地震学报  2012, Vol. 34 Issue (1): 1-19
引用本文
孟令媛, 史保平.2012. 2010年墨西哥Baja MW7.2地震与中国玉树MW6.9地震强地震动特征的对比研究. 地震学报, 34 (1): 1-19.
Meng Lingyuan, Shi Baoping.2012.AComparison on characteristics of strong ground motion from two earthquakes with similar MW: the Baja, Mexico, MW7.2 and Yushu, China, MW6.9 earthquake in 2010. Acta Seismologica Sinica , (): 1-19.
2010年墨西哥Baja MW7.2地震与中国玉树MW6.9地震强地震动特征的对比研究
孟令媛 , 史保平    
(中国北京100049中国科学院研究生院地球科学学院)
收稿日期 2010-06-22收到初稿， 2011-04-29决定采用修改稿.
基金项目： 中国科学院知识创新工程(KZCX2-YW-Q08-2)资助.
通讯联系人,E-mail:meng.linguyuan@hotmail.com
摘要：2010年4月4日墨西哥Baja地区发生MW7.2地震， 2人遇难; 同年4月14日中国青海省南部玉树地区发生MW6.9地震， 截至2010年4月25日， 已造成2220人遇难. 有报道指出， 玉树地震矩震级小于Baja地震， 人员伤亡却远大于后者， 主要原因在于玉树地区抗震设防标准低、 建筑物抗震性能差. 地震造成破坏程度的大小并非仅仅取决于矩震级的大小， 而同时与其释放的地震波辐射能及发震后造成的强地面运动的大小有关. 玉树地震释放的地震波辐射能约相当于Baja地震的10倍， 目前玉树地震尚无实测的强震记录. 针对玉树地震和Baja地震建立动态复合震源模型， 分别模拟基岩上及浅层速度结构(V30， 地下30 m平均剪切波速)下近断层区域的强地面运动. 结果表明， 基岩上及V30下玉树地震近断层区域强地面运动整体约相当于Baja地震的2倍. 因此， 玉树地震造成发震区域内建筑物损毁程度及人员伤亡情况均严重于Baja地震， 重要原因之一在于其地震波辐射能大， 且强地面运动较强. 本文中所应用的动态复合震源模型， 在地震矩守恒和地震波辐射能守恒的条件约束下， 可以作为地震发生后补充强地面运动数据的有效手段之一.
关键词： 玉树地震     Baja地震     矩震级     地震波辐射能     强地面运动    
AComparison on characteristics of strong ground motion from two earthquakes with similar MW: the Baja, Mexico, MW7.2 and Yushu, China, MW6.9 earthquake in 2010
Meng Lingyuan , Shi Baoping    
(College of Earth Science, Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract: The 4 April 2010 MW7.2 Baja, Mexico, earthquake occurred in northern Baja California at shallow depth along the principal plate boundary between North American and Pacific plates, and two people were killed in the Mexicalia area. The 14 April 2010 MW6.9 Yushu, China, earthquake occurred as a result of strike-slip faulting in tectonically complex region of the eastern Qingzang plateau. At least 2220 people were killed in Yushu area till April 25, 2010. International media reports of such kind of disasters by Yushu earthquake is resulted from poor building structure design comparing with Mexicalia area. In fact, although the moment magnitude of Yushu event is similar to the Baja event, the radiated seismic energy from Yushu fault dynamic rupture is almost 10 times of the Baja earthquake, resulting stronger near-fault ground motions. In this paper, two special finite fault models with the same size in fault length and width are constructed to simulate the near-fault strong ground motions for comparison study. The fault slip distributions on both faults are generated based on a dynamical composite source model, in which the subevent-source-function is described by Brune’s pulse. Our result shows that the near-field peak ground accelerations (PGAs) and peak ground velocities (PGVs) on bed rocks from Yushu event are almost twice as that from Baja event. Moreover, if the shallow velocity structures (V30, average shear-velocity down to 30 m) are considered in the strong motion simulation, the resultant PGAs and PGVs from Yushu event are also twice as that from Baja event. Therefore, the radiated seismic energy plays a significant role in determining the levels of strong ground motions, in which stronger ground accelerations usually cause much more property damages on the ground. The source rupture dynamics related to the frictional overshoot and undershoot is discussed and used to constrain source parameters such as the static stress drop and dynamic stress drop. It needs to point out that, in addition to the moment conservation applied on the main fault, the measurement of radiated seismic energy or apparent stress should be added to the numerical simulation in order to obtain physically realistic result. The numerical modeling developed in this study has a potential application in ground motion estimation/prediction for earthquake engineering purpose.
Key words: Yushu earthquake     Baja earthquake     moment magnitude     radiated seismic energy     strong ground motion    

引言

2010年4月4日墨西哥境内的Baja California北部地区发生了MW7.2地震，震中位置32.259°N、 115.287°W，地震矩8.5×1019 N·m，震源深度10 km，造成墨西哥Mexicalia城附近有2人遇难(USGS，2010a)． 中国青海省南部玉树地区于2010年4月14日发生MW6.9地震，震中位置33.224°N、 96.666°E，地震矩2.5×1019 N·m，震源深度17 km(张勇等，2010a; USGS，2010b). 玉树MW6.9地震对发震区域内玉树县造成了极大的破坏，截至2010年4月25日，已造成2 200多人遇难，12 100多人受伤(许力生等，2010)． 2010年墨西哥Baja MW 7.2地震与中国玉树MW6.9地震矩震级相似，且Baja地震矩震级大于玉树地震矩震级，为何中国玉树MW6.9地震造成的人员伤亡远大于墨西哥Baja MW7.2地震呢？ 有报道指出，玉树MW6.9地震之所以造成如此大的人员伤亡，是因为玉树地区抗震设防标准不够高，房屋大部分是土木结构或石块搭筑，抗震性能很差．

