2010年1月12日位处加勒比海岛国家海地(Haiti)发生M_W 7.0地震，Haiti首都太子港(Port-au-Prince)及Haiti全国大部分地区受灾情况十分严重，最终造成超过31万人丧生(USGS，2010a).同年4月4日墨西哥境内的Baja California北部地区发生 M_W 7.2地震，造成墨西哥Baja附近Mexicalia城2人遇难(USGS，2010b).Haiti所处的加勒比地区是非常活跃的地震带，包括海地在内的加勒比诸岛位于加勒比板块与北美板块的交界地带的易发震地区，Haiti地震的发震断层位处Enriquillo-Plantain Garden断层带上，为左旋走滑断层.Baja地震发生在北美板块和太平洋板块中间的主板块边缘地区，震中位置距墨西哥-美国边界约40 km，主发震断层与Laguna Salada断裂带东南段相一致且平行于San Andreas断裂带(USGS，2010a；2010b).

对比两个矩震级相似地震的构造背景，不难发现，Haiti地震和Baja地震同处于板块边缘地区，均为浅源地震，且后者的矩震级高于前者，然而Haiti地震造成的震中附近城市太子港建筑物的损毁程度及人员伤亡情况远远高于Baja地震对Mexicalia城的破坏程度.尽管Haiti是世界上最为贫困的国家之一，基础设施建设相对落后，大部分建筑物的抗震性能较差，然而Haiti地震发生后，位处太子港的Haiti总统府也在这次地震中几近损毁.我们知道，通常地震后导致建筑物倒塌的原因主要有三个，最主要的是建筑物与主发震断层的距离，其次为地震后建筑物地基被损毁的程度，最后为建筑物的结构类型(郭东华等，2010).三种原因中，相关程度最高的是第一个，相关性、程度相对较低的是第三个，并且第一个原因直接影响了强地面运动的大小，这也从另一个侧面说明，地震所造成的破坏程度并非仅仅取决于建筑物的抗震性能.因此，评价两个矩震级相似的地震所造成的破坏程度的差异，并不能仅仅通过对比地震发生区域建筑物抗震性能等方面的差异来解释.

本文从地震发生及发震断层破裂过程出发，分别选取两个地震造成主要破坏的太子港和Mexicalia城作为近断层特征城市，讨论两个矩震级相似地震近断层强地面运动的异同点.由于强震数据的相对缺乏，现有的强震观测数据并未完全覆盖到这两个城市，作者应用动态复合震源模型(孟令媛，2012)分别模拟两个特征城市的加速度和速度三分量特征曲线并进行对比；进一步利用强地面运动参数与烈度的对应关系(Wald等，1999)，模拟两个地震发震断层周围烈度的分布特征，从而实现基于强地面运动的差异性来解释矩震级相似的两个地震破坏程度差异性的比较目的.

1 方法原理

本文中所应用的动态复合震源模型(Dynamical Composite Source Model，DCSM)由作者在2012年给出(孟令媛，2012)，DCSM的建立基于对复合震源模型(Composite Source Model)的修正及相应程序算法的优化(Zeng等，1994).DCSM在对断层滑移分布的描述中，子源大小的分布来自于Frankel在1991年对断层破裂自相似模型的描述，在Frankel的自相似模型中，主断层面的破裂个数和尺度遵从一定的分形原理，即子源的个数N与其半径R的关系一定的关系给出(Frankel，1991)为

子源破裂的滑移时间函数通常基于Brune模型下的脉冲函数，此外，子源破裂的滑移时间函数与子源的大小即R也相关，其中，脉冲函数的表达形式为(Brune，1970)

应用DCSM最重要的一步为利用主断层面上所得每点的滑动速率同层状介质地震波传播矩阵所得Green’s函数做卷积，即最终获得地面每点的质点运动的强地面运动相关参数(孟令媛，2012).最初针对复合震源模型的应用范围具备一定的局限性，通常应用于中小尺度(<50 km)的单一垂直走滑断层，主断层模型的走向、倾角和滑动角均只分别采用单一参数值.DCSM针对汶川地震构建分段模型，已经实现了针对大尺度分段断层每一段的走向、倾角和滑动角进行动态赋值，并针对汶川地震地震动开展了部分相关模拟工作，其有效性已得到一定程度的验证(孟令媛和史保平，2011a; 孟令媛，2012).

