2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震隨機有限斷層三維地震動模擬

強生銀， 王宏偉， 溫瑞智， 李春果， 任葉飛

中國地震局工程力學研究所， 中國地震局地震工程與工程震動重點實驗室， 哈爾濱 150080

0 引言

據中國地震臺網測定，自2021年5月18日以來云南省大理白族自治州漾濞彝族自治縣連續發生多次MS3.0～4.9地震，并在5月21日21∶21∶25發生MS5.6地震后，緊接著于21∶48∶34在其西北約6.7 km處發生MS6.4地震，此次地震是漾濞地震序列的主震，震中位于北緯25.67°、東經99.87°，距離漾濞縣城約9.0 km，震源深度8 km，主震震中處于此次地震序列的最西北端.據Global CMT震源機制解可知(https:∥www.globalcmt.org/)，漾濞MS6.4地震為走滑型地震，矩震級MW=6.1.截至6月1日已發生MS≥3.0前震和余震共46次，其中MS5.0～5.9地震3次、MS4.0～4.9地震13次，最大震級余震為5月21日22∶31∶10發生的MS5.2地震，大約位于此次地震序列最東南端，距離主震震中約13.5 km.此次地震序列的震中呈北西-南東向分布(見圖1b)，傾向南西，破裂尺度約為20 km，集中分布在6～15 km深度內.漾濞地震序列是典型的前震-主震-余震型地震序列.

通過震后現場震害調查，參照地震構造背景、余震分布、震源機制解、儀器烈度，并結合強震動觀測數據，云南省地震局發布了云南漾濞MS6.4地震宏觀烈度圖(http:∥www.yndzj.gov.cn/yndzj/_300559/_300651/629959/index.html)，此次地震最高烈度為Ⅷ度，等震線長軸呈北西-南東走向.截至5月22日，地震共造成3人死亡，28人受傷，192間房屋倒塌，13090間房屋一般損壞(http:∥www.dali.gov.cn/dlrmzf/c105806/202105/8d6fcefcca214dd6b3933a49ef0eb9f0.shtml).

初步研究表明漾濞MS6.4地震發生于紅河斷裂北段的維西—喬后斷裂西側的一條北西-南東向右旋走滑次生斷裂(https:∥www.eq-igl.ac.cn/zhxw/info/2021/33882.html，見圖1a)，紅河斷裂是青藏高原東南部的川滇菱形塊體的西南側邊界.該區域是印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓的邊界地帶,川滇菱形塊體是青藏高原東南緣擠出最強烈的活動塊體,錯綜復雜的地質構造和強烈的斷裂帶活動使之成為我國地震活動最頻繁的地區之一(闞榮舉等,1977; 汪一鵬等, 2003; 皇甫崗等, 2007).1925年大理7.0級地震和1996年麗江7.0級地震是漾濞MS6.4地震震中附近發生的有記錄的最大震級歷史地震(見圖1a)，近年來震中附近中強地震活動十分強烈(例如：2013年洱源MS5.0地震、2016年云龍MS5.0地震、2017年漾濞MS5.1地震).

根據中國地震局工程力學研究所提供的強震動觀測數據，漾濞MS6.4地震共觸發28個自由場強震動觀測臺站，除053YPX臺站只獲取了兩個水平分量的記錄外，其余臺站均獲得了完整的三分量強震動加速度記錄.此次地震觸發臺站分布如圖1a所示，距震中100 km內僅觸發了5個臺站(053YBX、053DLY、053YPX、053BTH、053BCJ)，距離震中最近的053YBX臺站(震中距7.9 km)獲得了此次地震的最大峰值地面加速度(PGA)記錄，其東西(EW)、南北(NS)、豎向(UD)的PGA分別為379.9 cm·s-2、720.3 cm·s-2和448.4 cm·s-2(未處理原始記錄).本文依次采用基線校正、記錄波形首尾增加余弦窗并補零、巴特沃斯非因果帶通濾波處理強震動記錄，濾波帶寬為0.08～30 Hz，處理后記錄有效頻帶為0.1～24 Hz.

圖1 漾濞地震序列震中位置、漾濞MS6.4主震觸發強震動臺站分布(a)及其宏觀地震烈度(b)Fig.1 Epicenters of the Yangbi earthquake sequence, the triggered strong-motion observation stations during the MS6.4 mainshock (a), and the macroseismic intensity map (b)

漾濞MS6.4地震獲取了較多的強震動觀測記錄，但多數為遠場記錄，為預測此次地震的地震動及其可能破壞情況，本文采用隨機有限斷層三維模擬方法，并結合強震動觀測記錄，模擬了震中附近區域2823個虛擬觀測點的三分量地震動加速度時程，基于模擬記錄預測了此次地震的烈度分布.

