Shallow velocity structure and seismogenic environment in the Zigui section of the Three Gorges Reservoir region of China
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摘要: 收集了湖北省秭归地区24个流动地震台站2020年6—7月期间的垂直分量连续波形记录，利用背景噪声互相关得到了各台站之间的经验格林函数，提取了0.6—5 s周期范围内的瑞雷波群速度频散曲线，并反演获得了该区域近地表6 km以内的三维Ｓ波速度模型。结果显示：秭归盆地及其南部邻区的S波速度明显低于东侧断裂区的S波速度，与研究区不同构造地块的构造演化和沉积特征一致；2014年MS4.2地震发生在研究区垂向高低速交界区；长江区域附近断裂区的S波速度明显降低，表明长江水渗透到断层区，因此秭归地区地震频发与三峡库水荷载和水渗透作用有关。Abstract: After the impoundment of the Three Gorges Reservoir in 2003, shallow earthquakes occurred frequently, which had a great impact on local productions and lives. The study of shallow velocity structure is of great significance for shallow seismic disaster assessment and disaster prevention and reduction in Zigui area. In this paper, based on the vertical component continuous waveform records of 24 mobile seismic stations in Zigui area of Hubei Province from June to July of 2020, the empirical Green’s functions between the stations are obtained by cross-correlation of the ambient seismic noise, the Rayleigh wave group velocity dispersion curves on the period 0.6−5 s are extracted, and the inversion for the three-dimensional S-wave velocity model is obtained within 6 km near the surface of the region. The results show that the S-wave velocity of Zigui basin and its south adjacent area is significantly lower than that of the eastern fault area, which is consistent with the structural evolution and sedimentary characteristics of different structural blocks in the studied area; an earthquake with MS4.2 occurred on the vertical high-velocity and low-velocity junction area of the study area in 2014. The S-wave velocity decreases obviously near the Yangtze River region in the fault zone, indicating that the Yangtze River water penetrates into the fault area. Therefore, the frequent occurrence of earthquakes in Zigui area is related to the water load and water infiltration of the Three Gorges reservoir.
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引言
城市群也称超级城市、巨城，是由几个城市构成的一个庞大的城市化区域。2018年11月18日发布的 《中共中央国务院关于建立更加有效的区域协调发展新机制的意见》 明确指出： “以京津冀城市群、长三角城市群、粤港澳大湾区、成渝城市群、长江中游城市群、中原城市群、关中平原城市群等城市群推动国家重大区域战略融合发展，建立以中心城市引领城市群发展、城市群带动区域发展新模式，推动区域板块之间融合互动发展。”在提及的这些城市群中，京津冀、长三角、粤港澳大湾区等城市群的规模较大，面临小震重灾、中震大灾、强震巨灾的地震灾害风险（聂高众等，2002；高孟潭，2014；高孟潭等，2014），而其中的粤港澳大湾区位于我国东南沿海地震带核心部位，人口密度最大，人均GDP最高。湾区5.6万 km2面积上聚集了约7 000万人口，2021年GDP总值超过11.7万亿元，是世界上最具发展潜力的区域之一，其经济与战略地位都很重要。湾区位于地震重点监视防御区，区内11个城市中有9个处于地震烈度Ⅶ度区。另外，由于湾区高层、大跨、不规则建筑林立，生命线工程密布，湾区以外的远震也可能造成大湾区一定程度的灾害和损失。
