地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (2): 685-689   PDF    
引用本文
张振国, 张伟, 孙耀充, 朱耿尚, 文健, 陈晓非. 2014年2月12日新疆于田地震强地面运动初步模拟及烈度预测. 地球物理学报,2014,57(2): 685-689, doi: 10.6038/cjg20140232   
ZHANG Zhen-Guo, ZHANG Wei, SUN Yao-Chong, ZHU Geng-Shang, WEN Jian, CHEN Xiao-Fei. Preliminary simulation of strong ground motion for Yutian, Xinjiang earthquake of 12 February 2014, and hazard implication. Chinese J. Geophys. (in Chinese),2014,57(2): 685-689, doi: 10.6038/cjg20140232   
2014年2月12日新疆于田地震强地面运动初步模拟及烈度预测
张振国1,2,3, 张伟1,2,3, 孙耀充1,2,3, 朱耿尚1,2,3, 文健1,2,3, 陈晓非1,2,3    
1. 中国科学技术大学, 地球和空间科学学院, 合肥 230026;
2. 中国科学技术大学, 地震学与地球内部物理实验室, 合肥 230026;
3. 蒙城地球物理国家野外科学观测研究站, 合肥 230026
投稿时间:2014-2-16    最后修改时间: 2014-2-17 .
基金项目：国土资源部深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe，201011044）和国家自然科学基金项目（41090293）联合资助.
第一作者简介：张振国，男，1987年生，中国科学技术大学固体地球物理学在读博士.主要研究领域包括：地震三维复杂介质中传播效应，数值计算，地震动力学模拟等.E-mail：zgzhang7@mail.ustc.edu.cn
通讯作者：陈晓非，男，1958年出生，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授.主要研究领域包括：复杂地球介质中地震波传播，震源破裂动力学及地震物理学，近场强地面震动定量模拟及震害分析等.E-mail：xfchen1@ustc.edu.cn
摘要：2014年2月12日新疆自治区于田县发生了MS7.3级地震.在已知的三维介质模型、地形数据基础上，利用震源运动学初步反演模型（张勇等，2014），作者采用曲线坐标网格三维曲线有限差分方法模拟了于田地震波场传播过程，并计算了模拟区域地震烈度分布.结果表明：地震最大烈度为7度，距离震中最近的于田县城烈度约为5度，断层西北侧地面震动略强于断层东南侧.另外模拟结果还显示地震动在山脊处具有较大的幅度.该地震本身主要能量释放区域在中地壳，主要滑动未及地表，因此对地表造成的破坏有限，这与目前尚无人员伤亡报告的情况相符合.
关键词： 于田地震     强地面运动     地震烈度    
Preliminary simulation of strong ground motion for Yutian, Xinjiang earthquake of 12 February 2014, and hazard implication
ZHANG Zhen-Guo1,2,3, ZHANG Wei1,2,3, SUN Yao-Chong1,2,3, ZHU Geng-Shang1,2,3, WEN Jian1,2,3, CHEN Xiao-Fei1,2,3    
1. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;
2. Laboratory of Seismology and Physics of Earth's Interior, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;
3. Mengcheng National Geophysical Observatory, Hefei 230026, China
Abstract: A MS7.3 earthquake occurred at Yutian county, Xinjiang autonomous region, February 12, 2014. With prepared data base including three-dimensional velocity model and topography data, as well as the preliminarily inverted kinematic source model (Zhang et al. 2014), we simulate the seismic wave propagation of Yutian earthquake with 3D curved grids finite-difference method, and calculate the distribution of seismic intensity for the modeling region. The simulation results reveal that the highest seismic intensity caused by this earthquake is about 7 degree. The intensity in the nearest down town of Yutian County is about 5 degree. The ground motion at the northwestern side of the fault is slightly larger than that at the southeastern side. The simulation also suggests that ground motion has large amplitudes at the mountain peaks. Due to the fact that the main energy released area of this earthquake locates at the middle part of crust and the main rupture doesn't reaches the Earth's surface, the corresponding damages on ground surface is not severe, which coincides with the fact that there is no reported casualties up to present.
Key words: Yutian earthquake     Strong ground motion     Seismic intensity    

