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級地震，中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)的41個（13日）和30個（14日）強震臺站在2次地震中共捕獲到213條三分向加速度記錄，給出近場臺站的地震動參數(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。將實際觀測數(shù)據(jù)與幾種常用地震動衰減關(guān)系對比，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個臺站反應(yīng)譜對比，并與我國設(shè)計反應(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，運用HVSR譜比法分析了3個典型臺站的場地效應(yīng)，并對其是否發(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：P315.914?文獻標(biāo)志碼：A?文章編號：1000-0666（2019）04-0635-07

0?引言

2018年8月13日1時44分云南通海縣發(fā)生5.0級地震，震中位于24.19°N，102.71°E，震源深度7?km。2018年8月14日3時50分，該地再次發(fā)生5.0級地震，震源深度6?km，中國數(shù)字強震動觀測網(wǎng)絡(luò)（NSMONS）（崔建文等，2006）布設(shè)在該地區(qū)的41個（13日）和30個（14日）強震臺站在2次5.0級地震中共捕獲到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）利用強震動記錄開展近場地震動特征和場地效應(yīng)方面的研究多是針對一些震級較大的主震。然而主震后強余震的發(fā)生往往會對已經(jīng)受到損傷和尚未來得及進行工程加固的建筑物造成二次傷害，因此，科學(xué)評價主余震災(zāi)害造成的破壞對抗震減災(zāi)工作具有重要價值（溫衛(wèi)平，2015）。

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

1?強震動記錄

中國數(shù)字強震動觀測網(wǎng)絡(luò)的41個（13日）和30個（14日）強震臺在2次通海5.0級地震中共捕獲3分量加速度記錄213條，其中有28個臺在2次地震中同時觸發(fā)，其臺站分布情況如圖1所示。

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

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，然后計算出地震事件前20?s記錄的平均值，用最小二乘法對存在零線偏移的記錄進行基線調(diào)整，消除零線漂移對加速度時程的影響（Boore，2001）。計算得到近場?（震中距<50?km）臺站地震動參數(shù)（表1）。由表1可知，雖然2次地震震級相同，但8月14日5.0級地震的加速度峰值（PGA）明顯小于8月13日5.0級地震。53JXG臺的PGA均較其他臺大，時程曲線如圖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)計表1中各地震動參數(shù)發(fā)現(xiàn)：2次地震中各臺水平向PGA普遍大于垂直向，其中13日地震中有20個臺，占觸發(fā)臺站的87.0%，14日地震中有22個臺，占觸發(fā)臺站的95.7%。另外，主震中PGANS>PGAEW>PGAUD的臺站有16個，占觸發(fā)臺站的70%，說明NS向的峰值加速度較其他2個分向卓越，表現(xiàn)出一定的方向性。由于近場臺站靠近發(fā)震斷層，其地震動的空間展布形態(tài)受斷層破臺站名稱臺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的地震動參數(shù)，通過計算各臺水平向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的相似性（云南省地震局，2018;王光明等，2018）。另外，相對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震動記錄為研究強震動的衰減關(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)幾種常用的地震動衰減關(guān)系作為對比的地震動預(yù)測方程。

通過計算各觸發(fā)臺站水平向?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）的土層地震動衰減模型、俞言祥等（2013）第五代區(qū)劃圖地震動衰減關(guān)系對比，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個幅值較大臺站（53JXG，53JCX，53TLS，53YHH，53YHT）的加速度波形，通過計算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)計反應(yīng)譜，并與實際觀測值對比，如圖5所示?？梢钥闯觯孩?3日5.0級地震中，53JXG，53JXC，53TLS臺的譜加速度峰值均不同程度超過8度多遇地震，53JXG臺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)計反應(yīng)譜值，但都小于罕遇設(shè)計值。②14日5.0級地震中，5個臺站反應(yīng)譜值均低于8度設(shè)防地震的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。隨著震中距的增大，其他臺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)計值。③圖5中5個臺站，只有53JXG臺記錄的譜加速度值超過了VIII度設(shè)防反應(yīng)譜平臺值，其周期在0.1～0.25?s的范圍內(nèi)且卓越平臺較窄，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，對應(yīng)自振周期為0.3～1?s，因此，本次地震對該地區(qū)達到抗震設(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，因此也不會對結(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。

繪制對數(shù)坐標(biāo)的上述5個臺站加速度反應(yīng)譜對，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個臺站各周期（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。近年來，隨著強震動記錄的不斷積累，越來越多的學(xué)者（Yamazaki，Ansary，1997;榮棉水等，2016）開始直接利用強震動記錄分析臺站場地效應(yīng)。另外，大量研究結(jié)果表明：土體在強地震動作用下的應(yīng)變幅值增加，剪切模量隨之降低而阻尼比增強，當(dāng)應(yīng)變量超過一定的范圍時，土體會發(fā)生非線性反應(yīng)（冀昆等，2014）。因此，使用地震記錄進行場地非線性識別對擴展強震動記錄應(yīng)用范圍同樣具有重要意義。

