1999年台湾集集MW7.6地震跨断层场地相对运动

徐龙军, 吕淼, 张恒, 于越, 谢礼立

徐龙军,吕淼,张恒,于越,谢礼立. 2024. 1999年台湾集集MW7.6地震跨断层场地相对运动. 地震学报,46(3):425−441. DOI: 10.11939/jass.20220170
引用本文: 徐龙军,吕淼,张恒,于越,谢礼立. 2024. 1999年台湾集集MW7.6地震跨断层场地相对运动. 地震学报,46(3):425−441. DOI: 10.11939/jass.20220170
Xu L J,Lü M,Zhang H,Yu Y,Xie L L. 2024. Relative motions between cross-fault sites resultd from the 1999 MW7.6 Taiwan Chi-Chi earthquake. Acta Seismologica Sinica46(3):425−441. DOI: 10.11939/jass.20220170
Citation: Xu L J,Lü M,Zhang H,Yu Y,Xie L L. 2024. Relative motions between cross-fault sites resultd from the 1999 MW7.6 Taiwan Chi-Chi earthquake. Acta Seismologica Sinica46(3):425−441. DOI: 10.11939/jass.20220170

1999年台湾集集MW7.6地震跨断层场地相对运动

基金项目: 国家自然科学基金委员会-中国地震局地震科学联合基金(U2139207)和湖北省自然科学基金(创新群体)重点项目(2023AFA030)共同资助
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    通讯作者:

    徐龙军,博士,教授,主要从事防灾减灾工程方面的研究,e-mail:jhxulongjun@163.com

  • 中图分类号: P315.8

Relative motions between cross-fault sites resultd from the 1999 MW7.6 Taiwan Chi-Chi earthquake

  • 摘要:

    为了获得近断层地震动准确的残余位移信息,提出了一种变步长网格搜索地震动基线校正方法。首先基于1999年我国台湾MW7.6集集地震强震动数据,探讨了近断层地震动的位移特征,然后通过地震动时程初始时刻的校正获得了集集地震多组上、下盘台站之间的相对运动时程数据,分析了分别靠近断层上、下盘场地之间相对运动的位移时程特征。结果显示:近断层地震动的滑冲效应显著,断层的平均滑冲速度可高达1.4 m/s;断层两盘间的相对运动类似于近断层地震动的运动特征,且幅值更大;近断层的残余位移约是断层两盘间最大相对位移的80%.

    Abstract:

    In order to obtain more accurate residual displacement information generated by near-fault ground motion, this paper proposed a variable step-grid search method for ground motion baseline correction. The core of this method lies in preserving and accurately reflecting the residual displacement information of faults, and solving the problem of extremely low computational efficiency in traditional grid search methods when there are many digital seismic sampling points. Based on the strong ground motion data of the 1999 MW7.6 Chi-Chi earthquake in Taiwan region, this paper uses the variable step-grid search method for ground motion baseline correction to conduct in-depth research on the ground motion displacement characteristics near faults. By accurately correcting the initial moment of ground motion time history, this study successfully obtained relative ground motion time history data between multiple sets of the hanging and foot wall stations in the Chi-Chi earthquake. And based on this data, the displacement time history characteristics of the relative motion between the hanging and foot wall sites near the fault were analyzed. The research results indicate that the fling-step effect of ground motion is particularly significant in the Chi-Chi earthquake. The maximum displacement and residual displacement of near fault ground motion exceed 8 m and 6 m, respectively, and the average sliding velocity of the fault is as high as 1.4 m/s, fully demonstrating the strong destructive force of the earthquake. This poses challenges to the numerical simulation of fault rupture and related experimental researches. In addition, the relative motion between fault walls also exhibits similar motion characteristics to near fault ground motion, and its amplitude is larger. Therefore, the relative motion data between earthquake fault walls can refer to the time history of near fault ground motion as the input basis for engineering design and analysis. In addition, the residual displacement of the fault is about 80% of the maximum relative displacement between the fault walls. This study provides important information on residual displacement of fault ground motion, which is of great significance to the researches on fields such as earthquake engineering, earthquake warning, and disaster assessment.

  • 破坏性地震发生后可以通过多种途径第一时间了解前方灾情,例如地震工作者的海事卫星电话和通讯网络系统等均能起到确认或矫正地震灾害损失情况的作用,但这些在信息的及时性、 信息源的空间均匀性和可信度的一致性等方面,尚不能取代目前基于经验性烈度点椭圆衰减模型和宏观地震易损性的应急灾害损失快速评估方法. 另外,随着我国重点监视防御区内强震动观测台网的不断加密,所观测到的强震动记录也在试验性地转化为仪器烈度数据,日后还将建成覆盖全国乡镇的烈度速报台网. 如何将这些台网基础数据与应急灾害损失快速评估接轨,显然会成为一个具有极大应用价值的研究方向.

