基于余震序列的地震烈度快速评估方法研究——以青海门源6.9级地震为例

赵怀群, 何少林, 陈文凯, 司宏俊, 尹欣欣, 张 灿

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000;2. 东京大学地震研究所, 日本 东京 163-8001)

0 引言

北京时间2022年1月8日1时45分,青海省海北藏族自治州门源回族自治县(37.77° N,101.26° E)发生6.9级(MW6.6)地震,震源深度10 km。地震发生后,青海、甘肃两省应急部门迅速开展应急响应工作。各级政府和应急管理部门对灾情信息具有迫切需求,要求有关部门能在最短时间内研判灾情,辅助决策者做出科学决策并实施行动。破坏性地震发生后的72小时被认为是应急救援的黄金时段,而震后数小时,特别是0～2小时是获取灾情信息的“黑箱期”,这一时间内主要通过地震台网和互联网收集灾情数据并作简要分析[1]。

地震烈度反映了地震引起的地面震动及其影响的强弱程度[2],因此,地震烈度快速评估图是部署应急工作的重要依据。目前,已有的地震应急指挥决策系统将烈度初步评估图作为重要产出。地震烈度经验模型成为国内研究热点,我国使用最多的是基于震中距的烈度衰减关系,该模型在7.0级以上的大地震中得到的重灾区与实际结果差异较大,并且容易受到区域和震例的影响[3-5]。针对国内地震烈度研究重点关注震中距模型,而断层距模型应用和研究相对较少的现状,陈文凯等[6-7]引入了基于日本地区强震动观测数据拟合得到的地震动衰减模型,并与震源破裂过程结合,提出了利用反投影能量点和最短断层距地震动衰减关系快速获得地震烈度的技术思路,该方法在2021年青海玛多7.4级地震中得到了验证,为应急工作提供了有效的数据支撑。张灿等[8]将最短断层距地震动衰减模型结果应用到地震灾害情景模拟中,进一步验证了该模型在中国历史地震烈度评估中的适用性。

地震发生后,地震观测台站可以记录大量余震信息,余震数据在地震重灾区判定中得到了较多应用。AI技术的发展大大提高了拾取余震的数据量和精度,余震分布和重新定位的主震使我们能够洞察主要发震断层和次级断层的复杂结构[9-10]。余震的空间分布似乎总表现出沿主震断层分布的趋势,Kisslinger等[11-12]认为主震发生后短时间内的余震发生在主震破裂面上,其分布可以反映主震破裂面的基本特征。科学界广泛认为主震引起的应力变化导致了余震的发生。Mendoza等[13]的研究指出余震的空间分布既反映了同震最大位移区外围滑动的延续,也反映了主震破裂边界附近次级断层的活化。Yin等[14]对2008年汶川地震中余震演化和分布的研究也表明主震发生后触发了余震,早期余震主要分布在主震滑动边界以下或周围区域,并且断层的几何形状通常限制了前24小时内的早期余震的发生。Neo等[15]的研究表明余震区的面积是主震破裂区一个很好的一级近似,余震的空间分布代表了主震破裂和持续震后滑移的应力释放,早期余震也通常小于整个地震持续时间内的余震比,余震倾向于集中在主震破裂的边界附近。Ozawa等[16]在对复杂断层带主震和余震序列模拟中发现非常早期的余震是主震破裂程度的一个很好的指标,根据约束良好的余震位置来估计主震断层面的长度是合理的。

尽管余震可能是由主震破裂后引起的次级断层应力变化导致,但大多数沿断层两侧展布的余震分布在主断层轨迹的1～1.5 km范围内[17]。前文所述研究中对早期余震的时间界定比较模糊,本文将早期余震的时间限制在震后0～2 h内,并认为该时间段内的余震序列可以粗略刻画出主震破裂的大致趋势,用其代替地表破裂数据,通过最短断层距地震动衰减模型计算的烈度结果可以满足震后“黑箱期”灾情信息服务需求。我们在此次青海门源6.9级地震应急响应阶段,使用该方法进行了地震烈度初步评估,并对结果进行了验证分析。

1 灾区概况与数据获取

此次地震震中所在的门源回族自治县(下称门源县)位于青海省东北部,地处祁连山系东端,地形复杂,该区域地震频发。2016年门源县发生6.4级地震,已有研究认为2016年的地震对本次地震发生具有一定的促进作用[18]。门源县与甘肃省张掖市、武威市相接,是中国“一带一路”建设中联通东西、沟通南北的重要区域,地震对河西走廊范围内的交通和“西气东输”等工程设施造成了比较严重的影响,“丝绸之路经济带”沿线区域中强地震高发,需要高度关注这一区域的地震安全,地震发生后能够迅速准确判断灾情、进行应急响应意义重大。

