王文才　尹志文　田秀豐　徐欽　石文兵　江志杰

摘要：2018年8月13日和14日云南通?？h相繼發(fā)生2次5.0級(jí)地震，中國數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的41個(gè)（13日）和30個(gè)（14日）強(qiáng)震臺(tái)站在2次地震中共捕獲到213條三分向加速度記錄，給出近場臺(tái)站的地震動(dòng)參數(shù)，繪制了震中附近區(qū)域峰值加速度等值線圖，其長軸呈WS—EN方向展布。將實(shí)際觀測數(shù)據(jù)與幾種常用地震動(dòng)衰減關(guān)系對(duì)比，發(fā)現(xiàn)霍俊榮和胡聿賢（1992）的衰減預(yù)測模型能更好地反映此次地震影響場。將不同震中距的5個(gè)臺(tái)站反應(yīng)譜對(duì)比，并與我國設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較，擬合出不同周期譜加速度的衰減特性，總結(jié)了地震的反應(yīng)譜基本特征。最后基于主震和多次余震觀測記錄，運(yùn)用HVSR譜比法分析了3個(gè)典型臺(tái)站的場地效應(yīng)，并對(duì)其是否發(fā)生非線性反應(yīng)作了初步判斷。

關(guān)鍵詞：通海5.0級(jí)地震;反應(yīng)譜;衰減關(guān)系;場地效應(yīng);非線性反應(yīng)

中圖分類號(hào)：P315.914?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1000-0666（2019）04-0635-07

0?引言

2018年8月13日1時(shí)44分云南通?？h發(fā)生5.0級(jí)地震，震中位于24.19°N，102.71°E，震源深度7?km。2018年8月14日3時(shí)50分，該地再次發(fā)生5.0級(jí)地震，震源深度6?km，中國數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)（NSMONS）（崔建文等，2006）布設(shè)在該地區(qū)的41個(gè)（13日）和30個(gè)（14日）強(qiáng)震臺(tái)站在2次5.0級(jí)地震中共捕獲到213條三分向加速度波形記錄。已有研究（溫瑞智等，2013;徐欽等，2018;王文才等，2017;李世成等，2017）利用強(qiáng)震動(dòng)記錄開展近場地震動(dòng)特征和場地效應(yīng)方面的研究多是針對(duì)一些震級(jí)較大的主震。然而主震后強(qiáng)余震的發(fā)生往往會(huì)對(duì)已經(jīng)受到損傷和尚未來得及進(jìn)行工程加固的建筑物造成二次傷害，因此，科學(xué)評(píng)價(jià)主余震災(zāi)害造成的破壞對(duì)抗震減災(zāi)工作具有重要價(jià)值（溫衛(wèi)平，2015）。

本文利用近場臺(tái)站在2次5.0級(jí)地震中捕獲的強(qiáng)震動(dòng)記錄，從地震動(dòng)的幅值特征、衰減關(guān)系、反應(yīng)譜、場地反應(yīng)和非線性識(shí)別等方面分析強(qiáng)震動(dòng)記錄的基本特征，旨在為抗震設(shè)防、地震序列作用下地震動(dòng)的影響、地震危險(xiǎn)性分析、場地放大效應(yīng)估計(jì)和非線性識(shí)別等方面提供參考。

1?強(qiáng)震動(dòng)記錄

中國數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)的41個(gè)（13日）和30個(gè)（14日）強(qiáng)震臺(tái)在2次通海5.0級(jí)地震中共捕獲3分量加速度記錄213條，其中有28個(gè)臺(tái)在2次地震中同時(shí)觸發(fā)，其臺(tái)站分布情況如圖1所示。

8月13日的5.0級(jí)地震中觸發(fā)臺(tái)站分布在距震中9.7～101.3?km范圍內(nèi)，其中50?km以內(nèi)有23個(gè)臺(tái)，50～100?km范圍內(nèi)有17個(gè)臺(tái)，有1個(gè)臺(tái)在100?km之外。8月14日的5.0級(jí)地震中觸發(fā)臺(tái)站分布在距離震中8.15～69.3?km的范圍內(nèi)，其中50?km以內(nèi)的有23個(gè)，震中距在50～69.3?km范圍內(nèi)有7個(gè)臺(tái)。

