震源机制类型对近场峰值加速度(PGA)分布的影响：以唐山和汶川震区为例

震源机制类型对近场峰值加速度(PGA)分布的影响——以唐山和汶川震区为例

孙丽娜， 王晓山， 杨家亮， 张素欣， 刁桂苓， 冯向东

(河北省地震局，河北 石家庄050021)

摘要：利用首都圈强震台网比较密集的数字地震记录，研究2003年4月发生在唐山震区的2次4级地震。利用布设在四川、甘肃、陕西的强震台网和临时强震台网的资料，研究2008年7月和8月发生在四川汶川的2次6级地震。得到正断层和走向滑动断层、逆冲断层和走向滑动断层的地震近场PGA分布的差异。结果表明，这种差异是显著的。不仅大震的PGA近场分布复杂，中小地震也是如此。经频谱分析发现，这种影响出现差异的地震波频率较低，城市化的建筑向高层大型发展，其自振周期相应较长。近直立走向滑动地震的PGA高值区沿断层对称分布，而正断层和逆断层则集中在断层上盘，这对于破坏性地震应急救援中力量、物资的投入有借鉴意义。

关键词：震源机制； 唐山震区； 汶川震区； 峰值加速度(PGA)； 近场； 低频地震波； 应急救援

收稿日期：*2014-05-12

基金项目：河北强震的震源构造和成因研究(12276903D)；河北省地震科技星火计划项目(201308)

作者简介：孙丽娜 (1982-)，女，河北石家庄人，硕士，主要从事地震中长期预测研究.E-mail:sunlina20082008@126.com

通讯作者：冯向东，E-mail：-fxd23@126.com

中图分类号:P315.3文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0159

Influence of Focal Mechanism Types on the Near-field Distribution of

Peak Ground Acceleration

——Case Study of Tangshan and Wenchuan Earthquake Regions

SUN Li-na， WANG Xiao-shan， YANG Jia-liang， ZHANG Su-xin， DIAO Gui-ling， FENG Xiang-dong

(EarthquakeAdministrationofHebeiProvince，Shijiazhuang，Hebei050021，China))

Abstract：Peak ground acceleration (PGA) in the near field is associated with earthquake damage，but practical instances of the impact of PGA distribution in the near field of different types of focal mechanism is rarely reported.Using the intensive digital seismic records of the capital circle strong motion network，this paper studies two earthquakes that occurred in April 2003 with an epicenter located in Tangshan.Using data from the strong motion network and the temporary seismic network in Sichuan，Gansu，and Shanxi，it also studies two earthquakes that occurred in July and August 2008 with an epicenter located in Wenchan.By using a function of the thematic map in ArcGIS software，the distribution of both the horizontal synthesis and vertical PGA is established，obtaining the differences in earthquake PGA distribution in the near field from the faults and strike-slip faults，and the thrust and strike-slip faults.In this paper，we study the impact of different focal mechanisms in the Ninghe and the Wenchuan earthquake on PGA；the difference in the influence of various focal mechanisms to PGA is especially striking.The results show that this difference is prominent，and that the distribution of major earthquakes PGA is complex in the near field，while that of medium-small earthquakes is also complex.The most crucial place for death and destruction is in the near field.Spectrum analysis established that there are differences in the lower frequencies of seismic waves.Now that there are more buildings and that a greater proportion are multistory and large，the self-vibration period is longer.High values in PGA of nearly vertical strike-slip earthquakes are symmetrically distributed along the fault，while normal faults and reverse faults are concentrated in the hanging wall.The distribution of PGA is complex in the near field，and it is worth noting that the phenomenon of low frequency dip-lip earthquakes is crucial to the input of power and materials in emergency rescue following destructive earthquakes.