我们获取了甘肃省地震台网记录的门源县6.9级地震后2 h内的余震信息,并将这些数据用于地震烈度初步评估,余震空间分布如图1所示。

2 研究方法

2.1 最短断层距模型

本文采用的基于最短断层距的地震动衰减模型综合考虑了地震震级、断层种类和场地特性三个因素[19],是司宏俊等[6,20]由日本强震动观测数据拟合得到的距离衰减式,该模型形式简单、参数较少、方便计算,经历史震例和实际地震应急工作检验,适用于中国西部地区中强地震的烈度评估。计算时,根据Wells震级与破裂长度经验公式获取研究区范围,然后格网化研究区域,输入地表破裂数据后,判断与格网中心距离最近的地表破裂点,以此计算各中心点的地震动参数。在此次地震烈度初步评估中,我们以主震发生后2 h内的余震数据代替了实际地表破裂数据或反投影得到的能量点。模型如下:

(1)

(2)

lgPGA=0.50MW+0.004 3D-lg(R+0.005 5×

10(0.5MW))-0.003R+0.61

(3)

lgPGV=0.58MW+0.003 8D-lg(R+0.002 8×

10(0.5MW))-0.002R-1.29

(4)

lgAMP=1.83-0.66lgvS30

(5)

PGVvS30=AMP·PGV

(6)

其中空间格网中心点的坐标为(x1,y1)，余震坐标为(x2,y2)；h为覆盖土层的厚度(km)，取值为1；Rn为震源距离，R为断层最短距离(km)；PGA为地震峰值加速度(cm/s2)、PGV为地震峰值速度(cm/s)，MW为门源地震矩震级，取值为6.6；D为震源深度(km)，取值为10；AMP为地形放大系数，vS30为地表下30 m深度范围内的等效剪切波速。

2.2 基于最短断层距模型烈度评估方法的探索

目前,我们已经构建了以最短断层距地震动衰减关系为核心的地震烈度评估体系,实现了根据实地调研的地表破裂数据和远场地震台网反投影获得的能量点快速估计地震动范围。在2021年青海玛多7.4级地震、海地7.3级地震、墨西哥7.1级地震等国内外破坏性大地震的烈度评估中,使用该方法体系均得到了比较准确的烈度结果,为国内外地震应急工作提供了科学的数据参考(1)陈文凯和卓明的个人通讯,如图2中所展示的青海玛多7.4级地震烈度评估结果。

图2 基于断层距的地震动衰减模型的烈度评估方法体系Fig.2 Intensity assessment method system using the fault distance-based ground motion attenuation model

实地调研的地表破裂数据往往要在地震发生后几天内获得,不能满足地震“黑箱期”内对烈度结果的需求。因此地震应急阶段主要采用反投影技术得到震源破裂结果[21-23]或地表破裂经验公式计算的破裂长度进行烈度评估,反投影采用的数据主要来自欧洲地震台网或其他国家台网实时观测数据。为丰富现有的方法体系,探究近场台网数据在地震应急工作中的应用,我们拟使用余震数据对门源6.9级地震烈度进行初步评估(如图2中红色框所示)。

3 结果分析

3.1 不同时段余震评估的烈度结果

我们使用门源6.9级地震震后2 h内的余震代替地表破裂数据,以0.5 h为间隔计算了四个时段内的烈度分布。如图3所示,用于对比的等震线来源于应急管理部中国地震局发布的地震烈度图,烈度评估结果与实地调研后绘制的等震线总体较吻合,可以初步判断重灾区分布。

图3 不同时段余震计算结果(地理底图来源于全国地理信息资源目录服务系统,网址www.webmap.cn)Fig.3 Aftershock calculation results for different time periods

计算结果显示四个时段内各烈度范围动态增大,震后0.5 h内余震计算结果显示震中附近存在范围较小的Ⅸ度区,各烈度区范围均小于实际调研的烈度范围;震后1 h内余震计算的Ⅸ度区范围扩大,长度基本与已发布的等震线Ⅸ度区域一致;震后1.5 h内余震数目增多,并向主震断裂两侧展布,但主要集中于震中附近,Ⅸ度区域的计算值与等震线较一致,Ⅷ度区范围扩大,但未超过调研结果的Ⅷ度范围;2 h内余震计算的烈度较1.5 h内余震计算结果未发生明显变化,Ⅸ度区发生微小改变,此时余震慢慢向主震破裂及其周围区域填充。

在处理余震数据过程中,我们发现此次地震0.5 h以后已经有零星的余震在距离震中非常远的地点出现,见图1中主震下方分布较远的余震,其明显偏离主震断层,应为主震发生后导致次级断层的应力变化所致。我们将此类明显远离震中余震簇集区域的零星余震视为“噪声”,并在评估地震烈度时予以排除,否则,烈度评估结果会出现明显的偏差。

3.2 基于余震的烈度评估结果检验

(1) 烈度变化趋势

沿地表破裂线方向绘制模型计算结果和实地调研烈度的剖面线,如图4(b)所示,剖面线展示了模型结果和实地调研烈度的变化趋势。对于2022年门源6.9级地震,基于余震的烈度评估结果与实地调研结果总体变化趋势一致,当实地调研的烈度值大于6时,模型结果与实调烈度的分布范围比较相似,高烈度区域的范围变化更相似,并且模型计算结果的范围小于实调烈度的范围。在烈度评定工作中会综合考虑震灾现象和区域社会经济等因素,导致绘制的烈度图与模型计算结果存在偏差,这种现象是合理的,说明基于余震的烈度评估方法对于本次地震是适用的,并且该模型结果对于重灾区的判定具有非常高的参考价值。