    由于地震发生后需要在尽可能短的时间内完成地震生命损失的快速评估,因此国内外研究人员针对基于震级和烈度的生命损失快速评估方法开展了深入的研究. Jaiswal和Wald(2010)对全球的地震案例进行了研究,采用最优化方法得到了国家尺度的烈度与人员死亡率之间的关系,但其并未针对具体地区作深入研究. Samardjieva等基于1990年以来的全球地震案例,建立了全球尺度下的地震人员死亡数与震级、 人口密度的经验公式(Christoskov,Samardjieva,1984Samardjieva,Oike,1992Samardjieva,Badal,2002). 施伟华等(2012)基于1992—2010年云南地区历次破坏性地震人员伤亡统计资料,得到了云南地区震级、 烈度与人员死亡人数的统计拟合曲线和关系式. 王晓青等(2009)根据1989—2004年发生的157次破坏性地震,提取了不同烈度区域内的人口、 国内生产总值(gross domestic product,简写为GDP)和人员死亡数等数据,并以人均GDP为划分标准得到了生命损失率与烈度的经验公式. 李晓杰等(2012)利用美国地质勘探局发布的全球地震快速评估系统中的地震人员损失回归模型,以我国1970—2008年的128个地震现场灾害调查记录为依据,建立了适用于我国不同区域的地震人员损失回归关系式. 上述国内外研究人员所采用的地震生命损失评估方法各有特色,但多数方法都是依据各地区有限的历史地震灾害数据统计回归而来,其数据精确度的欠缺将会直接影响地震生命损失评估的准确性. 此外,在运用与烈度相关的人员损失评估模型进行震后人员伤亡快速评估的过程中,对地震烈度的选取大多依赖于已有的经验性地震动衰减关系,而选取不同的地震动衰减关系也会使评估结果产生较大差异.

    鉴于此,本文拟根据破坏性地震发生后快速获取的观测台站强震动记录直接计算仪器烈度概率密度,并将其与生命损失函数相结合,以寻求一种强震发生后能够快速评估地震人员伤亡率的新方法. 首先,参照已有的地震灾害损失快速评估模型,建立大震仪器烈度速报与生命损失函数之间的关系; 然后,讨论确定仪器烈度的概率密度和乡镇级生命损失函数; 最后,通过实例验证生命损失评估结果的可信度.

    王晓青等(2003)的研究表明,对于确定的速报地震震中,实际宏观震中的位置可假设为满足一定概率模型的随机变量,由此建立了考虑地震速报参数不确定性的地震灾害损失综合评估模型. 本文吸收该模型公式的表达形式,建立了生命损失快速评估模型,其表达式为

    (1)

    式中: L为待评估的某一地区的地震生命损失; g(x,y)为以地震速报震中为参照的实际宏观震中位置的二维正态分布概率密度函数; 对既定的震中位置,按经验性的地震动点椭圆衰减关系可以计算出地震灾区某点D(x,y)的烈度,该烈度即为一个以i(xDyD)为均值、 σ为标准差的正态分布随机变量(σ来自地震动点椭圆衰减关系),记为f[Ii(xD,yD),σ]; R(I)为地震灾区某一地区与烈度相关的地震生命损失函数.

    当破坏性地震发生后,强震动台网能够快速地获取强震动台站所在地D(x,y)的实测强震动记录,即D点所受到的地震动强度是确定的,则此时地震所造成的生命损失可表示为

    (2)

    式中,f(IμSσS)为仪器烈度的概率密度函数,是一个均值为μS、 标准差为σS 的正态分布随机变量.

    地震烈度是一个模糊变量,即使在实际现场考察烈度评估工作中,高一点低一点都是可能的,更何况是地震后迅速开展的地震仪器烈度速报. 因此,通常所说的仪器烈度是这个模糊变量的均值,可用概率分布的形式来表示. 该分布的标准差需考虑以下两方面的来源:

    1) 对于现有的仪器烈度算法,在建立地震烈度与地震动参数之间统计关系时所得到的每一个样本仪器烈度与地震烈度都是有差别的,这些差值的平均值是否接近于零即为评价该仪器烈度算法可靠性的重要指标. 在此前提下,这些差值的标准差就具有了应用意义,即仪器烈度算法建模时产生的标准差.

    2) 震后可根据现有的仪器烈度算法得到仪器烈度散点分布图; 再按照适用于灾区的地震动衰减模型,可得到一个对应于当前地震的仪器烈度场分布图,同时得到一个对应于当前地震的仪器烈度分布与实际地震烈度分布的标准差.

    袁一凡(1998)提出了基于模糊变量隶属函数来综合判定测点位置处烈度值的地震烈度模糊判别算法,该算法被简称为袁一凡仪器烈度算法,其综合利用了地震动三要素(峰值加速度、 卓越频率和20%相对持时)以及4个周期点(8,5,2和1 Hz)的反应谱值,通过模式识别方法建立了基于模糊数学的计算模型. 袁一凡仪器烈度算法在倒数第二步给出了仪器烈度隶属于各烈度等级的隶属函数,归一化后即为主观概率分布. 受此启发,本文参考袁一凡仪器烈度算法中仪器烈度隶属函数的表达方式,以得到仪器烈度的概率密度分布. 李敏(2010)关于地震动参数与烈度关系的相关研究表明,由不同周期地震动加速度反应谱确定烈度的方法可靠性较高. 因此,考虑到我国大多数建筑物的自振频率特点,为简单起见,选取周期T=0,0.1,0.2,…,1.0 s的水平向加速度反应谱值,记为Sk(k=1,2,3,…,11),共11个评价因子参与统计,进而经回归分析建立统计模型