事实上，从地震到建筑物损坏之间，可以用简单的关系表示，即地震发生造成近地表强地面运动，强地面运动造成建筑物不同程度的破坏，建筑物抗震性能的差别导致了遭受相同等级的地震动而所遭到的破坏程度不同． 因此，通常认为地震的矩震级越大，其造成的破坏程度也越大的认识存在一定的偏颇. 也就是说，地震所造成的破坏程度并非仅仅取决于所发生地震的矩震级大小，而与诸如地震波辐射能、 地表强地面运动、 建筑物的抗震性能等多方面有关． 因此，前面提到的报道中，简单地将玉树地震造成人员伤亡的原因归结为建筑物的抗震性能差的说法是不够全面的． 另外，我们也注意到，郭华东等(2010)针对玉树MW6.9地震建筑物倒塌诱因的研究指出，地震中导致建筑物倒塌的原因主要有3个： 一为该建筑物距离主发震断层的距离，二为松软冲积扇地基，三为建筑物结构类型． 郭华东等(2010)通过遥感等资料综合分析指出，3种诱因中，第一种是高度相关，第二种是关系密切，第三种是十分有关. 这也从另一个侧面说明，地震所造成的破坏程度也并非仅仅取决于建筑物的抗震性能．

本研究主要从地震发生及发震断层破裂过程出发，讨论与地震可能造成破坏程度相关的两个方面: 其一为地震发生后所释放的地震波辐射能的多少； 其二为地震发生后所造成的地表强地面运动的大小． 一方面，墨西哥Baja MW7.2地震的能量震级Me为6.8，其释放的地震波辐射能为(3.7—4.8)×1014 J. 相比之下玉树MW6.9地震的能量震级Me则为7.5，其释放的地震波辐射能为(3.7—5.2)×1015 J(USGS，2010a，b)． 尽管中国玉树地震与墨西哥Baja地震的矩震级相似，实际上玉树地震所释放的地震波辐射能约相当于Baja地震所释放的地震波辐射能的10倍．

另一方面，目前尚无针对玉树地震公开发表的强震记录. 在已公布的Baja地震的实测强震记录中(CESMD，2010)，有14个台站记录的加速度峰值在0.2g(g为重力加速度，值为9.8 cm/s2，下同)以上，并给出了完整的记录． 通过分析Baja地震的实测强震记录，我们注意到这14个台站均处在距离Baja地震主发震断层约20—50 km 的范围内. 其中5053台站位于Mexicalia城北西方向约3 km处，5053台站实测的峰值加速度最大值约为0.27g． 通常意义下随着地震矩震级的增大，其造成的近场地表运动会随之增大，但玉树地震与Baja地震的矩震级相似，并没有量级上的差别； 并且Baja地震的现有实测记录均位于距离主发震断层相对较远的位置(约20—50 km). 因此，仅仅根据Baja地震的实测记录及现有的烈度资料并无法比较相似震级下两次地震近场强地面运动特征的差异性．

墨西哥Baja MW7.2地震发生在北美板块与太平洋板块中间的主板块边缘地区，震中位置距墨西哥-美国边界约40 km，主发震断层与Laguna Salada断裂带东南段相一致且平行于San Andreas断裂带． 中国玉树MW6.9地震发震区域位处欧亚板块北部青藏高原东缘，发震断层为鲜水河断裂带的分支玉树断裂，发震断层为倾角近乎垂直的走滑断层(USGS，2010b)． 根据两次地震的发震区域的构造背景，不难发现Baja地震和玉树地震同为浅源地震，前者发生在板块边缘地区，而后者则发生在大陆内部地区. Choy和Boatwright(2009)指出，不同的构造区域或不同的断层类型，相同震级的地震所造成的地震波辐射存在巨大的差别. 这一点也喻示了相同震级情况下，地表运动量尤其近场可以存在较大的差别． 因此，尽管地震矩震级相似，发震断层的尺度相似，但由于Baja地震所释放的地震波辐射能仅仅相当于玉树地震所释放的地震波辐射能的1/10，因此玉树地震发生后对近断层区域所带来的破坏程度大于Baja地震. 可能由于地震波辐射能的差别，进而导致了其地表强地面运动的差异．

目前尚无针对Baja地震与玉树地震强地面运动特征差异性的比较研究． 因此，对于地震矩震级相似的两次地震，仅仅根据玉树地震发震区域内建筑物的抗震程度来解释玉树地震发生后所造成的遇难人数大于Baja地震的原因是不全面且不恰当的． 本文中我们拟讨论玉树地震与Baja地震在地震矩震级相似的情况下，二者强地面运动特征的差异性，进而探讨造成差异性的原因． 主要分为以下几部分工作： 首先，介绍玉树地震与Baja地震主发震断层的相似之处，及二者几何参数和震源参数的异同点； 第二，根据现有的地质地球物理资料和反演结果，建立两个相同尺度的有限断层模型，分别进行动态复合震源模型的模拟计算； 第三，对比玉树地震与Baja地震发震后强地面运动模拟结果的差异性，并讨论强地面运动的差异对震后所带来的破坏性影响的不同； 最后尝试对相似震级下强地面运动差异性给出合理的解释及对目前工作进行必要的讨论． 1 方法与原理

