2015年4月25日尼泊爾廓爾喀MS8.1級地震強地面運動1

王宏偉 徐培彬 溫瑞智 任葉飛

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2015年4月25日尼泊爾廓爾喀S8.1級地震強地面運動1

王宏偉 徐培彬 溫瑞智 任葉飛

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

2015年4月25日尼泊爾廓爾喀地區發生S8.1級地震，本文分析了加德滿都強震臺站的強地震動記錄特征，其水平向地震動表現為明顯的脈沖地震動，脈沖周期約為6.0s，反映了近場地震動的方向性效應；處于深厚沉積層上的加德滿都谷地對地震動有一定的放大作用，且主震的場地峰值頻率向低頻段偏移，出現明顯的場地非線性反應；采用隨機有限斷層方法模擬的空間地震動分布與宏觀地震烈度圖符合較好，可以為分析宏觀震害提供參考；通過與尼泊爾設計反應譜對比，得出在短周期與長周期段，加德滿都臺站的水平向地震動的反應譜遠高于設計反應譜，說明即使嚴格按照尼泊爾建筑抗震規范設計施工的建筑結構也難以抵御此次地震的破壞。

廓爾喀地震 強地震動 速度脈沖 非線性反應 設計反應譜

引言

2015年4月25日06:11:26（UTC），尼泊爾發生強烈地震，中國地震臺網測定的震中位于尼泊爾首都加德滿都西北約77km處的廓爾喀地區博克拉（28.2oN，84.7oE），震源深度20km，地震震級S8.1級。西藏自治區日喀則市的聶木拉縣、定日縣、吉隆縣由于距離震中較近，震感非常強烈；同時，印度、孟加拉國、巴基斯坦等國家均有震感。尼泊爾國家地震技術學會（NSET）發布的廓爾喀地震的修正麥卡利（MMI）地震烈度圖顯示，此次地震的最大烈度為IX度。截至2015年5月13日，地震共造成8151人死亡，17866人受傷，10790棟政府用房完全破壞，14997棟部分破壞；288798棟公眾用房完全破壞，254112棟部分破壞。另外，此次地震對尼泊爾中部地區也造成了極為嚴重的破壞，尤其是加德滿都谷地（http://www.nset.org.np/eq2015/index.php）。

為了更好地了解廓爾喀地震的特點，本文介紹了尼泊爾的地質構造及地震活動性，分析了典型強地震動的基本特征，采用隨機有限斷層法模擬了廓爾喀地震的地震動場（Motazedian等，2005）。同時結合尼泊爾建筑抗震設計規范，探討了加德滿都谷地的嚴重破壞與地震動及場地的關系。

1 地質構造與地震活動性

Gansser（1964）將喜馬拉雅造山帶劃分為4個縱向地層構造域，自北向南依次是特提斯喜馬拉雅（北帶）、高喜馬拉雅（中帶）、小喜馬拉雅（南帶）以及西瓦利克帶（南緣前陸）。其中，小喜馬拉雅構造域主要由遠古代至中生代的夾砂屑巖的低品位泥質巖構成；高喜馬拉雅則主要由中高品位變質巖構成；這兩個構造域又以主中央斷裂帶（MCT）為界。MCT是高喜馬拉雅最南部的一系列向北側逆沖的脆性剪切區。而由一系列逆沖斷裂組成的主邊界逆沖斷裂帶（MBT）則分割了小喜馬拉雅與西瓦利克帶（Monlar等，1982；Sankar等，2000；Imtiyaz等，2001）。尼泊爾主要位于高喜馬拉雅和小喜馬拉雅構造域，MCT和MBT貫穿尼泊爾全境（Hodges，2000）。在尼泊爾中東部和西部印度板塊分別以17.8mm/a和20.5mm/a的速度持續向亞歐板塊俯沖運動（Ader等，2012），板塊間的碰撞誘發了許多大地震的發生，這使尼泊爾成為世界上地震危險性最高的地區之一。圖1給出了1900年以來尼泊爾及周邊地區發生的震級不低于4.0級的地震分布。自1987年以來，幾乎每年至少有1次震級不低于5.0級的地震發生。在過去的100年里，距離廓爾喀地震震中250km范圍內曾發生過4次震級不小于6.0級的地震，其中包括1934年W8.0級尼泊爾-比哈爾地震（Nepal-Bihar）和1988年W6.9級Udayapur地震，這2次地震均對加德滿都谷地造成了嚴重破壞。

