2025年1月7日西藏定日M_S6.8地震珠峰地震台加速度时程快速模拟

Rapid Simulation of Acceleration Waveform at Everest Seismic Station of Xizang Tingri M_S6.8 Earthquake on January 7, 2025

摘要

2025年1月7日，西藏日喀则市定日县发生M_S6.8地震，震中附近遭受了严重的地震破坏. 地震影响区位于海拔4 000 m以上的高原地带，地震台站分布稀少，100 km内缺乏完整的基准台或基本台地震记录，而这些记录对于快速评估地震灾害程度和指导震后重建有至关重要的意义. 本次地震影响区域内的高山多覆盖有永久冰川（如珠峰地区），同时存在大量潜在的滑坡体，研究地震对冰川及滑坡体稳定性的影响，是值得关注的重要科学问题. 基于上述背景和研究需求，选择距离震中55公里的珠峰地震台记录到的一次M_S3.9小震作为格林函数采用经验格林函数方法，考虑参数不确定性，合成了本次地震在珠峰地震台的加速度波形. 研究结果表明：珠峰地震台在本次地震中水平向PGA范围为70~190 cm/s²，垂直向PGA范围为40~140 cm/s²，对应的仪器地震烈度为Ⅵ~Ⅶ度. 这些结果反映了珠峰地震台位置的地震动强度，与第五代中国地震动参数区划图中不同概率水准的地震动反应谱进行对比，并结合当地房屋建筑的结构性能，分析认为该强度地震动可能对珠峰地震台附近的一般民用建筑造成较严重损伤，震中附近的地震破坏可能会更为严重. 同时该地震可能对高海拔冰川和潜在滑坡体稳定性造成影响，建议对此问题给予特别关注.

Abstract

On January 7, 2025, a magnitude M_S6.8 earthquake occurred in Dingri County, Shigatse City, Xizang, China, causing severe damage near the epicenter. The affected area is located on a plateau at over 4,000 meters above sea level, where seismic stations are sparsely distributed. There is a lack of comprehensive reference data or basic seismic records within a 100 km radius, which are essential for quickly assessing the extent of earthquake damage and guiding post-earthquake reconstruction efforts. The high mountain region affected by this earthquake is mostly covered with permanent glaciers, such as those on Mount Everest, and contains numerous potential landslide sites. Studying the impact of earthquakes on the stability of glaciers and landslides is an important scientific concern. Given this context, this article focuses on an M_S3.9 small earthquake recorded at the XZ-ZHF seismic station, located 55 km from the epicenter. Using the empirical Green’s function method, the study considers parameter uncertainty to synthesize the acceleration waveform of the earthquake at this station. The research results indicate that the horizontal peak ground acceleration (PGA) at Zhufeng seismic station ranged from 70 to 190 cm/s², while the vertical PGA ranged from 40 to 140 cm/s². This corresponds to an instrument seismic intensity of VI-VII. These findings reflect the seismic intensity at the Zhufeng Seismic Station. When compared with the seismic response spectra of various probability levels in the fifth-generation Seismic ground motion parameters zonation map of China, and taking into account the structural integrity of local buildings, it is analyzed that the seismic intensity could cause more severe damage to general civil structures near the Zhufeng seismic station. Furthermore, it is expected that the earthquake damage near the epicenter is likely to be even more severe. Additionally, the earthquake may have implications for the stability of high-altitude glaciers and potential landslide bodies, and it is recommended that special attention be paid to these issues.

Graphical abstract

关键词

定日M_S6.8地震 / 经验格林函数 / 地震动模拟 / 参数不确定性 / 珠峰地震台.

Key words

M_S6.8 earthquake / Empirical Green’s Function / ground motion simulation / parameters uncertainty / Zhufeng seismic station

0 引言

据中国地震台网测定：2025年1月7日9时5分16秒，西藏自治区日喀则市定日县发生M_S6.8地震，震中位于北纬28.50˚、东经87.45˚，距离定日县城约36 km，震源深度为9.3 km. 截至2025年1月14日08时00分，共记录到余震3 614次，其中2.0级以下3 104次，2.0~2.9级458次，3.0~3.9级45次，4.0~4.9级6次，5.0~5.9级1次. 此次地震余震分布呈现南北向分布特征（图1）.

通过震后现场震害调查，并结合震区断裂构造、仪器烈度、余震分布、震源机制和遥感等数据，中国地震局发布了西藏定日6.8级地震烈度图（http：//www.mem.gov.cn）. 此次地震引发约26 km的地表破裂，最高烈度为Ⅸ度（9度），Ⅵ度（6度）区及以上面积约24万km²，等震线长轴呈近南北走向，长轴约191 km，短轴约152 km，共涉及西藏自治区1个市6个县45个乡镇. 此次地震造成126名同胞不幸遇难，约6.2万人不同程度受灾.

