大部分臺站鉆孔數據小于20 m，為了獲得較為準確的Vs30，本文基于147個四川、甘肅地區強震動觀測臺的建臺報告，統計了我國西南地區淺硬土層場地的平均場地參數，得到了地區Vs30估計的經驗模型。該模型可以為我國西南地區強震動記錄數據結合國外的經驗模型提供場地分類依據。結合Vs30的估計結果，利用NGA Campbell-Bozorgnia模型擬合汶川地震的強余震記錄數據，得到了汶川地震強余震的地震動衰減關系。

基于汶川余震序列的震源集中、臺站數據密集等特點，分析了地震動衰減關系模型擬合的誤差，將誤差分解為震源誤差、路徑誤差、場地誤差及偶然誤差。分析結果表明：基于單一路徑的數據進行衰減關系研究，可以將誤差的方差減小50%。

根據13個汶川余震序列，反演了松潘-甘孜地塊和四川盆地的Q模型、13個余震序列的震源參數以及淺硬土層場地和深厚土層的平均放大系數和高頻衰減系數，構建了基于汶川地震強余震的點源隨機模型。通過點源隨機模型與衰減關系模型的對比，發現點源隨機模型能更好估計近場地震動。

論文最后應用有限斷層模型重現了汶川地震主震地震動場。結果表明，有限斷層模型能較好地模擬汶川地震主震近場地震動，可以為汶川地震中的結構破壞研究提供數據保障，也可用于預測將來該地區的大地震地震動場。