基于简化纽马克位移模型的地震滑坡岩土体强度参数研究

李鑫; 迟明杰; 李小军

doi:10.11939/jass.20180026

基于简化纽马克位移模型的地震滑坡岩土体强度参数研究

中国北京100081中国地震局地球物理研究所

基金项目: 中央公益科研院所基本业务专项（DQJB15C07）、国家自然科学基金重点项目（51639006）和国家重点研发计划（2017YFC1500400）共同资助

详细信息

通讯作者:
迟明杰: e-mail：03115049@bjtu.edu.cn

中图分类号: P315.9
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出版历程
- 收稿日期: 2018-02-26
- 修回日期: 2018-04-07
- 网络出版日期: 2018-11-20
- 发布日期: 2018-10-31

Rock-soil strength parameters of earthquake-triggered landslides based on simplified Newmark displacement model

Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China

摘要

摘要: 本文以2008年汶川M_S8.0地震的烈度数据为基础，采用简化纽马克法对四川省青川县不同岩组的岩土体强度参数组合所对应的滑坡位移进行计算得到滑坡危险性等级图，并以计算得到的预测滑坡区与实际调查的滑坡数据的吻合度作为评价标准，对研究区内岩土体强度参数进行分析。分析结果表明，研究区大部分区域岩组的岩土体强度参数的合理取值区间与《工程岩体分级标准GB 50218—94》建议的参数取值范围基本一致，而本文在此基础上所确定的取值结果，在一定程度上可以提高地震滑坡危险性评估的精度。
- 地震滑坡 /
- 纽马克位移模型 /
- 岩土体强度参数 /
- 滑坡位移 /
- 青川县
Abstract: According to intensity data from the 2008 Wenchuan M_S8.0 earthquake, the simplified Newmark method was used to calculate the landslide displacement corresponding to the combination of rock-soil strength parameters of different rock groups in the Qingchuan county, Sichuan Province. Taking the goodness-of-fit between the actual and the predicted landslide data as the evaluation criteria, we analyzed the rock-soil strength parameters in the studied region. The results showed that the reasonable value ranges of rock-soil strength parameters of rock groups in most of the studied region were basically consistent with the ranges of recommended parameters of Standard for Engineering Classification of Rock Masses GB 50218—94. Referring to the parameters ranges determined in this paper, the evaluation accuracy of the earthquake landslide susceptibility level can be improved to some extent.
- earthquake-triggered landslides /
- Newmark displacement model /
- rock-soil strength parameters /
- landslide displacement /
- Qingchuan county

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根据美国地质调查局（United States Geological Survey，缩写为USGS）国家地震信息中心（National Earthquake Information Centre，缩写为NEIC）的测定，2021年2月13日14时7分50秒（UTC），日本本州以东发生了一次矩震级高达M_W7.2的地震，震中位于（37.745°N，141.749°E），震源深度为49.94 km，这是截至本文发稿时最终更新的定位结果，更新前为（37.686°N，141.992°E），震源深度为54.0 km。美国地质调查局（USGS，2021）和全球矩心矩张量组（GCMT，2021）随后发布了这次地震的矩心矩张量解（表1）。震后48小时内累计发生M＞2.5余震13次，其中最大的余震震级达到M_W5.3，主震和余震的深度分布在35—65 km之间。该事件所在区域曾于2011年3月11日发生过M_W9.1特大地震（Duputel et al，2012a）并引起破坏性海啸，相较于2011年M_W9.1事件，本次事件的位置更靠近西侧，发生在俯冲带较深的区域。

表 1 GCMT，USGS 和本研究所得日本本州东海岸M_W7.2地震矩心矩张量解

Table 1. The centroid moment tensor solutions for the M_W7.2 earthquake in the east coast of Honshu，Janpan，from GCMT，USGS and this study

机构	矩张量/（10¹⁹ N·m）						矩心参数
机构	M_rr	M_tt	M_pp	M_rt	M_rp	M_tp	τ_c/s	北纬/°	东经/°	矩心深度/km
GCMT （2021）	5.540	−0.647	−4.890	0.269	−1.760	−1.740	9.6	37.60	141.63	50.7
USGS （2021）（W震相）	4.557	−0.220	−4.337	0.724	−0.773	−1.550	13.2	37.63	141.88	60.5
USGS （2021）（体波）	5.964	−1.531	−4.434	0.313	−2.151	−1.156	−	37.75	141.72	50.6
本文	8.588	−0.147	−8.440	−0.217	−2.755	−1.000	12.0	37.65	141.45	50.0