當1905年W7.9級坎格拉地震與1934年W8.0級尼泊爾-比哈爾地震發生后，在這2次地震的破裂面之間沿MCT和MBT仍有一段長達750km的未破裂的中央地震帶（CSG）；盡管在1803年和1833年在CSG曾發生過2次震級<8.0級的地震，但也不足以釋放積累的巨大應變能，所以CSG的地震矩虧損積累速度非常高（Singh等，2002；Khattri，1999；Ader等，2012）。由此處于CSG上的尼泊爾發生大地震的可能性非常高，Khattri（1999）曾預計未來100年內在CSG發生W8.5級地震的概率高達0.59。

2015年廓爾喀地震是尼泊爾-比哈爾地震以來尼泊爾遭受的最嚴重的地震，此次地震是CSG東段的一次應變能集中釋放。主震之后發生了大量余震，截至5月13日共發生震級不低于4.0級余震100余次，其中包括4月25日06:45:21（UTC）發生的B6.6級余震、4月26日07:09:10（UTC）發生的W6.7級余震、5月12日07:05:19（UTC）發生的W7.3級余震和5月12日07:36:54（UTC）發生的B6.3級余震，此次地震的主余震分布如圖2所示。從圖中可見，余震呈南東向帶狀分布，包括幾次強余震（>6.0）在內的多數余震集中分布于遠離主震震中的東南側，靠近主震破裂面的邊緣，可以推斷此次地震自初始破裂點向東南側破裂。結合余震分布及美國地質調查局（USGS）給出的主震的震源機制解，地震矩震級為W7.8級，震源深度10km，破裂面走向角295o/傾角11o/滑動角108o。可見此次地震是由印度板塊向亞歐板塊俯沖運動引起的典型的板間逆沖地震。

2 強地震動特征分析

2.1 速度脈沖識別

尼泊爾的地震觀測工作始于1976年，并與法國合作開始建立地震觀測實驗室。至2012年底，尼泊爾共建有21個測震臺，29個GPS觀測站以及7個強震臺，其中強震臺采用Geosig Ac23傳感器和GSR 24數字采集儀。截至5月13日強震動工程數據庫僅公布了加德滿都的強震臺站KATNP的主震記錄和部分余震記錄（http://www.strongmotioncenter.org/），主震記錄三個分量的加速度及速度時程如圖3所示。從直觀上判斷，記錄的兩個水平分量表現出近場脈沖地震動的特征，而記錄水平分量的峰值地面加速度（PGA）并不高，但速度時程卻富含了長周期成分，兩個水平分量均有明顯的雙向長周期大脈沖，東西（EW）和南北（NS）方向峰值地面速度（PGV）與PGA的比值較高，分別為0.69和0.5。為進一步分析，本文采用Shahi等（2014）提出的脈沖地震動判斷方法進行識別，利用小波變換方法提取速度時程中的長周期脈沖信號，如圖3所示。提取的EW和NS方向的速度脈沖信號的脈沖周期（p）分別為5.73s和6.55s，速度脈沖峰值分別為121.55cm·s-1和113.11cm·s-1，記錄兩個水平分量的脈沖指標均為1.0，因此可以判斷記錄水平分量為典型的脈沖地震動記錄。結合震源位置以及破裂過程，KATNP臺站恰好處于震源破裂傳播的前方且距離斷層面僅14.3km，可以認為速度脈沖是震源破裂傳播的方向性效應引起的（Somerville，2003）。

