地震事件中，断层破裂方式、滑动方向，以及破裂面的几何形状、展布方向、产状(倾角大小)等是影响近断层强地面运动的主要震源参数，地壳的三维速度结构作为地震波的传播途径，也是影响强地震动地表分布的主要因素之一^[1-2].目前，研究人员主要通过数字观测网络的地震记录、震害调查和理论技术的综合^[3-6]进行震源破裂方式的反演研究和探索，以求更加详细地确定地震发生时断层的破裂规模和活动方式.近几十年来，随着计算机技术的发展和数值模拟方法的逐渐成熟，针对震源参数和强地面运动特征之间关系的模拟试验和理论研究也逐步深人，从不同角度分析断层破裂方式、滑动方向、倾角大小等因素对近断层强地面运动特征的影响和地震破坏程度^{[2, 7-10]}.

对于发育有多条断层的断陷盆地，断层的活动方式、活动性与盆地的演化和历史形成往往密不可分，因此，断层活动与盆地断裂边界的共同作用对盆地内强地面运动的影响更为特殊^[11-13]，有研究表明：一方面，断层的规模、滑动方向和断层破裂面倾角影响了近断层强地面运动的分布形态^[2]，另一方面，盆地边界断裂对地表地震动的分布也具有一定的影响甚至是控制作用，而且盆地内强地震动的幅值也会受到盆地内较厚第四纪沉积土层放大作用的影响^[11].我国中西部地区是地震多发区，而且人口聚集的城市大都位于大型沉积盆地中，与盆地相关的断裂活动对这些城市的发展构成了潜在威胁，因此考虑真实盆地结构和断层破裂机制的数值模拟研究是预测盆地内强地震动的基本方法和手段之一.但是位于盆地内的隐伏断裂产状往往是通过物探等方法得出，存在一定的不确定性，因此本文选择位于我国地震多发区的宁夏回族自治区省会银川市及周边作为研究区域，以穿越银川市的隐伏活动断层之银川断层南段作为目标断层，模拟地震发生时，断层破裂面倾角变化引起的盆地内强地面运动分布，深入探讨不同倾角情况下，受到盆地边缘断裂影响的近断层强地面运动分布特征及强度变化，为隐伏断层发生地震时造成的震害预测提供依据.

银川断陷盆地是一整体呈北30°东方向展布的新生代断陷盆地^[14](图 1a).在盆地内近东西剖面上呈现为地堑式的断阶状下落，在近南北向剖面上，银川市附近为沉降最深部位，向南北两端递减.测井、地震勘探及人工地震反射等探测表明^[15-19]，银川盆地内部的沉积厚度巨大，地表至3000 m深度发育奥陶系、第三系和第四系地层，盆地轴部第四系沉积厚度约1800~2100 m.在银川盆地内发育的4条规模较大的NNE向正断层中^[14]，黄河断裂和贺兰山东麓断裂发育在盆地的东西两侧边界，分别为盆地与鄂尔多斯西缘褶皱带和贺兰山断隆的分界；银川断层和芦花台断层存在于盆地内部，呈隐伏状态^{[14-15, 19]}.由于盆地受东、西两侧黄河断裂和贺兰山东麓断裂发育的影响，整个盆地呈现“西陡东缓”的总趋势.（图 1b).

图 1

Fig. 1

图 1 银川盆地及邻近地区地质构造略图 (a)银川盆地和邻区的断裂分布及第四系残余厚度图，图中断裂分布及第四系残余厚度资料均来源于银川市活动断层探测成果[19]; 图中的剖面线A-B为中原石油勘探局于2001年获得的横跨银川市的地震探测剖面[15]; 蓝色虚线长方形框为本文的计算区域.(b)二维盆地剖面，根据中原石油勘探局于2001年获得的地震探测剖面[15]修改. Fig. 1 Geological structure of Yinchuan basin and its adjacent region (a) Map of Faults and the residual thickness of Quaternary in Yinchuan Basin and its adjacent region. Data are from achievements of Earthquake Active Fault Surveying in Yinchuan (Chai et al., 2011). The seismic detection section A-B had been done by Zhongyuan Petroleum Exploration Administration in 2001 (Yan et al., 2002). The blue rectangle is computing region in the paper. (b) The two-dmensional section of Yinchuan Basin obtained by Zhongyuan Petroleum Exploration Administration had been modified in this paper (Yan et al., 2002)

