， ，Janusz Wasowski

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所，成都 611743；3.National Research Council of Italy, Bari 999016, Italy)

1 研究背景

2016年8月24日凌晨3時(shí)36分(北京時(shí)間24日9時(shí)36分)，意大利中部拉齊奧大區(qū)列蒂省諾爾恰鎮(zhèn)(13.15°E，42.82°N)發(fā)生里氏6.2級(jí)地震，震源深度10 km，地震持續(xù)時(shí)間20 s。震中周邊多座歷史名城和古鎮(zhèn)遭受?chē)?yán)重破壞，距離震中約113 km的首都羅馬也有長(zhǎng)達(dá)30 s的明顯震感。著名中世紀(jì)古城阿馬特里切是重災(zāi)區(qū)之一，一些離震中很遠(yuǎn)的小鎮(zhèn)如佩斯卡拉特朗托也遭到毀滅性破壞。阿馬特里切鎮(zhèn)位于亞平寧山脈，是一座古雅的意大利小鎮(zhèn)，地震發(fā)生后，阿瑪特里切等地區(qū)遭受巨大破壞，街道兩旁房屋被夷為平地，城市變成一片廢墟。一所地震前剛剛進(jìn)行過(guò)抗震加固修復(fù)的小學(xué)，在地震中受損嚴(yán)重。地震已導(dǎo)致近300人死亡，并造成了大量財(cái)產(chǎn)損失。

這次地震具有3大特點(diǎn)：①震級(jí)不高但傷亡慘重；②在烈度不高的地區(qū)出現(xiàn)了多個(gè)破壞嚴(yán)重的點(diǎn)；③人口稀少地區(qū)死亡人數(shù)超過(guò)人口稠密地區(qū)。這次地震和2009年4月6日發(fā)生在意大利中部拉奎拉鎮(zhèn)的地震有很多相似之處。當(dāng)年，拉奎拉地震導(dǎo)致308人死亡。

本文根據(jù)此次地震的震害特點(diǎn)及震區(qū)地質(zhì)條件，結(jié)合近年來(lái)地震波峰值加速度地形放大效應(yīng)研究，認(rèn)為震害嚴(yán)重除因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)老舊、抗震性能差外，震源淺及小鎮(zhèn)所處孤立地形的放大作用是造成大量傷亡的關(guān)鍵原因。

2 震區(qū)建筑結(jié)構(gòu)分析

震區(qū)建筑始建于中世紀(jì)，其中許多建筑的歷史可以追溯到文藝復(fù)興時(shí)期。由于當(dāng)時(shí)木架結(jié)構(gòu)容易失火，磚混結(jié)構(gòu)盛行，建筑物中豎向承重結(jié)構(gòu)的墻、柱等采用磚或者砌塊砌筑，橫向承重的梁、樓板、屋面板等采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；屋頂采用券拱技術(shù)，除了豎向荷重時(shí)具有良好的承重特性外，還起著裝飾美化的作用，其外形為圓弧狀。該結(jié)構(gòu)適用于低層或者多層建筑物，穩(wěn)定性差、浪費(fèi)資源，在地震作用下很容易遭到破壞。

從地震的災(zāi)區(qū)照片可知，當(dāng)?shù)亟ㄖ锢吓f易損的磚混結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)難事故的重要原因(圖1)。

圖1 震區(qū)破壞的磚混建筑物Fig.1 Brick masonry buildings damaged in the earthquake

震區(qū)建筑物因修建年代久遠(yuǎn)，且當(dāng)初興建時(shí)并沒(méi)有考慮到地震因素，磚混結(jié)構(gòu)建筑物的接觸部位結(jié)合能力差，抗剪能力弱，地震波剪切作用下易出現(xiàn)剪切破壞而導(dǎo)致建筑物解體并出現(xiàn)坍塌，即使遇上并不很強(qiáng)的地震也很難抵御。震過(guò)后大量房屋建筑夷平，未倒塌的亦損毀嚴(yán)重。地震令多個(gè)古鎮(zhèn)變成廢墟，且地震發(fā)生時(shí)大多數(shù)居民處于睡夢(mèng)之中，當(dāng)建筑物在突如其來(lái)的地震中出現(xiàn)坍塌，處于黑暗中的居民難以有足夠的時(shí)間反應(yīng)和逃離，因而導(dǎo)致大量災(zāi)民被埋于瓦礫下，釀成嚴(yán)重傷亡。

