2021年青海瑪多7.4級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)記錄及特征分析

　　摘要:2021年5月22日,青海省果洛州瑪多縣發(fā)生7.4級(jí)地震,中國(guó)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)在主震中捕獲16組強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù).對(duì)48條三分向加速度記錄進(jìn)行基線校正、濾波等常規(guī)處理,計(jì)算相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù),發(fā)現(xiàn)位于斷層破裂前向位置的63DAW臺(tái)NS向記錄的地震動(dòng)速度波形具有長(zhǎng)周期分量豐富的特征.分析6個(gè)典型臺(tái)站的單自由度加速度反應(yīng)譜,并與我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)譜比較,分析此次地震的頻譜特性.將實(shí)際觀測(cè)到的PGA、PGV和Sa(T=0.1s、T=1.0s、T=2.0s、T=5.0s)與國(guó)內(nèi)廣泛使用的幾種地震動(dòng)預(yù)測(cè)模型對(duì)比,研究此次地震的影響場(chǎng).通過分析SaGSd曲線,探討此次地震靠近斷層區(qū)域地面運(yùn)動(dòng)大位移與橋梁落梁震害間可能存在的關(guān)系.

　　本文源自王維歡; 王文才; 尹欣欣; 陳繼鋒; 陳曉龍， 地震工程學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-06-30

　　關(guān)鍵詞:瑪多7.4級(jí)地震;加速度時(shí)程;反應(yīng)譜;衰減規(guī)律

　　0引言

　　據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定,北京時(shí)間2021年5月22日2時(shí)4分,在青海省果洛州瑪多縣境內(nèi)(34.59°N,98.34°E)發(fā)生7.4級(jí)地震,震源深度17km.這是繼汶川8.0級(jí)地震后巴顏喀拉塊體上發(fā)生的最大一次地震,發(fā)震斷裂為昆侖山口—江錯(cuò)斷裂,微觀震中位于瑪多縣黃河鄉(xiāng),宏觀震中位于瑪多縣瑪查理鎮(zhèn).地震造成瑪多縣多人受傷,玉共高速野馬灘大橋坍塌,花久高速昌麻河大橋坍塌,多處國(guó)、省干線公路嚴(yán)重受損、變形或隆起,西寧、蘭州、成都等地有較強(qiáng)震感.中國(guó)數(shù)字化強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)在該地區(qū)布設(shè)的16個(gè)強(qiáng)震動(dòng)野外觀測(cè)站在主震中捕獲到了48條三分向加速度波形數(shù)據(jù)[1G3],這些數(shù)據(jù)對(duì)抗震救災(zāi)、災(zāi)害損失評(píng)估、地震波傳播路徑和過程機(jī)理研究、建筑結(jié)構(gòu)抗震研究等具有重要意義.本文基于這些波形數(shù)據(jù),從地面運(yùn)動(dòng)的幅值、衰減規(guī)律、反應(yīng)譜等方面分析此次地震引起的地面運(yùn)動(dòng)的基本特性,旨在為地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、災(zāi)后重建和地震動(dòng)預(yù)測(cè)等提供參考.

　　1地質(zhì)構(gòu)造與場(chǎng)地環(huán)境

　　瑪多7.4級(jí)地震發(fā)生于青海省中南部的高平原區(qū)與巴顏喀拉褶皺帶的交匯地帶,地處青藏構(gòu)造系與巴顏喀拉—松潘弧形構(gòu)造帶的結(jié)合部位.該區(qū)主要的構(gòu)造斷裂有瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯(cuò)斷裂和達(dá)日斷裂,根據(jù)余震精定位和震源機(jī)制反演結(jié)果初步確定昆侖山口—江錯(cuò)斷裂為此次地震的發(fā)震斷裂[4G6].此次地震余震的空間分布長(zhǎng)度達(dá)170km,形成約70km的地表破裂,造成兩處高速公路橋梁塌陷,多地出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象,少數(shù)人員受傷.圖1為此次地震的主震位置、強(qiáng)震動(dòng)記錄臺(tái)站和斷層分布情況.由圖1可見,16個(gè)野外強(qiáng)震臺(tái)站分布在距震中175.2~448.4km的范圍內(nèi),其中震中距200km內(nèi)的臺(tái)站有3個(gè),200~300km內(nèi)的臺(tái)站有4個(gè),其余臺(tái)站的震中距大于300km.

　　2強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理

　　在進(jìn)行分析前需要對(duì)獲取的強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行必要的處理:首先對(duì)地震前20s數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合確定基線,并據(jù)此對(duì)原始加速度波形進(jìn)行基線調(diào)整,以消除零線偏移對(duì)時(shí)程曲線的影響[7],然后用4階截至頻率為0.05Hz的Buttworth高通濾波器濾波,消除低頻干擾信號(hào),給出各臺(tái)站基礎(chǔ)信息與地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所列[8].由表1可知,距震中175.2km的大武臺(tái)(63DAW)記錄的幅值最大,其EW、NS、UD向的加速度峰值分別為46.9cm/s2、40.6cm/s2、-19.1cm/s2,速度峰值分別為3.9cm/s、-7.3cm/s、3.1cm/s.圖2為經(jīng)基線校正后63DAW臺(tái)的三分向加速度和速度時(shí)程曲線,其中NS向的地震動(dòng)速度波形具有長(zhǎng)周期分量豐富的特征.矩心矩張量反演結(jié)果表明[6],此次地震是發(fā)生在近乎直立的斷層面上的一次走滑事件,發(fā)震斷裂的走向?yàn)?81°,大體呈EW走向,地表破裂長(zhǎng)達(dá)70km,破裂的前向方向性效應(yīng)可能是沿?cái)鄬幼呦蛏系孛孢\(yùn)動(dòng)長(zhǎng)周期速度卓越的主要原因.以往的研究表明,長(zhǎng)周期分量豐富的地震動(dòng)對(duì)中、長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)(如大跨橋梁、減震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)等)可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用[9G10].