2.2 場地非線性

水平垂直譜比法（HVSR）最早由日本學者Nakamura（1989）提出，是一種基于同一地表觀測點的地脈動水平分量與豎向分量傅里葉幅值譜比估計場地特征的方法，也稱為Nakamura方法。Yamazaki等（2008）將這種方法擴展到利用強震加速度記錄來評估場地特征。KATNP臺站在主震之后的余震中捕獲到多條記錄，其中包括4月25日B6.6級和4月26日W6.9級2次強余震的記錄，本文基于水平垂直譜比法估計了臺站附近場地對地震動的放大效應（Wen等，2011）。由圖4可見，KATNP臺站附近場地對地震動有十分顯著的放大，筆者采用主震和余震記錄分別估計的場地特征有較大的差異，幾次較小震級（5.3—5.6）的余震估計的場地反應只有一個明顯的峰值，峰值頻率約為3.0Hz；2次強余震估計的場地反應存在2個明顯的峰值，相應的峰值頻率分別為3.0Hz和0.3Hz；而主震記錄估計的場地反應在0.5—2.0Hz有明顯的平臺段，整個平臺段的場地放大高于余震的估計值，與余震相比峰值頻率明顯向低頻段偏移，約為0.2Hz，可以推斷KATNP臺站附近場地在主震及2次強余震中可能都存在非線性反應，主震中峰值頻率附近特別高的場地放大效應可能也與脈沖地震動特性相關。

2.3 地震動場模擬

強震記錄可直觀地反映地面運動的強弱，有助于地震宏觀烈度的評定、震后損失評估及震后應急救援。尼泊爾境內強震臺站密度小，目前廓爾喀地震中僅有1個強震臺站的記錄可用，無法通過強震觀測直接給出此次地震的地震動場。為此，本文采用隨機有限斷層方法模擬了廓爾喀地震的加速度時程，在83°—89°E、25°—30°N范圍內以0.1°間隔均勻選取3111個網格點，破裂面滑動分布模型采用USGS提供的反演結果（http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/ eventpage/us20002926#scientific_finitefault），相應的震源、傳播路徑和場地參數見表1。模擬的廓爾喀地震PGA場如圖5所示，從圖中可見斷層面在地表的投影區域地震動強度較高，地震動最強烈的區域主要分布于震中東南側，模擬記錄的最大PGA=585.0cm·s-2，與斷層面上主要滑動區域在地表面上的投影十分一致，這也是此次地震中損失最為集中的區域；沿斷層走向震中東南側地震動強度明顯強于西北側，垂直于斷層走向上盤（東北側）地震動強度明顯高于下盤；模擬的地震動分布與中國地震局發布的宏觀地震烈度圖具有一定的相似性。由于場地資料的缺乏，所有的場地均被假設為堅硬巖石場地，沒有考慮地形及土層場地的放大效應；某些地區模擬的加速度時程可能偏小，比如處于深厚沉積層上的加德滿都谷地無法體現盆地效應。

表1 地震動模擬參數

續表

參 數 名 稱參 數 取 值 滑動分布USGS的反演結果 動拐角頻率脈沖比50%（Motazedian等，2005） 剪切波速（β）/km·s-13.6 密度（ρ）/g·cm-32.85 破裂傳播速度0.8β 幾何擴散R-1 品質因子159f1.16（Sharma等，2014） 路徑持時北美東部地區路徑持時（Atkinson等，1998） 場地放大堅硬巖石場地放大（Boore等，1997） κ /s0.03（Sharma等，2014）

3 地震動與震害討論

加德滿都谷地是尼泊爾人口最為密集、經濟最為發達的地區。其中，加德滿都、帕坦和帕克塔普爾均處于谷地內，西瓦普利山、布恰吉山、納迦郡山和錢德拉基里山環繞四周，巴格馬提河從谷地中穿過，加德滿都谷地位于河流湖泊沉積物厚達100m的古湖泊舊址上（Harutaka等，2006）。廓爾喀地震的極震區恰好處于加德滿都谷地，其中加德滿都、巴克塔普爾和帕坦三個位于加德滿都谷地的地區，有20%的建筑物被完全毀壞或部分破壞（http://drrportal.gov.np/）；大約90%的老建筑全部或部分被毀，包括老皇宮、比姆森塔等在內的12座世界文化遺產被部分或完全毀壞，如圖6所示。

