蘆山地震地震動上下盤效應研究1

喻 畑 趙亞敏 陸 鳴

（中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

蘆山地震地震動上下盤效應研究1

喻 畑 趙亞敏 陸 鳴

（中國地震局地殼應力研究所，北京 100085）

2013年4月20日的蘆山7.0級地震是繼2008年5月12日汶川8.0級特大地震之后，發生在龍門山斷裂帶上的又一次大震級逆沖型地震。與汶川地震相比，蘆山地震的發震斷層沒有地表出露，斷層的滑動角更大，其逆沖性質更強烈。本文挑選了蘆山地震中斷層距小于200km的45條強震動記錄，基于地震動衰減關系進行統計分析，對比了上盤和下盤臺站地震動參數相對于衰減關系的對數殘差。結果表明：蘆山地震的上下盤效應明顯，近斷層上盤地震動的高頻成分要高于同斷層距的下盤；上盤地震動衰減要明顯快于下盤。地震動衰減關系用簡單的一個距離參數很難描述近場斷層尺寸效應的影響，也很難模擬地震動上下盤效應。因此，在近場強地面運動模擬中，應多考慮有限斷層模型，以模擬斷層的尺寸效應。

蘆山地震 地震動 上下盤效應 衰減關系

引言

由于發震斷層的幾何特性，傾滑地震的近場地震動呈現上盤大于下盤的現象，這就是地震動的上下盤效應，其主要體現在地震動的高頻成分。地震工程學家普遍認為上下盤效應的根本原因是：在相同斷層距下，上盤的觀測點與斷層面整體更近。上下盤效應很早就被發現，但受強震動觀測發展的限制，一直沒有驗證。Abrahamson等（1996）基于1994年美國加利福尼亞州Northridge地震以及其與十多個逆沖的強震動記錄，驗證了地震動的上下盤效應。之后，俞言祥等（2001）基于1999年臺灣集集地震再次證實了上下盤效應。Chang等（2004）更是定量分析了集集地震的上下盤效應，給出了集集地震中上下盤效應對峰值加速度以及加速度反應譜的放大系數。王棟等（2008；2010）基于Northridge地震和集集地震的強震動數據，提出了均方根距離來研究上下盤效應，并應用到了汶川地震。

上下盤效應對近場地震動影響顯著。美國PEER（太平洋地震工程研究中心）的NGA（Next Generation of Attenuation）項目基于全球逆沖型地震的強震動數據，開發了包含有上下盤效應影響因子的地震動衰減關系模型（Abrahamson等，2008；Boore等，2008；Campbell等，2008；Chiou等，2008）。NGA模型認為，上下盤效應與發震斷層類型、斷層傾角以及發震斷層埋伏深度等因素有關。

我國目前常用的地震動衰減關系一般是橢圓模型，沒有考慮地震動的上下盤效應。然而，我國有許多地區易發生逆斷層型地震，如龍門山斷裂帶、天山、祁連山以及臺灣地區等；一些重要城市如成都、烏魯木齊、蘭州、西寧等則處于逆斷層型地震的威脅之下，在進行這些地區的地震危險性分析、設定地震研究和震害預測時，考慮地震動上下盤效應的影響是必要的（俞言祥等，2001）。

2013年4月20日的蘆山7.0級地震造成188人死亡、25人失蹤、1萬多人受傷，經濟損失數百億。在這次地震中，中國地震臺網中心獲得了較為豐富的強震記錄。蘆山地震相比于汶川地震滑動角大，其逆沖特征更加明顯。本文擬基于蘆山地震的強震動記錄和參考地震動衰減關系，進一步研究逆沖斷層型地震的上下盤效應，以期為我國大震的近場地震動預測提供科學依據

1 基礎資料

2013年4月20日蘆山地震（MW6.8，MS7.0，震中位于30.3°N、103.0°E，震源深度15km）是繼2008年汶川地震之后，龍門山斷裂帶發生的又一次大的逆沖斷層型地震。反演的震源機制解（張勇等，2013）和破裂過程結果（謝祖軍等，2013）顯示：發震斷層走向219°，傾角44°，滑動角91°，逆沖特征非常顯著；發震斷層長度約60km，破裂過程呈雙向破裂，以震中為中心，向東北和西南方向均破裂30km。地震發生后，中國地震局組織了科研考察隊對地表斷裂進行了詳細的野外調查，沒有發現大規模的斷層地表出露。參考我國第四代區劃圖所用地質圖件中的龍門山斷裂帶大川-雙石斷裂的具體位置（見圖1），并結合震源機制解和破裂過程反演結果，最終確定了發震斷層位置、尺寸、走向。