3 地震構(gòu)造與場(chǎng)地情況

意大利位于非洲板塊與歐亞板塊2個(gè)巨大的板塊中間。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的地球物理學(xué)家保羅厄爾在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，除這2個(gè)板塊外，還有一個(gè)微小的板塊也已經(jīng)從東側(cè)擠入了意大利地區(qū)，使大陸受到了擠壓，地殼由此抬升形成了橫貫意大利南北的亞平寧山脈[1]。與此同時(shí)，在另一側(cè)由于地殼已被拉開(kāi)，在意大利的西邊又產(chǎn)生了一個(gè)盆地。因此當(dāng)亞平寧山脈橫跨盆地時(shí)，在重力作用下就會(huì)出現(xiàn)拉張，造成大量的斷層破碎帶，而導(dǎo)致意大利中部盆地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)十分活躍，地震頻發(fā)，此次地震的震中諾爾恰地區(qū)就位于意大利中部。

圖2 意大利中北部發(fā)震構(gòu)造及震源機(jī)制解[2]Fig.2 Seismogenic structure and focal mechanism solution in central and north Italy[2]

圖3 意大利中北部地面形變簡(jiǎn)圖[4]Fig.3 Simplified sketch of ground deformation in central and north Italy[4]

意大利半島及整個(gè)地中海地區(qū)的地球動(dòng)力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，存在多個(gè)類(lèi)型迥異的發(fā)震構(gòu)造[2](圖2)。對(duì)其影響最為廣泛的是亞平寧構(gòu)造弧，其北段是由褶皺逆沖的陸外淵帶系統(tǒng)向東北東方向逐漸遷移而形成，震中諾爾恰地區(qū)所屬的翁布里亞—馬爾凱構(gòu)造帶就是在晚中新世到中更新世受其擠壓而產(chǎn)生，后來(lái)又受到了與蒂勒尼安海有關(guān)的延伸構(gòu)造的影響[2]。近年來(lái)，Cello等指出翁布里亞—馬爾凱區(qū)域的北南向左旋大斷層帶與北西—南東至北北西—南南東向的轉(zhuǎn)換斷層是相連接的，其中距離諾爾恰地區(qū)最近的科爾菲奧里托盆地的邊界斷層和科斯塔—切西斷層出現(xiàn)了第四紀(jì)活動(dòng)跡象[3]，表明該斷層仍在活動(dòng)中，屬于活動(dòng)斷層，亦可成為發(fā)震斷層。根據(jù)意大利中北部地區(qū)地面形變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，在科爾菲奧里托地區(qū)，顯著的地面形變出現(xiàn)在2個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的地段，這2個(gè)地段緊鄰構(gòu)成科爾菲奧里托盆地東北邊界的南西傾斜的斷層。諾爾恰周邊地區(qū)的斷層中，存在南北向左旋主斷層由法向轉(zhuǎn)換的拉張運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)較強(qiáng)烈(圖3)。而從圖2中也可知，翁布里亞—馬爾凱地區(qū)具有較高水平的背景地質(zhì)活動(dòng)以及頻繁的中等尺度(Ms≤6)的地震活動(dòng)，且大多數(shù)斷裂呈現(xiàn)出相同的北西走向，北北西走向的狹長(zhǎng)地表形變帶限制在約南北向的地質(zhì)構(gòu)造背景內(nèi)，呈現(xiàn)出5 km左右的右側(cè)階梯，狹長(zhǎng)的構(gòu)造帶利于斷裂帶能量的匯集[4]。震中諾爾恰地區(qū)在1979年就出現(xiàn)了Ms5.8級(jí)的地震，如今在37 a后又同樣出現(xiàn)了Ms6.2級(jí)地震，表明震中斷裂帶的能量匯聚速率相當(dāng)高。