本研究中所应用的复合震源模型，其概念最早由Boatwright(1982)提出，Zeng 等(1994)通过对震源的运动学特征进行描述，并结合地震波在层状介质中传播的过程，完成了宽频带地表运动的预测计算． 在对断层滑移分布的描述中，子源大小的分布来自于Frankel(1991)对断层破裂自相似模型的描述． 在复合震源模型的建立过程中，主断层面的破裂个数和尺度遵从一定的分形原理，即子源的个数N与其半径R的关系由dN/d(lnR)=pR-D给出(其中，D为分形维数，N为给定R的子源个数，p为比例因子)． 在本研究中，我们设定D=2，而子源在主断层面的空间分布则遵从高斯随机过程，大小不同的子源在主断层面上允许重叠． 每个子源破裂的滑移时间函数则取决于子源的大小，一般采用Brune(1970，1971)脉冲，利用主断层面上所得每点的滑动速率与层状介质地震波传播矩阵所得格林函数，做卷积即得地面每点的质点运动参数．

Zeng等(1994)发展的复合震源模型仅给定地震矩守恒，是在试错法的基础上模拟计算，当合成值接近观测值时，视为模型参数确定． Anderson(1997)采用远场能量辐射方程，给出了对能量辐射的定量估计，指出主断层面上总的能量辐射由子源逐个简单叠加而成． Rivera和Kanamori(2005)根据远场能量辐射的表象定理，给出了有限断层破裂过程中能量求解的精确解的积分表达式，并指出通过子源能量逐个叠加来求取有限断层辐射能量的方法并非恰当； 提出有限断层能量辐射与断层面上每个点能量的辐射路径均相关，而并非简单的逐点能量相加求和．

具体地讲，断层面上任意一点的裂纹扩展过程受到了来自断层面上其它点的破裂过程的影响． McGarr和Fletcher(2001)指出，远场的辐射能量仅为总的能量辐射的1/3或更小，单一的地震矩守恒对模拟强地表运动的局限性是显而易见的． 孟令媛和史保平(2011b)根据Rivera和Kanamori(2005)提出的能量积分表达式，重新推导有限断层中辐射能量的积分解，给出了有限断层辐射能量求取的新的积分解，即


式中，为地震波辐射能; CS为常数，且CS≈1.864 4; Δσd为动态应力降，Δσs为静态应力降; μ为剪切模量;为复合震源模型中第l个子源的半径; W，L分别为断层的宽度和长度; M0j为复合震源模型中第j个子源的地震矩． 本文所建立的动态复合震源模型，在地震矩守恒的约束条件下，应用式(1)估算动态复合震源模型拟合计算过程中地震波辐射能，进而给出地震波辐射能守恒的另一个重要的约束条件． 2 相似震级下有限断层模型的建立

2010年4月4日墨西哥Baja MW7.2地震发震在主板块边缘地区，主发震断层长度约为100 km，呈东南—西北向展布，倾角为83°，震源深度约10 km，起始破裂位置位于主发震断层的东南端(USGS，2010a)． 2010年4月14日中国玉树MW6.9地震发震在青藏高原东缘，主发震断层为倾角近乎垂直的左旋走滑断层，断层走向由西北向东南，倾角为83°，震源深度约17 km，震中位置位于主发震断层的中部偏西北(USGS，2010b)． 根据远震资料对玉树地震的破裂过程进行反演，整个破裂过程持续了约20 s，反演得到的断层面上主要有两块滑动集中区域: 第一个破裂区域位于震中附近，最大滑动量约为2.4 m，最大滑动速率约为1.0 m/s; 第二个破裂区域位于走向方向上距震中约10—30 km处，最大滑动量约为2.4 m，最大滑动速率约为1.1 m/s(刘超等，2010； 张勇等，2010a，b)(图 1)．

图 1 地震的震中及发震断层的地表出露位置(白线)(a)2010年中国玉树MW6.9地震；(b)2010年墨西哥Baja MW7.2地震Fig. 1 Location of the earthquake epicenters and their surface fault traces(white lines)(a)For the 2010 MW6.9 Yushu，China，earthquake;(b)For the 2010 MW7.2 Baja，Mexico，earthquake

在孟令媛和史保平(2011a)的文章中，对复合震源模型进行了一定的改进和修正，得到了动态化的复合震源模型，针对2008年汶川MW7.9地震实现了断层参数的动态化赋值． 本文针对玉树MW6.9地震和Baja MW7.2地震这两次矩震级相似的浅源地震，建立了几何尺度相同的两个动态复合震源模型，模型长100 km，宽20 km． 尽管断层模型的几何尺度相同，但两个有限断层模型的约束条件仍存在着很大的差别. 首先利用已知远场地震波辐射能(USGS，2010a，b)及公式(1)，分别对两个地震模型进行地震波辐射能的约束，从而使得模拟计算过程中断层面地震矩及地震波辐射能均保持守恒． 具体估算结果详见表 1和图 2. 其中，MW和Me分别表示地震矩震级和能量震级; Δσs为静态应力降(Δσs=2M0/(πW2L); M0为主断层的地震矩; W，L分别为断层的宽度和长度); σa为视应力(σa=μEs/M0，μ为剪切模量，Es为地震波远场辐射能)(Wyss，Brune，1968); Δσd为动态应力降．

图 2 地震辐射能量Es相对于动态应力降Δσd变化的对比(a)2010年中国玉树MW6.9地震;(b)2010年墨西哥Baja MW7.2地震Fig. 2 Comparison of radiated energy Es versus Δσd of earthquakes(a)For the 2010 MW6.9 Yushu，China，earthquake;(b)For the 2010 MW7.2 Baja，Mexico，earthquake