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基于对该事件震级、噪声水平及空间分辨率的综合考虑，我们收集了震中距处于34.53°—89.92°范围内全球地震台网（Global Seismograph Network，缩写为GSN）和宽频带数字地震台网联盟（International Federation of Digital Seismograph Network，缩写为FDSN） 61个台站的宽频带垂直分量数据作为观测资料，采用AK135模型计算格林函数（Wang，1999）并截取P波数据，根据震级将滤波频带设定为0.01—0.05 Hz。与Kanamori和Rivera （2008）、Duputel等（2012b）以及先前的研究（张喆等，2020）相同，本文采用网格搜索的方法对矩心时空信息进行非线性反演，结果如图1所示。反演结果显示，矩心时间为12 s，矩心水平坐标为（37.65°N，141.45°E），矩心深度为50 km，其中双力偶成分占比接近100%。根据矩心矩张量解（表1，图2），我们也得到了相应的最佳双力偶解（表2）。图3展示了利用反演结果计算的合成波形与观测波形的比较，二者的整体相关系数达到0.93，二次误差为5.785×10⁻⁸，大多数台站的相关系数在0.90以上。

图 1 日本本州东海岸M_W7.2地震矩心矩张量解反演过程

（a）矩心时间τ_c搜索；（b）矩心水平空间搜索，黄色圆圈表示矩心水平坐标；（c）矩心深度h_c搜索；（d）矩心相对震中的位置，红色沙滩球表示矩心矩张量解，红色星形表示震中

Figure 1. Inversion process of the centroid moment tensor solution for the M_W7.2 earthquake in the east coast of Honshu，Japan

（a） Search for centroid time τ_c；（b） Search for the horizontal location of the centroid （yellow circle）；（c） Search for centroid depth h_c；（d） The centroid location （beach-ball） with respect to the instrumental epicenter （red hexagon）

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图 2 矩心矩张量反演参数以及台站分布与反演结果

Figure 2. The parameters of the centroid moment tensor inversion，the station distribution and the inversion results

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表 2 GCMT，USGS以及本研究得到的日本本州东海岸M_W7.2地震的最佳双力偶解

Table 2. The best double-couple solutions for the M_W7.2 earthquake in the east coast of Honshu，Japan，from USGS，GCMT and this study

机构	标量地震矩 /（10¹⁹ N·m）	双力偶成分占比	节面Ⅰ			节面Ⅱ
机构	标量地震矩 /（10¹⁹ N·m）	双力偶成分占比	走向/°	倾角/°	滑动角/°	走向/°	倾角/°	滑动角/°
GCMT （2021）	5.800	99%	192	53	80	28	38	103
USGS （2021）（W震相）	4.831	96%	187	49	74	30	43	107
USGS （2021）（体波）	5.903	61%	191	55	82	25	35	102
本文	9.008	100%	186	54	89	7	36	91

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图 3 观测数据与合成数据的比较

Figure 3. Comparison between the observed （blue） and synthetic （red） waveforms

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与USGS和GCMT的结果（图4）相比，本文反演所得矩心时间12 s介于二者之间，而矩心位置（37.65°N，141.45°E，深度50 km）要更偏向西侧。本文反演得到的标量地震矩达到9.008×10¹⁹ N·m，换算为矩震级约M_W7.24，高于其它机构（约M_W7.1）的结果。此外，本文反演得到矩张量解中双力偶成分占比接近100%，这个数值要略高于GCMT和USGS （W震相）的结果，明显高于USGS （体波）发布的结果。从最佳双力偶解所确定的断层面来看，本研究的走向和倾角与其它研究结果近似，滑动角上存在接近10°的差异。经反复测试我们认为滑动角、矩心位置与其它研究结果的差异与观测资料、滤波频带的不同以及参考震中（Preliminary Determination Epicenter，缩写为PDE）的变更相关。从本文反演得到的震源机制解来看这是一次纯逆冲事件。

图 4 2011年M_W9.1地震（灰色沙滩球）后M＞2.5事件以及本州东海岸M_W7.2地震的余震分布和各机构发布的该主震的矩心矩张量反演结果

Figure 4. The centroid moment tensor solutions （colored beach-balls） from various institutions and aftershocks of the M_W7.2 earthquake in east coast of Honshu as well as the M＞2.5 earthquakes since the 2011 M_W9.1 earthquake （gray beach-ball）

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本研究使用的数字波形数据均通过地震学联合研究会（Incorporated Research Institutions for Seismology，缩写为IRIS）数据中心获取，震源机制数据分别来自于全球矩心矩张量（GCMT）和美国地质调查局（USGS），余震数据来自于美国地质调查局（USGS），作者在此表示感谢！

图 1 青川县坚硬岩组不同岩土体强度参数滑坡危险性及实际滑坡点分布

Figure 1. Distribution of landslide hazard based on different shear-strength data and observed landslides of hard rock groups in Qingchuan county