5.1?譜比法分析臺站場地反應(yīng)

3個近場典型臺站（53JXG，53JCX，53TGD）記錄到大量的主余震強震動記錄，利用這些波形數(shù)據(jù)，運用HVSR（Horizontal?to?Vertical?Spectral?Ratio）方法（Yamazaki，Ansary，1997）得到臺站場地響應(yīng)曲線，如圖7所示。由圖7可知，多次主、余震加速度波形計算的HVSR譜比曲線形態(tài)基本一致，3個臺站的場地卓越頻率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?非線性識別

53JXG，53JCX，53TGD臺距震中最近，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)處理對信噪比的要求，選擇3?gal

由圖可知，3個臺站在強震下均出現(xiàn)了不同程度的卓越頻率向低頻移動現(xiàn)象，大應(yīng)變下土體的動剪切模量降低所致，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）。為了進一步說明強震和弱震作用下臺站場地反應(yīng)的差別，做出弱震平均譜比與強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臺在研究頻段內(nèi)，弱震和強震譜比曲線幅值相當(dāng)，其比值略小于1;②53JXG臺在低頻段弱、強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震譜比曲線。這是因為低頻段地震波的波長遠(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臺場地處于線性范圍內(nèi)。另外，53JXG臺在低頻段出現(xiàn)的比值波動可能是由于強震的譜比曲線僅由一條強震記錄計算得到，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級地震中捕獲的強震記錄，從地震動的幅值、衰減關(guān)系、反應(yīng)譜、場地效應(yīng)和非線性識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級地震記錄幅度普遍大于8月14日5.0級地震，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，相對而言，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，但由于其平臺周期窄且衰減迅速，因此對其他周期的建筑物造成的影響較小;（4）對加速度大于100?gal的3個臺站進行場地反應(yīng)和非線性識別后認(rèn)為：53JCX，53TGD臺處于線性范圍內(nèi)，而53JXG臺在強震作用下可能發(fā)生了非線性反應(yīng)，由于土動力反應(yīng)本身的復(fù)雜和不確定性，利用強震動記錄進行場地非線性識別的結(jié)果可為工程應(yīng)用和實際研究提供參考。

參考文獻：

崔建文，高東，李世成，等.2016.新的云南數(shù)字強震動觀測臺網(wǎng)[J].地震研究，39（增刊1）：453-458.

霍俊榮，胡聿賢.1992.地震動峰值參數(shù)衰減規(guī)律的研究[J].地震工程與工程振動，12（2）：1-11.

冀昆，溫瑞智，任葉飛，等.2014.蘆山地震場地非線性反應(yīng)特征分析[J].地震工程與工程振動，34（5）：333-338.

李世成，林國良，崔建文.2017.云南強震動觀測發(fā)展及相關(guān)問題討論[J].地震研究，40（4）：629-637.

榮棉水，李小軍，王振明，等.2016.HVSR方法用于地震作用下場地效應(yīng)分析的適用性研究[J].地球物理學(xué)報，59（8）：2878-2891.

王光明，劉自風(fēng)，趙小艷，等.2018.2018年云南通海MS5.0級地震序列重定位及發(fā)震構(gòu)造討論[J].地震研究，41（4）：504-510.

王文才，李佐唐，黨紅，等.2017.2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震強震記錄及特征分析[J].地震工程學(xué)報，39（4）：652-657.

溫瑞智，任葉飛，黃旭濤，等.2013.蘆山7.0級地震強震動記錄及其震害相關(guān)性[J].地震工程與工程振動，33（4）：1-14.

溫衛(wèi)平.2015.主余震地震動參數(shù)特征及損傷譜研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué).

徐欽，古云鶴，孫艷萍，等.2018.四川九寨溝7.0級地震強震動記錄及特征分析[J].地震工程學(xué)報，40（4）：699-777.

俞言祥，李山有，肖亮.2013.為新區(qū)劃圖編制所建立的地震動衰減關(guān)系[J].震害防御技術(shù)，8（1）：24-33.

云南省地震局.2018.2018年8月13日、14日云南通海兩次5.0級地震烈度圖[EB/OL].（2018-16）[2019-01-04].http：//www.yndzj.gov.cn/yndzj/300518/533077/533092/533096/535207/?index.html.

Beresnev?I?A，Wen?K?L.1996.Nonlinear?soil?response-A?reality？[J].Bull?Seis?Soc?Am，86（6）：1964-1978.

Boore?D?M.2001.Effect?of?baseline?corrections?on?displacements?and?response?spectra?for?four?recordings?of?the[J].Bull?Seis?Soc?Am，91（5）：1199-1211.

Yamazaki?F，Ansary?M?A.1997.Horizontal-to-Verttcal?spectrum?ration?of?earthquake?ground?motion?for?site?characterization[J].Earthquake?Engineering?Structural?Dynamics，26（7）：671-689.

GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

Strong?Motion?Record?Characteristics?and?Site?Response?Analysis?of?theTonghai?MS5.0?Earthquake?Sequence?in?Yunnan?province，2018

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