由表 1和图 2可知，玉树地震(2σa/Δσs)>1，断层动态破裂过程对应于应力下调，Baja地震(2σa/Δσs)<1，断层动态破裂过程对应于应力上调(Beeler et al，2003)． 由于目前尚缺乏两次地震所处地区详细的速度结构数据，本文在模拟过程中对速度结构的数据采取了一定的近似： 墨西哥Baja地震发震位置为南加州地区，因此，本文中模拟Baja地震强地面运动特征近似综合考虑了Baja地震发震相近地区的简单速度结构(Raúl et al，2010)与美国加州地区详细的速度结构； 同样地，在针对玉树地震的模拟计算过程中，综合了现有玉树地震发震地区简单的速度结构(许力生等，2010)及四川地区的详细速度结构(刘启元等，2009)． 此外，由于两次地震起始破裂点及破裂集中区存在差异，使得不同地震发震断层面上子源分布特征、 滑动位移分量空间分布特征同样有所不同，详见图 3. 断层模型震源参数详见表 2．

表 1 2010年中国玉树MW6.9地震和2010年墨西哥Baja MW7.2地震发震断层参数 Table 1 Fault parameters of the 2010 MW6.9Yushu,China,earthquake and 2010 MW7.2Baja,Mexico,earthquake

图 3 动态复合震源模型发震断层面上滑动位移分布(a)2010年中国玉树MW6.9地震；(b)2010年墨西哥Baja MW7.2地震Fig. 3 Slip distribution on the main fault generated by the dynamical composite source model(a)For the 2010 MW6.9 Yushu earthquake ;(b)For the 2010 MW7.2 Baja earthquake

表 2 2010年玉树 MW6.9地震及Baja MW7.2地震断层模型震源参数 Table 2 Source parameters of the 2010 MW6.9 Yushu earthquake and 2010 MW7.2 Baja earthquake used in the dynamical composite source model
　　3 强地面运动模拟结果分析 3.1 Baja地震5053台站实测记录与模拟结果的对比

　　Baja地震中, Mexicalia城（33.0°N， 116°W）为受地震影响最大的城市之一. 其沿断层走向方向距离震中约47 km， 距离断层约14 km． 前面提到， 在已完整公布的14个峰值加速度在0.2g以上的实测强震记录中， 5053台站位于Mexicalia城北西方向约3 km处（图1b）， 该台站记录到的最大峰值加速度约为0.27g，台站位于海平面下约66 m．因此， 本研究首先应用现有的5053台站的实测数据， 讨论如何在模拟过程中合理地对地震波辐射能进行取值． 首先将Baja地震模型的地震波辐射能设为已知范围的下限值， 即3.7×1014J （表 2）， 绘制5053台站南-北、 垂直及东-西3个方向加速度的时程曲线图（图4a）， 3个方向峰值加速度（PGA）的计算结果分别为0.03g, 0.02g和0.05g； 然后将地震波辐射能设为已知范围的上限值， 即4.8×1014J （表 2）， 绘制南-北、 垂直及东-西3个方向加速度的时程曲线图（图4b）， 3个方向PGA的计算结果分别为0.06g， 0.05g和0.10g（图4b）； 利用CESMD(2010)给出的实测数据绘制了5053台站南-北、 垂直及东-西3个方向实测的加速度时程曲线图（图4c）， 3个方向的峰值加速度（PGA）分别为0.26g， 0.23g和0.27g．分别对比图4a与图4c及图4b与图4c， 可以看到， 对于Baja地震的强地面运动的模拟， 当地震波辐射能的取值为上限值4.8×1014J 时， 其模拟结果与实测记录在波形特征、 持续时间上一致程度较高．

图 4a 地震波辐射能取3.7×1014J时， Baja地震5053台站地面质点加速度南-北、垂直及东-西3个方向分量的模拟时程曲线 Fig. 4a Simulated acceleration time-histories of the N-S (top), U-D (middle) and E-W (bottom) component at station 5053, when the value of seismic radiated energy is 3.7×1014J

图 4b 地震波辐射能取4.8×1014J时,Baja地震5053台站地面质点加速度南北、垂直及东-西3个方向分量的模拟时程曲线 Fig. 4b Simulated acceleration time-histories of the N-S (top), U-D (middle) and E-W (bottom) component at station 5053, when the value of seismic radiated energy is 4.8×1014J

图 4c Baja地震5053台站地面质点加速度南-北、垂直及东-西3个方向分量的实测时程曲线 Fig. 4c Recorded acceleration time-histories of the N-S (top), U-D (middle) and E-W (bottom) component at station 5053 of Baja earthquake

进一步针对图4c中实测记录及图4b中的模拟结果进行了傅里叶频谱分析（图4d）. 图4d 中分别给出了5053台站南-北、 垂直及东-西3个方向实测记录与模拟结果傅里叶频谱分析的对比图. 参照5053 台站的实测数据， 频率范围设为0—50 Hz， 其中蓝色线表示实测记录， 黑色线为图4c中的模拟结果． 由图4b, c及d可以看到， 模拟结果南-北、 垂直及东-西3个方向分量的波形特征及持续时间均与实测记录一致性较好， 尤其是两个水平分量， 即南-北及东-西分量； 3个方向分量在约20Hz的范围内与实测记录一致程度相对较高，在20—50 Hz的范围内模拟结果略低于实测结果； 南-北、 垂直及东-西3个方向分量PGA的模拟结果整体小于实测结果， 其中南-北及垂直两个方向PGA的实测结果均相当于对应方向分量PGA模拟结果的约4倍， 东-西方向分量PGA的模拟结果与实测结果较为接近， 其模拟结果与实测记录的比值约为1:2.7． 