在联合国教科文组织1984年的研究计划中Varnes提出了自然灾害及风险的术语定义，该定义得到了国内外自然灾害研究领域专家的普遍认同，地震（灾害）风险评估的基本模式也符合这一定义。目前国内外学者对地震灾害风险的概念有多种不同的定义，常用的地震灾害风险是指未来地震在一定的时间限度内对特定地区建（构）筑物或生命线工程造成破坏损失的可能性，以及对生命财产、国民经济等造成损失的可能性，可表示为
$$ R＝f （ H， E， V ） \text{，} $$ (1) 将场地条件的影响考虑进去，式（1）可进一步表示为
$$ R＝H · E · V · S\text{，} $$ (2) 式中：R为地震（灾害）风险，指未来地震可能造成的损失；H为地震的危险性，指在一定地区范围内，未来地震在一定时间内发生的概率；E为承灾体或社会财富的价值，指给定区域内受地震威胁的承灾体（包括建筑物、基础设施/生命线工程、人口、财产等）暴露度；V为承灾体在地震作用下的易损性，或不同地震强度下承载体的损失率，可用0—1之间的数字来表示（0表示无损失，1表示完全损失）；S为场地影响系数。
由于城市群的人口集聚、财富高度集中，受地震威胁的承灾体（包括建筑物、生命线工程、人口、财产等）数量大、暴露度高，即E值高于一般城市，更高于市县；同等地震作用下，城市群地震灾害的风险也高于一般城市，更高于市县。1976年7月28日唐山MS7.8大地震发生在唐山市，造成24万2 769人死亡；而2001年11月14日昆仑山口西MS8.1强烈地震发生在无人区，未造成人员伤亡。这是区域地震灾害风险对承灾体敏感性的最好说明。另外，由于场地条件所导致的结构震害放大效应也已得到国内外学者的普遍认可（温增平等，2002，2006，2009；杨伟林等，2009；方小丹等，2014；陶磊，张俊发，2014）。
对于像粤港澳大湾区这样的城市群，其承灾体分布范围广，地震环境、场地条件和建（构）筑物类型复杂，如何从复杂的地震灾害风险影响因素中抓住关键影响因素，并考虑周全湾区地震灾害风险源、隐患点的分布和致灾特点，准确把握灾害的类型、分布特点和成因，是能否对粤港澳大湾区的地震灾害风险进行客观评估的关键。鉴于此，本文拟以粤港澳大湾区为研究对象，从城市基础资料选取、地震输入的确定方法、建筑物和生命线工程的灾害风险评估方法和成果表达等方面探讨城市群地震灾害风险工作的适用方法，探寻城市群地震风险评估工作的关键技术和亟需重点解决的问题，通过对大湾区地震环境、承灾体类型及分布、场地特点等影响因素的研究，采取了适合城市群建筑物及生命线工程的弹塑性地震响应分析方法，开展大湾区城市群典型区域承灾体地震灾害风险评估，实现了设定地震作用下城市群致灾全过程情景构建。
1. 大湾区代表性城市选取及其承灾体资料概述
粤港澳大湾区（Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area，缩写为GBA）包括广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市、肇庆市（以下称珠三角九市）和香港特别行政区、澳门特别行政区，总面积为5.6万km2，是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一（图1）。综合考虑大湾区的地震环境、场地条件和资料状况，本研究选取广州、深圳、香港等国际都市和珠海、澳门等沿海或岛内厚覆盖层城市或填海场地城市作为代表性城市。
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图 1 粤港澳大湾区城市群分布图Figure 1. Distribution of urban agglomerations in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area搜集和整理了珠三角深圳、广州、珠海等城市约1 790 km2研究区的基础资料数据，外加香港、澳门48 km2研究区的基础资料数据，下面分述之。
1.1 建筑物基础数据概况
1） 深圳、广州和珠海。收集和整理了79万栋建筑物的单体普查及详查数据包括区划、街道、建筑名称、结构类型、建筑年代以及建筑类型、层数、高度、结构现状、设防标准、面积等，其中，深圳市、广州市、珠海市分别搜集和整理了67万、14万和8万多栋建筑，深圳和珠海的建筑物空间分布如图2所示。
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图 2 深圳市（左）和珠海市（右）的建（构）筑物空间分布示意图Figure 2. Schematic diagram of the spatial distribution of buildings in Shenzhen （left） and Zhuhai （right）2） 香港。 收集整理了14万栋建筑的普查数据，包括建筑面积和建筑高度等属性。
3） 澳门。收集整理了200栋建筑的结构属性数据，包括区划、街道、建筑名称、结构类型、建筑年代以及建筑类型、层数、高度、结构现状、设防标准和面积等属性。