蘆山地震中，四川省的83個國家強震動臺記錄到了強震動記錄，其中45個臺站的斷層距小于200km。大部分數字強震動臺采用的是ETNA和SYSCOM型數字強震儀，滿刻度為2g，通頻帶范圍0—80Hz。圖1顯示了蘆山地震中觸發的強震臺。根據發震斷層模型以及龍門山斷裂帶的地理位置，45個斷層距小于200km的強震臺站被劃分成上盤臺站和下盤臺站兩類，見表1。從表1可以看出：上盤臺站有18個，斷層距最小16km，最大190km；下盤臺站有27個，斷層距最小8km，最大197km；絕大部分臺站為土層場地，有5個基巖臺站，上盤有3個，下盤有2個。

圖1 45個斷層距小于200km的強震臺站分布圖Fig. 1 Location of strong motion stations with distance to the fault less than 200km

表1 蘆山地震斷層距小于200km的強震臺站類別劃分Table 1 Site condition classification of 45 strong motion stations

2 蘆山地震地震動上下盤效應分析

本文采用斷層距小于200km的45個強震動臺站數據回歸地震動衰減關系式，對比上、下盤臺站強震動數據獲取的地震動參數相對于地震動衰減關系式的殘差，分析地震動上、下盤效應。本文采用的地震動參數為工程上常用的峰值加速度（PGA）、阻尼比為5%的加速度反應譜Sa（T=0.3s和T=1.0s）。為了消除強震儀安裝方向對地震動參數的影響，本文取強震動記錄的雙水平分量的一種與儀器安裝方向無關的幾何平均值GMROTI50，具體方法參考Boore等（2006）。

本文統計分析采用的衰減關系式為：

式中，Y為地震動參數，主要有水平向和豎直向的PGA和加速度反應譜Sa，其中水平向地震動參數采用GMROTI50值，單位為G；R為斷層距；C0，C1，C2為回歸系數，回歸結果如下：

水平向

計算地震動衰減關系式（3）—（8）與各臺站強震動數據獲取的地震動參數的對數殘差，即log10實際-log10預測，見圖2—圖7，圖中上盤臺站的斷層距>0，下盤臺站的斷層距<0。從圖2—圖7可以看出，對于地震動高頻成分（水平向和豎直向的PGA和周期值為0.3s的加速度反應譜Sa），斷層距40km范圍內上盤臺站的對數殘差全部大于0，顯示出明顯的上盤效應；而對于長周期成分（水平向和豎直向周期值為1.0s的加速度反應譜Sa），殘差結果沒有明顯的上盤效應；從200km斷層距范圍上看，上盤地震動衰減明顯快于下盤，這種趨勢在地震動高頻成分表現也尤為明顯。

圖2 斷層上盤和下盤的水平向峰值加速度PGA對數殘差對比Fig. 2 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on horizontal PGA

圖3 斷層上盤和下盤的水平向加速度反應譜Sa（T=0.3s）對數殘差對比Fig. 3 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on horizontal Spectral Acceleration at T=0.3s

圖4 斷層上盤和下盤的水平向加速度反應譜Sa（T=1.0s）對數殘差對比Fig. 4 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on horizontal Spectral Acceleration at T=1.0s

圖5 斷層上盤和下盤的豎直向峰值加速度PGA對數殘差對比Fig. 5 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on vertical PGA

圖6 斷層上盤和下盤的豎直向加速度反應譜Sa（T=0.3s）對數殘差對比Fig. 6 Comparison of Logarithmic residuals between sites at hanging-wall and foot wall on vertical Spectral Acceleration at T=0.3s

圖7 斷層上盤和下盤的豎直向加速度反應譜Sa（T=1.0s）對數殘差對比Fig. 7 Comparison of Logarithmic residuals betweensites at hanging-wall and foot wall on vertical Spectral Acceleration at T=1.0s