图 4d Baja地震地面质点加速度3分量实测（蓝线）与模拟（黑线）结果傅里叶频谱分析对比 Fig. 4d Comparison of recorded (blue lines) and simulated (black lines) acceleration Fourier spectra of Baja earthquake

因此， 针对Baja地震， 图4b中给出了强地面运动加速度3个方向分量的时程曲线， 其在波形特征、 持续时间及频率成分均与图4c中给出的实测记录具有较好的一致性． 然而3个方向分量PGA的计算结果均小于实测记录. 造成这一现象的原因可能源于以下3个方面： 第一， 本文基于运动学模型所给出的模拟结果采用的是1-D的层状介质， 前文中提到由于目前尚缺乏Baja地区的速度结构数据， 近似采用美国加州地区的速度结构， 这可能是造成5053台站的模拟结果小于实测结果的原因之一， 随着速度结构资料的完善， 这一方面的影响将会得到改善； 第二， 5053台站距离Baja地震震中约50 km， 距离主发震断层约23 km， 即该台站并未处在Baja地震的近场区域， 盆地效应的影响也可能是造成模拟结果偏小的原因之一， 本研究中所建立的模型尚无法直接考虑盆地效应的影响； 第三， 根据5053台站所处位置的地质资料（CEGMD， 2010）可知， 该台站位处海平面下约66 m， 周围地区存在厚的沉积层， 尽管我们在模拟过程中采用了USGS的V30数据，但是仅仅采用地下30m的浅层速度结构的数据，显然无法准确地反映厚沉积层对强地面运动的影响．

此外，Andrews（1986）对地震强地面运动的频谱响应进行分析时指出，σB≡4σa/［2.34(AFS)2］≡4.3σa. 其中, σB为Brune圆盘模型下的动态应力降， 即前面提到的动态应力降Δσd；AFS为S波辐射图型因子， 其在震源球球面上的均方根为为视应力． 对于Baja地震， 其σa约为0.17 MPa （表 2）. 进一步采用Brune（1976）给出的强震质点运动加速度的估算方法， 即其中, ü为质点加速度， υ为破裂速度. 令υ≥β, 则有其中, ρ和β分别为常数， 取有限时间间隔， 即频率约为10 Hz的范围内，MaGarr和Fletcher（2001）也指出， 对于现阶段地震波辐射能的估算通常存在2—3倍的偏差， 因此针对Baja地震地震波辐射能的上限值进行了3倍的放大, 重新模拟5053台站的强地面运动，得到南-北、 垂直及东-西3个方向PGA的模拟结果约为0.10g—0.17g．

因此， 图4b给出的模拟结果中3个方向均小于实测结果， 并非本文模型自身的缺陷及参数选取不当所致. 并且通过前面对图4b， c及d的分析， 可以说明本文给出的模型具备一定的适用性及实用价值． 由于Baja地震发震区域场地条件资料的缺乏， 我们在进行强地面运动的区域化模拟过程中， 仍采用了已知地震波辐射能的上限值来约束模型， 随着地震波辐射能估算方法的不断完善和精确， 这种影响将可能得到一定的改善． 对于玉树地震， 目前尚没有公开发表的实测记录， 且其发震区域的场地条件资料仍十分缺乏， 本研究建立玉树地震模型时仍对地震波辐射能的取值趋于保守．

因此，图 4b给出的模拟结果中3个方向均小于实测结果，并非本文模型自身的缺陷及参数选取不当所致. 并且通过前面对图 4bb，c及d的分析，可以说明本文给出的模型具备一定的适用性及实用价值． 由于Baja地震发震区域场地条件资料的缺乏，我们在进行强地面运动的区域化模拟过程中，仍采用了已知地震波辐射能的上限值来约束模型，随着地震波辐射能估算方法的不断完善和精确，这种影响将可能得到一定的改善． 对于玉树地震，目前尚没有公开发表的实测记录，且其发震区域的场地条件资料仍十分缺乏，本研究建立玉树地震模型时仍对地震波辐射能的取值趋于保守． 　　 3.2 玉树地震近场区域强地面质点运动模拟结果

如图 1a及表 2所示，青海省玉树县(33.0°N，97.0°E)沿断层距离震中约37 km，与前面提到的第二个破裂区域相对应(刘超等，2010)，且距离主发震断层约4 km，位于玉树地震发震断层的近场区域. 但是由于目前缺乏实测的强震记录，因此本文在针对玉树地震强地面运动的区域化模拟过程中，地震波辐射能取值约为4.0×1015J． 参照图 1a，本文中选择包含2010年青海玉树地震震源在地表投影位置及玉树县在内大约55000 km2的范围作为计算区域，来进一步研究近断层区域强地面运动的分布特征(图 5)． 图 5a，b和c分别为玉树地震近断层区域强地面运动断层法向(normal，简称N)、 平行断层(parallel，简称P)及垂直于地表(vertical，简称V)三个方向PGA的区域等值线分布；图 5d，e和f分别为玉树地震近断层区域强地面运动N，P及V三个方向PGV的区域等值线分布．

