河北省文安縣51級地震烈度異常分析

河北省文安縣51級地震烈度異常分析

0張北的高烈度區(qū)2006年7月4日11時(shí)56分，河北省文安縣發(fā)生了5.1級地震，該地震震驚了京津等地，給社會帶來了巨大的影響。這是自1998年1月10日河北省張北六.2級地震以來最大的一次地震。該地震震中北面的烈度迅速衰減,產(chǎn)生大面積低烈度區(qū)。與此形成鮮明對比的是,在東北方向距震中100km左右的地區(qū),出現(xiàn)了北京、武清、塘沽3個(gè)烈度值接近震中的高烈度異常區(qū)。首都圈高烈度異常區(qū)的出現(xiàn)引起我們極大興趣,對此我們嘗試從震源機(jī)制、地震波射線路經(jīng)以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面做綜合分析,以給出較恰當(dāng)?shù)慕忉尅?首都圈強(qiáng)震區(qū)烈度速報(bào)系統(tǒng)首都圈數(shù)字強(qiáng)震臺網(wǎng)及其烈度速報(bào)系統(tǒng)是我國第一個(gè)烈度速報(bào)系統(tǒng),共有71個(gè)強(qiáng)震實(shí)時(shí)觀測臺站(圖1)。其目的是對首都圈地區(qū)(東經(jīng)114°～120°,北緯37.5°～41°)地震烈度在Ⅳ度以上的地震,可以在5～10分鐘內(nèi)給出受影響地區(qū)的城市和大多數(shù)縣鎮(zhèn)的地震烈度(地震動強(qiáng)度),直接為震害快速評估和大震應(yīng)急服務(wù)。同時(shí)所獲得的系統(tǒng)、全面的近場地面加速度記錄,可為震害評估和工程抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),為地震工程學(xué)和近場地震學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1。強(qiáng)震實(shí)時(shí)臺的主要儀器是SLJ-1003D型三分向力平衡加速度計(jì)和EDAS-C24/6型地震數(shù)據(jù)采集器。SLJ-1003D是中國地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的三分向一體安裝的加速度計(jì),其中包括目前最先進(jìn)的力平衡加速度擺。它采用電容換能器和力平衡反饋系統(tǒng),儀器零點(diǎn)穩(wěn)定,線性度好,動態(tài)范圍大,在DC～80Hz的頻帶范圍內(nèi)提供靈敏度為2.5V/g的加速度平坦輸出。其儀器的分辨率優(yōu)于16位,記錄頻段0～50Hz。就單臺而言,記錄范圍為1.0cm/s2～2g;就臺網(wǎng)而言,對網(wǎng)內(nèi)發(fā)生的3～8級地震,都能取得強(qiáng)震數(shù)據(jù)。臺站實(shí)時(shí)傳輸50點(diǎn)/秒的連續(xù)波形和200點(diǎn)/秒的事件波形到強(qiáng)震觀測中心,傳輸方式有兩種:其中19個(gè)臺站信號為衛(wèi)星傳輸,52個(gè)臺站為DDN專線傳輸。首都圈強(qiáng)震觀測臺網(wǎng)中心通過實(shí)時(shí)傳輸?shù)?0點(diǎn)/秒連續(xù)波形數(shù)據(jù),在地震發(fā)生后很短的時(shí)間內(nèi)確定單臺烈度和繪出烈度等值線圖,用于大震應(yīng)急和震害快速評估,并回傳200點(diǎn)/秒高采樣率的事件波形,用于地震工程學(xué)和近場地震學(xué)研究。首都圈的烈度速報(bào)使用了國內(nèi)比較有影響的兩種方法:中國地震局工程力學(xué)研究所的袁一凡教授提出的基于模糊判定的經(jīng)驗(yàn)法和天津地震局的李大華研究員提出的雙參數(shù)判定法。模糊判定方法是通過統(tǒng)計(jì)得到一個(gè)場地的烈度與水平加速度峰值、卓越頻率、持時(shí)和卓越頻率為1、2、5、8Hz的反應(yīng)譜值等7個(gè)物理量的依賴關(guān)系,最后運(yùn)用模糊判定原理得到一個(gè)烈度值。持時(shí)的起始點(diǎn)取為第一個(gè)到達(dá)20%峰值加速度的點(diǎn),結(jié)束點(diǎn)取為最后一個(gè)到達(dá)20%峰值加速度的點(diǎn),卓越頻率取最大傅氏譜值所對應(yīng)的頻率,再由以上7個(gè)參數(shù)計(jì)算出烈度值2。雙參數(shù)判定法是根據(jù)烈度和加速度、速度峰值的統(tǒng)計(jì)關(guān)系提出的“雙參數(shù)模型”計(jì)算烈度,該方法的顯著特點(diǎn)是計(jì)算速度快。首都圈烈度速報(bào)系統(tǒng)自2001年底建成后即進(jìn)入試運(yùn)行,2003年10月正式運(yùn)行。日常運(yùn)行基本穩(wěn)定,曾多次成功地對首都圈及周邊地區(qū)的較大地震進(jìn)行了烈度速報(bào),無一失漏或誤報(bào)。例如2002年8月3日懷來地震(ML4.1)、2003年4月23、24日河北寧河4.1級地震、2003年12月11日天津塘沽ML4.1地震、2004年1月20日河北昌黎ML4.5地震(后改為ML4.7)、以及2004年3月13日唐山ML3.9地震等。