Key words： focal mechanism； Tangshan earthquake region； Wenchuan earthquake region； PGA (peak ground acceleration)； near field； low-frequency seismic wave； emergency rescue

0引言

一般在破坏性地震发生后都能够很快得到发震时刻、震级和震中位置信息，但无法很快得到各地区详细的地震动分布，也无法得知哪里的震动更强烈，更无法估计灾害的分布情况。导致应急指挥部门无法立即组织救援，缺乏详细信息做出的地震灾害评估可能造成误判。例如1995年日本阪神7.2级地震，中央政府直到震后数小时才了解地震的真实破坏情况，延误了震后的救援工作而致灾情蔓延[1]。2008年汶川地震初期，只知道震中在汶川，破坏情况不明，各级领导聚集都江堰，但是严重的滑坡和塌方导致都江堰到汶川的交通断绝，许多救援队伍也滞留在此，实际上伤亡、破坏更重的地方在北川，此时已经贻误了宝贵的拯救生命时间。如果在破坏性地震发生后能够快速、准确地判断地震动情况以及烈度分布情况，使得震后的应急救援部署以及全面工作的展开和物资的调度更为主动，有利于大幅度减轻灾害的伤亡和损失。

大地震的近断层区域往往出现强烈的震动，断层两侧的地面运动与中远场区域存在差别，并且断层附近的区域也是震害最为严重的地方，例如1989年美国Loma Prieta 7.1级地震、1992年美国Landers 7.2级地震、1994年美国Northridge 6.7级地震、1999年中国台湾集集7.6级地震和2008年四川汶川8.0级地震都是如此。大地震的近场才是导致人员大量伤亡、建构筑物及生命线工程毁坏的地区，因此近场地震动分布与衰减的研究就显得非常重要。迄今为止，由于资料不够充足，较之远场而言，近场地震动分布与衰减的研究仍然比较薄弱。

近几年美国太平洋地震研究中心(PEER)、地质调查局(USGS)和南加利福尼亚地震中心(SCEC)共同领导的“新一代地震动衰减关系”(Next Generation Attenuation，简称NGA )项目取得了较大进展。项目在庞大的强震记录数据库的支持下，全面考虑地震震源、传播途径和局部场地条件对衰减关系的影响，对国际上地震动衰减关系的研究产生了巨大的推动[2-4]。NGA在统计中采用了比较复杂的震源破裂相关项，不同于以前大多数统计仅采用本地区的数据，强调地震动衰减的区域特征[1-6]。

中国的地震动峰值衰减关系常常忽略地震类型的影响。1999年台湾集集地震记录到大量近场强地面运动，从而促进了近场研究的发展。该震源机制以逆冲为主，兼有左旋走滑，断层倾角较小，平均为30°左右。研究表明，地震动分布的上盘效应与低倾角的逆走滑震源机制决定了其地面运动的分布特点[9]。郭明珠等[12]、高孟潭等[13]和俞言祥等[14]注意到震源机制对个别台站地震动的影响。中国地震动衰减的研究开始了一个新的发展阶段[5-11]，对重大工程的抗震设计都是建立在地震危险性分析的基础上，场地未来可能遭遇的强地面运动由地震动衰减关系来估计。如果地震震级较小、距离较远，这种估计方法无可厚非，但在大震震源区附近的重大工程，由于强地面运动在断层两侧分布不均匀，简单地用地震动衰减关系估计是不合理的[13]。虽然我国大陆正在大力布设强震台网，但是不同震源机制类型的地震动分布特征差异，实际震例至今尚无报道。刘启方等[15]对各种类型震源机制进行了数值计算。

1976年河北唐山7.8级地震，余震区展布140 km，是多条断层参与的复杂破裂体[16]。2002年在首都圈地区布设强震台网，能够较好地控制唐山震区西部的地震。2008年汶川地震余震区延伸340 km，地表破裂带达到240 km[17]，主震由多次子事件组成[18]，在北西部以逆冲为主，在北东部以走向滑动为主。地表破裂既有逆冲，也有右旋走向滑动。震前震区附近已经布设强震的固定台网，震后又布设一批流动台网，对于较大地震也有较好的记录。本文利用这2个相对密集的台网记录资料，旨在研究震源机制类型对地震动分布的影响。

俞言祥等[19]分析1997年新疆伽师强震群震级大小和震源机制对长周期地震动特性的影响。虽然台站数目少，但是地震震级对长周期地震动的影响较为明显，震级越大，长周期地震动的成分越多；与走滑型地震相比，倾滑型地震的垂直向长周期成分更为丰富；走滑型地震的水平向长周期加速度反应谱值高于正断层型地震的水平向长周期加速度反应谱值。