位于加德滿都谷地的砌體結構、磚混結構以及高層建筑在此次地震中均破壞十分嚴重，部分典型受損建筑如圖7所示。由圖7可以看見，設置了圈梁、構造柱的砌體結構整體倒塌；磚混結構中間薄弱層的柱頂和柱腳被剪切破壞；高層建筑的窗下墻體有明顯的水平裂縫。1988年尼泊爾政府曾完成了加德滿都谷地的地震風險評估，報告指出如果1934年W8.0級地震重現，加德滿都的場地條件（松軟沉積土層）會顯著地放大地震動，加重震害，地震烈度最高能達到X度，并可能產生嚴重的液化，估計加德滿都60%的建筑物將遭受無法修復性的破壞，參照1934年地震的傷亡率，可能會造成22000人死亡和25000人受傷。可見廓爾喀地震造成的損失遠低于預測值。

1988年W6.9級Udayapur地震的巨大損失使尼泊爾認識到抗震設計的重要性，1994年尼泊爾頒布了建筑抗震設計規范，整套規范共有20部分冊。NBC000（1994）規定，尼泊爾建筑抗震設計規范中對所有的建筑結構并非采用統一的標準，可根據所處地區、使用者或所有者、建筑規模以及建筑材料的不同，將建筑結構劃分為四種抗震設計施工等級，即國際標準、專業標準、經驗推廣和偏遠農村初級指南。前兩個抗震設計等級等同于或高于尼泊爾建筑抗震設計標準，第三類則是適用于規模較小建筑的經驗推廣，第四類僅對偏遠農村建筑提供基本的抗震建議。由于按照不同的標準進行建筑設計施工，占比較高的第三、四類建筑的抗震能力較低，也是此次地震破壞嚴重的一個重要原因。

尼泊爾建筑抗震設計規范NBC105（1994）中采用底部剪力法或振型分解反應譜法進行建筑結構抗震設計，其中設計反應譜C(T)表示為：

式中，(T)、、和分別表示基本設計反應譜、地震區劃系數、結構重要性系數及結構體系系數。

尼泊爾場地類別劃分為三類，I類場地為巖石或硬土場地，II類場地為中軟土場地，III類場地為軟土場地，對應不同場地類別規范給出了不同的基本設計反應譜。根據各地區地震活動性的差異，尼泊爾全境的地震區劃系數在0.8—1.1之間。結構重要性系數和結構體系系數與具體的建筑結構相關，對于占多數的普通結構=1.0，結構體系系數則反映了對不同類型結構的延性需求。

本文比較了KATNP臺站的主震記錄兩個水平分量5%阻尼比的擬加速度反應譜與尼泊爾抗震設計規范給出的加德滿都谷地的設計反應譜，如圖8所示。圖中給出了最為保守的設計反應譜，加德滿都谷地位于沉積層上場地類別為III類，地震區劃系數=1.0，結構重要性系數=1.0，結構體系系數=4.0。NBC105（1994）設計反應譜給出的最大周期僅為3.0s，為了反映反應譜長周期部分與設計反應譜的關系，本文將NBC105（1994）設計反應譜的最大周期延長到10.0s。由圖8可見，KATNP臺站記錄水平分量的加速度反應譜在短周期（0—1.0s）與長周期（4.0—6.0s）均明顯高于設計反應譜，按照尼泊爾抗震規范設計的加德滿都谷地內的低層（短周期）與高層（長周期）建筑結構在此次地震中均易被破壞，這也是加德滿都谷地破壞嚴重的一個重要原因。

已有的許多研究均表明，脈沖地震動會顯著加劇建筑結構的破壞，尤其是對中、長周期的結構（Bertero，1978；Mavroeidis等，2004），加德滿都谷地的地震動為脈沖周期特別長的脈沖地震動。同時加德滿都谷地的地表土層對地震動的放大效應十分明顯，主震中出現顯著的非線性反應，峰值頻率向低頻段偏移，中、長特征周期的建筑結構更易被破壞。脈沖地震動特性及加德滿都谷地場地對地震動的顯著放大效應均加劇了加德滿都谷地的破壞。