本文所关注的银川隐伏断层南段为银川隐伏断层的其中一段，最新活动时代为晚更新世末期^[19]，虽然在活动性上略弱于银川隐伏断层的北段，但由于该段断层纵穿银川市东部地区，一旦发生地震，对于银川市区及周边地区的危害程度不可估计.丁国瑜等^[20]通过对银川隐伏断层与贺兰山东麓断层的相互结构研究也表明，银川隐伏断层在地貌上基本没有显示，与贺兰山东麓断裂在地表呈平行展布，相距27 km，但在下延至19~20 km深处与贺兰山东麓断裂相交，1739年银川一平罗8级地震的发震主断层是贺兰山东麓断裂，银川断层虽然不是此次地震的发震主断层，但被牵动并参与了活动，因此1739年地震是这两条共轭断层共同作用的结果^{[19, 21]}.并且由于银川断层发育在盆地中部厚度较大的松散地层中，对地表建筑物的破坏和地面变形势必起到了重要所用^{[13, 21]}.因此预测并评价该断层对于该盆地内的强地面运动的分布特征具有一定的重要意义.

建立银川断陷盆地三维物理模型，首先需要对已有地震地质资料、地质剖面及浅层人工勘探资料及钻孔剖面^[14-19]进行数据处理和整合，以探测获得的以剪切波速为传播介质分层的主要依据，然后通过相邻介质分层界面在深度上逐层叠加的方法^[22], 得到以第四系为主体的三维物理模型（图 2)，在总结以往探测资料的基础上^[14-19]，赋予模型中各介质层的物理参数（表 1).银川断陷盆地三维物理模型以银川市为中心，包含银川市和银川隐伏断层南段在内，东西85 km，南北60km，考虑地表的地形变化及断层下限深度，模型在深度方向上取20~25 km.根据银川市及邻区的深、浅部地震探测资料，可以在盆地内部自地表向下区分出11个波速反射层：T₀₁-T₀₇为第四系内的反射标志层，TQ对应于第四系底界面形成的反射层，丁N2、TN1和丁E分别对应于第三系上新统、中新统和渐新统地层，最下层为深反射层TG.由于第四系内的反射层较为密集，故根据层间厚度，在第四系中仅T₀₁、T₀₄、T₀₆和TQ四个标志性反射层参与模拟计算.

图 2

Fig. 2

图 2 银川断陷盆地三维物理模型图中断层名称:F1:黄河断裂; F2:银川断裂；F3:芦花台断裂；F4:贺兰山东麓断裂. Fig. 2 3D physical model of Yinchuan Basin Name of Faults in figure: F1 Huanghe Fault, F2 Yinchuan buried Fault, F3 Luhuatai Fault, F4 the Eastern Helanshan Fault.

表 1(Table 1)

表 1 银川盆地三维物理模型的介质参数[14-19] Table 1 Parameters of three dimension physical model of Yinchuan Basin[14-19]

表 1 银川盆地三维物理模型的介质参数[14-19] Table 1 Parameters of three dimension physical model of Yinchuan Basin[14-19]

在本数值模拟试验中，介质对应的P波或S波波速、泊松比和阻尼比、Q值等根据搜集到的地震探测资料、钻孔剖面的波速测试资料和岩性描述及地区经验综合确定^[14-19].表 1列出了各反射层的物理参数.数值模拟精度被限定在1 Hz以内的低频段，根据空间步距Δ应满足波动数值模拟的精度要求，即在有意义的波长内应包含足够数目的Δ，一般不应小于6~10个.故离散网格的最小步距为50 m，最大步距为200 m.

基于银川隐伏断层南段的地震危险性评价结果^[19]，设定的银川隐伏断层南段的特征地震震级为M_w6.5, 根据地震矩和震级的经验公式^[23]，可估算对应的地震矩为6.3×10²⁵dyne·cm.根据地震震级、地震矩、断层破裂几何参数、断层面上的滑动量分布等震源参数之间的经验关系^[23-25]，可以确定银川隐伏断层的震源破裂面的几何参数、凹凸体个数及分布位置、滑动量等震源参数，如表 2中所示.

