， ，Janusz Wasowski

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.中国地质科学院 探矿工艺研究所，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时36分(北京时间24日9时36分)，意大利中部拉齐奥大区列蒂省诺尔恰镇(13.15°E，42.82°N)发生里氏6.2级地震，震源深度10 km，地震持续时间20 s。震中周边多座历史名城和古镇遭受严重破坏，距离震中约113 km的首都罗马也有长达30 s的明显震感。著名中世纪古城阿马特里切是重灾区之一，一些离震中很远的小镇如佩斯卡拉特朗托也遭到毁灭性破坏。阿马特里切镇位于亚平宁山脉，是一座古雅的意大利小镇，地震发生后，阿玛特里切等地区遭受巨大破坏，街道两旁房屋被夷为平地，城市变成一片废墟。一所地震前刚刚进行过抗震加固修复的小学，在地震中受损严重。地震已导致近300人死亡，并造成了大量财产损失。

这次地震具有3大特点：①震级不高但伤亡惨重；②在烈度不高的地区出现了多个破坏严重的点；③人口稀少地区死亡人数超过人口稠密地区。这次地震和2009年4月6日发生在意大利中部拉奎拉镇的地震有很多相似之处。当年，拉奎拉地震导致308人死亡。

本文根据此次地震的震害特点及震区地质条件，结合近年来地震波峰值加速度地形放大效应研究，认为震害严重除因为建筑结构老旧、抗震性能差外，震源浅及小镇所处孤立地形的放大作用是造成大量伤亡的关键原因。

2 震区建筑结构分析

震区建筑始建于中世纪，其中许多建筑的历史可以追溯到文艺复兴时期。由于当时木架结构容易失火，砖混结构盛行，建筑物中竖向承重结构的墙、柱等采用砖或者砌块砌筑，横向承重的梁、楼板、屋面板等采用钢筋混凝土结构；屋顶采用券拱技术，除了竖向荷重时具有良好的承重特性外，还起着装饰美化的作用，其外形为圆弧状。该结构适用于低层或者多层建筑物，稳定性差、浪费资源，在地震作用下很容易遭到破坏。

从地震的灾区照片可知，当地建筑物老旧易损的砖混结构是导致严重灾难事故的重要原因(图1)。

图1 震区破坏的砖混建筑物Fig.1 Brick masonry buildings damaged in the earthquake

震区建筑物因修建年代久远，且当初兴建时并没有考虑到地震因素，砖混结构建筑物的接触部位结合能力差，抗剪能力弱，地震波剪切作用下易出现剪切破坏而导致建筑物解体并出现坍塌，即使遇上并不很强的地震也很难抵御。震过后大量房屋建筑夷平，未倒塌的亦损毁严重。地震令多个古镇变成废墟，且地震发生时大多数居民处于睡梦之中，当建筑物在突如其来的地震中出现坍塌，处于黑暗中的居民难以有足够的时间反应和逃离，因而导致大量灾民被埋于瓦砾下，酿成严重伤亡。

3 地震构造与场地情况

意大利位于非洲板块与欧亚板块2个巨大的板块中间。据美国地质调查局(USGS)的地球物理学家保罗厄尔在调查中发现，除这2个板块外，还有一个微小的板块也已经从东侧挤入了意大利地区，使大陆受到了挤压，地壳由此抬升形成了横贯意大利南北的亚平宁山脉[1]。与此同时，在另一侧由于地壳已被拉开，在意大利的西边又产生了一个盆地。因此当亚平宁山脉横跨盆地时，在重力作用下就会出现拉张，造成大量的断层破碎带，而导致意大利中部盆地区的构造活动十分活跃，地震频发，此次地震的震中诺尔恰地区就位于意大利中部。

图2 意大利中北部发震构造及震源机制解[2]Fig.2 Seismogenic structure and focal mechanism solution in central and north Italy[2]

图3 意大利中北部地面形变简图[4]Fig.3 Simplified sketch of ground deformation in central and north Italy[4]