1.2 城市生命线基础数据概况
1） 深圳市。供水管网数据7 000多条，总长度为2 820 km；燃气管网数据4 000多条，总长度为320 km；主干道路数据970条，总长度为1 700 km；桥梁数据320条。
2） 广州市。供水管网数据270条，总长度为143 km；燃气管网数据769条，总长度为330 km；典型区域的主干道路数据885条，总长度为198 km，包括道路名称、长度等属性（图3a）；桥梁数据320条，包括桥梁名称、所在道路、建成时间、结构类型、长度、高度等属性。
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图 3 广州道路（a）和珠海市供水管网（b）的空间分布示意图Figure 3. Spatial distribution of Guangzhou roads （a） and Zhuhai water supply pipe networks （b）3） 珠海市。供水管网数据3 868条，总长度为710 km （图3b）；燃气管网数据1 512条，总长度为248 km；主干道路数据472条，总长度为932 km；桥梁数据20条。
4） 香港。道路数据1 564条，总长度为197 km，包括道路名称、长度等属性。
5） 澳门。道路数据885条，总长度为41 km，包括道路名称、长度等属性。
2. 大湾区场地特点和地震环境
大湾区主要包括四个工程地质分区（图4），河流两岸区域受西江、北江、东江及珠江三角洲诸河等四大水系所组成的珠江流域控制，主要分布C类场地（覆盖层厚度介于15—80 m、等效剪切波速vSe≤180 m/s软弱土场地，以及覆盖层厚度大于80 m、vSe＝180—210 m/s之间中软-软弱土层场地，近似对应Ⅲ类建筑场地）和D类场地（覆盖层大于80 m且vSe≤180 m/s的软弱土场地，近似对应Ⅳ类建筑场地）。由于该区域的场地条件较差，区内的高柔建筑在远场大震作用下都可能产生震害（胡聿贤，1988；陶磊，张俊发，2014）。其它区域主要为工程地质分区A类（基岩场地，对应 Ⅰ 类建筑场地）和B类场地（A，C，D工程地质分区以外的场地，近似Ⅱ类建筑场地）。
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图 4 粤港澳大湾区（近似于红框内）场地工程地质分区概要图Figure 4. Outline map of engineering geological zoning of sites in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area （approximately denoted by the red box）除了以上A，B，C，D四个工程地质分区以外，大湾区还有一类独立的场地类型-填海场地，这类场地也属于不利场地，对高层建筑物有较大的地震放大效应（周大鹏等，2017）。这类场地在大湾区的澳门、香港和深圳普遍存在，其中：澳门的填海场地占比最高，接近澳门总面积的三分之二，1912年澳门的总面积为11.6 km2，截至2021年，澳门经过多年的填海造陆，总面积已达到33 km2，陆域面积共增加了21.4 km2，较原来的面积增加了近两倍；深圳填海场地占比次之，截至2021年，深圳城市总面积1997.47 km2中的10%以上为填海场地；香港填海场地占比略低于深圳，截至2021年，香港填海场地已达70.27 km2，占香港陆地面积的6.7%，接近两个澳门的大小，养活了香港近三分之一的总人口约200万人口。填海场地通常是填石覆盖于软泥和砂土层上，无地震时是地面沉降灾害的多发区域，而地震发生时，建（构）筑物晃动幅度大，即使远场地震，区内的高层建筑也明显有感。
广东省地处东南沿海地震带，断裂纵横交错，东部有河源—邵武断裂带和莲花山断裂带，西北部有吴川—四会断裂，中部有广从断裂、西江断裂、白泥—沙湾断裂带等，南部有滨海断裂带（图5a）。二十世纪以来，全省发生M7.3地震1次，M6以上地震11次。全省31%的陆地面积（约5.6万 km2）被划定为全国地震重点监视防御区。影响粤港澳大湾区安全的主要断裂构造有穿越深圳的莲花山南缘断裂带、大湾区南缘的滨海断裂带、广从断裂、穿越多个湾区中部城市的西江断裂、白泥—沙湾断裂带等。大湾区11个城市中除东莞、惠州以外，其余9个城市均处于地震烈度Ⅶ度以上地区。依据五代区划图研究成果（国家市场监督管理总局，2015），湾区内有3个M6.5地震潜源（图5b中的No. 5，6，10），3个M7以上地震潜源（图5b中的No. 17，18，10），这些潜源都可能会对湾区产生远场大震影响。
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图 5 粤港澳大湾区地震构造图（a）和周边高震级潜在震源区分布图（b）F1：吴川—四会断裂；F2：白泥—沙湾断裂带；F3：广从断裂；F4：河源—邵武断裂带；F5：莲花山断裂带；F6：西江断裂；F7：滨海断裂带Figure 5. Seismic tectonic settings of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area （a） and distribution of its surrounding potential earthquake source areas with high magnitude （b）F1：Wuchuan-Sihui fault；F2：Baini-Shawan fault zone；F3：Guangcong fault；F4：Heyuan-Shaowu fault zone；F5：Lianhuashan fault zone；F6：Xijiang fault；F7：Binhai fault zone3. 建筑物和生命线工程的地震灾害风险评估