另?yè)?jù)巴黎全球物理研究所專(zhuān)家羅賓·拉卡森認(rèn)為，震中地區(qū)為晚侏羅世至中新世形成的沉積層，地震發(fā)生時(shí)，沉積層非但不能緩沖消除地震作用的能量，反而在一定程度上能夠放大地震波，加劇地震的破壞作用[5]，對(duì)地面造成更大的損害。晚侏羅世至中新世的碳酸鹽沉積物形成后，受海水、大氣淡水以及埋藏過(guò)程中孔隙流體的影響，發(fā)生壓實(shí)、膠結(jié)、溶解、礦物的多相轉(zhuǎn)化、白云石化、重結(jié)晶等多種成巖作用，最終固結(jié)成巖。壓實(shí)作用發(fā)生在淺埋藏期，顆粒受壓實(shí)作用影響而產(chǎn)生變形或破碎，壓實(shí)作用使原生孔隙大量減少，不利于地震波能量的吸收。

由USGS調(diào)查所繪制的意大利中部地區(qū)地震烈度圖(圖4)可看出震中諾爾恰地區(qū)處于地震烈度較高的Ⅷ度地區(qū)，在地震作用下可能造成極大的破壞。

注：圖中星號(hào)指代震源位置；震中諾爾恰地區(qū)位于烈度Ⅷ度區(qū)；阿馬特里切山城與佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)為地震受損最為嚴(yán)重地區(qū)，地震烈度表現(xiàn)異常圖4 意大利中部地區(qū)地震烈度Fig.4 Seismic intensity in central Italy

4 震區(qū)地形條件分析

建筑抗震性差在意大利中部地區(qū)是普遍現(xiàn)象，但房屋的損壞程度并不均勻，一些城鎮(zhèn)損壞嚴(yán)重，一些則較輕，這些差異與地形放大效應(yīng)有很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖5所示，處于位置較低、且地形平坦的地區(qū)，房屋等建筑損毀較輕，而位于孤立突出地形的房屋建筑損毀嚴(yán)重。

佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)距離震中約102 km，距離較遠(yuǎn)，但在地震作用下幾乎被夷為平地，對(duì)外交通完全中斷，損傷慘重，是此次地震的重災(zāi)區(qū)之一，從佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)震前全貌圖和地形圖(圖6)中可以看出，佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)處于地形突出的孤立山嘴上。根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斜坡地震動(dòng)響應(yīng)特征的研究，山體突出孤立部位的地震波放大系數(shù)較大，地震作用下破壞較嚴(yán)重。

圖5 震區(qū)不同地形部位的損毀情況Fig.5 Damage situation of different topographical locations in the earthquake area

圖6 佩斯卡拉特朗托地形Fig.6 Topography of Pescara del Tronto

地震波在從震中呈輻射狀向周?chē)鷤鞑ミ^(guò)程中不僅受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體特征的影響，還會(huì)受到地形條件的作用。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究揭示，地形特征對(duì)地震的破壞作用具有重要的影響。目前很多學(xué)者通過(guò)儀器觀(guān)測(cè)并分析強(qiáng)震中記錄到的地震波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):地震動(dòng)幅值和頻譜會(huì)隨地形高度而變化[6-10]，例如，新西蘭卡格爾山山上和山腳2點(diǎn)的強(qiáng)余震速度觀(guān)測(cè)記錄顯示，山頂?shù)卣鸪掷m(xù)時(shí)間顯著增長(zhǎng)，放大效應(yīng)顯著，并且位移、速度、加速度3個(gè)量的放大效應(yīng)不同，位移放大最明顯，可達(dá)7倍[11]?！?·12”汶川地震之后，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)青川東山、瀘定冷竹關(guān)、摩崗嶺及綿竹九龍剖面的余震的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也表明山頂?shù)卣鸩铀俣容^山腳放大效應(yīng)明顯，坡頂同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平分量不同方向的峰值加速度相差較大；沿單薄山脊走向的地震波峰值加速度小于垂直單薄山脊的地震波峰值加速度；呈“孤島”狀突出的山頂?shù)卣鸩〞?huì)出現(xiàn)異常放大，放大倍數(shù)可達(dá)6.13倍[12-13]。祁生文等[6]通過(guò)FLAC3D等較為先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件也分析出了地震波在斜坡中傳播會(huì)受坡高和坡角的影響。

