2019, Vol. 39
2. 中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号，100081;
3. 中国地震局地震研究所，武汉市洪山侧路40号，430071;
4. 中国地震应急搜救中心，北京市玉泉西街1号，100049
2013-04-20 08:02四川芦山发生M7.0地震(30.3°N，103.0°E)，造成188人死亡、25人失踪、1万多人受伤，经济损失达数百亿元，近场震害尤为严重[1]。然而，芦山地震近场范围内仅有宝兴和名山两个强震观测台站[2]，强震观测资料的有限性导致难以有效刻画近场强地面运动特征。
面对以上困难，喻畑等[3]基于地震动衰减关系对芦山地震震中断层距小于200 km的45条强地震动记录进行分析，尝试建立近场地震动预测方程，但是发现衰减关系中的断层距参数难以描述震源断层尺寸效应。孟令媛等[4]则根据芦山地震快速反演结果及断层面滑动位移分布，使用有限断层法进行强地面运动模拟，给出地震烈度快速估计结果。然而近场强地面运动由于靠近震源，更容易受到震源参数的影响，但是当前尚未看到震源参数对芦山地震近场强地面运动特征影响的相关研究。
因此，本文尝试以2013年芦山M7.0地震区域综合地球物理资料为基础，建立其发震断层的二维有限元模型，开展近场强地面运动数值模拟。在利用芦山强震观测资料和NGA-WEST2强震数据库[5]开展信度检验的基础之上，探讨发震断层震源参数中粘聚力和应力降对芦山地震事件中近场范围内地表水平向基岩地震动参数的幅值、频谱特性的影响作用及其成因机制。
1 方法与模型 1.1 发震断层接触模型发震断层连续破裂过程的运动学方程描述了破裂行为的不连续性，本文将其作为非线性问题进行处理[6]，分别使用平面应变单元和接触单元模拟孕震区域基岩和发震断层。本文将接触单元配置到发震断层两盘的不连续面上，通过接触单元在断层两盘的法向和切向上进行非线性特征的传递[7](图 1)。
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图 1 接触单元示意图 Fig. 1 The sketch diagram of contact element |
当剪切方向上的弹簧无法抵抗屈服应力时将会出现剪应力失效，而正应力方向上的弹簧则通过传递张压力作用来表达分离与接触行为(图 2)[6]。在发震断层的初始破裂位置施加一个应力降之后，则该处单元将会率先出现剪应力失效，并将释放的构造能量传递到邻近单元，通过连续积分方法计算运动方程的时域解，实现地震事件的连续破裂过程模拟[6]。
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图 2 接触单元本构关系 Fig. 2 Constitutive relation of the contact element |
强地面运动的二维有限元模拟过程中，模型截断将会导致地震波在边界处发生反射。本文采用刘晶波[8]提出的等效一致粘弹性人工边界来表达能量传递。
1.3 芦山地震有限元模型图 3给出了芦山地震区域的综合构造信息。考虑到芦山地震事件的发震断层为一条北东-南西向的盲逆断层，为便于信度检验，本文选择位于强震观测台站宝兴台(51BXD)和名山台(51YAM)附近且垂直于发震断层走向B-B′的二维竖向剖面A-A′构建芦山地震发震断层的二维有限元模型。
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图 3 芦山地震近场构造综合信息 Fig. 3 The comprehensive information of the near field area of the Lushan earthquake |
块体介质物理力学参数方面，根据王夫运等[9]给出的芦山地震近场区域深地震反射剖面中的断裂带展布信息，开展A-A′剖面几何模型构建，长度约60 km，深度约为20 km。使用郑勇及李志伟等[10-11]给出的芦山地震区域P波、S波速度结构进行力学参数设置(图 4)。根据陈颙和黄庭芳[12]给出的岩石物理学实验相关数据，将模型岩石介质密度取作2 800 kg/m3。
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图 4 芦山地震近场区A-A′剖面二维几何模型及P波、S波速度结构 Fig. 4 The deep reflection profile, P wave and S wave tomography results of the near field of the Lushan M7.0 earthquake |
在芦山地震发震断层的接触单元力学参数根据Toki和雷显权等[6, 13]的结果，将摩擦系数取作0.7，法向接触刚度取为7.5 GPa，切向接触刚度取为3.5 GPa。考虑到有限元数值模拟结果信度检验的需要，根据孟令媛等[4]给出的芦山地震实际破裂过程中的应力降参数，将本文有限元模型断层破裂初发时的应力降参数取作2.5 mPa。同时参考Toki等[6]给出的M7.0地震事件的断层粘聚力参数经验值，将粘聚力参数取作4.0 mPa。
同时，考虑到粘聚力和应力降作为本文发震断层构建过程中最重要的两个震源参数，可能会对近场强地面运动产生较为显著的影响，将应力降参数扩展为1.5 mPa、2.5 mPa和3.5 mP a，并将粘聚力参数扩展为2.0 mP a、4.0 mP a和6.0 mP a，尝试研究其对强地面运动模拟结果的影响作用。