DCSM模型相对于复合震源模型的改进之处主要由两个部分：其一，DCSM模型通过对算法的优化，实现了断层分段化设定，断层面上走向、倾角及滑移方向等震源参数实现了动态化的设定(孟令媛和史保平，2011a; 孟令媛，2012)；其二，Zeng等建立的复合震源模型仅给定地震矩守恒，是在试错法的基础上模拟计算，当合成值接近观测值时，视为模型参数确定，DCSM则引入有限断层地震波辐射能估算方法(孟令媛，2012)，应用地震波辐射能(动态应力降或视应力)约束DCSM模型.2 模型建立

Haiti地震震源深度13 km，主发震断层空间展布约80 km，呈近东西向展布，余震沿断层走向分布范围约为87~115 km(USGS，2010a)；Baja地震震源深度10 km，主发震断层长度约为100 km，呈东南-西北向展布，起始破裂位置位于主发震断层的东南端(USGS，2010b).本文针对Haiti M_W 7.0地震和Baja M_W 7.2地震这两个矩震级相似的浅源地震，建立了几何尺度相同的两个DCSM模型(USGS，2010a；2010b)，模型长100 km，宽20 km，模型的具体震源参数详见表 1，其中 M_W和Me 分别表示地震矩震级和能量震级，Δσ_s为静态应力降(Δσ_s=2M₀/πW²L，M₀为主断层的地震矩，W、L分别为断层的宽度和长度)，σ_a为视应力(σ_a=μEs/M₀，μ为剪切模量，Es为地震波远场辐射能).由于地震矩是表征发震断层破裂程度的物理量，并且为决定地震矩震级的主要震源参数，因此本文中针对两个地震构建的DCSM模型几何尺度是一致的.

由于两个地震的地震波辐射能差异较大(表 1)，模拟过程中为使得地震矩及地震波辐射能守恒的过程中，针对两个地震DCSM模型的约束条件是有所区别的，尤其是地震波辐射能这一守恒条件.近断层强地面运动的模拟过程中，断层破裂面上地震波辐射能释放的集中区，通常对模拟结果具有至关重要的影响.因此，DCSM的构建过程中，是通过断层面上滑动位移集中区选定(孟令媛和史保平，2011a)及地震波辐射能守恒，即动态应力降(Δσ_d)的设定，来实现对计算模型的约束效果(孟令媛和史保平，2011b).

Table 1">表 1(Table 1">Table 1)

表 1 2010年Haiti MW 7.0地震及Baja MW 7.2地震断层模型震源参数 Table 1 Fault parameters of the 2010 MW 7.0 Haiti earthquake and 2010 MW 7.2 Baja earthquake 断层长度=100 km，断层宽度=20 km， 最大子源半径=5.0 km，最小子源半径=1.0 km 震源参数 Haiti地震 Baja地震 MW=7.0，Me=7.6 MW=7.2，Me=6.8 震中位置 (18.457° N， 72.533° W) (32.259°N， 115.287°W) 震源深度/ km 13 10 断层走向/deg 246 221 断层倾角/deg 74 83 断层滑动角/deg 23 -6 地震矩/N·m 4.5×1019 8.5×1019 地震波辐射能/J (5.4~7.7)×1015 (3.7~4.8)×1014 视应力/MPa 3.6 0.17 静态应力降/MPa 1.6 1.3

表 1 2010年Haiti MW 7.0地震及Baja MW 7.2地震断层模型震源参数 Table 1 Fault parameters of the 2010 MW 7.0 Haiti earthquake and 2010 MW 7.2 Baja earthquake

