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科研工作
甘肅積石山6.2級(jí)地震——震后科技應(yīng)急工作簡(jiǎn)報(bào)
發(fā)布時(shí)間： 2023-12-22 點(diǎn)擊數(shù)量：128202023年12月18日23時(shí)59分，在甘肅省臨夏州積石山縣(北緯35.7度，東經(jīng)102.79度)發(fā)生6.2級(jí)地震，震源深度10公里。地震發(fā)生后，中國地震局工程力學(xué)研究所立即啟動(dòng)震后科技應(yīng)急處置預(yù)案，開展了地震動(dòng)特征、地震動(dòng)強(qiáng)度高形成機(jī)理和地震動(dòng)破壞機(jī)理研究，從三方面分析此次地震震級(jí)不高但地震災(zāi)害重的原因。
1.地震動(dòng)特征分析
工力所強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)中心共收集距震中100公里范圍內(nèi)57個(gè)實(shí)時(shí)強(qiáng)震儀和182個(gè)實(shí)時(shí)烈度儀的加速度觀測(cè)記錄。提取了記錄的峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）。圖1為臺(tái)站的水平向峰值加速度分布圖，其中烈度儀GS.N0028距震中12.3公里，峰值加速度高達(dá)1.1 g（g為重力加速度），遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度；計(jì)算的儀器地震烈度為9.2度，遠(yuǎn)大于烈度儀所在區(qū)域的抗震設(shè)防烈度。其余各站點(diǎn)加速度、速度記錄及反應(yīng)譜等數(shù)據(jù)分析圖表均可見中國地震局工程力學(xué)研究所 應(yīng)急產(chǎn)出：甘肅積石山6.2級(jí)地震（第2報(bào)） (iem.ac.cn)，供進(jìn)一步參考。
圖1 峰值加速度空間分布圖
對(duì)比分析了此次地震的地震動(dòng)參數(shù)（儀器地震烈度、峰值加速度PGA和峰值速度PGV）與我國2015版地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖地震動(dòng)衰減關(guān)系的估計(jì)值、2022年四川瀘定6.8級(jí)地震、2021年云南漾濞6.4級(jí)地震的地震動(dòng)參數(shù)差別（見圖2）。整體上，儀器地震烈度和峰值加速度明顯高于2015版地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中地震動(dòng)衰減關(guān)系的估計(jì)值；此次地震的地震動(dòng)與震級(jí)更大的瀘定6.8級(jí)地震的地震動(dòng)較為接近，明顯大于漾濞6.4級(jí)地震的地震動(dòng)。對(duì)比地震動(dòng)參數(shù)與美國NGA-West 2 衰減關(guān)系（見圖3），峰值加速度高于NGA-West 2衰減關(guān)系中位值，峰值速度與衰減關(guān)系中位值較為接近，表明此次地震地震動(dòng)的高頻能量顯著。
2.地震動(dòng)強(qiáng)度高形成機(jī)理初步分析
針對(duì)此次地震記錄呈現(xiàn)的高異常峰值，從震源機(jī)制分析其形成機(jī)理。以往研究和震害調(diào)查經(jīng)驗(yàn)表明，造成高異常峰值的主要原因包括：震源的高應(yīng)力降及特殊的地下介質(zhì)屬性。基于以往研究工作，我們分析了此次地震震源的應(yīng)力降。初步結(jié)果表明，此次地震震源區(qū)對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力降為90-150 bar左右（見圖4），高于全球歷史地震平均應(yīng)力降水平(30 bar),這與謝志南課題組前期估計(jì)蘆山主震逆沖型地震主破裂區(qū)平均應(yīng)力降水平(90-150 bar)大致相當(dāng)。因此，此次地震觀測(cè)到的高異常峰值現(xiàn)象，從震源的角度可以初步歸結(jié)為發(fā)震震源的高應(yīng)力降。
圖4 不同發(fā)震震源應(yīng)力降估計(jì)值對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)與模擬記錄譜加速度圖
進(jìn)一步，我們結(jié)合震源反演初步結(jié)果，采用USTClitho2.0公共波速結(jié)構(gòu)模型（見圖5）和確定性地震動(dòng)模擬技術(shù)，初步再現(xiàn)地震動(dòng)場(chǎng)的時(shí)空發(fā)育過程。我們采用了歷史統(tǒng)計(jì)得到的破裂時(shí)間過程函數(shù)，同時(shí)考慮了此次地震應(yīng)力降高的特性。圖6給出了模擬的水平向和豎向峰值速度空間分布。從模擬結(jié)果可以看出，盡管沒有考慮地表土體對(duì)地面運(yùn)動(dòng)速度的放大作用，模擬值偏低，但模擬結(jié)果與烈度儀實(shí)測(cè)峰值速度場(chǎng)大致吻合。為此，進(jìn)一步確定了發(fā)震震源的高應(yīng)力降是造成此次地震記錄高異常峰值普遍存在的主要原因。
圖5 區(qū)域介質(zhì)波速模型與有限元模型
圖6 模擬地震動(dòng)峰值速度場(chǎng)
3.地震動(dòng)破壞機(jī)理初步分析
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，大河家鎮(zhèn)、劉集鄉(xiāng)、石塬鎮(zhèn)、關(guān)家川鄉(xiāng)、吹麻灘鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)震害嚴(yán)重。對(duì)此，我們對(duì)以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)附近的強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行了分析。首先，由儀器烈度分布圖（如圖7）可知，上述鄉(xiāng)鎮(zhèn)均位于高儀器地震烈度區(qū)（見表1）。
圖7 臺(tái)站分布及儀器烈度等震線圖
其次，根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）中給定的設(shè)防水準(zhǔn)，劉集鄉(xiāng)基本設(shè)防烈度為7度，對(duì)應(yīng)的峰值加速度為0.1g。然而，劉集鄉(xiāng)附近的臺(tái)站GS.B002B加速度反應(yīng)譜遠(yuǎn)超9度罕遇地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（見圖8）。此次地震震中范圍農(nóng)居多為低矮建筑，基本周期大約0.1秒到0.5秒之間，恰好處于抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值平臺(tái)段，地震動(dòng)幅值大，短周期能量高，可能是導(dǎo)致積石山縣尤其震中附近大河家鎮(zhèn)、劉集鄉(xiāng)、柳溝鄉(xiāng)民居房屋倒塌破壞的主要原因。
圖8 GS.N002B臺(tái)站記錄的反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)譜對(duì)比圖
地震動(dòng)引起的慣性作用是造成房屋建筑破壞的主要原因，地震動(dòng)與震級(jí)大小密切相關(guān)，但并非震級(jí)小地震動(dòng)強(qiáng)度就小。地震動(dòng)強(qiáng)度還與震源機(jī)制、震中距、場(chǎng)地條件以及臺(tái)站的方位角等密切相關(guān)。積石山6.2級(jí)地震的地震動(dòng)強(qiáng)度比以往同震級(jí)要大，加之震中附近農(nóng)居抗震能力偏弱，導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的破壞。同時(shí)，此次地震具有典型的農(nóng)村地區(qū)“小震致災(zāi)、中震大災(zāi)、大震巨災(zāi)”的地震災(zāi)害特點(diǎn)。