2 讨论与分析 2.1 信度检验表 1给出了二维有限元模型剖面附近宝兴和名山两个强震观测台站信息，可以看出，宝兴台站场址处30 m以内覆盖层剪切波速约为585 m/s，名山台约为600 m/s，故无需考虑覆盖层的场地效应。与此同时，由于本文二维有限元模型设计为垂直于发震断层走向，故只能计算得到水平面内垂直于断层走向的地震动分量FN以及竖向地震动分量UD。故为表达方便，后续行文中提到的水平地震动均指水平面内垂直于断层走向的基岩地震动分量FN。
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表 1 芦山地震强震观测台站信息 Tab. 1 Information of Lushan strong earthquake observation station |
图 5给出了宝兴和名山台站处水平地震动和竖向地震动观测值，图 6则给出了与之相对应的二维有限元模拟值。可以直观地发现，名山台观测结果与模拟结果在幅值方面的一致性相对较好，但是宝兴台差异性较大。
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图 5 芦山地震中宝兴台(51BXD)及名山台(51YAM) FN和UD方向地震动加速度观测波形 Fig. 5 The observation results of ground motion acceleration waveforms at Baoxing (51BXD) station and Mingshan (51YAM) station in Lushan earthquake |
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图 6 芦山地震中宝兴台(51BXD)及名山台(51YAM)地震动加速度时程模拟结果 Fig. 6 The simulation results of ground motion acceleration waveforms at Baoxing (51BXD) station and Mingshan (51YAM) station in Lushan earthquake |
进一步引入NGA-West2强震数据库[5]及其Campbell-Bozorgnia地震动预测方程[14]，以宝兴台和名山台站为例，通过限定表 2中的地震场景和场地条件参数，获得与2013年芦山M7.0地震场景匹配的水平地震动加速度反应谱簇。
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表 2 NGA-West2设定地震场景参数 Tab. 2 The parameters of the NGA-West2 scenario earthquake |
图 7和图 8给出了5%阻尼比条件下宝兴台和名山台水平地震动观测波、模拟波的加速度反应谱以及由Campbell-Bozorgnia地震动预测方程匹配得到的NGA-West2设定谱簇。根据Campbell[14]的研究，将NGA-West2设定谱簇作为芦山地震背景下水平基岩加速度反应谱的可能范围，并将对数坐标系下谱簇均值上下1倍标准差内的区域作为地震动参数的合理范围。
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图 7 宝兴台水平地震动观测波、模拟波以及NGA-West2设定波形组的加速度反应谱(阻尼比5%) Fig. 7 The acceleration response spectrum of the observation wave, the simulation wave and the NGA-West2 waveform group of the Baoxing station(damping ratio 5%) |
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图 8 名山台水平地震动观测波、模拟波以及NGA-West2设定波形组的加速度反应谱(阻尼比5%) Fig. 8 The acceleration response spectrum of the observation wave, the simulation wave and the NGA-West2 waveform group of the Mingshan station(damping ratio 5%) |
由图 7和图 8可见，周期0.05~0.20 s区间内宝兴台和名山台的观测值均高于谱簇均值和模拟值，模拟值略低于谱簇均值，但处于合理范围之内。且该周期范围区间内宝兴台观测值接近1倍标准差上限，说明芦山地震宝兴台短周期段观测结果与代表历史强震观测结果的NGA-West2设定谱簇相比偏大。周期0.20~6.00 s区间内宝兴台和名山台的观测值均低于谱簇均值和模拟值，模拟值略高于谱簇均值，偏向于保守安全。而部分周期范围区间内名山台和宝兴台观测值接近1倍标准差下限，说明芦山地震名山台和宝兴台中长周期段观测结果与代表历史强震观测结果的NGA-West2设定谱簇相比偏小。