表 2(Table 2)

表 2 银川断层南段有限震源参数的确定 Table 2 Source parameters on the southern segment of Yinchuan buried fault

表 2 银川断层南段有限震源参数的确定 Table 2 Source parameters on the southern segment of Yinchuan buried fault

根据表 2所确定的银川隐伏断层南段的震源参数，可建立本文的有限断层模型，如图 3所示：银川隐伏断层南段的破裂面上沿距地表10 km，沿断层走向的长度为30 km，沿下倾方向宽12 km.在该有限断层震源模型中，断层破裂面被划分为1440个子源，子源尺寸为500 m × 500 m; 根据倾滑断层情况下，断层面上凹凸体个数与矩震级和断层长度的经验关系^[25]，在银川断层南段破裂面上可设定两个凹凸体，最大凹凸体(Asp.1)靠近断层北端，沿断层走向长10 km，沿下倾方向宽6 km，凹凸体中心距断层北端9 km，距断层下界6 km，平均滑动量为135 cm; 最小凹凸体（Asp. 2)位于断层南端，面积大约为20 km²，平均滑动量为118 cm; 背景区的平均滑动量为62 cm.依照地震对目标城市最不利的原则，本次数值试验设定了单侧破裂模式，破裂起始点（图中五角星)设于断层北端银川市附近，破裂传播速度取断层破裂面所在地层剪切波速的80%~85%^[23]，以2400 m/s的速度自北向南传播.

图 3

Fig. 3

图 3 银川隐伏断层南段震源模型及破裂传播示意图 Fig. 3 Source model of the Yinchan buried fault and rupture propagation on the rupture surface

位于银川断层南段的板桥镇联合地质剖面测得断层倾角为66°走向NE12°，倾向西^[19].故在本研究的数值模拟试验中，银川断层南段的真实倾角取66°同时考虑到物探结果的不确定性和地下地质结构的复杂性，假设该断层破裂面的倾角由缓到陡倾变化的六种情况（依次为30°、45°、60°、66°、75°、85°)进行强地震动数值模拟和对比分析.当然，对应于银川断层南段不同倾角的破裂起始点深度（震源深度）也有差别(表 3)，需要说明的是，随着断层倾角由缓至深的变化，破裂起始点的位置在地表的投影有逐渐向银川隐伏断层南段靠近的趋势.

表 3(Table 3)

表 3 在不同断层破裂面倾角情况下银川隐伏断层南段破裂起始点的深度一览表 Table 3 The focal depth of Yincuan buried fault in case of different dips

表 3 在不同断层破裂面倾角情况下银川隐伏断层南段破裂起始点的深度一览表 Table 3 The focal depth of Yincuan buried fault in case of different dips

本文强地面运动的数值模拟采用张伟等^[26]改进的有限差分法--牵引力镜像法.在牵引力镜像法中，基于贴体网格技术和同位网格的有限差分方法可以较好地解决复杂地形情况下的SH波、P-SV波和三维地震波传播问题的模拟，并且已经实现了与并行技术的有机结合.该方法已在新西兰惠灵顿地区Wellington断层Wellington-Hutt Valley段的滑动破裂导致的强地面运动模拟研究中得到了成功的运用^[26]，其与并行技术的集成也在十五活断层项目中运用于银川等地区的地面运动模拟与地震危害性评价研究^[13]和汶川地震的数值模拟研究中^[27].

通过对银川断层南段的破裂面在不同倾角情况下发生M_w6. 5级特征地震时的强地面运动数值模拟，可获得银川盆地地表三分向峰值速度分布图像(图 4).从强地震动峰值速度的东西分量（EW Component)、南北分量（NSComponent)和竖向分量（UDComponent)在不同破裂面倾角情况下的地表分布可以看出，在盆地外围基岩地区，地表速度峰值很小或几乎为零，而在盆地内部，随着断层产状的改变和震源深度的增大，断层附近强地面运动的分布形态受到盆地内围限断层一芦花台断层的影响愈加明显，由于芦花台断层位于发震断层的上盘且产状陡倾，其对于盆地内地震动强度分布及反射作用的影响非常显著.