    本次统计以MS5.0—8.0地震为研究对象,选取2008—2014年川滇地区有宏观调查烈度的强震动记录作为研究资料,最终获得强震动记录数据样本共128条. 首先,建立各评价因子与调查烈度之间的对应关系,从每条加速度记录样本得到周期T=0,0.1,0.2,…,1.0 s的反应谱值Sk(k=1,2,3,…,11)及该记录台站所在地的实际调查烈度; 然后,以强震动记录样本的反应谱值Sk(以S1(T=0 s)为例)为横坐标、 记录样本的强震动台站所在地的实际调查烈度为纵坐标,进行回归分析,统计结果如图 1所示. 采用最小二乘法进行线性回归,并规定Sk=0.1 cm/s2时烈度为0,则统计关系Ik的表达式为

    图  1  T=0 s时某评价因子(S1)与实际调查烈度I间的统计关系
    Figure  1.  Relationship between the evaluation factor(S1)and seismic intensity I when the period T is zero

    (3)

    式中,Ik为拟合的地震烈度,Sk为每个因子对应的反应谱值,bk为斜率. 各评价因子的回归系数和回归标准差列于表 1

    表  1  各评价因子S的回归系数b和回归标准差σ
    Table  1.  The regression coefficients b and standard deviation σ of each evaluation factor S
    评价因子bσ
    S11.3690.828
    S21.1780.879
    S31.1850.782
    S41.2060.837
    S51.2520.879
    S61.3240.897
    S71.3830.922
    S81.4260.989
    S91.4681.005
    S101.4991.066
    S111.5441.134
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    对评价因子Sk而言,σk越大,表明该因子与实际烈度之间的线性相关性越弱,故按1/σk规定各因子的相对权重并进行归一化,称之为置信权qk,其表达式为

    (4)

    按此权重定义仪器烈度的概率密度(或称归一化隶属函数),假定f(I)近似服从正态分布,则仪器烈度概率密度由均值μS和标准差σS确定,其表达式分别为

    (5)

    (6)

    则概率密度的表达式为

    (7)

    式中,I为地震烈度模糊变量. 由此可以对每一条强震动记录计算其对应的均值和标准差,其仪器烈度概率密度可作为考虑仪器烈度不确定性的生命损失快速评估的计算依据.

    目前,国内外所采用的评估人员伤亡的方法主要分为两类: 一类是不考虑建筑物易损性,通过统计回归历史震害数据得到的以烈度和震级为主要参数的人员死亡率经验公式; 另一类是以建筑物易损性为主要参数的经验公式(马玉宏,谢礼立,2000). 地震工程学研究(尹之潜,1995)指出,在同一地震动参数作用下,相同结构类型建筑物的破坏状态服从某种概率分布,因此将房屋毁坏比作为地震人员伤亡的主要因素对于生命损失率研究的物理意义似乎更直接. 本文选取尹之潜(1991)给出的以房屋损毁比为主要参数的地震人员伤亡估算公式,以确定适用于四川地区的生命损失评估函数.

    以房屋毁坏比为主要参数,建筑物易损性与人员死亡率之间的统计关系的表达式为(尹之潜,1991)

    (8)

    式中,A为房屋毁坏比,R(A)为与房屋毁坏比相关的人员死亡率. 为建立该估算公式与烈度之间的关系,本文根据四川省不同地区的房屋建筑地震易损性矩阵(何玉林等,2002),对该易损性矩阵进行了必要的综合简化,得到了房屋毁坏率与烈度之间的关系,列于表 2

    表  2  四川地区老建筑、 新建筑的房屋毁坏率与烈度的关系
    Table  2.  Relationship between damage rate and intensity of the old and new buildings in Sichuan region
    烈度老建筑房屋毁坏率新建筑房屋毁坏率
    甘孜—阿坝
    地区(Ⅰ类)
    攀西地区
    (Ⅱ类)
    盆周地区
    (Ⅲ类)
    川东地区
    (Ⅳ类)
    甘孜—阿坝
    地区(Ⅰ类)
    攀西地区
    (Ⅱ类)
    盆周地区
    (Ⅲ类)
    川东地区
    (Ⅳ类)
    600000.14%8.91%1.30%1.21%
    76.00%6.00%6.00%6.00%0.60%20.98%5.47%7.11%
    815.00%15.00%15.00%15.00%1.89%32.41%12.91%15.44%
    933.00%33.00%33.00%33.00%5.75%46.01%25.86%28.66%
    1088.00%88.00%88.00%88.00%17.75%66.44%50.79%52.96%
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    对于具体的乡镇或县级域,可以粗略估计出老新建筑之间的大致比例,因而可以按照表 2组合出针对具体地区的地震易损性. 其中,4:0表示该地区全部为老建筑的情况; 3:1表示该地区75%为老建筑、 25%为新建筑的情况; 2:2表示该地区老新建筑各为50%的情况; 1:3表示该地区25%为老建筑、 75%为新建筑的情况; 0:4表示该地区全部为新建筑的情况. 这样可细分为20种组合关系.

