近断层地面运动效应及人员伤亡模式：通过InSAR变形分析和多因素风险耦合研究揭示——以2023年吉石山地震为例

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Near-fault ground motion effects and casualty patterns revealed by InSAR deformation and multi-factor risk coupling: A case study of the 2023 Jishishan earthquake

　　

李华月|夏超旭|齐文华|聂高忠

中国地震局地震与火山灾害重点实验室

摘要

快速估算地震伤亡人数对于应急响应和灾害风险降低至关重要，特别是在近断层区域，传统的基于强度或建筑物的模型可能会低估损失。本研究提出了一个多源框架，通过整合InSAR衍生的变形梯度、地面运动参数、地表易损性指标、断层距离效应和结构致命性水平来评估近断层地震的伤亡风险。利用2023年中国吉石山6.2级地震的现场调查数据，构建了一个综合风险指数（CRI），以量化地下地面运动、地表放大效应和结构脆弱性的综合影响。结果表明，死亡率随着与断层距离的增加而呈指数级下降，而在悬壁区域和变形梯度较高的地区，即使在中等峰值地面加速度（PGA）和峰值地面速度（PGV）水平下，伤亡人数也会显著增加。与传统基于致命性的模型相比，基于CRI的致命性调整模型（LL_adj）改进了近断层伤亡模式的空间表示，预测与观测到的死亡率之间的决定系数（R²）达到了0.83。所提出的框架为地震后的快速伤亡评估提供了一种可操作且具有物理解释性的方法，特别是在缺乏密集强震观测数据的山区或数据稀少地区。研究结果强调了将近断层变形和放大效应纳入灾害风险降低和应急响应规划中的重要性。

引言

快速可靠地估算地震伤亡人数对于应急响应和灾害风险降低至关重要。然而，主要依赖于地震强度或建筑物脆弱性的传统评估模型往往在近断层环境中低估了损失，因为这些地区的伤亡分布受到破裂接近度和局部变形的强烈影响。尽管遥感技术的进步以及像USGS PAGER框架这样的系统提高了过程导向的定量评估的准确性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]，但现有模型仍然缺乏对断层运动学和破裂动力学的整合。这一限制显著降低了它们的物理可解释性和区域适用性。

现有的伤亡评估模型主要依赖于地震强度、人口暴露程度和建筑物脆弱性[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而，强度与死亡率之间的关系高度非线性[13]、[14]，即使在相同的强度下，由于材料、老化和建造方式的不同，相同类型的建筑物也可能导致截然不同的伤亡结果[15]、[16]、[17]。此外，虽然断层机制从根本上改变了结构倒塌模式[18]、[19]、[20]，场地效应或次生灾害也会对局部损失产生重大影响[21]、[22]、[23]、[24]，但大多数现有模型仍未能充分整合这些关键物理因素。

最近的研究通过建模特定建筑物倒塌与死亡率之间的关系，显著推进了结构致命性的定量分析[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。然而，这些以结构为中心的方法通常将建筑物与其复杂的物理环境隔离开来，未能考虑近断层运动学效应，如破裂方向性、速度脉冲和悬壁放大效应。

近断层破裂动力学会产生强烈的地面运动不对称性和大的速度脉冲，最近的研究广泛评估和模拟了这些脉冲状运动及其对结构的影响[30]、[31]、[32]、[33]、[34]，这些效应可以使变形增加2-4倍[35]，并促进脆性结构失效[36]、[37]、[38]。在逆冲地震中，这些脉冲与悬壁放大的耦合会严重加剧破坏[39]、[40]、[41]。

同样，近地表地面运动受到地形和场地条件的强烈调节。山脊和陡坡可以使地震响应放大2-4倍，而山谷则会减弱它们[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]。盆地几何形状和软沉积物进一步控制了局部共振[48]，导致在特定地形中结构倒塌率异常高，如2020年萨莫斯地震和2023年土耳其地震中所观察到的[49]、[50]。尽管这些近断层和地形效应是灾害严重程度的关键物理驱动因素，但它们在传统灾害模型中仍然基本被忽略。