3.1 设定地震动影响场
2008年汶川MS8.0地震和2011年3月11日东日本MS9.0大地震打破了我们原先对地震灾害风险的认识。由于地震的发生在时、空、强上都具有很大的不确定性，过去基于概率地震危险性分析的设定地震，远不能反映极端情况下的地震危险性。为了充分考虑大湾区的地震危险性，本研究提出两种设定地震原则：第一种为潜在震源区设定地震原则，即根据潜在震源区（位置）及震级上限（大小）设定，地震发生概率由潜在震源上限震级档的空间分布函数估计而得①②；第二种为最大风险设定地震原则，根据潜在震源区震级上限和断裂规模及发震能力共同确定。以穿越深圳市的莲花山南缘断裂为例，所在潜在震源区（图5b中No.12）的震级上限为M6，若按断裂长度与震级的关系（董瑞树等，1993），莲花山南缘断裂从香港到淡水，长度约47 km，可能发生地震的最大震级可达M7，因此取二者大者（M7）作为设定地震震级。设定地震位置可考虑距离城市群最近、最不利位置。考虑最大风险震级、最不利位置的设定地震原则，即为最大风险设定地震原则，由此设定的地震可称之为“最大风险地震” 。本研究拟采用同位网格有限差分法模拟三维地震动影响场（Zhang et al，2012；Sun et al，2016，2018），不仅可以将近地表浅层及低速沉积层的放大效应考虑在内（Wang et al，2019；杨振涛，2019），也可以给出断裂在地表的错动量。近地表浅层及低速沉积层的放大效应包含在模型的上部速度结构中，其影响自动考虑，但应专门考虑通过城区的断裂位错引起的建筑物和生命线工程震害加重（刘爱文等，2008；王龙等，2022）。综合考虑两种设定地震的原则，通过确定断层面形态、起始破裂点、位错量、时间函数以及深部、近地表浅层与低速沉积层的速度结构等，获得地震动影响场。该方法不仅满足了当下对地震危险性的认识水平，也着重考虑了城市群的最大地震风险。
3.2 建筑物灾害风险评估方法
传统的建筑物灾害风险评估方法是在地震区划或者小区划的基础上，采用概率地震危险性分析确定期望地震，之后由地震动衰减关系生成地震烈度或加速度影响场；同时，采用半经验半理论方法确定城市建筑物和生命线工程的易损性矩阵或易损性曲线，得到相应的震害预测结果，即未来某一时段（如10年或50年）发生期望地震可能造成建（构）筑物及生命线工程破坏分布以及人员伤亡、经济损失的估计（崔玉红等，2001；孙柏涛，孙得璋，2008；胡少卿等，2010；吴兆旗等，2013）。也有个别研究者简单地用场地因子来分析场地对震害的放大效应（吴兆旗等，2013），这种情况由于未考虑场地与建筑物的组合关系，会产生不合理的预测结果，如Ⅳ类场地上的低层刚性建筑结构，属于有利组合，震害并不一定放大，甚至可能减小。
本研究采用考虑任意水平双方向输入的多质点弹簧层剪切模型开展了大湾区建筑物地震灾害评估的相关工作（林旭川等，2009，2010，2014；林旭川，叶列平，2012；Lin et al，2018，2019；Bai et al，2019）。图6为城市A在一致激励下设定极罕遇地震作用下的建筑群损伤估计，这相当于对该城市进行一个整体振动台输入下的模拟预测，反映了该城市建筑物的易损特征，但未能反映建筑物随地震震中距的衰减特性。图7为城市B基于衰减关系的非一致激励地震（时程）作用下的建筑群震害预测，反映了该城市在设定地震作用下的建筑物震害分布特性。为了更准确地评估大湾区的地震灾害风险，还需要对现有的建筑物灾害风险评估方法予以改进。参考近些年建筑群地震灾害场景仿真研究成果（熊琛，2016；熊琛等，2016a，b，c；张令心等，2016，2020，2021；程庆乐等，2017；陆新征等，2020），考虑场地和建筑物的不利组合引起震害放大效应，如在建筑物基础单元加弹簧和阻尼器，考虑厚软土层和填海场地对高柔建筑物的震害放大效应，进一步细化不同类型建筑物破坏等级（指数）与损失率的关系，更准确地评估大湾区典型城市的地震灾害和损失风险，这将另文介绍。
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图 6 城市A设定极罕遇地震作用（一致激励）下的建筑群损伤示意图Figure 6. Schematic diagram of building damage under the extremely rare seismic effect （consistent excitation） of city A![]()
图 7 城市B基于衰减关系的地震动影响场（a）及非一致地震激励下的建筑群损伤（b）示意图Figure 7. Schematic diagrams of the seismic influence field of the city B based on the attenuation relationship （a） and building group damage under non-uniform earthquake excitation （b）3.3 生命线工程的灾害风险评估方法
