張振斌， 溫瑞智， 魏　斌， 王寶柱

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

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2013年8月新疆烏魯木齊市5.1級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)記錄及特征分析①

張振斌1， 溫瑞智2， 魏斌1， 王寶柱1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要：2013年8月30日烏魯木齊市發(fā)生MS5.1地震，烏魯木齊烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)有32個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)觸發(fā)獲得了主震加速度記錄。選取23條強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行常規(guī)處理，統(tǒng)計(jì)強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)量隨震中距分布，對(duì)比分析此次地震峰值加速度(PGA)與新疆土層加速度衰減關(guān)系；并利用強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)此次地震進(jìn)行定位，定位結(jié)果對(duì)應(yīng)臺(tái)站震中距與到時(shí)線性度較好；最后分析了典型強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站記錄特性與建筑物震害及工程震害相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：烏魯木齊地震； 衰減關(guān)系； 強(qiáng)震動(dòng)記錄

0引言

2013年8月30日13時(shí)27分30.3秒烏魯木齊市區(qū)(43.8° N，87.6° E)發(fā)生5.1級(jí)地震。該地震是近十幾年來(lái)烏魯木齊市區(qū)發(fā)生的較大地震，也是烏魯木齊市烈度速報(bào)臺(tái)建成以來(lái)市區(qū)發(fā)生的第一次5.0級(jí)地震，此次地震的微觀震中位于烏魯木齊市中心紅山繁華地段。本次地震震級(jí)雖不大，但震中附近強(qiáng)震臺(tái)密度較大，烈度速報(bào)臺(tái)基本都觸發(fā)。2012年以來(lái)新疆多次發(fā)生5級(jí)以上地震，但真正發(fā)生在強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)內(nèi)的地震不多，2012年3月9日新疆洛浦縣發(fā)生6.0級(jí)地震，新疆強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)最近臺(tái)站距震中217 km，獲取最大峰值加速度為31 cm/s2；2013年6月30日新疆新源、和靜交界發(fā)生6.6級(jí)地震，震中位于無(wú)人山區(qū)，遠(yuǎn)偏離新疆強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)。本次地震發(fā)生在烏魯木齊市，烈度速報(bào)臺(tái)包圍較好，獲取了一些高質(zhì)量的數(shù)字加速度記錄。本文在分析總結(jié)此次地震強(qiáng)震動(dòng)記錄基本特征的基礎(chǔ)上，對(duì)比研究本次地震衰減關(guān)系，分析布設(shè)在市區(qū)不同建筑結(jié)構(gòu)區(qū)域強(qiáng)震臺(tái)獲取的強(qiáng)震動(dòng)記錄基本特征；此外還利用強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)對(duì)此次地震的震源位置進(jìn)行定位分析，以期取得一些新認(rèn)識(shí)，這也是本文使用強(qiáng)震動(dòng)資料在地震定位方面的一次探索，可為進(jìn)一步開(kāi)展新疆強(qiáng)震動(dòng)資料的使用提供依據(jù)。

1記錄分析處理

烏魯木齊烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)由50個(gè)子臺(tái)組成，其中包括4個(gè)基巖臺(tái)和46個(gè)土層臺(tái)，臺(tái)間距約2~5 km，分布基本均勻。臺(tái)站使用的儀器有三種，其中33個(gè)臺(tái)使用GSMA-2400 IP，12個(gè)臺(tái)使用GSR-18，8個(gè)臺(tái)使用ETNA型數(shù)采，儀器采樣率設(shè)置為200 samples/s，量程為±2g，臺(tái)站儀器傳感器為力平衡加速度計(jì)。本次地震有32個(gè)烈度速報(bào)臺(tái)獲得加速度記錄，其余18個(gè)臺(tái)沒(méi)有觸發(fā)原因是8個(gè)臺(tái)由于臺(tái)站搬遷停機(jī)，10個(gè)臺(tái)在地震時(shí)停電或儀器發(fā)生故障。圖1為其中23個(gè)記錄臺(tái)站震中分布圖；圖2為不同震中距上強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)量分布。從圖2可見(jiàn)，震中附近臺(tái)站分布較密集，震中距在0~5 km獲取記錄臺(tái)站有11個(gè)，5~10 km有5個(gè)，10~15 km有7個(gè)，大于15 km有5個(gè)，另有4個(gè)大于30 km,本文不予分析。