    将细分的20种房屋毁坏率与烈度关系代入式(8),可得到四川地区以房屋毁坏率为主要参数的生命损失率,详见表 3

    表  3  四川地区与烈度相关的生命损失率
    Table  3.  Intensity-dependent loss rate of life in Sichuan region
    地区老新建筑
    比例
    生命损失率
    6度7度8度9度10度
    甘孜—阿坝
    地区(Ⅰ类)
    4:000.0131%0.1053%0.7403%10.4832%
    3:100.0076%0.0590%0.4113%5.6138%
    2:200.0037%0.0279%0.1951%2.5621%
    1:300.0013%0.0095%0.0694%0.8817%
    0:400.0002%0.0012%0.0120%0.1577%
    攀西地区
    (Ⅱ类)
    4:000.0131%0.1053%0.7403%10.4832%
    3:10.0017%0.0386%0.1945%0.9439%8.7673%
    2:20.0070%0.0820%0.3206%1.1809%7.2533%
    1:30.0166%0.1469%0.4894%1.4539%5.9274%
    0:40.0315%0.2370%0.7068%1.7656%4.7760%
    盆周地区
    (Ⅲ类)
    4:000.0131%0.1053%0.7403%10.4832%
    3:10.0001%0.0125%0.0968%0.6419%7.6490%
    2:20.0002%0.0119%0.0888%0.5524%5.3864%
    1:30.0004%0.0113%0.0811%0.4714%3.6256%
    0:40.0006%0.0108%0.0739%0.3985%2.2992%
    川东地区
    (Ⅳ类)
    4:000.0131%0.1053%0.7403%10.4832%
    3:10.0001%0.0145%0.1072%0.6794%7.7979%
    2:20.0002%0.0159%0.1091%0.6219%5.6232%
    1:30.0003%0.0175%0.1109%0.5676%3.9004%
    0:40.0005%0.0191%0.1128%0.5165%2.5732%
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    使用表 3中不同烈度的生命损失率,通过最小二乘法统计拟合得到20种与烈度相关的以房屋毁坏率为主要参数的生命损失率关系,其拟合关系式为

    (9)

    式中: I为地震烈度模糊变量; a,bc为回归系数,其取值列于表 4

    表  4  R(I)=exp(a+bI+cI2)函数的连续化回归系数
    Table  4.  Continuous regression coefficients of R(I)=exp(a+bI+cI2)
    地区老新建筑
    比例
    生命损失
    函数编号
    abc
    甘孜—阿坝
    地区(Ⅰ类)
    4:0R1(I)-95.352019.4436-0.9673
    3:1R2(I)-72.946114.1863-0.6719
    2:2R3(I)-58.973010.8245-0.4833
    1:3R4(I)-44.56117.2745-0.2831
    0:4R5(I)-21.53581.40970.0559
    攀西地区
    (Ⅱ类)
    4:0R6(I)-95.352019.4436-0.9673
    3:1R7(I)-24.38913.6257-0.0970
    2:2R8(I)-19.26862.8481-0.0723
    1:3R9(I)-18.46043.0099-0.0986
    0:4R10(I)-19.33433.5288-0.1439
    盆周地区
    (Ⅲ类)
    4:0R11(I)-95.352019.4436-0.9673
    3:1R12(I)-48.56138.7628-0.3703
    2:2R13(I)-38.30096.4897-0.2491
    1:3R14(I)-32.59895.2802-0.1891
    0:4R15(I)-29.20054.6247-0.1621
    川东地区
    (Ⅳ类)
    4:0R16(I)-95.352019.4436-0.9673
    3:1R17(I)-51.05939.3947-0.4083
    2:2R18(I)-42.33427.5322-0.3126
    1:3R19(I)-38.10096.7181-0.2772
    0:4R20(I)-36.10166.4364-0.2732
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    图 2给出了四川地区与烈度相关的生命损失率函数曲线,可以看出: 在同等老新建筑比例的情况下,川东地区生命损失率函数略高于盆周地区,这与川东地区的设防烈度低于盆周地区有关; 甘孜—阿坝地区老新建筑比例对生命损失率函数的影响极大,在全为新建筑的情况下,损失率非常低; 在老新建筑比例等同的情况下,甘孜—阿坝地区的生命损失率函数明显低于盆周地区.

    图  2  四川地区与烈度相关的生命损失率函数曲线
    (a)甘孜—阿坝地区(Ⅰ类);(b)攀西地区(Ⅱ类);(c)盆周地区(Ⅲ类);(d)川东地区(Ⅳ类)
    Figure  2.  The life loss rate function curves related with intensity in Sichuan region
    (a)Garze-Aba region(Ⅰ);(b)Panxi region(Ⅱ);(c)Basin surrounding region(Ⅲ);(d)The eastern Sichuan region(Ⅳ)

    图 2所示的20条生命损失率函数曲线分别赋予四川地区各强震动台站所在地,列于附表,并作如下约定:

    1) 一般情况下,强震动台站所在地采用该子区域(乡、 镇或县)对应的生命损失率函数;

    2) 根据四川地区的实际情况以及对当地房屋建筑的实地调查,攀西、 盆周以及川东地区的县城选择生命损失函数R8(I),R14(I),R19(I),镇选择R7(I),R13(I),R18(I),乡选择R7(I),R12(I),R17(I); 甘孜—阿坝地区的县城选择R3(I),乡镇选择R2(I).