对于大跨度生命线工程的震害模拟，应考虑基于三维地震动影响场的行波效应；对于管网工程，则采用基于网格化及管线控制点时程作用下的震害风险预评估技术。供水、供气、供电的管网工程，是与城市群人民生活息息相关的生命线工程，由于用途不同，管道材料、连接方式及抗震性能也有差别，震害分析方法也各不相同，如连续焊接管道与埋地接口式管道，二者的破坏状况和判断标准各不相同。过去多采用基于地震烈度和加速度峰值的震害分析方法（刘爱文，2007；郭恩栋等，2009，2012，2018；郭恩栋，景立平，2013），依据地震作用下管道的应力或应变状态来判定损伤等级。基于时程输入的管道工程震害分析尚处于探索阶段。
图8为基于一致加速度时程激励下某城市供水管道（图8a）和燃气管道（图8b）震害分布示意图。由于基于非一致时程输入下管网工程的震害分析和风险评估尚处于探索阶段，这里主要考虑两种地震输入形式，一种是给出管网工程及周围范围内等间距网格中点的地震动时程，另一种是给出模拟管线工程上控制节点的地震动时程，基于管线工程上控制节点的地震动时程分析，也可以考虑行波效应。总之，对于三维地震时程作用下的生命线工程灾害风险评估，应尽量考虑非一致激励的影响。
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图 8 某城市供水管道（a）和燃气管道（b）震害分布示意图Figure 8. Schematic diagram of earthquake damage distributions of water supply pipelines （a） and gas pipelines （b） in a city生命线工程震害等级过去一般分为三个等级：基本完好、中等破坏和毁坏，这种分级很难准确地反映未来地震时管网的经济损失。因为管网的地震损失不仅仅指管网本身的损失，还包括破坏后造成的泄露损失、修复时的开挖成本等。管网工程的地震损失估计是城市群地震灾害风险评估的重要环节，需要认真研究三维地震动时程输入的震害评估方法，细化震害等级，准确客观地评估管网工程的地震灾害和损失风险。
4. 讨论与结论
城市群的经济与战略地位突出，采用本文提出的两种设定地震原则（潜在震源区设定地震原则和最大风险设定地震原则）确定地震输入，既考虑现有认识水平的地震灾害风险，也考虑最大地震灾害风险，对于城市群地震灾害风险评估结果会更保守安全，依此作出的应急响应准备会更充分。对粤港澳大湾区的地震输入分别采用了上述两种设定地震原则，且考虑了近地表浅层及低速沉积层的放大效应，对位于盆地中的城市群，还需要考虑三维盆地效应。
目前的三维地震时程作用下的建筑物地震响应分析，关于厚软土和填海场地对高柔建筑物的不利影响考虑不足，在后续的地震灾害风险评估方法中需要加强；三维地震时程作用下的生命线工程灾害风险评估，对于软土场地中的柔性管网工程，应考虑非一致激励的位移场引起管道局部大变形所造成的震害。
另外，城市群的承灾体数量大、建（构）筑物类型多，必须有好的城市群地震灾害风险管理系统，方可实现建筑物和生命线工程基础数据的三维可视化展示，提供非一致地震动时程输入，模拟建筑物及生命线工程非一致激励下地震灾害全过程。依此管理大湾区典型城区地震灾害基础数据、评估地震灾害风险，为湾区地震灾害风险防控提供决策依据，为其它城市群的地震灾害风险防控提供借鉴。
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图 1 2009—2021年期间地震和本文所用地震台站的分布
地震分布参考郑秀芬等 （2009），盆地和背斜区域划分参考李小勇等（2014）
Figure 1. Distribution of earthquakes in the period of 2009−2021 and seismic stations used in the study
The earthquake distribution refers to Zheng et al （2009），and division between basin and anticline refers to Li et al （2014）
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图 2 不同周期 T下信噪比随截取长度的变化图
实线表示数据有50%的重叠，虚线表示没有重叠
Figure 2. Variation of SNR with different interception lengths under different period T
Solid lines represent 50% overlapping，while dashed lines represent no overlapping
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图 3 台站对的背景噪声互相关函数（a）及进行正反向反序求平均后的互相关函数（b）
Figure 3. Cross-correlation functions （NCFs） of ambient noise for all station pairs （a） and NCFs after averaged over positive and negative lag （b）