震后，中国地震预警台网迅速公布了震区的台站分布情况（https：//www.iem.net.cn）. 在震中100 km范围内，仅有珠峰地震台（XZ⁃ZHF）和日喀则地震台2个地震台站，其中仅日喀则地震台（图1）记录到了完整的强震波形，珠峰地震台（XZ⁃ZHF）因故未能记录到本次地震的完整波形. 这意味着震中西部和南部等方位缺少完整的强震记录，导致本次地震近场强震特征存在较大不确定性.

近场大震记录极为珍贵，而中国在这一方面，尤其是西部和高原地区的近场强震记录相对缺乏. 自2000年以来发生多次7~8级的强震事件未能获得完整的近场强震记录. 例如，2021年的青海玛多M_W7.4地震在170 km范围内无完整强震记录（李宗超等，2022）；2001年昆仑山大地震同样缺少近场强震记录. 鉴于以上情况，我们提出了合成定日地震在珠峰地震台主震加速度波形的研究设想. 主要采用经验格林函数方法，选取珠峰地震台之前记录到的一次M_S3.9小地震作为格林函数，并适当考虑了参数的不确定因素，从地震应急的角度初步合成了珠峰地震台位置处主震的加速度波形.

珠峰地震台位于西藏日喀则地区定日县扎西宗乡，距珠峰大本营约40 km，海拔4 255 m. 作为中国地震预警台网的基准台，珠峰地震台配备了测震仪和强震仪. 尽管西藏日喀则南部地区中强地震活动较为频繁，但此前一直未设立地震台. 珠峰地震台的建成填补了日喀则南部地区的地震监测空白，并提升了我国中尼边界地区的地震监测能力. 此外，它为地学工作者提供了宝贵的一手地震观测数据，显著增强了我国在青藏高原国际地学及防震减灾领域的科技竞争能力. 自2010年运行以来，珠峰地震台已记录了大量小震波形数据，为多学科的发展提供了重要的数据支撑.

本文认为，合成珠峰地震台的加速度波形有以下两方面的重要科研应用：（1）服务珠峰地区冰川及滑坡体稳定性研究. 根据我国第二次冰川编目和尼泊尔冰川编目（刘时银等，2020）显示，珠峰地区南、北坡有2 438条冰川，总面积达3 271.4 km²，其中，我国境内珠峰自然保护区分布有1 476条冰川，面积2 030.5 km². 此次破坏性地震作用可能对珠峰地区的冰川稳定性产生影响. 2017年米林M_S6.9地震曾对色东普冰川稳定性造成了一定影响，导致其一年后发生冰崩灾害（Hu， 2019；Li et al.， 2022）. 通过获取珠峰地区较为准确的加速度波形数据，可为本区域冰川及滑坡体灾害风险预测提供科学依据. （2）为珠峰地区工程建筑抗震设计提供支持. 珠峰地震台位于边境区域，区域内的相关工程建设需服务于国防安全，因而需要准确的地震动输入. 地震工程学界普遍认识到，近场强地震动预测对于减轻未来大地震灾害及指导重大工程建设抗震设计至关重要，特别是高频率地震动的科学评估具有极高的应用价值. 参考第五代地震动参数区划图的标准（GB 18306⁃2015），该地区设计地震动为0.2 g，设防水准为Ⅷ度，表明其地震危险性较高. 珠峰地区准确的地震波形数据将为工程建筑的抗震设计提供可靠的数据基础，有效提升防灾减灾能力.

1 珠峰波形模拟方法及相关参数

小地震记录能够捕捉真实的震源破裂过程、传播路径介质以及浅表场地响应的复杂性. 日本地震学家Irikura和Miyake等人的研究表明 （Miyake et al.， 2003），利用震源区附近的小地震记录是模拟强地震动的有效方法之一（图2）. 因此，基于小地震记录的合成地震动在一定程度上保留了这些复杂影响，这也是经验格林函数方法的优势之一. 尤其是在小地震记录丰富的地区，通过考虑震源参数的不确定性，利用经验格林函数法可以较为精确地模拟破坏性地震的近场高频强地面运动特征.

本文的研究目标是合成定日M_S6.8地震在珠峰地震台位置处的加速度波形. 我们选择了一个M_S3.9的小地震作为格林函数（图2）. 该小震的震中与主震位置高度一致，且珠峰地震台完整记录到这一小地震的波形. 通过使用珠峰地震台的实际记录数据作为格林函数，保证了大小地震传播路径和场地条件的一致性，这对于提高合成波形的准确性尤为关键.