2?幅值特征

首先采用巴特沃斯高通濾波去除記錄到的原始加速度波形的低頻干擾，然后計(jì)算出地震事件前20?s記錄的平均值，用最小二乘法對(duì)存在零線偏移的記錄進(jìn)行基線調(diào)整，消除零線漂移對(duì)加速度時(shí)程的影響（Boore，2001）。計(jì)算得到近場?（震中距<50?km）臺(tái)站地震動(dòng)參數(shù)（表1）。由表1可知，雖然2次地震震級(jí)相同，但8月14日5.0級(jí)地震的加速度峰值（PGA）明顯小于8月13日5.0級(jí)地震。53JXG臺(tái)的PGA均較其他臺(tái)大，時(shí)程曲線如圖2所示，13日、14日EW，NS，UD向PGA分別為159.1，-170.4，61.8?gal和77.0，-103.8，-41.2?gal。

統(tǒng)計(jì)表1中各地震動(dòng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)：2次地震中各臺(tái)水平向PGA普遍大于垂直向，其中13日地震中有20個(gè)臺(tái)，占觸發(fā)臺(tái)站的87.0%，14日地震中有22個(gè)臺(tái)，占觸發(fā)臺(tái)站的95.7%。另外，主震中PGANS>PGAEW>PGAUD的臺(tái)站有16個(gè)，占觸發(fā)臺(tái)站的70%，說明NS向的峰值加速度較其他2個(gè)分向卓越，表現(xiàn)出一定的方向性。由于近場臺(tái)站靠近發(fā)震斷層，其地震動(dòng)的空間展布形態(tài)受斷層破臺(tái)站名稱臺(tái)站代碼場地條件震中距/km8月13日地震峰值加速度/（cm·s-2）8月14日地震峰值加速度/（cm·s-2）東西南北垂直東西南北垂直裂類型和傳播方式的影響，王光明等（2018）研究認(rèn)為近SN向小江斷裂帶西支南段的次級(jí)斷裂明星—二街?jǐn)嗔鸦蚺c其平行的隱伏斷裂是此次地震的發(fā)震斷裂。因此通海地震動(dòng)參數(shù)的方向性可能受明星—二街?jǐn)嗔芽刂啤?/p>

利用表1的地震動(dòng)參數(shù)，通過計(jì)算各臺(tái)水平向PGA幾何平均值，然后采用克里金插值方法得到2次5.0級(jí)地水平向PGA的等值線圖，如圖3所示?？梢钥闯鯬GA等值線圖均呈WS—EN方向展布，這與地震宏觀烈度調(diào)查圖的走向及余震精定位結(jié)果分布情況具有很強(qiáng)的相似性（云南省地震局，2018;王光明等，2018）。另外，相對(duì)14日地震而言，13日地震等值線的形態(tài)更顯“肥胖”，相同等值線的覆蓋面積更廣泛，中心點(diǎn)附近的等值線水平更高。

3?衰減關(guān)系

2次通海地震中獲得了較為豐富的強(qiáng)震動(dòng)記錄為研究強(qiáng)震動(dòng)的衰減關(guān)系提供了很好的基礎(chǔ)資料。地震波在傳播過程中由于受震源和傳播路徑介質(zhì)的影響，地震動(dòng)表現(xiàn)出不同的衰減特性，過去幾十年中世界各地的地震學(xué)者提出了多種衰減關(guān)系。本文選用國內(nèi)幾種常用的地震動(dòng)衰減關(guān)系作為對(duì)比的地震動(dòng)預(yù)測方程。

通過計(jì)算各觸發(fā)臺(tái)站水平向?qū)嶋H觀測記錄PGA的幾何平均值，然后與霍俊榮和胡聿賢（1992）的土層地震動(dòng)衰減模型、俞言祥等（2013）第五代區(qū)劃圖地震動(dòng)衰減關(guān)系對(duì)比，其結(jié)果如圖4所示。由圖可知：長軸預(yù)測曲線與觀測值吻合較好，而短軸預(yù)測方程與觀測值離散性較大;在10?km

4?反應(yīng)譜特征

利用近場5個(gè)幅值較大臺(tái)站（53JXG，53JCX，53TLS，53YHH，53YHT）的加速度波形，通過計(jì)算5%阻尼比譜加速度的水平向幾何平均值，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50011—2010），選用Ⅱ類場地繪制VIII度多遇、VIII度設(shè)防、VIII度罕遇地震的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，并與實(shí)際觀測值對(duì)比，如圖5所示?？梢钥闯觯孩?3日5.0級(jí)地震中，53JXG，53JXC，53TLS臺(tái)的譜加速度峰值均不同程度超過8度多遇地震，53JXG臺(tái)的峰值在很小的譜周期內(nèi)略高于8度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值，但都小于罕遇設(shè)計(jì)值。②14日5.0級(jí)地震中，5個(gè)臺(tái)站反應(yīng)譜值均低于8度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。隨著震中距的增大，其他臺(tái)站的譜加速度峰值逐漸減小，在大多數(shù)譜周期范圍內(nèi)均小于8度多遇地震的設(shè)計(jì)值。③圖5中5個(gè)臺(tái)站，只有53JXG臺(tái)記錄的譜加速度值超過了VIII度設(shè)防反應(yīng)譜平臺(tái)值，其周期在0.1～0.25?s的范圍內(nèi)且卓越平臺(tái)較窄，反應(yīng)譜曲線在0.25?s后迅速下降到較低水平，而該地區(qū)中小城市和城鎮(zhèn)主要建筑物的結(jié)構(gòu)自振頻率為1～3?Hz，對(duì)應(yīng)自振周期為0.3～1?s，因此，本次地震對(duì)該地區(qū)達(dá)到抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑破壞影響較小。另外，在大于1?s的中長周期部分，反應(yīng)譜值只有十幾gal甚至接近于零，因此也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期較長的大壩、橋梁、輸電塔、超高建筑等造成嚴(yán)重的影響。