圖1　強(qiáng)震動(dòng)記錄臺(tái)站分布Fig.1　Distribution of strong motion stations

圖2　不同震中距強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)量分布 Fig.2　Quantitative distribution of strong motion records　　　 within different epicentral distances

不同儀器采用不同信號(hào)處理技術(shù)，本文針對(duì)不同儀器記錄的本次強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行了必要的數(shù)據(jù)處理工作[1-3]。原始強(qiáng)震動(dòng)記錄通常采用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，在轉(zhuǎn)換后通常采用事件前記錄平均值的方式進(jìn)行零線調(diào)整，消除基線漂移對(duì)于數(shù)據(jù)計(jì)算的影響，因此采用Boore方法對(duì)所用記錄進(jìn)行基線校正處理[4]，分析處理了其中23個(gè)臺(tái)的強(qiáng)震動(dòng)記錄資料(另外5個(gè)臺(tái)雖有記錄，但其波形不完整)。表1為這23臺(tái)的加速度記錄基本信息。

表 1　臺(tái)站記錄基本信息

為了更好地了解本次地震的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)分析了3個(gè)典型臺(tái)站強(qiáng)震記錄，計(jì)算其相關(guān)參數(shù)，以便后期進(jìn)一步分析研究。圖3給出了近場(chǎng)3個(gè)典型臺(tái)站加速度時(shí)程。

圖3(a)為156地質(zhì)隊(duì)(65DZD)強(qiáng)震臺(tái)校正加速度時(shí)程。臺(tái)址位于地質(zhì)隊(duì)四層辦公樓地下室，記錄儀器是GSR-18型數(shù)采，傳感器為SLG-100型加速度計(jì)。此臺(tái)距震中3.75 km，獲取本次主震東西、南北、垂直向最大峰值加速度分別為162.3 gal，91.4 gal和75.6 gal。圖3(b)為延安公園(65YAY)臺(tái)強(qiáng)震臺(tái)校正加速度時(shí)程。臺(tái)址位于延安公園大門口配電室，記錄儀器是GSMA-2400 IP型數(shù)采，傳感器為SLG-100型加速度計(jì)，震中距為3.87 km，東西、南北、垂直向加速度峰值分別為147.7 gal，124.0 gal和57.6 gal。圖3(c)為安寧渠(65ANQ)強(qiáng)震臺(tái)校正加速度時(shí)程。臺(tái)址位于城市郊區(qū)，周圍建筑物稀少，屬于開(kāi)闊地，記錄儀器是ETNA型數(shù)采，傳感器為SLG-100型加速度計(jì)，距震中22.0 km，此臺(tái)東西、南北、垂直向加速度峰值分別為16.2 gal，28.1 gal和22.0 gal。從3個(gè)典型臺(tái)的加速度時(shí)程可以看出，兩個(gè)較近臺(tái)站中不同儀器記錄最大峰值都出現(xiàn)在EW向，并且兩臺(tái)也位于此次地震震中東西方向上，符合此次地震沿東西向破裂的規(guī)律。三個(gè)臺(tái)水平向記錄第一次破裂波形顯著，第二次破裂波形較小、能量較小、波形不顯著。分別計(jì)算上述臺(tái)站三分向加速度反應(yīng)譜，如圖4所示。

圖4分析了3個(gè)不同儀器記錄的加速度反應(yīng)譜，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是垂直向還是水平向卓越周期均在0.09~0.30 s之間。156地質(zhì)隊(duì)臺(tái)加速度記錄反應(yīng)譜幅值在垂直和東西方向大于，而南北向小于延安公園臺(tái)記錄反應(yīng)譜幅值。本文對(duì)此次地震兩個(gè)典型記錄臺(tái)站進(jìn)行反應(yīng)譜分析，圖5為156地質(zhì)隊(duì)(65DZD)和延安公園(65YAY)兩個(gè)臺(tái)記錄反應(yīng)譜與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中設(shè)計(jì)譜[6]的比較。