图 4

Fig. 4

图 4 不同断层倾角情况下银川盆地的地表峰值速度分布图中断层名称:F1:黄河断裂; F2:银川隐伏断层南段; F3:芦花台断裂; F4:贺兰山东麓断裂. Fig. 4 PGV distribution in Yinchuan fault basin in case of different dip angles Name of Faults:F1 Huanghe Fault, F2 Yinchuan buried Fault, F3 Luhuatai Fault, F4 the Eastern Helanshan Fault.

(1) 峰值速度的东西向分量（EW Component)分布规律：在断层破裂面倾角较小时（30°)，强地面运动表现为一个强地震动集中区，位于断层上盘并沿断层走向方向展布，此时强地面运动主要受到发震断层产状的控制；随着断层破裂面倾角自45°增大至66°强地震动集中区由断层上盘向靠近发震断层的方向移动，逐渐形成两个强度明显不同的地震动集中区，且靠近芦花台断层（F3)的地震动集中区强度逐渐增强甚至大于银川隐伏断层（F2)附近的强度，说明在此角度范围内，由于芦花台断层对盆地内强地面运动的反射作用增强，盆地内的强地面运动被围限在银川隐伏断层和芦花台断层之间的区域内.当断层破裂面倾角继续增大趋近直立时，盆地内的强地面运动仍旧以发震断层的控制作用为主，强地震动集中在靠近银川断层南段的上盘区域.

(2) 由于地震波南北向分量（NSComponent)传播方式与东西向分量不同，峰值速度的南北向分量在沿发震断层走向方向上，反射作用明显，并且在破裂面倾角大于66°时，强地面运动突破了芦花台断层的围限作用，盆地西边界断裂一一贺兰山东麓断裂对其的反射作用逐渐增强，反射区强度逐渐增强直至大于跨断层的强地震动集中区.

(3) 峰值速度竖向分量（UD Component)的地表分布特征随断层破裂面倾角的变化较为特殊.图 4的竖向分量分布特征表明，在断层破裂面倾角小于60°时，盆地内的强地面运动被围限在芦花台断层和银川断层之间，其分布特征仍旧以发震断层的控制作用为主；旦随着破裂面倾角的增大，竖向地震动的传播突破了芦花台断层的围限区域，并在破裂起始点位置的西侧，受到盆地西边界贺兰山东麓断裂的反射作用，从而在发震断层西北方向形成了强度较大的地震反射集中区，这预示着地震动的竖向分量对远离断层且位于断层上盘的高柔结构建筑物的破坏要比对断层附近的建筑破坏严重.

事实上，强地面运动幅值变化的规律与断层破裂面倾角的关系可以从地震波传播理论上找到依据.根据地震波的传播理论可知，地震动自震源发出，经过不同的传播介质到地表反应，具有一定的传播规律和特征可循^[28].虽然传播介质的各向异性、局部地形的变化会对强地面运动的分布产生不同的影响，但在断层附近地表，强地震动的总体分布特征仍旧很大程度上取决于与断层破裂面的几何尺寸、产状、破裂传播方向、性质和滑动量等参数：如倾斜断层所产生的上盘效应和破裂方向性等特征就是一个很明确的例证^[29].在有限断层模型中，将断层破裂面沿长度和宽度方向划分为若干个有限点源，对于特定地震，当断层地震矩保持不变，断层走向、倾伏角已经确定时，地震矩张量及其在地表引起的位移分量是断层破裂面倾角的函数^{[10, 28]}，并且随着断层破裂面倾角的变化，地震矩张量呈现与倾角变化相关的三角函数特性.图 5是本文计算得出的银川盆地内最大的地表峰值加速度（PGA)和峰值速度(PGV)随断层破裂面倾角变化的关系图，可以看出三个分量的强度变化曲线都具有类似正弦或余弦波的基本特征.