繪制對(duì)數(shù)坐標(biāo)的上述5個(gè)臺(tái)站加速度反應(yīng)譜對(duì)，如圖6a所示，可知近場內(nèi)隨著震中距的增大，反應(yīng)譜的卓越周期變化不大，均在0.1～0.3?s的范圍內(nèi)，但在高頻段部分，曲線出現(xiàn)纏繞交叉。為了明晰這種變化趨勢，采用最小二乘法擬合出5個(gè)臺(tái)站各周期（T=0.1?s，0.5?s，1.0?s，2.0?s）譜加速度隨震中距增大的衰減關(guān)系，如圖6b所示。由擬合直線斜率可知：T=0.1?s的譜加速度值衰減最快，然后依次為T=0.5?s、T=1.0?s的譜加速度，其中T=2.0?s的譜加速度衰減最慢。說明長周期分量較短周期分量的譜加速度衰減速度慢，這一方面與其自身的波長和波在傳播過程中的散射、繞射有關(guān);另一方面也受特定傳播路徑和局部場地條件等因素的影響。

5?場地特征與非線性識(shí)別

場地效應(yīng)直接影響地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度，一直以來是地震工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著強(qiáng)震動(dòng)記錄的不斷積累，越來越多的學(xué)者（Yamazaki，Ansary，1997;榮棉水等，2016）開始直接利用強(qiáng)震動(dòng)記錄分析臺(tái)站場地效應(yīng)。另外，大量研究結(jié)果表明：土體在強(qiáng)地震動(dòng)作用下的應(yīng)變幅值增加，剪切模量隨之降低而阻尼比增強(qiáng)，當(dāng)應(yīng)變量超過一定的范圍時(shí)，土體會(huì)發(fā)生非線性反應(yīng)（冀昆等，2014）。因此，使用地震記錄進(jìn)行場地非線性識(shí)別對(duì)擴(kuò)展強(qiáng)震動(dòng)記錄應(yīng)用范圍同樣具有重要意義。

5.1?譜比法分析臺(tái)站場地反應(yīng)

3個(gè)近場典型臺(tái)站（53JXG，53JCX，53TGD）記錄到大量的主余震強(qiáng)震動(dòng)記錄，利用這些波形數(shù)據(jù)，運(yùn)用HVSR（Horizontal?to?Vertical?Spectral?Ratio）方法（Yamazaki，Ansary，1997）得到臺(tái)站場地響應(yīng)曲線，如圖7所示。由圖7可知，多次主、余震加速度波形計(jì)算的HVSR譜比曲線形態(tài)基本一致，3個(gè)臺(tái)站的場地卓越頻率fg穩(wěn)定在2.1?Hz、6.1?Hz和4.2?Hz附近，卓越頻率處譜比曲線的增益分別為：7.0，2.7，5.1。

5.2?非線性識(shí)別

53JXG，53JCX，53TGD臺(tái)距震中最近，13日地震中記錄的PGA最大，在NS向均超過100?gal，可能發(fā)生非線性反應(yīng)。為了證明這種假設(shè)，考慮到數(shù)據(jù)處理對(duì)信噪比的要求，選擇3?gal

由圖可知，3個(gè)臺(tái)站在強(qiáng)震下均出現(xiàn)了不同程度的卓越頻率向低頻移動(dòng)現(xiàn)象，大應(yīng)變下土體的動(dòng)剪切模量降低所致，而卓越頻率出現(xiàn)偏移是場地非線性反應(yīng)的重要特征之一（Beresnev，Wen，1996）。為了進(jìn)一步說明強(qiáng)震和弱震作用下臺(tái)站場地反應(yīng)的差別，做出弱震平均譜比與強(qiáng)震譜比曲線的比值隨頻率的變化曲線，如圖9所示，其中虛線代表比值為1的參照線。