近年来获得的强震记录表明，地震震源机制对加速度峰值有很大影响，逆断层型地震的近场加速度峰值比走滑型地震要大20%～30%[20-23]。一些学者也研究了地震动的上盘效应[24-25]，地震动包含了震源、地震波传播路径和局部场地条件等因素的影响，要在记录到的地震动中分离出它们是非常困难的。

在研究震源机制对地震动的影响方面，一般通过在地震动衰减关系中引入震源机制项来进行[20-23]，但也只限于周期小于4 s的短周期地震动。限于资料的原因，国内外对长周期地震动研究还不够深入，更没有对长周期地震动受震源机制的影响进行专门研究。

1震例资料分析方法和结果

1.1唐山震区的2次地震PGA分布比较

首都圈数字强震台网及其烈度速报系统是我国第一个烈度速报系统，共有71个强震实时传输台站和80个拨号台站。其目的是对首都圈地区(E 114°～ 120°，N 37.15°～ 41°) 地震烈度在Ⅳ度以上的地震，在5～10分钟内给出受影响地区的城市和大多数县镇的地震烈度(地震动强度)，直接为震害快速评估和大震应急服务，也可以为地震工程学和近场地震学研究提供基础数据[26]。

2003年4月唐山震区发生4.1级和4.3级地震，被2002年开始运行的首都圈强震台网很好地记录到，震中距在150 km之内，分别有36和33个台站得到3分向记录，其中大多数震中距在50 km之内。

2003年4月23日21时46分01.2秒，39°22.27′N，117°38.53′E，h：16.3 km，P波残差：0.37 s，ML4.1。拨号记录15个台，实时记录21个台。

2003年4月24日2时39分18.4秒，39°21.24′N，117°36.85′E，h：14.6 km，P波残差：0.40 s，ML4.3。拨号记录12个台，实时记录21个台。

采用层状介质点源位错模型，由观测垂直向的记录直达P波和S波最大振幅与理论地震图的振幅拟合，反演震源机制的方法，得到2次地震的震源机制解。一次是NNW向近直立断层的左旋走向滑动，另一次是近EW向倾斜断层的正倾滑动。2次地震的震源位置相近，但是断层错动方式完全不同。在唐山地震序列的早期也发生过这两种地震[27]。使用格点尝试法取附近地震台站的大量P波初动分向，计算的震源机制与此相同，验证了使用振幅比方法反演震源机制的可靠性。

使用ArcGIS软件的专题地图制作功能，分别给出水平向合成和垂直向峰值加速度(PGA)的分布(图1(a)、(b)，图2(a)、(b))。图1显示，能够勾画PGA的分布区域特征，确立峰值的中心区域和描述向外递减的规律。其中图1(a)、图2(a)是2次地震PGA垂直向分布，基本一致。而图1(b)和图2(b)是2次地震PGA水平向合成的分布，在外围区差别不大；但是在中心区却存在明显差异，走向滑动地震大体沿NE向破裂面做长轴延展，而正断层地震集中在断层上盘。可能震级较小，PGA的分布在垂直向看不出差别，水平向的差异也仅仅在近场，尺度不超过60 km。

利用首都圈数字地震台网的速度记录，经过计算地震波非弹性衰减和台站场地响应之后，首先参考Atkinson的方法从观测谱中扣除传播路径效应和场地响应等因素的影响，得到2次地震震源位移谱[28]。

2003-04-23地震记录参加计算台站数是21个，2003-04-24地震参加计算台站数是28个。这两次地震的震源谱如图3所示，图3(a)和图3(b)中蓝色线是每个台站的震源谱，绿色线为平均震源谱，红色线为拟合的理论震源谱。图3(c)中绿色线为4.3级地震的平均震源谱，红色线为4.1级地震的平均震源谱。

笔者利用首都圈数字地震台网的速度记录计算了震源谱(图3)，图3(c)是2次地震的平均震源谱的比较，在1 ～10 Hz范围正断层地震的幅值(4.3级)高于走向滑动地震(4.1级)，超过10 Hz之后2者重合。当然震级大震源谱幅值也大，我们无法剥离出震源机制类型造成的差别。这种在低频段出现的差异是否可以推论PGA分布在近场受震源机制控制，体现在低频段，和高频段无关。