1 隨機有限斷層三維地震動模擬方法

(1a)

(1b)

(1c)

2 漾濞MS6.4地震的地震動模擬

2.1 隨機有限斷層模擬輸入參數

根據Global CMT提供的震源機制解，漾濞MS6.4地震矩震級MW=6.1，走向角、傾角和滑動角分別為315°、86°和168°，根據地震破裂面幾何(沿走向的長度L和沿傾向的寬度W)與MW、破裂類型的經驗關系(Wells and Coppersmith, 1994)及地殼孕震層對破裂面寬度的限制(Pacheco et al., 1992; Shaw and Wesnousky, 2008)，估計漾濞MS6.4地震震源破裂面的長度L=16.5 km、寬度W=7.7 km，根據Somerville等(1999)建立的平均滑動位錯(D)與矩震級經驗關系，設定D=38.74 cm，將破裂面沿走向和沿傾向劃分為1.1 km×1.1 km共105個子斷層.根據主余震空間分布(見圖1b)，漾濞MS6.4地震近似為自西北向東南方向的單側破裂事件，起始破裂點位置沿走向坐標為1.0L，Mai等(2005)對不同破裂類型地震的起始破裂點位置的統計研究表明，走滑地震和地殼內傾滑地震的破裂面上起始破裂點沿傾向的位置近似服從Weibull分布，沿傾向為0.6W時發生破裂的概率最大，因此設定漾濞MS6.4地震起始破裂點在破裂面上沿走向和沿傾向的位置分別為16.5 km和4.62 km(見圖3)，破裂速度為0.8β(β為震源處介質剪切波速)，破裂面埋深3.39 km，地震未破裂至地表面.

破裂面上滑動分布和破裂過程對近斷層地震動具有顯著影響，目前尚沒有此次地震的震源破裂模型反演結果，本文采用了滑動位錯、滑動速度、破裂速度以及破裂時間函數等在破裂面上隨機分布的震源運動學破裂模型(Graves and Pitarka 2010, 2015, 2016).王宏偉等(2021b)、Wang和Wen(2019)已采用該方法建立了2020年伽師MS6.4地震和2014年魯甸MS6.6地震的震源運動學破裂隨機模型，并應用于地震動場的隨機有限斷層模擬.本文生成了100個漾濞MS6.4地震的震源破裂隨機模型.

根據Crust1.0全球地殼模型給出了研究區域地殼介質水平成層模型，其中震源處介質P波和S波波速分別為6.10 km·s-1和3.55 km·s-1，介質密度2.74 g·cm-3(https:∥igppweb.ucsd.edu/～gabi/crust1.html).本文采用Xu等(2010)基于我國川滇地區中小震強震記錄建立的四段線性幾何擴散模型(見表1)及S波品質因子(QS=180f0.5)表示區域地殼介質對地震波的衰減，其中P波品質因子(QP)根據王勤彩等(2005)給出的云南地區QS/QP=1.5確定，即QP=120f0.5.采用王宏偉等(2021a)基于四川地區地震動記錄建立的地震動路徑持時經驗模型表示漾濞MS6.4地震的地震動路徑持時.

場地放大效應可表示為地殼介質放大和淺層場地放大兩部分.地殼介質放大采用美國國家地震減災計劃(NEHRP)中B-C類場地分界對應場地條件的放大效應經驗模型(Atkinson and Boore, 2006)；淺層場地放大效應采用Seyhan和Stewart(2014)建立的VS30(地表以下30 m深度范圍內土層的等效剪切波速)、PGAr(VS30=760 m·s-1的參考基巖面的水平向峰值加速度中位值)相關的線性和非線性淺層場地效應經驗模型表示，本文中虛擬觀測點的VS30根據基于地形數據的全球VS30估計值確定(Heath et al., 2020，https:∥earthquake.usgs.gov/data/vs30/).與場地相關的地震動高頻衰減參數κ=0.025 s(Xu et al., 2010).

地震應力降表示地震前后破裂面上應力變化，該參數對高頻(高于拐角頻率)地震動具有控制性影響，但依靠目前技術條件尚無法直接測量，因此本文采用Yenier和Atkinson(2015)提出的方法對漾濞MS6.4地震的應力降進行估計.我國大陸地區中小地震的地震應力降主要分布在0.1～20.0 MPa(趙翠萍等，2011)，據此我們首先設定地震應力降為1～20 MPa范圍內固定間隔1 MPa的20個可能值，針對每次震源破裂隨機過程，利用隨機有限斷層方法模擬28個觸發觀測臺站的三分量地震動加速度時程，并計算模擬記錄0.05～10 s的5%阻尼比的擬加速度反應譜(PSA)，以100次隨機破裂過程的模擬記錄PSA的對數平均值表示模擬記錄的PSA，計算各臺站模擬記錄PSA殘差，即log10(PSAobs)-log10(PSAsim)，其中PSAobs和PSAsim分別表示觀測與模擬記錄的PSA，最后給出28個觸發臺站在0.05～10.0 s周期段模擬記錄PSA殘差均值及標準差.根據所有臺站模擬記錄PSA殘差的均值在0.05～10 s周期段的均值及標準差隨應力降的變化(見圖2a、b、c)估計地震應力降(Δσ)，本文以NS和UD分量模擬記錄PSA殘差標準差達到最小值時所對應的應力降和殘差均值分別作為地震應力降和譜形一致調整系數，即Δσ=16 MPa，EW、NS、UD分量的譜形一致調整系數分別為100.00003、100.0075、100.27277.