图 5 2010年玉树MW6.9地震基岩上近断层区域强地面运动分布特征(a)，(b)，(c)分别为N，P和V三个方向的PGA分布；(d)，(e)，(f)分别为N，P和V三个方向的PGV分布Fig. 5 Simulated PGA and PGV distribution on bed rocks of 2010 MW6.9 Yushu，China，earthquake(a)，(b) and (c)indicate PGA of the fault normal，parallel and vertical component，respectively；(d)，(e) and (f)indicate PGV of the fault normal，parallel and vertical component，respectively

整个计算区域中强地面运动PGA的范围为0—300 cm/s2，PGV的范围为0—40 cm/s．参照图 3a，玉树县附近出现了明显的高值分布区． 由图 5a，b和c可以看出： 第一，受断层破裂模式的影响，PGA分布呈现对称特征，即玉树地震的发震断层为倾角近乎垂直的走滑断层，其近断层两侧的PGA分布以断层在地表出露线为轴两侧呈现对称性分布； 第二，断层两侧随着距断层的距离逐渐变大，强地面运动呈现逐渐衰减的趋势，这也与强地面运动的衰减关系相一致(Boore，Atkinson，2007)； 第三，受破裂传播方向性的影响，PGA在断层的断点前端N向分量明显大于P向及V向的分量． 同样由图 5d，e和f可以看到，PGV的分布特征与PGA的分布特征相一致，且N向PGV的分布特征较之P及V向的分布特征更加明显地突出了方向性的影响． 3.3 Baja地震近场区域强地面质点运动模拟结果

参照图 1b，本文中选择包含2010年墨西哥Baja地震震源在地表投影位置及Mexicalia城附近5053台站在内的大约11000 km2的范围作为计算区域，来进一步研究近断层区域强地面运动的分布特征(图 6)． 图 6a，b和c分别为Baja地震近断层区域强地面运动N，P及V三个方向PGA的区域等值线分布； 图 6d，e和f分别为Baja地震近断层区域N，P及V三个方向PGV的区域等值线分布．图 6a，b，c中计算区域强地面运动PGA的范围为0—150 cm/s2，PGV的范围为0—20 cm/s，均大致相当于玉树地震的一半． 参照图 3b，高值分布区出现在近断层的区域，大致由震中位置开始沿断层的走向依次排列. 由图 6a，b和c可以看出，Baja地震PGA特征分布近断层两侧呈现对称性，断层两侧随距断层距离逐渐增长而逐渐减小； 由图 6d，e和f可以看到，N向分量PGV的分布在Baja地震断层的北西方向受方向性影响尤为明显，不仅仅N向分量的PGV要大于P向和V向分量，且N向PGV的相对高值区域明显要多于P向和V向分量．

图 6 2010年Baja MW7.2地震基岩上近断层区域强地面运动分布特征(a)，(b)，(c)分别为N，P和V三个方向的PGA分布；(d)，(e)，(f)分别为N，P和V三个方向的PGV分布Fig. 6 Simulated PGA and PGV distribution on bed rocks of 2010 MW7.2 Baja，Mexico，earthquake(a)，(b) and (c)indicate PGA of the fault normal，parallel and vertical component，respectively；(d)，(e) and (f)indicate PGV of the fault normal，parallel and vertical component，respectively

对比图 5和图 6可以看到，玉树地震PGA和PGV均大于Baja地震，前者的整体范围大致约相当于后者的2倍． 参照图 5，不难发现玉树县位于PGA和PGV的高值区域. 由于5053台站距离断层较远，其在图 6中并未处于PGA和PGV的高值区域，这与前面对图 5的比较分析相一致． 由此可见，尽管玉树地震和Baja地震的矩震级相似，但二者造成的地表强地面运动却存在很大的差异. 造成这种差异的重要的可能原因之一，是玉树地震所释放的地震波辐射能远大于Baja地震所释放的地震波辐射能(USGS，2010a，b)． 3.4 玉树地震和Baja地震在浅层速度结构下的强地面运动分布特征

由于浅层速度结构(V30)数据的缺乏，前面针对玉树地震和Baja地震所给出的PGA和PGV分布特征是在基岩上进行模拟计算而获得的． 由于玉树地震发生在青藏高原东缘的内陆地区，而Baja地震则发生在大陆的边缘地区，二者的浅层速度结构存在着一定的差异． 因此，本研究中进一步应用USGS的V30数据，绘制玉树地震和Baja地震浅层速度结 构下近场区域强地面运动的分布特征(图 7，8)． 所应用的USGS的V30数据是由Wald和Allen(2007)利用地形斜率替代场地条件而给出的浅层速度结构数据，本文利用这一数据来进一步比较两个矩震级相似的地震在浅层速度结构的影响下强地面运动的差异性．

图 7 2010年玉树MW6.9地震浅层速度结构下(V30)近断层区域强地面运动分布特征(a)，(b)，(c)分别为N，P和V三个方向的PGA分布；(d)，(e)，(f)分别为N，P和V三个方向的PGV分布 Fig. 7 Simulated PGA and PGV distribution including shallow velocity structures(V30，average shear-velocity down to 30 m)of 2010 MW6.9 Yushu，China，earthquake(a)，(b) and (c)indicate PGA of the fault normal，parallel and vertical component，respectively;(d)，(e) and (f)indicate PGV of the fault normal，parallel and vertical component，respectively