图4 地震烈度剖面图Fig.4 Seismic intensity profile

(2) 仪器烈度检验

2022年青海门源6.9级地震发生后,青海、甘肃两省位于震中附近的强震动台站记录到了此次地震的强震动数据,并生成了仪器烈度分布图。本文从中国地震局工程力学研究所获取了其中78个台站的仪器烈度结果,与模型预测结果的图层进行叠加。如图5(a)所示,仪器烈度值与模型结果总体相似,即使个别台站测定烈度与计算烈度不一致,其也在模型计算结果因受场地效应影响而向外延伸的方向上,如图5(a)中西北方向2个烈度值为7的台站分布在模型Ⅶ度区向外突出的方向上,可以猜测该处的仪器烈度分布异常主要是由场地效应导致。

图5 仪器烈度检验Fig.5 Instrument intensity test

本文按已发布的等震线范围对仪器进行分类,共分为Ⅷ度以上、Ⅶ度以上、Ⅵ度以上烈度区内的台站,以及全部的台站,统计了各台站位置处的实测值和模型预测值,计算了它们之间的RMSE和R2,结果如图5(b)所示。RMSE又称标准误差,用来衡量模型预测值与实测值之间的偏差,值越小表示模型预测越精确;R2也称决定系数,是反映模型拟合优度的重要统计量,其值越大表示模型预测越准确。针对此次门源6.9级地震台站实测与模型预测的结果,RMSE和R2反映了该模型在判定重灾区中具有较高的准确性,随着与震中位置距离的扩大,模型预测的烈度值精度下降,说明利用早期余震序列与司宏俊版地震动衰减关系预测的地震烈度可以用于判断重灾区范围,为震后“黑箱期”内的应急工作提供相对精确的数据支持。

3.3 基于精定位余震的烈度评估

采用双差精定位方法得到余震序列常用于研究发震断层的结构和性质,重定位后的余震空间分布更紧凑、大致沿断层分布,展示了地震序列的动态触发过程。本文使用了根据HypoDD双差算法得到的相对定位余震序列,利用基于最短断层距离的地震动衰减模型计算的烈度结果如图6所示,精定位余震评估的烈度分布与常规余震评估结果总体相差不大,但是精定位余震得到的高烈度区域更紧凑,2 h内精定位余震计算的Ⅸ度区范围更接近实地调研结果,有助于更准确地判定重灾区分布,并省略了筛选“噪声”余震的步骤。

图6 精定位余震计算结果Fig.6 Calculation results of relocated aftershocks

此外,精定位方法影响了烈度评估的准确性,本文使用的精定位余震计算的Ⅸ度烈度范围较实调结果明显向下方偏移。在烈度评估过程中,我们还使用了其他精定位方法得到的余震序列,获取的烈度分布则相对适中。因此,需要提高余震定位的精度,选择更合适的精定位方法。

4 结论与讨论

本文利用早期余震序列对2022年青海门源6.9级地震烈度进行初步评估,是对以基于最短断层距的地震动衰减模型为核心的地震烈度评估方法体系的完善。中强地震发生后数小时内的“黑箱期”,灾区数据较少,主要依靠经验模型评估受灾情况。本文尝试将震后2 h内的余震序列代替地表破裂数据,利用地震动衰减模型评估青海门源6.9级地震的烈度分布,发现模型评估结果比较符合实地调研结果,并且高烈度区域的预测结果比低烈度区域的预测结果更精确。该方法对此次地震是适用的,可以辅助判定地震重灾区的分布。

常规发布的余震序列数据量小,且非常分散,在使用基于最短断层距离的地震动衰减模型前需要剔除“噪声”余震,使用此类余震序列计算得到的高烈度范围通常较大。精定位的余震序列空间分布更紧凑,大致沿断层分布,使用精定位余震得到的烈度分布范围也更精确,但该方法受到余震精定位方法和精度的限制,需要选择合适的精定位技术。

依据陈文凯等[6]的研究和已积累的震例计算结果,本文所用方法可能适用于MW≥6.5、有明显地表破裂,且破裂形式简单清晰的地震。余震的触发机制复杂,将时间限制在震后2 h内是为了获得能大致刻画主震破裂特征的余震序列,避免引入过多分布较远的“噪声”,但当出现地震发生机制复杂、有共轭断层、地震震级较小或无明显的地表破裂等情况时,本文所用的方法可能并不适用。在未来的工作中我们将利用全球中强地震震例进行规律性探索,找到利用极早期余震评估地震烈度的适用条件和规律。

致谢:感谢中国地震局工程力学研究所为本研究提供数据支持。