使用ArcGIS软件对各个台站的PGA进行插值处理绘制插值图。在此没有考虑峰值加速度随距离衰减的确定关系，而是对衰减区域的形状进行分析，查找影响形状的原因。2次地震基本形状接近。外围(远场)比较一致，而近场存在方向性的差别。2次地震的震源机制不同，前者是走滑断层，后者是正断层。胡新亮等[27]采用不同方法给出了2次地震的震源机制，验证了解的可靠性。

图1　2003年4月23日宁河M L4.1地震垂直向和水平向合成PGA Fig.1　Vertical PGA and horizontal synthetric PGA of the Ninghe M L4.1 earthquake on April 23，2003

图2　2003年4月24日宁河M L4.3地震垂直向和水平向合成PGA Fig.2　Vertical PGA and horizontal synthetic PGA of the Ninghe M L 4.3 earthquake on April 24，2003

图3　两次地震震源谱 Fig.3　 The source spetrums of two earthquakes

1.2汶川震区的2次地震PGA分布

“十五”期间建设的中国数字强震动观测台网于2008年3月通过验收并正式投入运行。2008年5月12日汶川8.0级地震主震中，台网中19个省市的420个台站获得了高质量的完整加速度记录，这些记录均是台网固定强震动台获取的。

流动强震动观测是我国首创的行之有效的强震动观测方法之一，在我国固定台网不能覆盖所有地震区、台站密度不高的情况下，流动观测是获取强余震记录的重要手段。主震之后的余震是逐渐衰减的，流动观测工作完成得愈快，捕捉到余震记录的机会就愈多。因此，强震动流动观测设备具有高度的灵活机动性。与历次破坏性地震一样，汶川大地震发生后中国地震局迅速组织开展了余震强震动流动观测任务其获取了949次余震的3 250组三分量加速度记录。

2008年5月12日汶川地震发生当天下午，国家强震动台网中心会同西北强震动区域分中心和西南强震动区域分中心迅速做好奔赴现场的准各工作，派遣技术人员开展强震动流动观测。在汶川极震区，国家强震动台网中心布设28个强震台，西北强震动区域分中心布设20个强震台，西南强震动区域分中心布设6个强震台，此外四川省地震局布设3个强震台，湖北省地震局布设2个强震台，共计59个流动台。另外，汶川8.0级地震后，在甘肃南部地区原有的6个固定强震台的基础上，甘肃省地震局又在碧口、文县、丹堡等地分别布设了若干流动强震台，获得了一系列强震动记录[29-30]

汶川地震震前震区附近已经布设固定的强震台网，震后又布设大量流动强震台网。对于固定的强震台网我们仅用震区附近的资料[31]，与流动强震台网的记录一起分析。从USGS(网址)网站下载了2008年7月24日6.0级地震和2008年8月1日6.1级地震数据[32]，2次强余震的震源机制前者属于走向滑动错动，后者属于逆冲断层错动。2008年7月24日地震发生在震区的NE端，当地没有出现地表破裂带，NE走向的节面近于直立，属于右旋走向滑动错动。2008年8月1日地震则发生在破裂带的NE部位，震源机制节面走向与破裂带重合，倾斜的节面倾向NW，即该分向是断层的上盘。

2次地震的矩震级相差0.1，面波震级相等。2次地震都有数十个强震台的3分向记录，仍然采用ArcGIS软件的专题地图制作功能，给出PGA的分布(图4)。图中右下角是全图，上部是特征分布部位的放大，其中蓝色线是地表破裂带。

图4(a)、(b)分别是2008年7月24日走向滑动地震PGA的垂直向和水平向合成分布，二者形态基本一致。PGA高值区长轴沿破裂带对称延伸，但是NE方向衰减慢，SW方向衰减快，衰减慢的方向表明破裂传播的方向。

图4(c)、(d)分别是2008年8月1日逆冲断层地震PGA的垂直向和水平向合成分布，二者形态也基本一致。高值区主要集中在断层的上盘，沿断层面倾向衰减慢，而断层下盘PGA数值很低。体现龙门山上盘的上冲属于典型造山运动，下盘代表稳定的四川盆地没有活动。

图5是这两次地震的加速度反应谱，逆断层地震高频衰减慢，在1 Hz左右重合，低频段震级大的逆冲地震幅值高，但是形态上7月24日走向滑动地震低频段平缓，峰值并不突出；8月1日地震逆冲断层地震峰值突出，对应频率低于7月24日地震，高频段衰减慢。与唐山的正断层地震拐角频率低于走向滑动地震类似。