    3) 对当地场地条件明显较差的地区,降档选择其生命损失率函数,例如,将绵竹县清平乡生命损失函数调整为R11(I).

    破坏性地震发生后,根据迅速获得的某一条强震动记录数据可以计算其仪器烈度概率密度函数的均值及标准差,从而确定其仪器烈度概率密度f(IμSσS),由附表可查得强震动台站所在地的生命损失率函数Rn(I),则该强震动台站所在地(乡、 镇或县)的生命损失快速评估函数展开式为

    (10)

    考虑到地震烈度小于5度时几乎不会发生人员伤亡,因此积分区间为(5,12). 利用式(10)可快速评估该强震动台站所在地(乡、 镇或县)的生命损失率.

    下面以汶川MS8.0地震中绵竹清平强震动台站(051MZQ)所获取的强震动记录为例,通过强震动记录得到该强震动台站所在地的地震生命损失率,其计算步骤如下:

    1) 对于每一个周期Ti(i=0,0.1,0.2,…,1.0 s),分别计算台站051MZQ记录到的不同周期的水平向加速度反应谱值Sk(k=1,2,3,…,11),按照式(3)和(4)计算每一个Ikqk,式中的bkσk表 1确定;

    2) 由式(5)和(6)计算台站051MZQ记录到的仪器烈度概率密度均值μS和标准差σS,再由式(7)得到该记录的仪器烈度概率密度函数f(I︱9.3,1.07);

    3) 由附表可知,强震动台站051MZQ所在地所对应的生命损失率函数为R11(I),通过表 4确定其所对应的回归系数分别为a=-95.3520,b=19.4436,c=-0.9673,从而由式(9)确定该强震动台站所在地对应的生命损失率函数为R11(I)=exp(-95.352+19.4436I-0.9673I2);

    4) 将仪器烈度概率密度f(I︱9.3,1.07)和生命损失率函数R11(I)代入式(10)进行积分,所得积分值即为绵竹清平强震动台站所在地清平乡的地震生命损失率评估值.

    为考察本文提出的生命损失快速评估方法的可信度,本文以四川地区具有代表性的2008年5月12日汶川MS8.0地震为例,按照上述4个步骤计算其生命损失率评估结果,并将该评估结果与实际生命损失率进行对比,结果列于表 5. 四川省强震动台网在汶川地震中共获得134条记录,因本文主要针对乡镇烈度生命损失函数,故在此仅使用对应有乡镇人员伤亡数据的记录15条,其它无乡镇人员伤亡数据的信息均未被采用.

    表  5  基于本文方法的生命损失率评估结果与实际死亡率的对比
    Table  5.  Comparison of life loss rate obtained by the method in this paper to the actual death ratio
    记录
    序号
    所属县乡镇名称人口数实际死亡
    人数
    实际死亡率快速评估
    生命损失率
    γ
    1绵竹县清平乡5 6822764.8574%5.5798%0.8902
    2什邡市八角镇10 6862672.4986%2.9745%0.8803
    3安县安昌镇46 0001070.2326%0.8315%0.6730
    4安县塔水镇50 000340.0680%1.7140%0.3935
    5都江堰市紫坪铺15 758810.5140%2.3715%0.4491
    6汶川县卧龙镇2 8611505.2429%3.3456%1.4366
    7茂县凤仪镇37 283150.0402%0.4604%0.7123
    8茂县南新镇8 193360.4394%1.6470%0.5438
    9茂县叠溪镇2 89430.1037%1.8103%0.3927
    10理县桃坪镇2 956130.4398%0.6237%0.8867
    11理县木卡乡1 53850.3251%1.1436%0.6182
    12理县古尔沟2 200000.2990%0.7698
    13松潘县进安镇8 00090.1125%0.0444%1.0652
    14松潘县安宏乡4 000000.1070%0.9033
    15松潘县川主寺5 000000.0176%0.9827
    γ平均值0.77
    注: γ为实际死亡率与快速评估生命损失率的比值; 人口数引自四川省统计局和国家统计局四川调查总队(2007),实际死亡人数引自四川省地震局(2013).
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    表 5可以看出,15个快速评估样本中实际死亡率与快速评估死亡率的比值γ的平均值为0.77,其中: 6个样本的评估结果非常接近实际死亡率,4个样本的γ<0.5. 可见对乡镇而言,该方法评估结果的可信度均在生命损失快速评估可接受的范围内(杨天青等,2006). 当然,由于不确定因素太多,评估结果与实际结果还存在误差,其中灾区人员实际基础数据、 建筑物实际分布情况的不精确性是引起生命损失评估结果不准确的主要因素. 此外,部分震区的地形和天气对人员死亡率的影响较大,施伟华等(2012)认为其伤亡人数有几倍乃至几十倍的差别.