此外，DCSM应用过程中速度结构的选取主要分为以下三步：第一步，根据已有的地质地球物理资料确定整个研究区域的1-D速度结构，将其作为DCSM模拟计算过程中基本的参照速度结构；第二步，针对Mexicalia城和太子港两个特征城市的具体情况，在模拟计算过程中利用其详细的速度结构进行细致化计算；第三步，引入浅层速度结构(V₃₀)的概念，进而考虑整个区域范围速度结构随着V₃₀的变化而发生的变化.由于目前尚缺乏Haiti地震和Baja地震两个地震所处地区详细的速度结构数据，本文在模拟过程中对两个地震的速度结构数据采取了一定的近似：即基岩上速度结构综合考虑了Baja地震发震附近地区的简单速度结构(Raúl等，2010)与美国加州地区详细的速度结构；而Haiti地震Mexicalia城V30的取值为240 m/s，太子港V₃₀的取值为360 m/s(USGS，2010c).

3 模拟结果对比

分别选择Haiti首都太子港及Baja地震中受损最大的Mexicalia城作为特征城市，基于所建立的DCSM模型模拟这两个城市的强地面运动参数.详细模拟结果见图 1和图 2.图 1中给出太子港特征城市的强地面运动参数模拟情况，分别为垂直于断层的法向(Normal，N)，平行于断层方向(Parallel，P)及垂直于地表方向(Vertical，V)三分量的地表加速度及地表速度的时程曲线图，N向、P向及V向的峰值加速度(Peak Ground Acceleration，PGA)分别为682 cm/s²、306 cm/s²及327 cm/s²，峰值速度(Peak Ground Velocity，PGV)分别为43 cm/s、14 cm/s及11 cm/s.图 2中给出的是Mexicalia城的强地面运动模拟结果，N向、P向及V向三分量的PGA分别为34 cm/s²、44 cm/s²及51 cm/s²，PGV三分量分别为7 cm/s、6 cm/s及4 cm/s，模拟结果详见表 2.

Table 2">表 2(Table 2">Table 2)

表 2 太子港及Mexicalia城地表强地面运动拟合计算结果 Table 2 Simulate strong ground motion at Port-au-Prince and at Mexicalia，respectively 海地首都太子港 (18.5°N，72.40°W) 墨西哥Baja Mexicalia城 (33.0°N，116°W) 距震中距离=25 km， 距断层距离=4 km 距离震中距离=47 km， 距断层距离=14 km N向PGA 682 cm/s2 34 cm/s2 P向PGA 306 cm/s2 44 cm/s2 V向PGA 327cm/s2 51 cm/s2 N向PGV 43 cm/s 7c m/s P向PGV 14 cm/s 6 cm/s V向PGV 11 cm/s 4c m/s

表 2 太子港及Mexicalia城地表强地面运动拟合计算结果 Table 2 Simulate strong ground motion at Port-au-Prince and at Mexicalia，respectively

太子港距离Haiti地震发震断层约4 km，为近断层区域，Mexicalia城也属于Baja地震的近断层区域，但其距离Baja地震的发震断层14 km，且距离震中位置相对较远，约为47 km.对比图 1和图 2，两个特征城市的强地面运动模拟结果，太子港的强地面运动峰值明显大于Mexicalia城.DCSM模型已应用于针对2010年Baja地震5053台站强地面运动的模拟之中(孟令媛，2012)，其模拟结果与实测记录的一致程度也较高.因此在目前缺乏实测记录的前提下，本文针对太子港及Mexicalia城的模拟结果则具备了很好的实用价值.

图 1

图 1 太子港质点加速度、速度N、P及V三个方向分量时程曲线 Fig. 1 Simulated acceleration and velocity time-histories of the N，P and V directions at Port-au-Prince，respectively

图 2

图 2 Mexicalia城质点加速度、速度N、P及V三个方向分量时程曲线 Fig. 2 Simulated acceleration and velocity time-histories of the N，P and V directions at Mexicalia city，respectively

参照表 1和表 2，对比两个特征城市强地面运动的差异，太子港PGA的模拟结果相当于Mexicalia城PGA模拟结果的约5~10倍，且太子港的PGV的模拟结果也相当于Mexicalia城PGV模拟结果的约3~5倍.造成这种差异的原因之一为太子港位处距离Haiti地震发震断层小于5 km的近断层区域且靠近破裂集中区域，加之Haiti地震发生后所释放的地震波辐射能相当于Baja地震所释放的地震波辐射能的将近10~15倍(表 1)，较高地震波辐射能释放与近断层强地面运动较高必然存在着一定的对应关系，因此，太子港所造成的破坏程度较Mexicalia城大并非单一取决于城市建筑物的抗震程度，更主要的原因则来自于地震发生后对该城市所造成的强地面运动的强弱.