总体而言，包括宝兴和名山台站在内的模型地表典型场址处的水平地震动模拟值基本均位于Campbell建议的NGA-West2设定谱簇合理范围之内。由于强地面运动受震源过程、传播路径和场地条件3个方面的复杂影响且具有很强的随机性，各类地震动预测方法通常亦难以给出与观测结果完全一致的地震动参数。同时考虑到本文有限元模拟结果与Campbell-Bozorgnia地震动预测方程及其匹配得到的NGA-West2谱簇一致性相对较好，故认为本文使用二维有限元方法获得的水平地震动模拟结果基本合理，可以通过扩展关键震源参数的取值范围进行进一步的参数研究。
2.2 震源参数的影响作用近断层地震动由于靠近震源，更容易受到震源参数的影响。以水平地震动为例，通过扩展芦山地震事件中的实际应力降和粘聚力的取值范围以研究震源参数对强地面运动的影响作用。
图 9给出了粘聚力参数取4.0 mPa，应力降参数分别取1.5 mPa、2.5 mPa和3.5 mPa情况下水平地震动峰值加速度的分布情况。由图可见，随着应力降增大，水平地震动峰值加速度总体而言明显增大，说明应力降参数对于水平地震动峰值加速度有着明显的正向影响作用，且近场较远场更为明显。
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图 9 应力降参数对水平向基岩地震动峰值加速度的影响 Fig. 9 The influence of stress drop parameters on peak acceleration of horizontal bedrock ground motion |
图 10进一步给出该组参数条件下断层上盘地表典型场址处(模型X=25 km)的地震动加速度反应谱。由图可见，随着应力降增大，水平地震动峰值加速度反应谱值在0.05~1.00 s短周期范围内明显增大，而在1.00~6.00 s中长周期范围内的增大则相对有限。说明应力降对于水平地震动的短周期成分有着明显的正向影响作用，但是对中长周期分量影响较小。
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图 10 应力降参数对水平向基岩地震动加速度反应谱的影响 Fig. 10 The influence of stress drop parameters on acceleration response spectrum of horizontal bedrock ground motion |
图 11给出应力降参数取2.5 mPa，粘聚力参数分别取2.0 mPa、4.0 mPa和6.0 mPa情况下水平地震动峰值加速度的分布情况。由图可见，随着粘聚力的增大，水平地震动峰值加速度总体而言略有增大，且远场较近场更为明显。我们认为，可能与地下流体对断裂带的介质弱化作用有关[15]。
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图 11 粘聚力参数对水平向基岩地震动峰值加速度的影响 Fig. 11 The influence of cohesive parameters on peak acceleration of horizontal bedrock ground motion |
图 12给出该组参数条件下断层上盘地表典型场址处(模型X=25 km)的水平地震动加速度反应谱。由图可见，随着粘聚力增大，地震动峰值加速度反应谱值在1.00~6.00 s中长周期范围内明显增大，而在0.05~1.00 s短周期内的增大则相对有限。说明粘聚力对于水平地震动的中长周期成分有着明显的正向影响作用，但是对短周期成分影响较小。
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图 12 粘聚力参数对水平向基岩地震动加速度反应谱的影响 Fig. 12 The influence of cohesive parameters on acceleration response spectrum of horizontal bedrock ground motion |
综上所述，应力降和粘聚力对地表地震动具有显著的正向影响作用；应力降和粘聚力分别对0.05~1.00 s频域范围内的短周期成分和1.00~6.00 s频域范围内的中长周期成分具有显著影响。因此，结合近场地震动短周期成分丰富而远场地震动中长周期成分更为丰富的认识，可以解释图 9和图 11中应力降增大导致近场峰值加速度增大更为明显，而粘聚力增大则会导致远场峰值加速度增加更为明显的现象。但是无论应力降和粘聚力参数取值如何，发震断层上下盘场址处的地震动峰值加速度均呈现出较为明显的差异性，即上盘水平地震动峰值加速度明显大于下盘水平地震动峰值加速度，且具有相对更慢的地震动衰减速度，呈现出显著的上下盘效应特征，这与白玉柱等[2]得到的芦山地震上下盘效应相关认识基本一致。
3 结语本文使用二维有限单元法进行了2013-04-20芦山M7.0地震的近场强地面运动模拟，在信度检验的基础之上研究了震源参数中应力降和粘聚力对地表水平向基岩地震动参数的影响作用。研究发现：
1) 应力降和粘聚力均对地表水平向基岩地震动具有显著的正向影响作用，应力降增大导致近场峰值加速度增大更为明显，而粘聚力增大则会导致相对远场处峰值加速度增加更为明显。
2) 应力降对0.05~1.00 s频域范围内的短周期地震动成分影响较为明显，粘聚力则对1.00~6.00 s频域范围内的中长周期地震动成份具有显著影响。
3) 不同应力降和粘聚力参数条件下，发震断层上盘场址处水平地震动峰值加速度明显大于下盘场址处水平地震动峰值加速度，且具有相对更慢的地震动衰减速度，呈现出典型的上下盘效应特征。
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