意大利半岛及整个地中海地区的地球动力学性质十分复杂，存在多个类型迥异的发震构造[2](图2)。对其影响最为广泛的是亚平宁构造弧，其北段是由褶皱逆冲的陆外渊带系统向东北东方向逐渐迁移而形成，震中诺尔恰地区所属的翁布里亚—马尔凯构造带就是在晚中新世到中更新世受其挤压而产生，后来又受到了与蒂勒尼安海有关的延伸构造的影响[2]。近年来，Cello等指出翁布里亚—马尔凯区域的北南向左旋大断层带与北西—南东至北北西—南南东向的转换断层是相连接的，其中距离诺尔恰地区最近的科尔菲奥里托盆地的边界断层和科斯塔—切西断层出现了第四纪活动迹象[3]，表明该断层仍在活动中，属于活动断层，亦可成为发震断层。根据意大利中北部地区地面形变监测结果分析，在科尔菲奥里托地区，显著的地面形变出现在2个地质结构不同的地段，这2个地段紧邻构成科尔菲奥里托盆地东北边界的南西倾斜的断层。诺尔恰周边地区的断层中，存在南北向左旋主断层由法向转换的拉张运动，活动较强烈(图3)。而从图2中也可知，翁布里亚—马尔凯地区具有较高水平的背景地质活动以及频繁的中等尺度(Ms≤6)的地震活动，且大多数断裂呈现出相同的北西走向，北北西走向的狭长地表形变带限制在约南北向的地质构造背景内，呈现出5 km左右的右侧阶梯，狭长的构造带利于断裂带能量的汇集[4]。震中诺尔恰地区在1979年就出现了Ms5.8级的地震，如今在37 a后又同样出现了Ms6.2级地震，表明震中断裂带的能量汇聚速率相当高。

另据巴黎全球物理研究所专家罗宾·拉卡森认为，震中地区为晚侏罗世至中新世形成的沉积层，地震发生时，沉积层非但不能缓冲消除地震作用的能量，反而在一定程度上能够放大地震波，加剧地震的破坏作用[5]，对地面造成更大的损害。晚侏罗世至中新世的碳酸盐沉积物形成后，受海水、大气淡水以及埋藏过程中孔隙流体的影响，发生压实、胶结、溶解、矿物的多相转化、白云石化、重结晶等多种成岩作用，最终固结成岩。压实作用发生在浅埋藏期，颗粒受压实作用影响而产生变形或破碎，压实作用使原生孔隙大量减少，不利于地震波能量的吸收。

由USGS调查所绘制的意大利中部地区地震烈度图(图4)可看出震中诺尔恰地区处于地震烈度较高的Ⅷ度地区，在地震作用下可能造成极大的破坏。

注：图中星号指代震源位置；震中诺尔恰地区位于烈度Ⅷ度区；阿马特里切山城与佩斯卡拉特朗托小镇为地震受损最为严重地区，地震烈度表现异常图4 意大利中部地区地震烈度Fig.4 Seismic intensity in central Italy

4 震区地形条件分析

建筑抗震性差在意大利中部地区是普遍现象，但房屋的损坏程度并不均匀，一些城镇损坏严重，一些则较轻，这些差异与地形放大效应有很强的对应关系。如图5所示，处于位置较低、且地形平坦的地区，房屋等建筑损毁较轻，而位于孤立突出地形的房屋建筑损毁严重。

佩斯卡拉特朗托小镇距离震中约102 km，距离较远，但在地震作用下几乎被夷为平地，对外交通完全中断，损伤惨重，是此次地震的重灾区之一，从佩斯卡拉特朗托小镇震前全貌图和地形图(图6)中可以看出，佩斯卡拉特朗托小镇处于地形突出的孤立山嘴上。根据近年来国内外学者对斜坡地震动响应特征的研究，山体突出孤立部位的地震波放大系数较大，地震作用下破坏较严重。

图5 震区不同地形部位的损毁情况Fig.5 Damage situation of different topographical locations in the earthquake area

