关于贡泉谷地区弱震记录中极大幅度地震地面运动放大的研究

《Frontiers in Earth Science》：Study on the extremely large seismic ground motion amplification on weak-motion seismograms from the Gongquan valley

三维地形与地质条件对长宁6.0地震动放大效应的影响分析。

　　2019年6月17日，四川长宁发生了里氏6.0级地震，震中位于北纬28.34°、东经104.90°，震源深度为16公里。此次地震对公泉镇造成了严重的破坏，特别是该镇距离震中约12公里的范围内，地震波的放大效应显著。研究者通过对震后现场的调查发现，公泉镇的三维地形和地质条件可能加剧了地震波的放大作用。为了深入理解这一地区的地震破坏机制，并为未来的防灾减灾提供科学依据，研究团队在公泉镇部署了地震观测阵列，以记录地震活动并分析该区域的地震波放大特性。

地震波的放大效应是地震灾害研究中的重要课题。在地震发生时，地震波在不同地层中传播，其振幅会受到地形和地质条件的影响。当地震波的主频与建筑物的自然频率相匹配时，会引发共振效应，从而加剧地震的破坏性。因此，研究地震波在不同地点的放大特性，对于评估地震对建筑结构的影响具有重要意义。公泉镇的地形以河谷为主，地势起伏明显，河谷低洼处为第四纪冲积层，而陡峭的山地则裸露着岩石地层，地表高差可达500米。这种复杂的地形条件为地震波的放大提供了可能。

为了研究地震波的放大效应，研究团队在公泉镇选取了10个观测点，覆盖了河岸和山地等地形特征明显的区域。这些观测点均配备了QS-05A便携式数字地震仪，其频率范围为5秒至150赫兹，适用于对地震波的详细记录和分析。从2019年9月17日至19日，这些观测站进行了连续记录，共识别出38次地震事件。这些地震的震中范围大致位于北纬28.20°至28.48°、东经104.67°至104.75°之间，多数地震沿长宁向斜分布，震级从0.4级到2.9级不等，震源深度在1至15公里之间。地震事件的分布情况如图3所示，其中事件34的三向波形记录如图4所示。

在分析地震波放大效应时，研究团队采用了参考站点谱比（RSSR）方法。这一方法假设参考站点的地震波振幅可以作为研究站点下伏基岩的近似值。为了减少路径效应对分析结果的影响，研究团队排除了震中距离参考站点G06不足3.1公里的地震事件，确保研究站点与参考站点之间的距离不超过震源深度，从而忽略路径对地震波传播的影响。此外，研究还考虑了地震波的传播距离、地震破裂半径等因素。

通过对这些数据的处理，研究团队计算了各站点的地震波放大效应，并得出了不同频率范围内的平均放大因子。结果显示，公泉镇的地震波放大效应在5至7赫兹频率范围内平均达到11倍，表明该区域在这一频率段内的地震响应较为显著。同时，不同站点在不同地震事件中的放大效果差异较大，其中G09站点的放大因子高达26倍，而G06站点的放大因子则相对较低，仅为参考站点。这一发现提示我们，G09站点在某些地震事件中可能表现出极端的地震波放大效应，需要特别关注。

进一步分析表明，G09站点的极端放大效应并非由其直接下的土壤层引起，而是与地震源的方向密切相关。当地震发生在G09站点的东北方向时，该站点的地震波放大效应更加显著。这种方向性特征可能与当地地形的三维结构有关。研究团队通过地震波的粒子运动轨迹分析，发现不同地震事件中，G09站点的水平振动振幅显著高于其他站点，尤其是5至6赫兹频率段内的放大效果最为明显。

为了更直观地展示地震波放大效应的空间分布，研究团队绘制了不同频率段内各站点的平均放大因子图（见图7）。图中显示，公泉镇的地震波放大效应具有明显的局部特征，不同站点的放大效果差异显著，这进一步说明了地形和地质条件对地震波传播的复杂影响。此外，研究团队还对G09站点进行了微震探测，以获取地下介质的结构信息。通过反演分析，得到了G09站点的剪切波速度结构（见图9b），并据此进行了线性一维SH波的正演模拟（见图10）。模拟结果显示，G09站点的地震波放大效应在5至6赫兹范围内达到峰值，但其放大因子仅为2.5至3.5，远低于实际观测到的26倍。这表明，G09站点的极端放大效应可能与三维地形效应有关。

在讨论部分，研究团队指出，RSSR方法虽然能够反映地震波在不同站点的放大效应，但由于地震源和路径效应的存在，RSSR结果并不能完全代表站点本身的地震响应。因此，对于某些地震事件，尤其是震源距离较近的情况，RSSR结果可能低估了实际的地震波放大效应。例如，Event 31的震源距离G09站点为0.7公里，比参考站点G06更远，理论上会导致地震波的衰减，从而降低RSSR结果的准确性。然而，由于G09与G06之间的方位角和入射角差异较小，路径和地震源效应的影响相对有限，因此可以认为RSSR结果在一定程度上反映了站点本身的地震响应。

研究还指出，G09站点的极端放大效应可能由多种因素共同作用导致，包括土壤层的衰减效应、地表与基岩界面的共振效应、盆地结构的三维共振效应、盆地边缘效应以及土壤层的非线性效应等。尽管一维模型未能充分解释G09站点的极端放大现象，但三维地形效应可能是一个关键因素。因此，未来的研究需要进一步探讨这些因素之间的相互作用，以更全面地理解地震波的放大机制。

综上所述，通过对公泉镇地震波放大效应的研究，研究团队得出以下结论：首先，公泉镇的地震波放大效应显著，不同观测点之间的地震响应差异较大，其中G09站点的放大效应尤为突出。其次，地震波的放大效应在5至7赫兹频率范围内最为显著，且该区域的地震响应具有明显的局部特征。第三，G09站点的极端放大效应与地震源的方向密切相关，尤其是当地震源位于其东北方向时，放大效应更为显著。第四，由于研究数据主要来自余震事件，这些数据反映的是地震波的线性响应，而非强震下的非线性行为。因此，尽管如此，G09站点的极端放大效应仍需引起高度重视，以提高未来地震防御和减灾工作的科学性和针对性。最后，研究团队指出，公泉镇的地震波放大效应可能与三维地形结构有关，未来的研究应进一步探索这一机制，以更全面地评估地震风险。