本研究参考了北京大学张勇团队和美国地质调查局（USGS）提供的震源破裂过程相关参数（图3），包括断层位错、震源上升时间、破裂模式及震源机制等. 这些参数为模拟珠峰地震台位置处的强地面运动提供了科学依据. 小震数据来源于李宗超等人建成的格林函数数据库和地震科学国际数据中心. 在地震动合成过程中，我们还综合考虑了震后地震局系统和高校科研单位的地震应急产出，结合震源参数的不确定性，最终给出了合理取值范围内的9组27条加速度波形. 本次地震中，珠峰地震台与震中的距离为54.9 km，方位角为253°，所选用的格林函数震级为M_S3.9，小震震中为（东经87.50°，北纬28.5°），与主震几乎一致.

2 珠峰地震台加速度波形合成结果

经验格林函数方法的主要优势体现在大于1.0 Hz的频段. 该方法在这一频段内能够较好的合成地震动，其高频加速度幅值能够有效代表宽频带地震动加速度的幅值（Ji et al.， 2023）. 通过该方法，本研究最终合成了9个三分量的加速度波形（图4a）以及对应的频率>1.0 Hz的加速度反应谱（图4b）. 结果表明：合成的水平向地震动的PGA取值范围为70~190 cm/s²，竖直向地震动的PGA范围为40~140 cm/s². 根据中国地震烈度（GB/T 17742⁃2020）的判定，合成地震动对应的地震烈度为Ⅵ度~Ⅶ度，以Ⅵ度为主. 模拟结果与中国地震局公布的该位置实际调查烈度结果一致. 根据野外地震调查结果，珠峰地震台区域的烈度位于Ⅵ度区，模拟结果与实际调查的烈度反映了相同水平的破坏能力. 本研究通过合成的加速度波形和烈度分析验证了经验格林函数方法在珠峰地震台区域的适用性，为后续地震动特征研究和抗震设计提供了可靠的理论支持和参考数据.

本文采用了珠峰地震台测震仪记录的宽频带小震波形作为格林函数，合成了珠峰地震台基岩水平向加速度波形. 需要注意的是，自由地表或者Ⅱ类场地的地震动一般因为场地放大效应显著高于图4中展示的基岩水平地震动强度. 结合第五代地震动参数区划图，将合成的基岩水平地震动与珠峰地震台区域Ⅱ类场地不同概率水准的设计地震动进行对比（图5）发现：（1）合成的基岩水平地震动强度已经超过基本地震动强度水平；（2）若考虑场地放大效应，自由地表的地震动强度可能会接近或者超过罕遇地震动的强度水平. 本文认为该水平的地震动破坏能力对珠峰区域的冰川稳定性可能会造成不确定性的影响，应当被引起重视. 同时参考本地区房屋建设水平，该强度的地震动强度会对本地区的一般民用建筑造成一定的损伤.

3 讨论

本文选取珠峰地震台记录到的与主震震中位置高度一致的一次M_S3.9小震作为格林函数，采用经验格林函数方法，并适当考虑参数不确定性，合成了本次地震在珠峰地震台（XZ⁃ZHF）位置处的加速度波形. 通过将合成结果与本地区不同概率水准的设计反应谱进行对比，并结合当地房屋建设水准，发现该强度的地震动可能对珠峰地震台附近的一般民用建筑造成较严重损伤. 此外，地震可能影响本地区高海拔冰川及潜在滑坡体的稳定性，应引起特别关注. 为了清晰展示研究内容和结果，本文采用图6所示的成果展示模式.

本研究主要基于定日地震后的应急产出反演结果，目前部分参数仍有进一步提高精度的空间，随着相关研究的深入，定日地震的震源参数将更加精确，我们也将进一步优化珠峰地震台加速度波形的合成精度. 本研究揭示了小震波形积累的重要性及其在强震动地震学中的应用潜力. 中国已经建成全球最大规模的预警台网，全国基准台和基本台数量已超过5000个，未来高质量地震台站的数量还将继续增加. 本研究充分发挥现有小震记录的应用潜力，不仅致力于模拟历史大地震在高质量台站处的加速度波形，还可用于未来可能发生的破坏性情景地震的模拟，为需要高精度地震动输入的各类科研工作提供支持.

参考文献

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基金资助

西藏自治区重大科技专项-西藏强震活动规律与多情景震害风险预判所属专题多情景地震构建与危险性评估(XZ202402ZD0001)

中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项资助项目(DQJB22R30)

中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项资助项目(DQJB24X22)

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项(CEAIEF20240215)