盧大偉，姚 凱，閔祥儀，王東彬

（1.中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081；2.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 73000；3.地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，北京 100036）

0 引言

為了研究場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)的影響，必須布設(shè)場(chǎng)地影響專用臺(tái)陣，以便在一次地震中獲取多條完整記錄，反映場(chǎng)地地震動(dòng)的效應(yīng)?！笆濉逼陂g在蘭州觀象臺(tái)內(nèi)布設(shè)了10臺(tái)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)儀組成存放臺(tái)陣。在汶川特大地震中該存放臺(tái)陣10個(gè)臺(tái)站全部獲得了這次地震事件的3分向數(shù)字化強(qiáng)震動(dòng)記錄。本文依據(jù)這些實(shí)際觀測(cè)資料研究以該場(chǎng)地為代表的黃土場(chǎng)地在地震發(fā)生后的自由場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)加速度過(guò)程及其特征，探討在震源、場(chǎng)地和震中距基本相同的情況下，小范圍場(chǎng)地上加速度峰值及傅立葉幅值譜的差異，為工程建設(shè)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 蘭州觀象臺(tái)存放臺(tái)陣觀測(cè)系統(tǒng)

蘭州觀象臺(tái)存放臺(tái)陣屬于“中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)”單位工程之一，于2007年9月正式投入運(yùn)行。蘭州觀象臺(tái)土地面積近80畝，位于蘭州市城關(guān)區(qū)內(nèi)，屬于黃河Ⅳ級(jí)階地，為典型的黃土地區(qū)。場(chǎng)地表面地形平坦，屬于IV類土層，無(wú)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，其西3km有金城關(guān)活動(dòng)斷層分布。

臺(tái)陣在蘭州觀象臺(tái)內(nèi)布設(shè)了10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，臺(tái)陣孔徑約為280m，各測(cè)點(diǎn)均位于黃土土層自由地表，臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

表1 K2、Etna型數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)記錄器的主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 蘭州觀象臺(tái)存放臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of observation points of paking array in Lanzhou Earth Observatary.

臺(tái)陣各測(cè)點(diǎn)的主要儀器設(shè)備包括：數(shù)字強(qiáng)震加速度儀（第1、3測(cè)點(diǎn)為K2型，其余為Etna型）、GPS系統(tǒng)、供電及避雷設(shè)備、通訊設(shè)備等（圖2）。

配置的強(qiáng)震動(dòng)加速度儀為美國(guó)Kinemetrics公司生產(chǎn)的K2型和Etna型數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)加速度儀，內(nèi)置力三分向平衡式加速度計(jì)，型號(hào)為EpiSensor。有關(guān)記錄器和加速度計(jì)等設(shè)備的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1及表2。加速度儀參數(shù)設(shè)置事前和事后記錄各為20s，三個(gè)通道觸發(fā)閾值都為4gal，通道極性設(shè)置見(jiàn)表3。

圖2 臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.2 Observation system of observation points of the paking array.

表2 EpiSensor型力平衡式加速度計(jì)技術(shù)指標(biāo)

表3 儀器各道極性設(shè)置

2 記錄處理與分析

2008年5月12日汶川MS8.0特大地震中，蘭州觀象臺(tái)存放臺(tái)陣獲得了10組三分量波形完整的數(shù)字加速度記錄。從儀器獲得的原始記錄為電信號(hào)數(shù)據(jù)，依據(jù)儀器靈敏度1.25V／g將電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成加速度數(shù)據(jù)。為了消除儀器零位的影響，對(duì)原始加速度記錄進(jìn)行了零階基線校正，具體處理步驟如下：（1）確定整個(gè)波長(zhǎng)的加速度記錄平均值；（2）從原始加速度記錄減去記錄平均值。

處理后的所有測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線如圖3所示。圖中每組時(shí)程曲線從上至下依次是EW向、NS向和UD向。由各測(cè)點(diǎn)處理后的加速度記錄計(jì)算各測(cè)點(diǎn)峰值加速度，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表4。