從目前地震發(fā)生后的震害情況來(lái)看，震害最為嚴(yán)重的多為震中周邊的古城區(qū)，而這些古城區(qū)多建于中世紀(jì)，并有建立在山頂?shù)膫鹘y(tǒng)，之所以建立在山頂是由于這種地理位置在很大程度上能夠抵御入侵者。佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)便是這樣一座修建在突出山頂?shù)墓懦?，海? 452 m，是亞平寧山脈地區(qū)海拔較高的居住地，這個(gè)古城座落于海拔1 310 m的大平原上，所處的山頂與山腳高差達(dá)142 m，呈突出孤立的“孤島”狀(圖5、圖6)，在此次地震中損傷極其嚴(yán)重。小鎮(zhèn)距離震中距離并不近，在地震震級(jí)并不太高的情況下能夠造成如此嚴(yán)重的損壞，表明了小鎮(zhèn)所處的地形對(duì)地震波的傳播具有較強(qiáng)的放大作用。

根據(jù)佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)所處山體的地形，采用非連續(xù)變形分析(DDA)方法建立分析模型,見(jiàn)圖7。

圖7 佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)分析模型Fig.7 DDA (discontinuous deformation analysis) model of Pescara del Tronto

圖8 瀘定冷竹關(guān)監(jiān)測(cè)剖面Fig.8 Monitoring profiles at Lengzhuguan,Luding, Sichuan

小鎮(zhèn)所處區(qū)域?yàn)槌练e巖地區(qū)，模型計(jì)算參數(shù)取沉積巖一般值，模型材料彈性模量取5.4×103MPa，泊松比取0.21，密度取2 600 kg/m3。佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)距離震中102 km，地震震級(jí)為Ms6.2級(jí)，與2014年11月22日康定6.3級(jí)地震的震級(jí)相近。成都理工大學(xué)在四川瀘定冷竹關(guān)建立的地震監(jiān)測(cè)剖面(圖8)成功捕捉到了這次康定地震的地震波數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)剖面距震中約89 km，其1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于山頂突出部位，其地形與佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)所處山體的地形相似，故在數(shù)值模擬中采用1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)所記錄的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

地震作用下對(duì)建筑物破壞作用最大的為水平向振動(dòng)的橫波[14]。文中采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄到破壞作用最大垂直山脊方向的地震波作為輸入波，如圖9(a)所示，輸入波的峰值加速度為0.1g。在模型頂部設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄到的地震波曲線(xiàn)如圖9(b)所示，其峰值加速度為0.58g，較模型底部輸入波放大約6倍，可知佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)的地震破壞作用遠(yuǎn)比山腳大，故而導(dǎo)致佩斯卡拉特朗托小鎮(zhèn)損傷極其嚴(yán)重，造成了巨大的損失。

圖9 輸入波與監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線(xiàn)Fig.9 Time-history curves of input wave acceleration and monitored seismic wave acceleration

5 結(jié) 論

本文根據(jù)意大利中部諾爾恰鎮(zhèn)發(fā)生里氏6.2級(jí)地震的震害特點(diǎn)、震區(qū)建筑物的建筑結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、地形特征，并結(jié)合近年來(lái)地震波峰值加速度地形放大效應(yīng)研究，認(rèn)為震害嚴(yán)重除因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)老舊、抗震性能差外，震源淺及小鎮(zhèn)所處孤立地形的放大作用是造成大量傷亡的關(guān)鍵原因。震級(jí)不大、距震中較遠(yuǎn)的條件下，地形放大效應(yīng)同樣可造成極其嚴(yán)重的震害。中世紀(jì)修建并保留至今的古建筑，大多為磚木結(jié)構(gòu)，整體性較差，抗震性較弱，且由于歷史原因多修建在孤立突出的山頭上，在地形放大作用下極容易受到損壞，故雖然此次地震震級(jí)不大，仍然造成了極其嚴(yán)重的傷亡。在震后重建過(guò)程中，急需提高建筑物的抗震標(biāo)準(zhǔn)。