采用估計的地震應力降和譜形一致調整系數，針對每次震源破裂隨機過程，采用隨機有限斷層方法給出了近斷層053YBX臺站的三分量地震動加速度時程模擬結果，并給出模擬記錄PSA的殘差絕對值及其在0.05～10 s周期段的平均值(見圖2d)，其中第34次震源破裂隨機過程的殘差絕對值均值最小，因此近似以此震源破裂隨機過程作為漾濞MS6.4地震震源破裂過程(見圖3).

圖2 所有臺站模擬記錄PSA殘差的均值在0.05～10 s周期段的均值及標準差隨應力降的變化(a)、(b)、(c)分別為EW、NS和UD分量；(d)模擬記錄PSA的殘差絕對值在0.05～10 s周期段的均值隨隨機破裂過程的變化.Fig.2 Effect of stress drop on average and standard deviation over a period range from 0.05 to 10 s for PSA residual means for the simulated recordings at all stations(a), (b), and (c) for EW, NS, and UD components respectively. (d) Effect of stochastic rupture model on the mean of absolute residuals of PSAs of simulated recordings over a period range from 0.05 to 10 s.

圖3 漾濞MS6.4地震的震源破裂過程其中紅色五角星表示破裂起始點位置，黑色實線表示破裂傳播時間.Fig.3 Source rupture model of the Yangbi MS6.4 earthquakeBlack solid lines represent the rupture propagation time from the initial rupture point (highlighted by red star).

2.2 模擬結果

本文利用隨機有限斷層方法模擬了漾濞MS6.4地震中28個觸發強震動臺站及震中附近區域內(北緯23.67°—27.67°、東經97.87°—101.87°)2823個虛擬觀測點的三維地震動加速度時程，其中距離震中50、100和500 km范圍內網格精度分別為0.025°、0.05°和0.1°，模擬輸入參數詳見表1.

表1 漾濞MS6.4地震隨機有限斷層模擬輸入參數Table 1 Input parameters for the stochastic finite-fault simulation of the Yangbi MS6.4 earthquake

所有虛擬觀測點模擬記錄三分量的PGA和PGV如圖4所示，模擬與觀測記錄的地震動峰值(PGA、PGV)整體上均具有較好的一致性，模擬記錄可以很好的反映地震動峰值隨距離的衰減規律及其近場飽和效應.同時對比了俞言祥等(2013)為我國第五代區劃圖編制建立的青藏地震區基巖場地(VS30≥500 m·s-1)水平向地震動峰值預測方程給出的2823個虛擬觀測點的預測中位值.設定預測方程中長軸方向與破裂面走向一致，虛擬觀測點VS30主要在500～900 m·s-1范圍內，只有不超過5%的虛擬觀測點VS30小于500 m·s-1，因此虛擬觀測點可近似看作位于基巖場地.對比發現，模擬記錄峰值與預測中位值的大小、距離衰減特性均具有較好的一致性，盡管預測中位值在近場區域(震源距<10 km)整體上高于模擬值.

圖4 模擬與觀測記錄的PGA、PGV對比Fig.4 Comparisons between PGAs, and PGVs from the simulated and observed ground motions

為反映模擬記錄對不同周期地震動的預測水平，圖5給出了漾濞MS6.4地震中28個觸發強震動臺站的模擬記錄PSA的殘差，所有臺站模擬記錄PSA殘差主要在±0.5范圍內，所有臺站模擬記錄PSA殘差的均值在零附近波動，主要在±0.2的較小范圍內，且并未發現明顯的周期相關性，這表明模擬記錄在整個周期段(0.05～10 s)均能較好的預測地震動，模擬與觀測記錄PSA的幅值接近且譜形相似.

圖5 模擬和觀測記錄的PSA在0.05～10 s周期段的殘差Fig.5 Residuals of the PSAs at periods of 0.05～10 s between the simulated and observed ground motions

距離震中最近的三個觀測臺站(053YBX、053DLY、053YPX)的模擬記錄三分量加速度時程、速度時程和PSA如圖6所示.三個臺站模擬與觀測記錄的加速度和速度時程的波形、幅值以及PSA的幅值、譜形均具有較好的一致性.圖6同時給出了最接近大理州市區的虛擬觀測點(#2106，震源距約為35.5 km)的模擬記錄時程及PSA，其EW、NS和UD分量的PGA分別為122.9、146.7和73.6 cm·s-2，PGV分別為7.8、10.5和3.8 cm·s-1.