图 5

Fig. 5

图 5 峰值加速度(PGA)(a)和峰值速度(PGV)(b)随断层破裂面倾角变化曲线 Fig. 5 Curves of PGA (a) an dPGV (b) variation with different faultdips

在盆地内的近断层区域，地面运动的地震加速度和地震速度峰值变化与断层构造的南北向展布有关.首先，断层破裂面倾角在30°~85°范围内，地震动的EW分量幅值占绝对优势，大于其它两个分量，NS分量次之，UD分量最小；当断层破裂面倾角一定时，三个地震动分量的幅值大小比例不同.如倾角30°、45°、85°时，EW分量是NS分量的2~3倍，是UD分量的2~5倍；在倾角为60°、66°时则两个水平分量幅值较为接近，EW分量是NS分量的1~2倍，是UD分量的3~5倍；地震动峰值并非随断层破裂面倾角的增大线性增大或减小，不同的地震动分量有不同的变化规律.如EW分量的最大值是断层近乎直立情况下，最低值在66°左右；NS分量的最大值在倾角为60°时，在断层破裂面倾角为85°时最小；UD分量的最大值在倾角为45°时，在66°左右时达到最小值.

综合强地面运动在银川断陷盆地地表的分布特征，可以说明断陷盆地内随着发震断层破裂面倾角的不同，盆地内其他断层的围限对强地面运动的影响也不同.在缓倾角情况下，强地面运动分布区以发震断层的控制作用为主，但随着断层破裂面倾角的增大，强地面运动同时也受到上盘最近的其它断层阻挡或反射作用的影响和盆地边界断裂反射作用的影响.在银川盆地内，发震断层与芦花台断层走向近乎平行时，地震动的东西向分量被限制在两个断层之间的区域，但地震动的南北向分量和竖向分量却在发震断层陡倾角情况下，突破了芦花台断层的围限和阻隔，受到盆地西边界贺兰山东麓断裂的反射作用，地震直达波和反射波在芦花台断层附近相遇并形成较强的地震动集中区，致使银川隐伏断层南段及芦花台断层附近地区成为地震发生时可能遭受震害较为严重的潜在危险区.

本文研究结果表明，断层破裂面倾角大小是引起地表强地面运动不同分量差异的主要因素之一，在近断层附近一定距离范围内的建(构）筑物的自身特性受到地震动不同分量的影响，所表现出来的地震反应也是有区别的，例如大跨度桥梁、高柔结构等对地震动的长周期特性、竖向分量比较敏感等，因此，该分析结果提醒我们，在断层附近进行建(构）筑规划、抗震设防或地震工程设计时，不仅要考虑不同产状断裂构造的影响，还要考虑活动断层倾角变化时不同地震动分量对建(构）筑物结构和类型的影响作用.

通过对银川隐伏断层南段的破裂面在不同倾角情况下的强地面运动数值模拟与结果分析，银川盆地内的强地面运动强度及分布与发震断层破裂面倾角变化、盆地内其他断层及边缘断裂相互关系总结如下：

(1) 断陷盆地内发震断层破裂面的倾角决定了强地面运动的分布形态，但盆地内其他断层的阻隔及边缘控盆断裂的反射作用影响了强地震动峰值集中区的分布位置及强度，致使银川隐伏断层南段及芦花台断层附近地区成为地震发生时可能遭受震害较为严重的潜在危险区.

(2) 竖向地震动的作用不可忽视.由于盆地西边界的反射作用，随发震断层破裂面倾角增大而引起的竖向地震动强度集中区远离断层逐渐向西北方向移动，预示着地震动的竖向分量对远离断层的高柔结构建筑物的破坏要比对断层附近的建筑破坏大得多.

(3) 对于不同倾角的活动断层，强地震动的峰值速度或加速度随倾角的变化呈现出与三角函数相关的波动趋势.对于不同的倾角，强地震动三个分量在地表的分布表现出不同的优势，这对近断层地表的不同自振周期的建筑物有直接影响.

以上结论综合说明，在断陷盆地内进行近断层城市规划、地震动评价及工程设计时，对于不同的建筑结构类型，不仅仅要考虑场点与断层距离的位置及距离，更要综合评价发震断层破裂面倾角及盆地内其他断层及边界控盆断裂对强地震动地表分布的影响作用，从而正确评价该地区潜在的地震危害性.

诚挚感谢宁夏回族自治区地震局的王银工程师、谢晓峰博士、雷启云博士在数据资料准备中提供的帮助，感谢中国地震局地质研究所的于贵华研究员和陈桂华副研究员在三维模型建立和数值模拟方面给予的宝贵建议和技术支持.