圖3　 3個(gè)強(qiáng)震臺(tái)加速度記錄時(shí)程Fig.3　The acceleration time histories recorded by three strong motion stations

圖4　加速度反應(yīng)譜Fig.4　Acceleration response spectra

圖5　兩臺(tái)站反應(yīng)譜及其與規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)比Fig.5　Acceleration response spectra of two typical stations　　　 and those compared with design spectrum of code

從圖5可以看出，65DZD東西向記錄周期在0.35~0.38 s內(nèi)譜加速度大于設(shè)計(jì)譜，這一周期范圍正好與該臺(tái)站所破壞建筑物的結(jié)構(gòu)自震周期相對(duì)應(yīng)。其余分向反應(yīng)譜值均小于設(shè)計(jì)譜，對(duì)其他區(qū)域建筑物及高層建筑物影響較小。 2強(qiáng)震動(dòng)衰減特性本次地震震中周邊強(qiáng)震臺(tái)大多架設(shè)在樓層負(fù)一層，并且震中周圍高樓密集，考慮到烏魯木齊市區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)及強(qiáng)震臺(tái)的臺(tái)址情況，本文選用新疆土層衰減關(guān)系[5]，該關(guān)系適用于土層場(chǎng)地。

圖6為此次地震記錄峰值加速度(包括EW、NS、UD向)與預(yù)測(cè)值之間的對(duì)比。從圖中可以看出此次地震PGA離散性較大，總體看來(lái)水平方向(EW、NS)的觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值吻合較垂直向好，其垂直向(UD)觀測(cè)值較預(yù)測(cè)值顯著偏小。另外該衰減關(guān)系在回歸時(shí)缺少0~50 km數(shù)據(jù)，其預(yù)測(cè)值沒(méi)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但此次地震獲取的數(shù)據(jù)主要集中在5~15 km，并且觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值吻合較好，只有少數(shù)幾個(gè)臺(tái)數(shù)據(jù)明顯偏離預(yù)測(cè)值。因此本文數(shù)據(jù)也是對(duì)新疆土層衰減關(guān)系在0~50 km區(qū)域的驗(yàn)證，可用于探討新疆土層衰減關(guān)系在新疆部分區(qū)域的適用性。

3地震定位

本次地震震中位于烏魯木齊市區(qū)，其烈度速報(bào)臺(tái)對(duì)震中包圍較好。為了嘗試強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)在地震定位方面的使用，本文選取8個(gè)震相清楚、圍繞微觀震中分布較好的臺(tái)站對(duì)地震進(jìn)行定位。在定位前首先對(duì)所選臺(tái)臺(tái)址位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，表2為所選參與定位臺(tái)站信息。

圖6　加速度峰值與理論曲線對(duì)比Fig.6　Comparison between observed values and theoretical curves of PGA

臺(tái)名代碼Pg到時(shí)Sg到時(shí)S-P/s紅山地震臺(tái)65HST13-27-32.8713-27-35.3452.475烏魯木齊職大65WZD13-27-32.86913-27-35.3792.5156地質(zhì)隊(duì)65DZD13-27-32.96413-27-35.6642.5六道灣形變站65LBZ13-27-33.1013-27-35.712.61長(zhǎng)勝大隊(duì)65CSD13-27-33.1713-27-35.832.66水上樂(lè)園65SLY13-27-32.85013-27-34.3601.51紅雁池電廠65HYC13-27-32.99013-27-35.7902.9新農(nóng)大65XND13-27-32.96413-27-35.8742.9

地震定位精度受以下幾方面因素影響：(1)臺(tái)站分布合理性；(2)區(qū)域速度模型準(zhǔn)確性；(3)震相判別可靠性；(4)合適定位方法[6-7]。本文選取BLOC86程序進(jìn)行定位[4]，該程序使用多年來(lái)定位效果較好。為了驗(yàn)證強(qiáng)震數(shù)據(jù)定位結(jié)果準(zhǔn)確程度，本文使用USGS定位結(jié)果、新疆地震目錄點(diǎn)位結(jié)果與強(qiáng)震數(shù)據(jù)定位結(jié)果，對(duì)比某一臺(tái)站震中距與此臺(tái)站S波與P波走時(shí)差線性關(guān)系。圖7為P波到時(shí)與震中距線性關(guān)系。

