汶川大地震渭河盆地地震效应研究

1985年墨西哥地震以来，盆地的地震效应日益成为地震工程领域的一个重要研究问题。但由于已经获得的盆地内的强震记录很少，目前的研究主要是基于数值模拟技术的定性分析。2008年5.12汶川大地震中，位于渭河盆地的西安市和盆地边缘的宝鸡市均属于低烈度区中的高烈度异常区，震害明显高于周边地区。中国数字强震动观测台网获得了渭河盆地内近30个台站的主震和大量余震记录，这些观测台分布相对均匀，是研究盆地效应的极佳资料。同时，震后对渭河盆地的调查也提供了较为详细的震害资料。本研究拟基于强震观测和震害资料，利用三维渭河盆地模型，采用观测资料分析和数值模拟两种方法相结合，研究5.12汶川大地震中渭河盆地地震效应。主要包括渭河盆地的地震波传播过程，盆地边缘对震害的加重作用，盆地内部地震动的放大特征和分布规律。本研究对认识盆地等大型复杂场地条件对地震波传播的影响规律和位于盆地上城市的防震减灾规划有重要意义。

本项目基于5.12汶川大地震中渭河盆地的强震观测记录和汶川地震近场区域地壳速度结构以及渭河盆地的地震地质资料、深部物理勘探和钻孔资料以及渭河盆地震害资料的基础上，研究了渭河盆地的地震效应；主要成果为：（1）建立了740 km×552 km×60km的三维数字化速度结构模型，模型包括了汶川地震的整个发震断层、地表的地形、渭河盆地的第四系和第三系沉物层的分层以及地壳的分层；（2）利用非负最小二乘法和远场P波垂直向速度记录反演了汶川地震破裂过程，给出了比较精细的震源模型，模型包含了150个10km×10 km子断层的20秒的震源时间函数；（3）利用三维高效谱元方法模拟了汶川大地震激发的地震波从发震断层到渭河盆地传播的全部过程，三分量的模拟记录与盆地内及其边缘的28个台站的观测记录吻合较好，表明了我们建立的盆地模型、震源模型和模拟方法及模拟结果的可靠性。这也是目前国内外远场大震作用下最大的盆地地震动场模拟。.通过盆地内外模拟和观测记录以及盆地内的模拟地震动场，分析了盆地对地震动放大作用的机理和放大规律。研究表明:（1）汶川地震中，入射到渭河盆地的绝大部分能量以面波为主，尽管盆地的入射面波不强，但进入盆地的面波主要能量被盆地捕捉，在盆地内深厚土层的放大作用下，面波振幅显著变大，持时明显增加，盆地内很强的4s-10s的面波是导致长周期地震动放大的根本原因。（2）盆地内垂直向地震动基本不放大，但水平向地震动放大效应明显，特别是在盆地内的户县、渭南和华阴以北的三个最深的凹陷处，其东西和南北向位移峰值约为盆地外基岩的6-10倍，持时约为盆地外基岩的5-8倍，放大的主要周期集中在5s-10s，这一区域的西安地区在汶川地震动为高烈度异常区，与面波的放大明显有关。（3）受盆地覆盖层厚度变化剧烈的影响，盆地的地震动分布极不均匀，南部的地震动强且变化剧烈，从盆地的中部到北边地震动变化平缓，同样的覆盖层，盆地南侧的地震动较北侧大很多，盆地北部第四系覆盖层500m以下区域的地震动较基岩无明显放大。（4）盆地的南边表现出一定的边缘效应，盆地聚焦效应不明显。（5）盆地内加速度反应谱分析也表明了长周期地震动的放大作用是震害产生的主要原因，所有台站1s 以下的反应谱远低于盆地内的规范谱，而1s-10s的加速度反应谱在草滩、陈仓、高陵、户县、岐山、渭南、西安等台明显大于规范谱。