1.3宁河地震和汶川地震的不同震源机制对PGA的影响

表1给出了宁河2次地震的基本参数和本文用到的台站记录到的PGA不同方向的最大值。

表 1　宁河地震的 PGA最大值

从表1可以看出，这2次地震震源机制解不同，对应的三个分向的PGA也存在差异。但是垂直向的PGA相差无几，这在图1(a)和图2(a)图中也得到了验证，垂直向上PGA的分布也近相同；而水平向合成的PGA相差的比较大，4.3级地震的PGA大于4.1级的PGA，图1(b) 和图2(b)也反映出了这个差别，在近场区这两个地震的方向是不同的。可见不同的震源机制对PGA的影响不同。

图4　汶川地震两次强余震PGA分布 Fig.4　PGA distribution of two strong aftershocks of the Wenchuan earthquake

表2是汶川2次地震不同震源机制对应的本文所用到的台站记录的PGA不同方向的最大值。

从表2中可以看出，这2次地震不同的震源机制对应的PGA值有很大的差异。6.1级地震的PGA值在水平合成和垂直向上均大于6.0级地震，而且这种差别在PGA分布上(图4)也表现明显。

2结论和讨论

目前，对于地震的近场和远场的定义还不统一，不同学科理解不同。李新乐等[33]认为分析地震动衰减需要考虑地震的震级、断层距、场地特征和PGA的下限等因素。为讨论问题的方便，本文所述近场没有严格定义，只是考虑相对的远近。

本文研究的两对地震，各对地震的震源位置差别不大，PGA在近场存在的显著差异并不仅仅是上盘效应[14，33]，近于直立走向滑动断层两盘差异不大，沿断层近似对称分布。当断层为倾向滑动类型时，上盘才会加重破坏，尤其是汶川震区，逆冲断层PGA高值分布区域几乎集中在上盘。这种影响的细节分析需要更多震例总结。仅仅考虑构造(例如的板块边界的位置)是不完善的，或许结合震源机制分析更为重要。

表 2　汶川地震的PGA最大值

本文仅采用最为简单的方法，使用通用软件ArcGIS，利用现有的数据已经能够勾画出PGA分布的特征，得到受震源机制控制的例子。当然ShackMap方法更好[34]，但是需要在给定地区做大量基础工作，如考虑衰减、场地条件、台基条件的归算等问题。目前使用起来比较复杂，或许今后可以用来进行研究。从本文的研究结果看，即便是近场衰减其影响因素众多、非常复杂，并不能简单而论。

图5　2次地震的加速度反应谱 Fig.5　Acceleration response spectra of the two earthquakes

大地震速报不仅能提供时间、震级和震源位置，而震源位置表示的是初始破裂点，不一定是破坏最为严重的地方，如汶川地震。PGA值的大小及其高值区分布的面积[35]实际可以代表破坏的严重程度和区域范围，这对应急救援尤为重要。如何采用更简单、实用的方法，尽快提供有用的信息，是必须考虑的首要因素。

目前我国大陆在中等强度以上地震后可以很快得到震源机制(陈运泰院士小组，USGS网站)，也可以迅速给出一批余震定位的目录，据此可以判断震源机制的哪个节面是断层面。可以采用刘启方等[15]由震源模型计算PGA的理论分布，再用震中附近的强震动数据进行标定，迅速作出PGA的分布图形的方法，结合速度数字地震记录资料，通过实时仿真技术[37]，给出实际观测到的PGA、PGV、PGD等值线图，可以为应急救灾确定重灾区和有感范围提供帮助，并进一步作出灾情预估，提高应急救援的科学性和主动性,满足公众的知情权，避免社会恐慌，传播地震科学知识。

虽然本文给出的PGA图形稍显粗糙，主要原因是强震台站密度不足。我们也期待今后能够用更多的强震记录来研究这个问题。

另外，近场PGA分布复杂、倾向滑动地震频率低的现象值得注意，因为现代的建筑向大型化和高层化发展，自振周期趋于加大，更容易和低频地震波产生共振。

致谢：资料收集过程得到卞真付、毛国良、张素灵、郭训、解全才等人的帮助及审稿专家提出的宝贵修改意见，在此表示衷心的感谢。

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