InSAR技术的最新进展使得能够高分辨率地绘制同震地表变形、浅层破裂模式和各种地震的应变定位[51]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]、[58]。重要的是，衍生的变形梯度场（?Deform）与建筑物破坏和死亡率模式表现出强烈的空间一致性[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]。此外，将InSAR与机器学习相结合可以更深入地了解复杂的多因素灾害相互作用[67]、[68]、[69]。这些发现证实了局部地表应变是近断层破坏的关键决定因素，强调了将InSAR衍生指标纳入伤亡评估模型的必要性。

尽管在结构脆弱性、动态破裂和场地效应等各个领域取得了进展，但现有的伤亡评估研究仍然高度分散。当前模型通常孤立特定变量，缺乏整合地下、地表和结构控制的统一框架。具体来说，迫切需要将断层运动学、变形梯度和地面运动放大效应与结构致命性和实际伤亡人数直接定量耦合。

2023年吉石山逆冲地震的特点是显著的悬壁危险不对称性、复杂的地形和严重的次生灾害[70]，为这些耦合过程提供了一个理想的案例研究。为了解决上述问题，本研究提出了一个三维评估框架，整合了地下、地表和结构因素。该框架的具体实施包括：（1）使用InSAR衍生的变形梯度量化断层破裂运动学和悬壁放大效应；（2）构建综合地面运动强度指数（CGMII）和综合地表易损性指数（CSSI）以捕捉近断层地震需求和地形场地效应；（3）通过随机森林模型将这些多源预测因子整合到一个统一的综合风险指数（CRI）中；（4）开发一个CRI调整的致命性模型，以纠正传统伤亡评估中固有的系统偏差。这个具有物理解释性的框架为地震后的应急响应提供了支持。

章节片段

研究区域

研究区域位于青藏高原东北边缘的吉石山断层带。该地区以活跃的构造活动、陡峭的地形和复杂的地壳结构为特征。2023年吉石山6.2级地震的断层是一个逆冲断层，造成了严重的破坏，导致明显的地表断裂和明显的垂直位移，并产生了强烈的悬壁放大效应。该地区的地貌反映了从……

来自InSAR的同震变形场特征

如图1所示，InSAR衍生的同震变形场显示出沿NW-SE走向的吉石山断层带延伸22-25公里的明显不对称视线（LOS）位移模式。悬壁上升了80-100毫米（朝向卫星的运动），而脚壁下降了-40至-60毫米。这种120–150毫米的位移对比表明，滑动发生在大约1-2公里的深度，这与西北倾斜的逆冲断层的几何形状一致。

讨论

2023年吉石山地震的伤亡人数和空间分布不能仅由单一因素完全解释；相反，它是多种相互作用物理和环境机制的结果。通过对多源数据的分析，可以发现伤亡人数是多种非线性耦合的结果，包括断层运动学、近断层放大、应变局部化、地表地形、倒塌方向和建筑物脆弱性。

结论

本研究整合了地下、地表和建筑物结构变量，构建了一个近断层、多因素、三维的地震伤亡评估模型。通过结合InSAR衍生的变形梯度、地面运动参数、地形放大指数、结构致命性水平（LL）、倒塌方向性和断层距离效应，提出了一个统一的综合风险指数（CRI）及其相应的致命性调整模型（LL_adj）。结果……

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42207532）、国家自然科学基金（项目编号：42177453）和国家非营利基础研究基金、中国地震局地质研究所（项目编号：IGCEA1905）以及国家自然科学基金（项目编号：41907397）的共同支持。

CRediT作者贡献声明

李华月：数据整理、正式分析、调查、方法论、撰写——初稿。夏超旭：概念化、正式分析、资金获取、调查、方法论、验证、撰写——审阅与编辑。齐文华：概念化、数据整理、资金获取、调查、资源、软件、验证。聂高忠：概念化、正式分析、方法论。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：如果没有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。