为进一步对比Haiti地震和Baja地震强地面运动的区域差异性，本文分别计算了两个地震发震断层周围区域的强地面运动，空间计算间隔为0.05°×0.05°.由于现有的强震观测数据相对缺乏，尤其是Haiti地震的发震区域的强震观测数据几乎空白，这就对DCSM模型模拟结果的有效性验证造成了一定困难.因此，我们采用了间接的方法验证模拟结果，即采用模拟地震烈度分布，并与已有的ShakeMap(USGS，2010a；2010b)进行比较.在实际操作中，应用Wald等(1999)给出的强地面运动参数和烈度(I_MM)的经验关系：

图 3

图 3(a)Haiti地震模拟烈度分布图;(b)Haiti地震ShakeMap分布图(USGS，2010a). Fig. 3(a)Simulated intensity map of Haiti earthquake;(b)Observation intensity map.

图 4

图 4(a)Baja地震模拟烈度分布图;(b)Baja地震ShakeMap分布图(USGS，2010b).Fig. 4(a)Simulated intensity map of Baja earthquake；(b)Observation intensity map.

2010年全球一共发生7级以上地震27次，最大的一次为2010年2月27的智利8.8级地震，造成800多人死亡，其中Haiti地震的矩震级仅7.0，但其造成的人员伤亡确实当年最大的，最终人数超过31万(USGS，2010a；薛艳等，2012).本文针对Haiti地震和Baja地震近断层强地面运动的模拟研究，旨在从强地面运动为出发点，尝试性解释相似矩震级下地震的近断层强地面运动差异的原因，即两个地震发震过程中所释放的地震波辐射能的明显差异.结合地震到建筑物的损毁及人员伤亡情况也可以明确一点，通常认为地震的矩震级越大，其造成的破坏程度则越大的认识存在一定的偏颇，也就是说，地震所造成的破坏程度并非仅仅取决于所发生地震的矩震级大小，而与诸如地震波辐射能、地表强 地面运动、建筑物的抗震性能等多方面有关.因此，前文提到的报道中，简单地将Haiti地震造成人员伤亡远远高于Baja地震的原因归结为建筑物的抗震性能差的说法是不够全面的.

此外，由于目前已公开发表的震源及强震数据十分有限，本文建立DCSM模型过程中可以利用的地质、地球物理资料同样十分有限，且震源反演结果也尚不完善，因此现有的强地面运动的模拟结果也不可避免地存在一定的偏颇.尽管如此，应用DCSM模型模拟强地面运动，仍然可以作为补充强地面运动数据的一个重要手段，同样地，对于矩震级相似的两个地震强地面运动的比较，DCSM模型进行模拟计算也是一个有效的手段.随着未来工作中，地质与地球物理资料的不断完善，针对Haiti地震和Baja地震所建立的模型也会更加完善，从而能够更好地对比两个矩震级相似地震强地面运动特征的差异.最后需要明确的是，地震灾害所造成的人员伤亡和建筑物的破坏，同抗震规范的合理选取以及有效的灾后紧急救援系统的建立关系密切.抗震规范的选取及灾后烈度区域快速圈定又同地表运动强度高度相关，因此，基于物理过程的准确地预测强地表震动强度将对工程设计中的抗震参数选取，紧急救援系统的快速、正确地反应有着至关重要的作用和意义.

致 谢 本文在成稿过程中，史保平教授、刘杰研究员、蒋海昆研究员和张永仙研究员给予了有益的指导与帮助，作者谨表谢意.