表4顯示，10個(gè)臺(tái)站的峰值加速度均顯示EW向大于NS向，垂直向最小。雖然該臺(tái)陣的觀測(cè)孔徑較小，但各臺(tái)站峰值加速度仍有差異。由于使用相同型號(hào)的強(qiáng)震動(dòng)儀器觀測(cè)，各臺(tái)站記錄的PGA則顯示出各觀測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)地間差別：就EW向而言，位于蘭州觀象臺(tái)西部的場(chǎng)地的第2、3觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)值明顯大于第1、8、7點(diǎn)測(cè)值，由圖1（b）可知是由于其西部存在較深陡坎，因此對(duì)于EW分向的地面自由場(chǎng)加速度具有明顯的放大作用；NS向也有類似趨勢(shì)，但場(chǎng)地整體在此方向相對(duì)平坦，故各測(cè)點(diǎn)PGA差異不很明顯。

表4 各測(cè)點(diǎn)記錄處理結(jié)果

各臺(tái)的垂直向峰值加速度均未顯示明顯差異。10組記錄的EW、NS、UD3個(gè)方向PGA分別進(jìn)行平均計(jì)算，求得平均值及標(biāo)準(zhǔn)方差和離散系數(shù)（表5），可見(jiàn)兩個(gè)水平向的PGA離散程度較大，并且都要大于豎直向，主要原因在于水平向地震動(dòng)受土層放大作用影響較豎向要明顯。圖4給出了每個(gè)記錄PGA的離散程度，可以發(fā)現(xiàn)除測(cè)點(diǎn)1的EW、NS方向及測(cè)點(diǎn)2的NS方向離散程度超過(guò)30%以外，其他各記錄PGA離散程度都在20%以內(nèi)。

分別計(jì)算這10組記錄的傅立葉幅值譜（FAS）。由于篇幅有限，本文只給出EW方向各記錄傅立葉幅值譜，見(jiàn)圖5。從中可以發(fā)現(xiàn)各方向各記錄的傅立葉幅值譜基本上一致。為了能更好的說(shuō)明這種一致性，我們計(jì)算了這10組記錄的平均傅立葉幅值譜（圖6）。并且運(yùn)用帕曾窗進(jìn)行平滑，目的是為了能消除大量的“尖峰”，使各記錄的傅立葉幅值譜與平均譜進(jìn)行比較更為清晰。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，各方向的平均傅立葉幅值譜在頻率低于1Hz時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差非常小，尤其是NS及UD向，幾乎為0；在卓越頻率周圍，也就是水平向2Hz、豎向4Hz周圍標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)偏大；高于卓越頻率部分標(biāo)準(zhǔn)差又相對(duì)減小，并且始終維持在一個(gè)水平。EW、NS、UD向的平均FAS卓越頻率及標(biāo)準(zhǔn)方差和離散系數(shù)見(jiàn)表5。

圖3 臺(tái)陣各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線Fig.3 Acceleration records of observation points in the paking array.

圖4 各記錄PGA離散程度Fig.4 PGA discrete degree of the acceleration records.

表5 各方向PGA值及FAS卓越頻率離散性統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

圖6 平均傅里葉幅值譜（已平滑）Fig.6 Smoothed average acceleration Fourier spectr in three directions.

通過(guò)峰值加速度和傅立葉譜初步分析，表明在震源、場(chǎng)地和震中距相同情況下局部小范圍場(chǎng)地上不同測(cè)點(diǎn)記錄的加速度峰值存在一定程度的差異，在EW方向較為明顯，較好地反映了場(chǎng)地地形對(duì)自由場(chǎng)加速度的放大作用。10個(gè)臺(tái)站的峰值加速度均顯示EW向大于NS向，而垂直向最小。傅立葉譜分析結(jié)果表明各測(cè)點(diǎn)傅立葉譜值的差異較小，尤其在小于1Hz頻段范圍內(nèi)，傅立葉幅值譜之間的差異極小?？梢酝茢啵煌瑴y(cè)點(diǎn)記錄的加速度峰值之間的差異主要是高頻成分不同造成的。

［1］閔祥儀，姚凱，何新社.2003年10月25日甘肅平樂(lè)—山丹MS6.1地震強(qiáng)震動(dòng)近場(chǎng)記錄和分析［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2003，25（4）：289－292.

［2］劉旭宙，姚凱，何新社，等.2008年5月12日汶川MS8.0地震強(qiáng)震動(dòng)記錄與初步分析［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2008，30（3）：266－269.

［3］盧壽德，李小軍主編.汶川8.0級(jí)地震未校正加速度記錄［M］.北京：地震出版社，2008.

［4］姚凱，盧大偉，劉旭宙，等.利用汶川余震流動(dòng)觀測(cè)資料探討地形對(duì)峰值加速度的影響［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2009，31（1）：46－50.