（a） φ′＝32°，c′＝0.15；（b） φ′＝24°，c′＝0.14；（c） φ′＝24°，c′＝0.13

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图 2 青川县较硬岩组不同岩土体强度参数的滑坡危险性及实际滑坡点分布

Figure 2. Distribution of landslide hazards based on different shear-strength data and observed landslides of less hard rock groups in Qingchuan county

（a） φ′＝35°，c′＝0.1；（b） φ′＝23°，c′＝0.1；（c） φ′＝23°，c′＝0.09

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图 3 青川县较软组不同岩土体强度参数滑坡危险性及实际滑坡点分布

Figure 3. Distribution of landslide hazards based on different shear-strength data and observed landslides of less softrock groups in Qingchuan county

（a） φ′＝18°，c′＝0.11 ；（b） φ′＝26°，c′＝0.09；（c） φ′＝26°，c′＝0.08

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表 1 岩体结构面的抗剪断峰值强度

Table 1 The shear peak strength of rock-mass discontinuities

序号	两侧岩体的坚硬程度	结构面的结合程度	内摩擦角φ/°	黏聚力c/MPa
1	坚硬岩	好	＞37	＞0.22
2	坚硬—较坚硬岩	一般	37—29	0.22—0.12
	较软岩	好
3	坚硬—较坚硬岩	差	29—19	0.12—0.08
	较软岩-软岩	一般
4	较坚硬—较软岩	差-很差	19—13	0.08—0.05
	软质岩泥化面	差
5	较坚硬岩及全部软质岩	很差	＜13	＜0.05
	软质岩泥化层本身	很差

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表 2 岩体结构面强度参数折减组合

Table 2 Reduction combination of strength parameters of rock-mass discontinuities

折减系数	坚硬岩组		较硬岩组		较软岩组
折减系数	φ′	c′	φ′	c′	φ′	c′
0.95	＞35.15°	＞0.209	35.15°—27.55°	0.209—0.114	27.55°—18.05°	0.114—0.076
0.90	＞33.30°	＞0.198	33.30°—26.10°	0.198—0.108	26.10°—17.10°	0.108—0.072
0.85	＞31.45°	＞0.187	31.45°—24.65°	0.187—0.102	24.65°—16.15°	0.102—0.068
0.80	＞29.60°	＞0.176	29.60°—23.20°	0.176—0.096	23.20°—15.20°	0.096—0.064
0.75	＞27.75°	＞0.165	27.75°—21.75°	0.165—0.090	21.75°—14.25°	0.090—0.060
注：φ′为有效黏聚力；c′为有效内摩擦角，下同.

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表 3 青川县坚硬岩组岩土体强度参数的分析结果

Table 3 Analysis results of shear-strength parameters of hard rock groups in Qingchuan county

φ′	参数分析结果
φ′	c′＝0.19	c′＝0.17	c′＝0.15	c′＝0.14	c′＝0.13	c′＝0.12
36°	不合理	不合理	不合理	预测区偏小	合理	偏大
32°	不合理	不合理	不合理	预测区偏小	合理	不合理
28°	不合理	不合理	预测区偏小	合理	预测区偏大	不合理
26°	不合理	不合理	预测区偏小	合理	预测区偏大	不合理
24°	不合理	不合理	预测区偏小	合理	不合理	不合理

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表 4 青川县较硬岩组岩土体强度参数的分析结果

Table 4 Analysis results of shear-strength parameters of less hard rock groups in Qingchuan county

φ′	参数分析结果
φ′	c′＝0.2	c′＝0.14	c′＝0.11	c′＝0.1	c′＝0.09	c′＝0.08
35°	不合理	不合理	不合理	不合理	合理	偏大
32°	不合理	不合理	不合理	预测区偏小	合理	不合理
29°	不合理	不合理	不合理	预测区偏小	预测区偏大	不合理
26°	不合理	不合理	不合理	合理	预测区偏大	不合理
23°	不合理	不合理	不合理	合理	不合理	不合理
20°	不合理	不合理	不合理	合理	不合理	不合理

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表 5 青川县较软岩组岩土体强度参数的分析结果

Table 5 Analysis results of shear-strength parameters of less hard rock groups in Qingchuan county

φ′	参数分析结果
φ′	c′＝0.12	c′＝0.11	c′＝0.1	c′＝0.09	c′＝0.08	c′＝0.06
28°	不合理	不合理	预测区偏小	合理	不合理	不合理
26°	不合理	不合理	预测区偏小	合理	不合理	不合理
22°	不合理	不合理	合理	合理	不合理	不合理
21°	不合理	不合理	合理	预测区偏大	不合理	不合理
18°	不合理	预测区偏小	合理	不合理	不合理	不合理
14°	不合理	预测区偏小	预测区偏大	不合理	不合理	不合理

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