2震前震度對比分析2006年7月4日首都圈數(shù)字強(qiáng)震臺網(wǎng)記錄到11時(shí)56分河北文安5.1級地震加速度波形。在北京天壇臺記錄到最大加速度峰值是28.7gal(EW),中關(guān)村臺記錄到的為21.0gal(NS)(任志林,2006),而震中距小很多的永清臺和榆垡臺記錄到的最大加速度峰值是11.2gal(UD)和9.6gal(UD)。天津北部的武清臺和河北屯臺的最大加速度峰值為14.0gal(EW)和21.9gal(NS),震中距較近的赤土臺和大直沽臺是9.1gal(EW)和5.7gal(NS)。天津東南部的唐家河臺和北塘臺最大加速度峰值分別為36.7gal(NS)和30.0gal(EW),震中距相對較小的東臺臺為13.7gal(NS)。為便于比較,表1給出了以上臺站的三分向加速度峰值,圖2為首都圈地區(qū)一個(gè)水平分向(NS)加速度峰值等值線圖。地震發(fā)生后,中國地震臺網(wǎng)中心運(yùn)用首都圈數(shù)字強(qiáng)震臺網(wǎng)及其烈度速報(bào)系統(tǒng)快速處理并得到了該地震的烈度等震線圖(圖3)。圖件采用距離權(quán)重倒數(shù)算法產(chǎn)生分色柵格的填充,由于部分點(diǎn)的數(shù)值誤差和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量的原因,導(dǎo)致局部區(qū)域表達(dá)內(nèi)容與客觀實(shí)際存在些許差別,但是不會影響整體判讀的正確性。地震宏觀調(diào)查的結(jié)果是有感范圍大、震中烈度低(刁桂苓等,2006;修濟(jì)剛等,2006)。震后調(diào)研結(jié)果表明:震中北部的京、津地區(qū)明顯有感,止于承德、張家口,南部可達(dá)濮陽、鶴壁,西部達(dá)太原,東部至淄博。自震中向北影響范圍為250～300km,向南影響范圍為350～380km,接近于扁橢圓形,長軸方向NNE-SSW。向北衰減快,向南衰減慢。文安地震僅在震中的東北方向出現(xiàn)輕微破壞現(xiàn)象,建筑物可見微細(xì)裂縫,沒有器物傾倒,房頂煙囪上擺放的磚瓦也沒有跌落,烈度為V度。與其它同等地震相比,該震烈度低、震害輕(劉愛文等,2006;任志林等,2006)。綜合中國地震臺網(wǎng)中心的文安地震烈度等震線圖和現(xiàn)場宏觀調(diào)查結(jié)果,對此次地震的烈度分布可以得到如下認(rèn)識:(1)微觀震中與宏觀震中不重合;(2)宏觀震中烈度為V度,與其它同等地震相比,烈度低、震害輕;(3)有感范圍較大,震中南部烈度高于北部,南部衰減慢,北部衰減快;(4)首都圈地區(qū)存在3個(gè)(北京、武清、塘沽)Ⅳ度的高烈度異常區(qū)。3地震地質(zhì)條件文安地震使首都圈地區(qū)同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)高烈度異常區(qū)肯定是多方面原因的綜合結(jié)果,我們初步分析認(rèn)為可能的基本因素為:(1)震源機(jī)制的分析結(jié)果(刁桂苓等,2006;楊建思等,2006)表明,震源斷層面為正斷兼走滑型斷層。震源斷層的東盤是主動盤,西盤可能沒有移動。當(dāng)然這次錯(cuò)動的震源斷層面沒有通達(dá)地表,而是位于地殼的深部,并且沿SSW向斜下方下插。對于地表只是向下的拉動,相應(yīng)地降低了對地表的破壞;由于幾何不相容性,斷層的錯(cuò)動對于地殼深部SSW方向的推擠加大了SSW方向能量的分配,使地震波能夠傳播更遠(yuǎn),使有感范圍擴(kuò)大。又由于北部衰減快,南部衰減慢,造成了北部大面積的低烈度區(qū),使首都圈出現(xiàn)3個(gè)高烈度異常區(qū)。(2)地震波(特別是體波)在地殼內(nèi)部傳播時(shí)隨距離衰減的系數(shù)極小,震中距30km、50km、100km對體波而言,其影響并不大(趙永等,2001);但是3個(gè)烈度異常區(qū)距震中都是100km左右,屬于莫霍界面反射波最強(qiáng)烈的地區(qū),反射波P11和S11的幅度是直達(dá)波2倍以上。這次文安地震震源深度相對較深,達(dá)19km,使得體波在花崗巖下層傳播衰減更慢,同時(shí)使得地震波初射角更大,反射波也更強(qiáng)(圖4)。(3)北京地區(qū)位于華北裂陷盆地的北緣,是典型的盆-嶺式構(gòu)造(王若柏等,1994);武清位于華北裂陷盆地(圖5)的冀中拗陷內(nèi);塘沽位于華北裂陷盆地的黃驊拗陷北端(嘉世旭等,2005)。這些地區(qū)的高烈度異常都存在顯著的盆地場地效應(yīng)因素。有模型研究表明(謝小碧,1999)分層模型得到的最大振幅比半空間模型的結(jié)果約高40%,對于盆地模型,盆地之外的振幅與半空間模型相近,盆地之內(nèi)的振幅與分層模型接近,而在盆地邊緣振幅較大,約比半空間模型高60%～70%。4京津地區(qū)高烈度異常區(qū)成因分析(1)文安地震震源斷層面為正斷兼走滑類型,造成文安北部大面積的低烈度區(qū)。由于處于莫霍界面反射波最強(qiáng)烈的地區(qū),加之顯著的盆地場地效應(yīng)等因素的綜合作用是此次文安地震在首都圈地區(qū)產(chǎn)生3個(gè)高烈度異常區(qū)的基本原因。(2)一般認(rèn)為造成烈度異常的原因更多的是場地條件,場地條件主要包括場