圖6 模擬記錄加速度時程、速度時程及PSAFig.6 Acceleration and velocity time histories and PSAs for the simulated ground motions

圖7對比了漾濞MS6.4地震破裂前方(SE)和破裂后方(NW)震源距相同的虛擬觀測點的模擬記錄，#2504和#2740震源距均為20 km，#1726和#2101震源距均為50 km，#2740和#2101位于破裂前方，而#2504和#1726則位于破裂后方，破裂前方臺站記錄的加速度和速度時程的幅值更大、持時更短，同時其PSA幅值更高，表現出明顯的破裂方向性效應，說明模擬記錄體現了震源破裂方向性對地震動的影響.

圖7 震源距相同的地震破裂前后方虛擬觀測點模擬記錄加速度時程、速度時程和PSAFig.7 Acceleration and velocity time histories, as well as PSAs simulated for both stations in each pair, which share the same hypocentral distances and are located in and opposite the direction of source rupture, respectively

根據《中國地震烈度表 GB/T 17742-2020》，利用虛擬觀測點的三分量模擬記錄得到了合成加速度和速度時程，給出了三分量合成PGA和PGV，最終計算了儀器測定地震烈度.基于虛擬觀測點模擬記錄的儀器測定地震烈度空間分布如圖8所示，基于模擬記錄的地震烈度空間分布的大致走向、范圍與云南省地震局正式發布結果(見圖8a)基本一致，斷層附近區域極震區的最大烈度可達到Ⅷ度，與宏觀烈度圖的最大烈度Ⅷ度相一致，其中漾濞縣城及鄰近鄉鎮位于Ⅷ度區，大理市區位于Ⅵ度區，均與正式發布結果相同.極震區近似為橢球狀，受震源破裂方向性影響，相同距離上震中SE方向的烈度普遍高于NW方向.此外，沿洱海西側的烈度普遍偏高(Ⅶ度)，出現高烈度異常區，該地區的VS30普遍較小，局部場地放大效應可能是高烈度異常的主要原因.

圖8 基于模擬記錄的漾濞MS6.4地震的地震烈度與(a)云南省地震局正式發布的地震烈度圖(藍實線)、(b)基于地震烈度臺站觀測記錄的地震烈度(藍實線)對比Fig.8 Seismic intensity of the Yangbi MS6.4 earthquake derived from the simulated ground motions comparison with (a) seismic intensity officially released by the Earthquake Administration of Yunnan Province (blue lines) and (b) seismic intensity based on recordings obtained by seismic intensity stations (blue lines)

自2018年以來，國家地震烈度速報與預警工程建設初見成效，此次漾濞MS6.4地震中震中距100 km以內共獲得地震烈度臺記錄86組，基于烈度臺觀測記錄的儀器測定地震烈度的等震線如圖8b所示，其等震線長軸近東西向，Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ度區范圍均偏小，與基于模擬記錄的儀器測定地震烈度和云南省地震局發布的地震烈度的結果有明顯差異，這可能與地震烈度臺站密度較小有關.

3 結論

本文利用漾濞MS6.4地震的震源破裂隨機過程在28個觸發強震動觀測臺站的隨機有限斷層三維地震動模擬記錄，結合強震動觀測記錄，估計了此次地震的地震應力降及震源破裂過程，給出了漾濞MS6.4地震在震中附近范圍2823個虛擬觀測點的模擬記錄三分量加速度時程，結果表明：

(1) 模擬記錄PGA、PGV與觀測記錄、地震動預測方程預測中位值均具有較好的一致性，反映了地震動峰值隨距離的衰減規律、近場飽和效應及破裂方向性效應；

(2) 模擬記錄與觀測記錄PSA的幅值接近、譜形相似，模擬記錄在0.05～10 s周期段均很好地預測了地震動；

(3) 基于三分量模擬記錄給出了此次地震的儀器測定地震烈度，與云南省地震局發布烈度圖的結果基本一致，極震區最大烈度可達到Ⅷ度，震源破裂方向性導致震中SE方向的烈度普遍高于NW方向，受局部場地條件影響沿洱海西側出現高烈度異常區.

致謝感謝中國地震局工程力學研究所為本研究提供的強震動觀測數據及地震烈度臺站的儀器烈度數據.感謝中國地震局地球物理研究所房立華研究員提供的漾濞地震序列震源精定位結果.感謝兩位匿名評審專家對本文修改和完善提出的寶貴意見.