    我国在加密易发破坏性地震的重点监视防御区强震动观测台网的同时,“十二五”期间更是大力发展地震预警和地震烈度速报技术,并将建成密度至乡镇覆盖全国的烈度速报台网. 本文吸收王晓青等(2003)提出的地震灾害损失综合评估模型的表达形式,建立了仪器烈度概率密度与乡镇级生命损失函数之间的关系,提出了大震之后利用强震动记录开展生命损失快速评估的方法. 在此基础上,通过对2008年汶川地震生命损失快速评估的实例应用研究表明,地震发生后基于强震动记录的生命损失快速评估方法是可行的,可以进一步提高生命损失快速评估的科学性、 可靠性和时效性. 然而,本研究仍然存在以下两方面的不足: 一方面,未考虑震区的地形和天气等影响因素,当前生命损失快速评估模型还不够完善,尚需改进; 另一方面,本文采用的是静态人口数据,人口数据实际情况的不精确性也会影响评估准确度. 强震来临时极震区的通讯、 道路等大多出现中断,能够及时获取的强震动记录数量有限,而本文提出的方法是基于强震动记录开展的,因此从地震动参数衰减关系的角度对该方法进行改进,是今后研究的方向.

    国家强震动台网中心提供了强震动观测数据,审稿专家提出了中肯的建议和意见,作者在此一并表示感谢.

      附表  四川地区各强震动台站所在地的生命损失率函数对应情况
      附表.  Appendix The corresponding situation of life loss rate function for the strong ground motion stations in Sichuan region

    编号台站行政区
    类别
    R(I)










    151KDGR2(I)
    251KDZR2(I)
    351KDXR2(I)
    451KDTR3(I)
    551LDGR2(I)
    651LDSR3(I)
    751LDDR2(I)
    851LDLR2(I)
    951LDJR2(I)
    1051DFBR2(I)
    1151DFTR3(I)
    1251LHTR3(I)
    1351LHXR2(I)
    1451LHYR2(I)
    1551LHDR2(I)
    1651LHZR2(I)
    1751GZXR3(I)
    1851GZTR2(I)
    1951JLTR3(I)
    2051JLNR2(I)
    2151YJBR2(I)
    2251LTTR3(I)
    2351BTZR3(I)
    2451XCZR3(I)
    2551LXMR2(I)
    2651LXSR2(I)
    2751LXKR2(I)
    2851LXTR2(I)
    2951MXJR3(I)
    3051MXNR2(I)
    3151MXDR2(I)
    3251MXBR2(I)
    3351MXFR2(I)
    3451JZGR2(I)
    3551JZWR2(I)
    3651JZBR2(I)
    3751JZZR2(I)
    3851JZYR2(I)
    3951SPTR3(I)
    4051SPCR3(I)
    4151SPAR2(I)
    4251HSDR3(I)
    4351HSSR2(I)
    4451HSLR2(I)
    4551XJDR3(I)
    4651XJWR2(I)
    4751MEDR3(I)
    4851MESR2(I)
    4951WCDR3(I)
    5051WCWR2(I)
    5151HYSR2(I)
    5251BXDR3(I)
    5351BXMR2(I)
    5451BXYR2(I)
    5551BXZR2(I)
    5651PWMR3(I)
    5751PWDR4(I)
    5851PWNR4(I)
    5951PWPR3(I)
    6051BCDR5(I)
    6151BCBR4(I)
    6251BCZR4(I)
    6351BCQR2(I)
    6451BCYR4(I)

    西





    6551MNDR7(I)
    6651MNFR7(I)
    6751MNHR7(I)
    6851MNAR7(I)
    6951MNLR7(I)
    7051MNMR7(I)
    7151MNWR7(I)
    7251MNJR8(I)
    7351MNZR7(I)
    7451MNCR7(I)
    7551MNTR8(I)
    7651MNSR7(I)
    7751XCCR7(I)
    7851XCDR7(I)
    7951XCNR7(I)
    8051XCHR7(I)
    8151XCLR7(I)
    8251XCXR9(I)
    8351XXCR9(I)
    8451XCYR7(I)
    8551XCJR9(I)
    8651YYGR8(I)
    8751YYJR7(I)
    8851YYLR7(I)
    8951YYMR7(I)
    9051YYPR7(I)
    9151YYWR7(I)
    9251YYZR8(I)
    9351YYYR7(I)
    9451HLFR7(I)
    9551HLDR8(I)
    9651HLYR7(I)
    9751HLWR7(I)
    9851HLBR7(I)
    9951PGBR7(I)
    10051PGLR7(I)
    10151PGQR7(I)
    10251PGWR7(I)
    10351PGDR8(I)
    10451HDDR8(I)
    10551HDXR7(I)
    10651HDQR7(I)
    10751NNTR8(I)
    10851NNLR7(I)
    10951NNSR7(I)
    11051NNHR7(I)
    11151YXXR7(I)
    11251YXZR7(I)
    11351BTDR8(I)
    11451BTTR7(I)
    11551LBDR8(I)
    11651LBHR7(I)
    11751DCNR8(I)
    11851DCYR7(I)
    11951XDMR7(I)
    12051XDGR7(I)
    12151ZJJR7(I)
    12251ZJQR8(I)
    12351MLNR8(I)
    12451GLQR8(I)
    12551PZRR8(I)
    12651PZFR7(I)
    12751PZWR8(I)
    12851PZJR7(I)
    12951PZTR7(I)
    13051PZPR8(I)
    13151PZNR9(I)
    13251PZMR9(I)
    13351PZDR7(I)
    13451YBHR8(I)
    13551YBAR7(I)
    13651MYPR7(I)
    13751MYLR7(I)
    13851MYSR7(I)
    13951SMCR7(I)
    14051SMWR7(I)
    14151SMLR7(I)
    14251SMMR7(I)
    14351SMXR7(I)
    14451SMKR7(I)
    14551HYJR8(I)
    14651HYPR8(I)
    14751HYYR8(I)
    14851HYQR8(I)
    14951HYWR8(I)