3 結論

蘆山地震強震動數據的統計分析結果表明，蘆山地震的地震動場有比較明顯的上下盤效應，這種效應主要體現在地震動高頻成分上；且上盤地震動衰減比下盤地震動衰減更快。蘆山地震屬于大震級的逆沖型地震，其發震斷層沒有出露地表，這會抑制高頻地震動的產生。即便如此，本文的研究結果再次證明了逆沖型大地震的近場上下盤效應。地震動衰減關系應用一個簡單的距離參數（震中距、斷層距、均方根距離）很難模擬斷層尺寸效應對近場地震動的疊加效應，大震的近場地震動衰減特征與中遠場有明顯的區別，因此，對于近場地震動參數的估計，尤其是高頻成分，應用地震動衰減關系時需要慎重。

參考文獻

王棟，謝禮立，胡進軍，2008．傾斜斷層不對稱分布引起的幾何效應——上下盤效應．地震學報，30（3）：271—278．

王棟，2010．近斷層地震動的上下盤效應研究［博士學位論文］．中國地震局工程力學研究所．

謝祖軍，金筆凱，鄭勇，葛粲，熊熊，熊誠，許厚澤，2013．近遠震波形反演2013年蘆山地震震源參數．中國科學：地球科學，43（6）：1010—1019．

俞言祥，高孟潭，2001．臺灣集集地震近場地震動的上盤效應．地震學報，23（6）：615—621．

張勇，許力生，陳運泰，2013．蘆山“4.20”地震破裂過程及其致災特征初步分析．地球物理學報，56（4）：1408—1411．

Abrahamson N.A．and Silva W.J.，2008．Summary of the Abrahamson and Silva NGA ground motion relations．Earthquake Spectrum，24：67—98．

Abrahamson N.A．and Somerville P.G.，1996．Effects of the hanging wall and footwall on ground motions recorded during the Northridge earthquake．Bull．Seism．Soc．Am.，86（1B）：93—99．

Boore D.M．and Atkinson G.M.，2008．Ground-motion prediction equation for the average horizontal component of PGA，PGV，and 5%-Damped PSA at spectral periods between 0.01s and 10s．Earthquake Spectrum，24：99—138．

Boore D.M.，Lamprey J.W．and Abrahamson N.A.，2006．Orientation-Independent measures of ground motion．Bull．Seism．Soc．Am.，96（4A）：1502—1511．

Campbell K．and Bozorgnia Y.，2008．NGA ground model for the geometric mean horizontal component of PGA，PGV，PGD and 5%-Damped linear elastic response spectra for periods ranging from 0.01 to 10s．Earthquake Spectrum，24：139—172．

Chang T.Y.，Cotton F.，Tsai Y.B．and Angelier J.，2004．Quantification of hanging-wall effect s on ground motion：some insights from the 1999 Chi-Chi earthquake．Bull．Seism．Soc．Am.，94（6）：2186—2197．

Chiou B．and Youngs R.B.，2008．An NGA model for the average horizontal component of Peak Ground motion and Response Spectra．Earthquake Spectrum，24：173—216．

Study of Hanging-wall Effect of Fault in Lushan Earthquake

Yu Tian, Zhao Yamin and Lu Ming

（Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China）

Lushan MS7.0 earthquake on 20th April, 2013 is another thrust fault generated earthquake occurred at Longmen Mountain Fault Zone after 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake. Compared with Wenchuan earthquake, the rupture of seismogenic fault of Lushan earthquake did not reach the ground, and had a greater rake angle. Based on ground motion attenuation model, this paper we chosen 45 strong motion records with rupture distance less than 200km, to analyze the logarithmic residuals of ground motion data at sites of the hanging wall and the foot wall. The results show that the attenuation model overall underestimate the ground motion at the hanging wall, especially for the high frequency component of ground motion; ground motion in the hanging wall attenuated with increasing rupture distance more quickly than that at the foot wall. A simple parameter, such as rupture distance, is not efficient enough to describe the influence of fault size to the near-fault ground motion attenuation. As a result, we should consider the finite fault model in the near field strong ground motion simulation.

Lushan earthquake; Ground motion; Hanging-wall effect; Ground motion attenuation relationship

喻畑，趙亞敏，陸鳴，2014．蘆山地震地震動上下盤效應研究．震災防御技術，9（3）：431—438．

10.11899/zzfy20140309

中國地震局地殼應力研究所基本科研業務專項“我國新一代地震動衰減關系研究（ZDJ2013-04）”和國家自然科學基金資助項目（51108428）聯合資助

2014-06-26

喻畑，男，生于1983年。博士，中國地震局地殼應力研究所助理研究員。主要從事強震觀測及工程地震研究。Email: yutian0721@yeah.net