1 引言

2014年2月12日17时19分，新疆自治区和田地区于田县发生了MS7.3级地震，震中位置为北纬36.1°，东经82.5°，震源深度12km.初步推断该地震的发震断层为阿尔金断裂带西段，为带NE向左旋走滑的正断层地震(徐锡伟和于贵华，2014).该地震震中距离人口稠密地区较远，到目前为止尚未见到有关人员伤亡的报告，但是本次地震造成了7838人受灾(中国地震信息网，2014).地震发生约2小时之后，中国地震局地球物理研究所张勇等人给出了于田地震运动学反演过程(张勇等，2014).本文利用该震源运动模型模拟计算于田地震的近场强地面运动、计算出相应的烈度分布图，并在此基础上评估与分析该地震的震害分布特征，为科学抗震减灾与后续恢复重建提供初步的科学依据.

2 模型和方法 2.1 计算方法

地震灾害主要是由地震在地表形成的强地面运动造成的.根据物理学原理，地震的强地面运动是震源破裂过程产生的地震波传达至地表所致.因此在已知震源破裂过程条件下，通过数值求解描述这一物理过程的弹性动力学基本方程，可以获得地震波的传播过程以及其在地表造成的强地面运动.由于该地震发生在地形变化显著的地区，模拟计算必须能够处理地形影响.为此本文采用曲线网格有限差 分方法(Zhang and Chen, 2006; Zhang et al., 2012). 该方法根据起伏地表建立曲线网格，并采用牵引力镜像法来处理自由表面条件，使得该方法能够准确的处理复杂地形问题.关于该方法的详细介 绍及在强地面运动模拟中的应用可参考文献(Zhang et al., 2008, Zhu et al, 2013).

图1给出了计算区域及周边地貌情况，其中黑色边框代表计算区域，断层在地表的投影用蓝色框表示，红色五角星为震源在地表的位置.整个计算区域尺度为400 km×300 km，深度为65 km.

图1 模拟计算区域以及周边地形图 Fig.1 Topographic map of the simulation region and its vicinity
2.2 介质模型

为了能够快速模拟实际地震的强地面运动，我们需要构建一个数据库，包含感兴趣的所有可能发生地震的地区.如果有可能，最全面的数据库应该是针对整个地球.CRUST2.0 (Bassin et al., 2000)是一个全球地壳模型，分辨率为2°×2°，即220 km左右.尽管该模型空间分辨率比较低，但在全球范围内有覆盖.对于未知地点的地震强地面运动快速模拟是一个初步选择.如果我们对地震区域介质有较好的了解，有更好分辨率的介质模型，在后续的详细的模拟中可以运用分辨率较高的模型以更真实模拟地震波场传播.另外，我们用全球沉积层模型(分辨率 为1°×1°)(Laske and Masters, 1997)代替CRUST2.0 中上层的沉积层.沉积层、地壳模型覆盖在AK135地幔模型(Kennett et al., 1995)之上.

2.3 震源模型

于田地震之后，张勇等(2014)利用全球地震台网远震体波数据快速反演了该地震的震源破裂过 程.该反演结果显示，地震发生在一长85 km、宽45 km 断层面上，断层出露到地表，走向 242°，倾角78°.震中位置北纬35.922°，东经82.558°， 震源深度12.5 km，矩震级为Mw6.9 .断层滑动出露到地表，地表附近的滑动较小，主要滑动集中在震中附近、沿断层倾斜方向20 km深度处，最大滑移量约为1.8 m.