由圖9可知：①53JCX和53TGD臺(tái)在研究頻段內(nèi)，弱震和強(qiáng)震譜比曲線幅值相當(dāng)，其比值略小于1;②53JXG臺(tái)在低頻段弱、強(qiáng)震譜比曲線的比值位于1附近;而在中高頻段，弱震譜比曲線明顯大于強(qiáng)震譜比曲線。這是因?yàn)榈皖l段地震波的波長遠(yuǎn)超過表層土的厚度，地表的覆蓋土并不是影響場地放大的主要因素，因此線性反應(yīng)和非線性反應(yīng)的差別不大。中頻段處輻射能量集中，散射阻尼作用明顯，導(dǎo)致該頻段強(qiáng)震下的譜比幅值減小，認(rèn)為場地非線性反應(yīng)開始出現(xiàn)，Beresnev和Wen（1996）將該臨界頻率定義為fNL。由此判斷52JXG臺(tái)在大于10.4?Hz的中高頻段發(fā)生了非線性場地反應(yīng)，而53JCX，53TGD臺(tái)場地處于線性范圍內(nèi)。另外，53JXG臺(tái)在低頻段出現(xiàn)的比值波動(dòng)可能是由于強(qiáng)震的譜比曲線僅由一條強(qiáng)震記錄計(jì)算得到，其平滑性不如弱震平均譜比曲線造成的。

6?結(jié)論

基于從2018年云南通海2次5.0級(jí)地震中捕獲的強(qiáng)震記錄，從地震動(dòng)的幅值、衰減關(guān)系、反應(yīng)譜、場地效應(yīng)和非線性識(shí)別方面研究了此次地震的基本特征，得到如下結(jié)論：①震中附近區(qū)域PGA等值線長軸呈WS—EN方向展布，與震后調(diào)查結(jié)果相吻合;②8月13日5.0級(jí)地震記錄幅度普遍大于8月14日5.0級(jí)地震，且在0～20?km的范圍內(nèi)均大于3種衰減關(guān)系預(yù)測值，說明地震破壞集中于近場、遠(yuǎn)場震害輕的特點(diǎn)，相對(duì)而言，霍俊榮和胡聿賢（1992）的衰減模型更符合本次地震的衰減規(guī)律;③觀測的最大譜加速度在小范圍內(nèi)高出我國設(shè)防反應(yīng)譜，對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期在這一范圍內(nèi)的建筑物將產(chǎn)生較大影響，但由于其平臺(tái)周期窄且衰減迅速，因此對(duì)其他周期的建筑物造成的影響較小;（4）對(duì)加速度大于100?gal的3個(gè)臺(tái)站進(jìn)行場地反應(yīng)和非線性識(shí)別后認(rèn)為：53JCX，53TGD臺(tái)處于線性范圍內(nèi)，而53JXG臺(tái)在強(qiáng)震作用下可能發(fā)生了非線性反應(yīng)，由于土動(dòng)力反應(yīng)本身的復(fù)雜和不確定性，利用強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行場地非線性識(shí)別的結(jié)果可為工程應(yīng)用和實(shí)際研究提供參考。

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WANG?Wencai，YIN?Zhiwen，TIAN?Xiufeng，XU?Qin，SHI?Wenbing，JIANG?Zhijie

（Lanzhou?National?Geophysical?Observation?and?Research?Station，Lanzhou?730000，Gansu，China）

Abstract

A?major?earthquake?of?MS5.0?and?aftershock?of?MS5.0?occurred?successively?on?August?13?and?14，2018，Tonghai?County，Yunnan?Province.There?are?41?and?30?strong?motion?stations?which?located?in?this?region?have?been?fully?triggered?in?the?main?and?aftershock.213?records?of?three-component?acceleration?were?obtained?by?NSMONS.In?this?paper，we?first?calculate?the?peak?accelerations?of?the?213?strong?motion?records.The?basic?characteristics?of?amplitude?in?this?earthquake?were?analyzed?according?to?the?acceleration?time-series?curves?and?contour?line?of?PGAs.Then，the?attenuation?relationship?of?PGAs?with?different?distance?was?analyzed?by?comparing?the?observed?data?with?some?commonly?used?GMPE（ground?motion?prediction?equations）.In?order?to?summarize?the?characteristics?of?response?spectrum，we?compare?the?acceleration?response?spectra?of?some?typical?stations?with?the?designed?spectrum.The?HVSR?method?has?been?used?to?analyze?site?effect?and?judge?whether?nonlinear?response?occur?of?3?typical?stations?with?main?and?multiple?aftershocks?records.

Keywords：Tonghai?MS5.0?earthquake?sequence;response?spectrum;the?attenuation?relationship;site?effect;nonlinear?response