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

地震波在从震中呈辐射状向周围传播过程中不仅受地质结构、岩体特征的影响，还会受到地形条件的作用。国内外相关研究揭示，地形特征对地震的破坏作用具有重要的影响。目前很多学者通过仪器观测并分析强震中记录到的地震波数据发现:地震动幅值和频谱会随地形高度而变化[6-10]，例如，新西兰卡格尔山山上和山脚2点的强余震速度观测记录显示，山顶地震持续时间显著增长，放大效应显著，并且位移、速度、加速度3个量的放大效应不同，位移放大最明显，可达7倍[11]。“5·12”汶川地震之后，国内学者对青川东山、泸定冷竹关、摩岗岭及绵竹九龙剖面的余震的监测数据也表明山顶地震波加速度较山脚放大效应明显，坡顶同一监测点水平分量不同方向的峰值加速度相差较大；沿单薄山脊走向的地震波峰值加速度小于垂直单薄山脊的地震波峰值加速度；呈“孤岛”状突出的山顶地震波会出现异常放大，放大倍数可达6.13倍[12-13]。祁生文等[6]通过FLAC3D等较为先进的数值模拟软件也分析出了地震波在斜坡中传播会受坡高和坡角的影响。

从目前地震发生后的震害情况来看，震害最为严重的多为震中周边的古城区，而这些古城区多建于中世纪，并有建立在山顶的传统，之所以建立在山顶是由于这种地理位置在很大程度上能够抵御入侵者。佩斯卡拉特朗托小镇便是这样一座修建在突出山顶的古城，海拔1 452 m，是亚平宁山脉地区海拔较高的居住地，这个古城座落于海拔1 310 m的大平原上，所处的山顶与山脚高差达142 m，呈突出孤立的“孤岛”状(图5、图6)，在此次地震中损伤极其严重。小镇距离震中距离并不近，在地震震级并不太高的情况下能够造成如此严重的损坏，表明了小镇所处的地形对地震波的传播具有较强的放大作用。

根据佩斯卡拉特朗托小镇所处山体的地形，采用非连续变形分析(DDA)方法建立分析模型,见图7。

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

图8 泸定冷竹关监测剖面Fig.8 Monitoring profiles at Lengzhuguan,Luding, Sichuan

小镇所处区域为沉积岩地区，模型计算参数取沉积岩一般值，模型材料弹性模量取5.4×103MPa，泊松比取0.21，密度取2 600 kg/m3。佩斯卡拉特朗托小镇距离震中102 km，地震震级为Ms6.2级，与2014年11月22日康定6.3级地震的震级相近。成都理工大学在四川泸定冷竹关建立的地震监测剖面(图8)成功捕捉到了这次康定地震的地震波数据，监测剖面距震中约89 km，其1#监测点位于山顶突出部位，其地形与佩斯卡拉特朗托小镇所处山体的地形相似，故在数值模拟中采用1#监测点所记录的地震波数据进行分析。

地震作用下对建筑物破坏作用最大的为水平向振动的横波[14]。文中采用监测点记录到破坏作用最大垂直山脊方向的地震波作为输入波，如图9(a)所示，输入波的峰值加速度为0.1g。在模型顶部设置监测点，记录到的地震波曲线如图9(b)所示，其峰值加速度为0.58g，较模型底部输入波放大约6倍，可知佩斯卡拉特朗托小镇的地震破坏作用远比山脚大，故而导致佩斯卡拉特朗托小镇损伤极其严重，造成了巨大的损失。

图9 输入波与监测点加速度时程曲线Fig.9 Time-history curves of input wave acceleration and monitored seismic wave acceleration

5 结 论

本文根据意大利中部诺尔恰镇发生里氏6.2级地震的震害特点、震区建筑物的建筑结构、地质条件、地形特征，并结合近年来地震波峰值加速度地形放大效应研究，认为震害严重除因为建筑结构老旧、抗震性能差外，震源浅及小镇所处孤立地形的放大作用是造成大量伤亡的关键原因。震级不大、距震中较远的条件下，地形放大效应同样可造成极其严重的震害。中世纪修建并保留至今的古建筑，大多为砖木结构，整体性较差，抗震性较弱，且由于历史原因多修建在孤立突出的山头上，在地形放大作用下极容易受到损坏，故虽然此次地震震级不大，仍然造成了极其严重的伤亡。在震后重建过程中，急需提高建筑物的抗震标准。