4 結論

2015年4月25日尼泊爾廓爾喀地區發生S8.1級地震，包括尼泊爾首都加德滿都在內的尼泊爾中部地區遭受嚴重破壞，本文介紹了尼泊爾的地質構造及地震活動性，分析了此次地震的強地震動特性，主要從強地震動與尼泊爾建筑抗震設計規范兩個方面探討了加德滿都谷地破壞嚴重的原因，得到以下認識。

（1）廓爾喀地震中包括3次強余震（＞6.0）在內的多數余震集中發生于遠離震中的東南側，緊靠加德滿都谷地的東北側，推斷此次地震自初始破裂點向東南側傳播。加德滿都谷地的KATNP臺站在主震中捕獲的強震記錄兩個水平分量為顯著的脈沖地震動，脈沖周期約為6.0s，PGV與PGA的比值特別高。加德滿都谷地位于深厚沉積層的古湖泊上，場地對地震動的放大效應十分明顯，主震中場地出現明顯的非線性反應，峰值頻率向低頻段偏移。

（2）尼泊爾地區的強震動臺網密度較低，此次地震中難以獲得更多的強震動記錄，為此本文采用隨機有限斷層方法模擬了廓爾喀地震的加速度場，模擬結果與中國地震局發布的宏觀地震烈度圖比較吻合，同時也說明在地震發生后基于測震數據反演的震源的滑動分布模型可以快速地模擬空間地震動分布，服務于震后應急救援工作。

（3）尼泊爾的建筑抗震設計規范實施較晚，而且針對不同建筑結構采用了不同的抗震標準，這導致了大量規模較小的建筑結構及偏遠農村的建筑抗震能力低下，震害顯著。加德滿都谷地中記錄的加速度反應譜在短周期與長周期段均明顯高于較為保守的設計反應譜，嚴格按照建筑抗震規范設計施工的建筑結構也難以抵御此次地震的破壞。

Ader T., Avouac J.P., Zeng J.L. et al., 2012. Convergence rate across the Nepal Himalaya and interseismic coupling on the Main Himalayan Thrust: Implications for seismic hazard. Journal of Geophysical Research, 117: B04403.

Atkinson G.M. and Boore D.M., 1998. Evaluation of models for earthquake source spectra in eastern North America. Bulletin of the Seismological Society of America, 88 (4): 917—934.

Bertero V.V., Mahin S.A. and Herrera R.A., 1978. Seismic design implications of near-fault San Fernando earthquake records. Earthquake Engineering & Structure Dynamics, 6 (1): 31—42.

Boore D.M. and Joyner W.B., 1997. Site amplification for generic rock sites. Bulletin of the Seismological Society of America, 97 (2): 327—341.

Gansser A., 1964. The Geology of the Himalaya. Interscience Publishers, London.

Harutaka S., Hideo S., Wataru R., Rei F., Tatsuya H., Bishal N.U., 2006. Pleistocene rapid uplift of the Himalayan frontal ranges recorded in the Kathmandu and the Siwalik basins. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 241 (1): 16—27.

Hodges K.V., 2000. Tectonics of the Himalaya and southern Tibet from two perspectives. Geological Society of America Bulletin, 112 (3): 324—350.

Imtiyaz A.P., Alexander A.G., Giuliano F.P., Anatoly G.P., 2001. Preliminary determination of the interdependence among strong-motion amplitude, earthquake magnitude and hypocenter distance for the Himalayan region. Geophysical Journal International, 144: 577—596.

Khattri K.N., 1999. An evaluation of earthquakes hazard and risk in northern India. Himalayan Geology, 20: 1—46.

Kumar D., Ram V.S., Khattri K.N., 2006. A study of source parameters, site amplification functions and average effective shear wave quality factorsefffrom analysis of accelerograms of the 1999 Chamoli earthquake, Himilaya. Pure and Applied Geophysics, 163 (7): 1369—1398.