    15051TQLR12(I)
    15151TQDR14(I)
    15251LSFR13(I)
    15351LSHR12(I)
    15451LSJR14(I)
    15551YASR13(I)
    15651YADR14(I)
    15751YALR12(I)
    15851YAHR12(I)
    15951YAMR14(I)
    16051JKHR14(I)
    16151MBDR14(I)
    16251MBQR13(I)
    16351MCXR14(I)
    16451MCLR13(I)
    16551LSLR14(I)
    16651SWHR13(I)
    16751LSQR14(I)
    16851EMSR14(I)
    16951DJAR13(I)
    17051DJHR13(I)
    17151DJZR12(I)
    17251CDZR14(I)
    17351PXZR14(I)
    17451DXYR13(I)
    17551PJDR13(I)
    17651QLYR12(I)
    17751XJLR13(I)
    17851PJWR13(I)
    17951SFBR13(I)
    18051MZQR11(I)
    18151MZXR13(I)
    18251SFSR14(I)







    18351DYBR13(I)
    18451DYJR13(I)
    18551JYTR14(I)
    18651JYWR13(I)
    18751JYCR13(I)
    18851JYHR13(I)
    18951AXHR13(I)
    19051AXTR13(I)
    19151AXDR13(I)







    19251GYZR18(I)
    19351GYYR17(I)
    19451GYDR17(I)
    19551GYQR18(I)
    19651QCDR19(I)
    19751QCQR17(I)
    19851QCSR17(I)
    19951JGDR19(I)
    20051JGSR19(I)
    20151CXQR19(I)







    20251FSBR18(I)
    20351ZGSR19(I)
    20451YBYR18(I)
    20551YBGR18(I)
    20651YBTR19(I)
    20751GXTR19(I)
    20851JLDR19(I)
    20951CNTR19(I)
    21051LZTR19(I)
    21151HYTR19(I)
    21251ZG0R19(I)
    21351ZG1R19(I)
    21451ZG2R19(I)
    21551ZG3R19(I)
    21651ZG4R19(I)
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  • 图  1   1999年9月21日台湾集集MW7.6地震断层和台站分布示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of the fault and stations distribution of the MW7.6 Chi-Chi earthquake in Taiwan on 21 September 1999

    图  2   速度时程基线校正示意图

    Figure  2.   Schematic diagram of baseline correction for velocity time history

    图  3   本文方法与太平洋地震工程研究中心方法处理的TCU068台站近断层地震动位移时程比较

    (a) NS分量;(b) EW 分量;(c) UD 分量

    Figure  3.   Comparison of near fault ground motion displacement time histories of the station TCU068 processed by the method proposed in this study with those from Pacific Earthquake Engineering Research Center

    (a) NS component;(b) EW component;(c) UD component

    图  4   上盘台站强震动记录三分量EW (左),NS (中),UD (右)分量的位移时程

    蓝线表示位移的最值,红线表示位移初始值或最终值,下图同

    Figure  4.   Displacement time histories of EW (left),NS (middle) and UD (right) components of strong ground motion records at the hanging wall stations

    The blue line indicates the extreme displacement,and the red line indicates the initial or final displacement,the same below (c) TCU072;(d) TCU071;(e) TCU089;(f) TCU078

    图  5   强震动位移时程形态典型特征

    (a) TCU052台站EW分量;(b) TCU054台站NS分量;(c) TCU075台站UD分量

    Figure  5.   Typical characteristics of strong ground motion displacement time histories

    (a) EW component at the station TCU052;(b) NS component at the station TCU054;(c) UD component at the station TCU075

    图  6   六对上、下盘台站的EW (左),NS (中)和UD (右)分量的相对位移时程

    Figure  6.   The relative displacement time history of EW (left),NS (middle),and UD (right) components of the six pairs of the hanging wall and footwall stations

    (e) TCU089-TCU076;(f) TCU078-TCU122

    图  7   上下盘台站最大相对位移与相对残余位移关系

    Figure  7.   Relationship between maximum relativedisplacement and relative residual displacement of hanging wall and footwall stations

    图  8   上、下盘台站强震动相对位移时程典型特征

    (a) TCU052-TCU054台站的EW分量;(b) TCU072-TCU067台站的EW分量;(c) TCU072-TCU067台站的UD分量

    Figure  8.   Typical characteristics of relative displacement time history of strong ground motion records at hanging wall and footwall stations

    (a) EW component of the station TCU052-TCU054;(b) EW component of the station TCU072-TCU067;(c) UD component of the station TCU072-TCU067

    图  9   集集地震土木工程断层破坏7例

    (a) 石岗大坝(TCU068-TCU103);(b) 北丰桥(TCU068-TCU103);(c) 欢乐谷公寓群(TCU068-TCU103);(d) 第一公园大桥(TCU052-TCU054);(e) 光复中学(TUC071-TCU075);(f) 乌溪桥(TUC071-TCU075);(g) 刘眉桥(TCU078-TCU122)