圖7　P波到時(shí)與震中距線性關(guān)系Fig.7　Linear relationship between arrival time of P　　　 wave and epicentral distance

從圖7可以看出強(qiáng)震數(shù)據(jù)定位結(jié)果的線性度更好。由于地震定位涉及的因素很多，定位結(jié)果好壞不好評(píng)判，而隨著國(guó)家地震預(yù)警項(xiàng)目開(kāi)展，強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)在地震定位方面的應(yīng)用將不可避免。本文做一初步研究，希望能為強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)在地震定位方面的應(yīng)用起到一定作用，并更好地了解臺(tái)站附近震害與記錄相關(guān)性。

4結(jié)論

本文統(tǒng)計(jì)分析了此次5.1級(jí)地震加速度記錄及其特點(diǎn)和近場(chǎng)典型加速度記錄，分析了近場(chǎng)地震動(dòng)特點(diǎn)；對(duì)比觀測(cè)值與地震動(dòng)衰減關(guān)系，發(fā)現(xiàn)此次烏魯木齊地震的地震動(dòng)PGA在0~50 km范圍內(nèi)，與預(yù)測(cè)值基本吻合；利用此次地震強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)此次地震進(jìn)行了重新定位，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震數(shù)據(jù)定位結(jié)果與到臺(tái)站震中距線性度較好；最后分析了本次地震典型臺(tái)站附近震害特征。本研究對(duì)烏魯木齊地區(qū)地震動(dòng)特征和建筑物抗震具有一定的參考作用，并為進(jìn)一步結(jié)合一些大中城市中強(qiáng)地震強(qiáng)震動(dòng)記錄開(kāi)展更深入地震動(dòng)特征研究奠定了基礎(chǔ)。

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Characteristics of Strong Motion Records of Urumqi, Xinjiang

MS5.1 Earthquake on August 30, 2013

ZHANG Zhen-bin1, WEN Rui-zhi2, WEI Bin1, WANG Bao-zhu1

(1.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang,China;2.InstituteofEngineeringMechanics,CEA,Harbin150080,Heilongjiang,China)

Abstract:On August 30, 2013, a MS5.1 earthquake occurred in Urumqi (43.8° N, 87.6° E), Xinjiang, China. This was the largest earthquake to have occurred in this area for decades, and the first earthquake with a magnitude equal to or greater than 5.0 to have occurred since establishment of the intensity fast report stations network in Urumqi. The microscopic epicenter of this earthquake was located in Hongshan. Although the earthquake was relatively small, most of the intensity fast report stations were triggered near the epicenter, and 32 main shock acceleration records were obtained. In this study, 23 typical strong motion records within different epicenter distances were selected to conduct a conventional analysis. By comparing the peak ground accelerations (PGA) of this earthquake with the acceleration attenuation relation of the soil layer in Xinjiang, observed values were found to be in good agreement with predicted values at a depth of 0~50 km. An earthquake location analysis was then conducted, and results were found to be influenced by several factors: the rationality of station distribution, accuracy of the regional velocity model, reliability of seismic phase discrimination, and the proper location method. We used the strong motion data to locate the MS5.1 earthquake, and results showed a good linear relationship between P-wave travel time and epicentral distance. It is considered that in-depth research of motion characteristics could be conducted in other large cities, and results could be combined with records presented here.

Key words：Urumqi earthquake; attenuation relation; strong motion records

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0144

中圖分類號(hào):P315.63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)01-0144-06

作者簡(jiǎn)介：張振斌(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)、強(qiáng)震資料的應(yīng)用和研究。E-mail：zhang8@ustc.edu.cn。

基金項(xiàng)目：新疆地震局青年科學(xué) (200508，200606)；中國(guó)地震局交流訪問(wèn)學(xué)者計(jì)劃

收稿日期：①2015-04-13