Mavroeidis G.P., Dong G., Papageorgious A.S., 2004. Near-fault ground motion, and the response of elastic and inelastic single-degree-of-freedom (SDOF) system. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 33: 1023—1049.

Molnar P. and Chen W.P., 1982. Seismicity and mountain building. See: Mountain Building Processes. K. Hsu (Editor), Academic, New York, 41—57.

Motazedian D. and Atkinson G.M., 2005. Stochastic finite-fault modeling based on a dynamic corner frequency. Bulletin of the Seismological Society of America, 95(3): 995—1010.

Nakamura Y., 1989. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface. Quarterly Report of the Railway Technical Research Institute, 30 (1): 25—33.

Sankar K.N., Probal S., Saradindu S., Amitabha C., 2000. Site response estimation using strong motion network: a step towards microzonation of the Sikkim Himalayas. Current Science, 79(9): 1316—1326.

Singh S.K., Mohanty W.K., Bansal B.K., Roonwal G.S., 2002. Ground motion in Delhi from future large/great earthquakes in the central seismic gap of the Himalayan arc. Bulletin of the Seismological Society of America, 92 (2): 555—569.

Shahi S.K. and Baker J.W., 2014. An effective algorithm to identify strong-velocity pulses in multicomponent ground motions. Bulletin of the Seismological Society of America, 104(5): 2456—2466.

Sharma M. and Wason H.R., 1994. Occurrence of low stress drop earthquakes in the Garhwal Himalaya region. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 85(3-4): 265—272.

Sharma J., Chopra S., Roy K.S., 2014. Estimation of source parameters, quality factor (Q), and site characteristics using accelerograms: Uttarakhand Himalaya region. Bulletin of the Seismological Society of America, 104 (1): 360—380.

Somerville P.G., 2003. Magnitude scaling of the near fault rupture directivity pulse. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 137: 201—212.

Wen Ruizhi, Ren Yefei and Shi Dacheng, 2011. Improved HVSR site classification method for free-field strong motion stations validated with Wenchuan aftershock recordings. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 10 (3): 325—337.

Yamazaki F. and Ansary M.A., 2008. Horizontal-to-vertical spectrum ratio of the earthquake ground motion for site characterization. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 26 (7): 671—689.

Strong Motions of GorkhaS8.1 Earthquake on April 25, 2015

Wang Hongwei，Xu Peibin，Wen Ruizhi and Ren Yefei

(Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China)

An earthquake ofS8.1 hit the Gorkha district, Nepal, on April 25, 2015. We analyzed the characteristics of the typical observed strong-ground motions. The horizontal components of the strong-ground motion at the KATNP strong-motion station had the significant pulse-like velocity with the period approximately 5.0s-6.0s, which could be attributed to the source rupture propagation directivity. The Kathmandu Valley, located in a basin of a river delta and lake sediment, could also amplified the ground motion. KATNP strong motions in the mainshock showed strong nonlinear site response. The simulated ground-motion field based on the stochastic finite-fault method was very consistent to the macro-seismic intensity maps released by China Earthquake Administration, which could serve the earthquake damage evaluation. The 5% damping-ratio spectral acceleration of the KATNP station exceeded the Nepal design spectrum in both short and long periods. It means that even buildings well designed and constructed strictly following the Nepal Nation Building Code could hardly resist this destructive earthquake.

The Gorkha earthquake; Strong motions; Pulse-like velocity; Nonlinear response; Design spectrum

地震行業專項（201508005）；黑龍江省科學基金項目（LC2015022）；國家科技與支撐計劃課題（2014BAK03B01）

2015-05-21

王宏偉，男，生于1990年。博士研究生。主要從事工程地震及強地震動特征研究。E-mail：whw1990413@163.com

溫瑞智，男，生于1968年。研究員。主要從事工程地震、強震觀測及地震動特征、場地地震反應等的研究。 E-mail：ruizhi@iem.ac.cn