反演给出的震源模型中，子断层的空间分辨率 为5 km×5 km，空间采样频率是2，即间隔0.5 s给定一个滑动速率.为了计算上的合理，我们将断层面 重采样为2.5 km×2.5 km.由于张勇给出的震源模型中任意子断层的滑动角随时间是可变的，在空间 重采样中我们考虑到了这一因素，即在每个时间间隔上都 对整个断层面上的所有断层的滑动速率进行插值.

3 强地面运动模拟结果

图2给出了于田地震模拟的Vx分量快照.红色五角星代表震源模型中的震中位置(35.922°N，82.558°E)，黑色矩形框表示地震断层在地表的投影.

图2 于田地震模拟速度波场快照 Fig.2 Snapshots of simulated velocity field of Yutian earthquake

于田地震主要能量由位于震中附近下方的位错产生，以水平走向错动为主，因此在断层垂向上产生了能量较强S波.由图2(c-d)可以发现，地震波在断层两侧存在不对称性，即位于盆地一侧的波场振幅比另外山区一侧的要大.

图3给出了由模拟计算得到的水平峰值速度(PGV-h)，并根据《中国地震烈度表(GB/T 17742-2008)》计算的地震烈度分布.结果显示该地震最大地震烈度为7度，位于震源模型中地表附近错动较大区域.由于地震主要错动发生在深部大约20 km深度处，该地震对地表照成的破坏有限.于田县城的烈度大约在5~6度之间.另外从烈度分布图上可以看出，断层西北方向的地震动要比另外一侧强，这主要由两个因素造成.一个原因是该地震断层面朝西北倾斜，倾角为78°.地震上盘效应使得地震能量在西北方向(上盘)要比东南方向(下盘)略大.另外一个方面是，地震波朝西北方向传播一定距离之后进入塔里木盆地.地震波在相对低速结构中传播，振幅得 到加强(图2c-d)，这一点在PGV-h中也得到体现.

从烈度分布图还可以看出，山峰地区的峰值速度比山谷地区偏大.这主要是地震波在山峰、山脊区 域多次反射，振幅加强.Lee等(2008)以及 Zhang等(2008) 等研究详细讨论了起伏地表对地震波场传播的影响.于田县城北面的褶皱地区对地震动起到了放大作用，该放大作用主要是由于形态较为规则的褶皱地貌导致地震波的相干叠加所致.因而该褶皱地区的地震烈度较之周围地区高出1~2度.

图 3 理论地震烈度图分布 Fig.3 Calculated seismic intensity map for the Yutian earthquake
4 初步结论

本文基于新疆于田地震运动学反演模型，并根据发震地区及邻近地区的三维速度模型和地形数据，利用地震波模拟方法在地震发生之后及时模拟了该地震的近场地震波传播.根据地震波场的模拟结果，计算了该区域内的地震烈度分布.结果表明：总体上地震动在西北方向明显比东南方向大，震中最大烈度略大于7度.除震中地区，盆地边缘山区的山脊地震烈度较大.此外，于田县城北面的褶皱地区地震烈度较大，接近6度.相比之下，震中距较近的于田县城和民丰县城的地震烈度仅为5度和4.5度.计算结果还显示该地震本身主要能量释放区域在深部因此对地表造成的破坏有限，这与目前尚无人员伤亡报告的情况相符合.

致谢 感谢中国地震局地球物理研究所张勇博士等人提供震源模型.

参考文献
[1] Bassin C, Laske G, Masters G. 2000. The current limits of resolution for surface wave tomography in North America. EOS Trans AGU, 81:F897.
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[5] Zhang W, Chen X F. 2006.Traction image method for irregular free surface boundaries in finite difference seismic wave simulation. Geophys. J. Int., 167:337-353.
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[11] 张勇，许力生，陈运泰.2014. 2014年2月12日新疆维吾尔自治区和田地区于田县7.3级地震（II）-地震破裂过程， [2014-02-16].
[10] 中国地震信息网，《新疆地震致新疆和田7838人受灾》， [2014-02-16].