图 8 2010年墨西哥 Baja MW7.2地震浅层速度结构下(V30)近断层区域强地面运动分布特征(a)，(b)，(c)分别为N，P和V三个方向的PGA分布；(d)，(e)，(f)分别为N，P和V三个方向的PGV分布 Fig. 8 Simulated PGA and PGV distribution including shallow velocity structures(V30，average shear-velocity down to 30 m)of 2010 MW7.2 Baja，Mexico，earthquake(a)，(b) and (c)indicate PGA of the fault normal，parallel and vertical component，respectively;(d)，(e) and (f)indicate PGV of the fault normal，parallel and vertical component，respectively

参照图 1a及图 5，图 7给出了玉树地震浅层速度结构(V30)下近场区域强地面运动分布特征． 图 7a，b和c分别为V30影响下N，P和V三个方向PGA的分布特征，图 7d，e和f分别为V30影响下N、 P和V三个方向PGV的分布特征． 图 7中给出的V30影响下计算区域中PGA的范围为0—800 cm/s2，PGV的范围为0—90 cm/s. 在V30的影响下，玉树地震PGA和PGV整体放大了大致约3倍． 图 7a，b和c中给出的V30影响下N，P和V三个方向PGA的分布特征图与5a，b和c中基本趋势一致： 近断层区域数值高，远离断层区域数值低，受方向性影响明显； N向分量PGA分布特征在断层北东方向的断点出现了一个高值区域，且玉树县所处的高值区域的PGA值也明显放大了(图 7a)． 图 7d，e和f中给出的V30影响下PGV的分布特征与图 5d，e和f中的趋势保持一致，且与图 7a，b和c相对应．

参照图 1b及图 6，图 8给出了Baja地震浅层速度结构(V30)下近场区域强地面运动分布特征． 图 8中给出的V30影响下计算区域中PGA的范围为0—400 cm/s2，PGV的范围为0—40 cm/s． 参照图 6，图 8中给出的Baja地震在浅层速度结构V30影响下PGA和PGV同样得到了放大，大约为基岩上强地面运动的2.5倍，并且分布特征更加细化，更能反应局部的PGA和PGV的分布情况． 对比图 7和图 8可以看到，在浅层速度结构V30的影响下，玉树地震PGA和PGV仍大于Baja地震，前者的整体范围仍大致约相当于后者的2—3倍，并且玉树县仍位于PGA和PGV的高值区域． 4 讨论

1)尽管2010年4月14日中国玉树地震和2010年4月4日墨西哥Baja地震的矩震级相似，甚至Baja地震的矩震级大于玉树地震，但二者的能量震级却相差很多，直接表现就是玉树地震的地震波辐射能大约为Baja地震的地震波辐射能的10倍，并且由于地震发生后所释放的地震波辐射能与断层面上的地震矩不同，使得玉树地震的视应力相当于Baja地震的近30倍． 视应力的物理意义为主发震断层面上单位面积平均滑动位移下地震波辐射能的多少． 理论上对于矩震级相似的两次地震，视应力越大，主发震断层面上单位面积平均滑动位移下辐射出来的地震波能量就越多. 因此也就可以初步地给出玉树地震发震后的地表强地面运动大于Baja地震的原因．

2)本研究以Baja地震的5053台站为例，在考虑地震波辐射能自身估算偏差的前提下，应用公式(1)对模型进行约束计算所能得到的PGA的最高计算值约为0.17g. 然而该台站所记录到的PGA的最大值约为0.27g，对此前文中初步讨论了造成计算值偏小的可能原因． 但如何从理论上证明模型计算的结果具备合理性仍然是一个十分必要的问题，因此，本文应用频谱响应及动态应力降从理论上对质点运动的加速度进行估算出发，针对图 4b中的模拟结果给出了合理的解释，即针对Baja地震强地面运动特征的区域化模拟，其加速度的取值范围为0.3g左右视为合理．

3)由表 2可以看出，尽管Baja地震的地震矩大于玉树地震的地震矩，且前者大致相当于后者的3倍，但由于两个矩震级相似的地震主发震断层的几何尺度相同，Baja地震较大的地震矩仅仅使得断层面上的平均滑动位移大于玉树地震． 结合前面的讨论，相比之下Baja地震具备以下特征： 地震矩大、 矩震级偏大、 主发震断层面上平均滑动位移大，地震波辐射能小、 视应力小； 而玉树地震的特征则基本与Baja地震相反： 地震矩小、 矩震级偏小、 主发震断层面上平均滑动位移小，地震波辐射能大、 视应力大． 事实上，地震波能量正比于滑动速率，而不是滑动位移； 而矩震级则正比于断层滑动位移，即矩震级大，并不等于地震波辐射能大，也不等于地震能量震级大，如Baja地震的矩震级要大于其能量震级，而玉树地震的矩震级则小于其能量震级． Kanamori和Brodsky(2004)指出，地震波辐射能与滑动速度的平方成正比，ER∝a22∝a2(u/a)22∝a2(u/a)2V2. 其中，ER为地震波辐射能，u为滑动位移，则为滑动速率，a为破裂尺度，为a的一阶导数，V为断层的破裂速度． 由此可见，地震波辐射能不但与滑动速度的平方成正比，并且与破裂速度的平方成正比. 本文现阶段对破裂速度的考虑仍然采用单一值，这也是未来有待改进的工作重点之一．

4)针对盆地效应的影响，本研究尚无法在模型建立和计算过程中直接对此进行考虑，而盆地效应对于强地面运动的放大效应往往无法回避． 通常情况下，强地面运动受沉积盆地地形的影响较大，地震波在岩床间能够快速传播，但在盆地中传播较慢. 由于盆地边缘的几何形状与水平方向存在一定的角度，导致地震波在盆地边缘以某一个角度入射时会发生全反射，一旦发生全反射则会在盆地边缘及盆地内部造成地震波的干涉及衍射，从而使得地震波的幅值及持续时间得到放大及延长. 有兴趣的读者可参见Somerville和Graves(2003)的文章．