　　3加速度反應(yīng)譜特征

　　從工程應(yīng)用方面考慮,反應(yīng)譜是最重要的強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一.利用震中距最小、幅值最大的6個(gè)典型臺(tái)站(63DAW、63NMH、63XIH、63DUL、63TGM和63DGL)捕獲的強(qiáng)震記錄,計(jì)算5%阻尼比對(duì)應(yīng)的單自由度線彈性體系加速度反應(yīng)譜(圖3).將距震中最近、幅值最大的63DAW臺(tái)的反應(yīng)譜與我國(guó)«建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范»(GB50011-2010)[11]規(guī)定的該地區(qū)抗震設(shè)計(jì)譜進(jìn)行比較.工程鉆探資料顯示,63DAW強(qiáng)震臺(tái)建于中硬土上,屬于Ⅱ類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震動(dòng)采用第三組分組,該地區(qū)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為Ⅶ度設(shè)防.由于現(xiàn)行的«建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范»(GB50011-2010)將反應(yīng)譜的使用范圍延長(zhǎng)到了6s,因此與設(shè)計(jì)譜比較時(shí)63DAW臺(tái)反應(yīng)譜的上限周期取6s.目前普遍使用的數(shù)字化強(qiáng)震儀能夠保障10s以內(nèi)觀測(cè)的反應(yīng)譜精度,為考察此次地震對(duì)長(zhǎng)周期建筑結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)其余5個(gè)臺(tái)站進(jìn)行反應(yīng)譜計(jì)算時(shí)統(tǒng)一將上限周期設(shè)置為10s.

　　由圖3可知:(1)在0.05~0.4s的平臺(tái)周期內(nèi),63DAW臺(tái)NS向和EW向記錄的譜加速度均為“單峰”型,反應(yīng)譜峰值遠(yuǎn)大于7度多遇地震的設(shè)計(jì)譜值,但小于7度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)譜.說明地震動(dòng)經(jīng)傳播介質(zhì)到達(dá)距震中175.2km的63DAW臺(tái)附近時(shí),從峰值幅度看已不足以對(duì)當(dāng)?shù)貪M足抗震設(shè)防要求的建筑物構(gòu)成嚴(yán)重威脅.(2)根據(jù)我國(guó)«住宅設(shè)計(jì)規(guī)范»(GB50096-2011)[12],當(dāng)?shù)刂行〕擎?zhèn)主要建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率為1~3Hz,對(duì)應(yīng)自振周期為0.3~1s,而63DAW臺(tái)記錄的此次地震譜加速度峰值周期主要集中在0.05~0.3s,因此從作用周期范圍看,本次地震對(duì)63DAW臺(tái)附近Ⅶ度設(shè)防建筑物的影響也較小.(3)在0.4~6.0s自振周期內(nèi),63DAW臺(tái)NS向的譜加速度值大于7度多遇地震的設(shè)計(jì)值,其余5個(gè)臺(tái)站的反應(yīng)譜值曲線在大于1s的中長(zhǎng)周期部分也同樣存在較強(qiáng)的起伏變化,雖然反應(yīng)譜幅值只有十幾gal,但相對(duì)平臺(tái)周期的幅值而言卻是不容忽視的,尤其是63NMH(R=186.8km)、63DUL(R=191.1km)和63DGL(R=312.1km)臺(tái)單分向長(zhǎng)周期部分對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜值甚至大于其平臺(tái)周期的反應(yīng)譜幅值.造成這種現(xiàn)象的原因與記錄臺(tái)站距離震中均較遠(yuǎn),地震動(dòng)隨距離高頻(短周期)成分衰減快、低頻(長(zhǎng)周期)成分衰減慢有關(guān),還可能與震源參數(shù),尤其是觀測(cè)站所處的場(chǎng)地條件有關(guān).由于缺乏近場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)記錄,假設(shè)局部場(chǎng)地條件是影響上述反應(yīng)譜特征的主要因素,那么近場(chǎng)類似場(chǎng)地上的反應(yīng)譜可能也會(huì)有類似形狀,而幅值遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)的反應(yīng)譜值,這對(duì)自振周期較長(zhǎng)的大壩、橋梁、輸電線—塔系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞影響.

　　4地震動(dòng)衰減關(guān)系

　　地震動(dòng)在地殼介質(zhì)中傳播時(shí)隨距離的增加其能量不斷衰減,受到斷層破裂方式和傳播介質(zhì)各向異性的影響,地震動(dòng)的衰減規(guī)律呈現(xiàn)出不同的特性.目前學(xué)者多采用式(1)作為地震動(dòng)衰減模型,并基于不同強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸以確定相應(yīng)的系數(shù):ln(Y)=c1+c2M+c3M2+c4lg(R+c5ec6M)(1)式中:Y表示地震動(dòng)參數(shù)(PGA、PGV、PSA等);M表示震級(jí);R為震中距;ci為回歸系數(shù).

　　將本次地震中觀測(cè)到的峰值加速度與各周期譜加速度按式(2)計(jì)算水平向幾何平均,并與霍俊榮等(1992)地震動(dòng)衰減模型[13]、俞言祥(2006)建立的中國(guó)西部地區(qū)基巖場(chǎng)地衰減關(guān)系[14]、以及俞言祥等(2013)第五代區(qū)劃圖中青藏地區(qū)的衰減關(guān)系進(jìn)行比較[15],結(jié)果如圖4所示.PGAH=PGANS