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图 4 （a） S04-S21台站对叠加模型预测的瑞雷波群速度模态谱振幅和色散，图中黑色小方块为频散点，红色区域为最大振幅区域；（b）所有台站对的群速度频散曲线，红色虚线表示平均值
Figure 4. （a） Modal spectrum amplitude and dispersion of Rayleigh wave group velocity predicted by the superposition model for the station-pair S04-S21. The small black square is the dispersion point，and the red area is the maximum amplitude area；（b） Group velocity dispersion curves for all station-pairs where the red dotted line represents the mean value
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图 6 不同周期T下检测板测试恢复结果和射线覆盖
Figure 6. Checkerboard test results and ray coverage with different periods T
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图 7 周期为1.2 s时基阶瑞雷波初始残差与反演模型走时残差直方图
Figure 7. Histogram of initial （gray） and inversion （red） travel time residuals of base order Rayleigh wave with period of 1.2 s
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图 8 不同周期T的瑞雷波群速度图像
图中F1代表九畹溪断裂，F2代表仙女山断裂
Figure 8. Rayleigh wave group velocity images of different periods T
F1 stands for Jiuwanxi fault，and F2 for Xiannüshan fault
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图 9 Ｓ波反演模型及其频散曲线拟合图
蓝线为初始模型，绿线为最终模型，红线为最终模型正演计算的理论频散，黑色三角为测量频散点（a） 无高低速异常的S波速度结构；（b） 含低速异常S波速度结构；（c） 含高速异常S波速度结构
Figure 9. S-wave inversion model and its dispersion curve fitting diagram
The blue line is the initial model，the green line is the final model，the red line is the theoretical dispersion calculated by the forward modeling of the final model，and the black triangle is the measured dispersion point（a） S-wave velocity structure without low and high velocity anomalies；（b） S-wave velocity structure with low velocity anomalies；（c） S-wave velocity structure with high velocity anomalies
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图 10 秭归地区三维Ｓ波速度结构
（a） 不同深度h处的S波速度，F1：九畹溪断裂；F2：仙女山断裂；（b） 沿AA′，BB′以及CC′剖面（位置见图10a） 0—6 km深度的S波速度结构
Figure 10. Maps of S-wave velocity structure at different depths in Zigui area
（a） S-wave velocities at different depths h，F1：Jiuwanxi fault；F2：Xiannüshan fault；（b） S-wave velocity structure at the depth of 0−6 km along the sections AA′，BB′ and CC′ （locations are shown in Fig. 10a） respectively
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期刊类型引用(1)
1. 孙国栋，李翠平，董蕾，唐茂云. 三峡库区巫山段双差层析成像. 大地测量与地球动力学. 2025(04): 397-402 . 
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