事实上，对于Baja地震的实测记录，有11个PGA的最大值高于5053台站的0.27g，而能够完整给出图形、 实测数据及台站所处地质资料的仅有7个. 在这7个记录中仅有3个能够给出台站所处区域的海拔数据，分别为-7，-19和-36 m. 其中-7 m的台站还标注了“厚沉积层(deep alluvium)”的信息. 海拔高度为-36 m的台站在美国境内，即为最高记录0.59g所在的5058台站． 本文在研究过程中分析，这14个0.2g以上的记录很有可能受到盆地效应的影响，而盆地效应对于强地面运动的放大效应往往无法回避． Somerville和Graves(2003)指出，对于2-D盆地模型，保守地估计，地震波幅值的放大通常在2—3倍左右，持续时间的延长通常在3—4倍左右． 在未来的工作中，可以结合应用有限差分的方法来实现对盆地效应的考虑，但需要建立在对盆地的几何形状及三维速度结构信息充分了解的基础之上，便可作为研究强地面运动在盆地上区域化分布特征的一种重要的补充手段．

作者在对5053台站模拟结果进行分析的过程中，查阅并比较了Baja地震所处地区历史地震的资料，其中值得注意的是，在1999年6月1日和9月10日发生在Baja California地区两次MW4.8的地震，其近场强震记录最高值达0.452g(González et al，2001). 该文献还指出，这两次地震发生在南加州的Mexicalia Valley附近区域，其地质环境特征为沉积环境，并且这两次地震的发生地就在Baja地震发生后受影响比较严重的Mexicalia城附近． 也就是说，2010年Baja地震所处的Baja California 地区，在该地区发生地震后的强震记录有可能在很大程度上受到当地沉积环境的影响．

此外，本文中也提到郭华东等(2010)通过对遥感等资料的综合分析，指出地震造成人员伤亡的最直接原因是建筑物的倒塌，而导致建筑物倒塌的3个主要原因中，建筑物距断层的距离是高度相关，而建筑物结构类型仅是十分有关． 对此我们的认识是，即便建筑物抗震性能偏低，但如果其距离主发震断层很远，其倒塌的可能性也不会高． 也就是说，对于距主发震断层不同距离的建筑物而言，我们不能仅仅用建筑物的抗震能力作为比较的标准，这也是在本文中我们一再强调的玉树地震之所以造成如此大的伤亡，并不仅仅因为玉树地区的建筑物抗震能力不够高造成的，而是受到多种原因综合导致的． 5 结论

2010年4月14日中国青海玉树MW6.9地震相比于2010年4月4日墨西哥Baja MW7.2地震，前者所造成的发震区域内建筑物损毁程度大、 伤亡人员多． 其重要原因之一在于玉树地震所释放的地震波辐射能高，约相当于Baja地震的10倍. 由于地震波辐射能高，发震后所造成的强地面运动强，进而对近断层区域内建筑物的破坏力大，地震造成的人员伤亡严重． 本文针对两个矩震级相似的地震进行模拟的过程中，虽然由于没有玉树地震的实测记录，模拟过程中针对玉树地震的地震波辐射能的取值相对保守，而Baja地震模型对地震波辐射能的取值为其最高值，但模拟结果表明，无论是在基岩上还是在浅层速度结构(V30)的影响下，玉树地震近断层强地面运动仍远大于Baja地震. 即玉树地震之所以造成严重的破坏，主要原因并不仅仅来自于玉树地区抗震设防标准不够高，发震区域内房屋抗震性能相对差，而重要原因之一在于其地震波辐射能大、 造成的地表强地面运动强．

由于相关地质、 地球物理资料相对有限，已知的断层面上滑动位移的反演结果不唯一且不完善，因此应用本文给出的动态复合震源模型进行强地面运动的拟合计算可能会存在偏差． 此外，由于现阶段模型的局限，尚无法直接考虑盆地效应的影响，断层破裂速度的取值也仍为单一值． 尽管如此，对于矩震级相似的两次地震，强地面运动的比较及强地面运动数据的补充，应用动态复合震源模型进行模拟计算不失为一个有效的手段． 随着地质与地球物理资料的不断完善，针对玉树地震和Baja地震所建立的模型也会更加完善，从而能够更好地对比这两次地震强地面运动特征的差异．

本文研究中应用地震矩守恒和地震波辐射能守恒两个条件来约束模型，尽量使得文中针对矩震级相似的两次地震所建立的模型符合物理的过程． 如何基于物理过程对强地表运动进行合理地预测，是地震科学发展过程中的难题之一(史保平，孟令媛，2010)． 尽管随着地震科学的发震，使得我们可以在地震发生后的几分钟内获知破坏性地震发生的震中、 震源确切位置和震级大小，以及粗略的地震动强度分布，但目前对于如何准确地预报地震事件的发生和停止仍缺少可信的认识. 因此，预防地震灾害的关键就是加强必要的防范． 统计数据表明，地震灾害所造成的人员伤亡和建筑物的破坏，与抗震规范的合理选取以及有效的灾后紧急救援系统的建立关系密切． 抗震规范的选取及灾后烈度区域快速圈定又与地表运动强度高度相关. 因此，基于物理过程准确地预测强地表震动强度，将对工程设计中的抗震参数选取，紧急救援系统的快速、 正确地反应，有着至关重要的作用和意义．

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