    Figure  9.   Seven cases of civil engineering fault failure in Chi-Chi earthquake

    (a) Shigang Dam (TCU068-TCU103);(b) Beifeng Bridge (TCU068-TCU103);(c) Happy Valley Apartments (TCU068-TCU103);(d) The First Park Bridge (TCU052-TCU054);(e) Guangfu Middle School (TUC071-TCU075);(f) Wuxi Bridge (TUC071-TCU075);(g) Liumei Bridge (TCU078-TCU122)

    图  10   四对上、下盘台站的空间相对位移时程

    Figure  10.   Spatial relative displacement time histories of the four pairs of hanging wall and footwall stations

    (a) TCU068-TCU103;(b) TCU052-TCU054;(c) TCU071-TCU075;(d) TCU078-TCU122

    图  11   跨断层场点间相对位移与场点间距的关系

    Figure  11.   Relationship between relative displacement and field spacing across fault sites

    图  12   逆断层盘间相对位移趋势示意图

    Figure  12.   Schematic diagram of relative displacement trend between reverse fault walls

    表  1   1999年台湾集集MW7.6地震强震动台站位置

    Table  1   Location of ground motion stations of 1999 MW7.6 Chi-Chi earthquake in Taiwan region

    断层盘台站东经/°北纬/° 海拔/km断层距/km
    上盘TCU068120.824.30.2760.071
    TCU052120.724.20.1700.092
    TCU072120.824.00.36313.021
    TCU071120.824.00.18710.003
    TCU089120.923.90.02015.277
    TCU078120.823.80.27214.402
    下盘TCU103120.724.30.2225.982
    TCU054120.724.20.0977.029
    TCU067120.724.10.0730.716
    TCU075120.724.00.0961.209
    TCU120120.624.00.2287.793
    TCU118120.424.00.00830.496
    TCU076120.724.00.1033.653
    TCU129120.723.90.1103.059
    TCU122120.623.80.07510.996
    CHY024120.623.80.08512.255
    注:数据来源于台湾气象厅公开发行的光盘(Lee et al,2001)。
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    表  2   1999年集集MW7.6地震上、下盘台站本文所选组对情况

    Table  2   Group matching of hanging wall and footwall stations of the 1999 MW7.6 Chi-Chi earthquake in this paper

    台站组队
    上盘TCU068TCU052TCU072TCU071TCU089TCU078
    下盘TCU103TCU054TCU067TCU075TCU075TCU122
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    表  3   上盘台站强震动记录位移最大值及残余位移

    Table  3   Maximum displacement and residual displacement of strong ground motion records at the hanging wall stations

    上盘台站EW分量NS分量UD分量
    最大位移/m残余位移/m最大位移/m残余位移/m最大位移/m残余位移/m
    TCU068 7.06 5.81 8.61 5.94 4.52 3.45
    TCU052 4.99 3.94 7.18 6.78 3.92 3.16
    TCU072 2.02 1.80 2.35 2.00 1.33 1.16
    TCU071 1.76 1.19 2.61 0.15 2.26 1.74
    TCU089 1.91 1.81 1.37 1.18 0.24 0.03
    TCU078 1.21 1.19 0.85 0.66 0.35 0.25
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    表  4   六对上、下盘台站强震动相对位移最大值及相对残余位移

    Table  4   The maximum relative displacement and relative residual displacement of strong ground motion records at six pairs of hanging wall and footwall stations

    上、下盘台站EW分量 NS分量 UD分量
    最大相对位移/m相对残余位移/m 最大相对位移/m相对残余位移/m 最大相对位移/m相对残余位移/m
    TCU068-TCU103 7.54 6.21 9.11 6.47 4.09 3.33
    TCU052-TCU054 5.57 4.50 7.81 7.08 3.81 3.29
    TCU072-TCU067 3.46 3.02 3.27 2.97 1.59 1.41
    TCU071-TCU075 2.89 2.28 2.99 2.52 2.55 1.74
    TCU089-TCU076 2.82 2.50 1.72 1.42 0.39 0.26
    TCU078-TCU122 2.06 1.82 1.26 1.16 0.35 0.18
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    表  5   工程破坏现场地表位错与附近断层上、下盘台站位错计算值的比较

    Table  5   Comparison of calculated values of surface dislocations at the site of engineering failure with those at the hanging wall and footwall stations nearby faults

    工程名称上、下盘台站台站间距/km位错观察值/m位错计算值/m数据记录方向
    石岗大坝 TCU068-TCU103 6.05 8.00 3.33 上下
    北丰桥 5.50 上下
    欢乐谷公寓群 3.50 上下
    第一公园大桥 TCU052-TCU054 7.12 4.00 3.29 上下
    光复中学 TCU071-TCU075 11.21 2.50 1.74 上下
    乌溪桥 2.00 2.61 水平
    刘眉桥 TCU078-TCU122 25.40 0.20 0.18 上下
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-11
  • 修回日期:  2022-11-29
  • 网络出版日期:  2023-05-24
  • 刊出日期:  2024-05-14

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