2021年青海瑪多7.4級地震強震動記錄及特征分析

　　摘要:2021年5月22日,青海省果洛州瑪多縣發生7.4級地震,中國強震動觀測網絡在主震中捕獲16組強震動數據.對48條三分向加速度記錄進行基線校正、濾波等常規處理,計算相應的地震動參數,發現位于斷層破裂前向位置的63DAW臺NS向記錄的地震動速度波形具有長周期分量豐富的特征.分析6個典型臺站的單自由度加速度反應譜,并與我國建筑抗震設計譜比較,分析此次地震的頻譜特性.將實際觀測到的PGA、PGV和Sa(T=0.1s、T=1.0s、T=2.0s、T=5.0s)與國內廣泛使用的幾種地震動預測模型對比,研究此次地震的影響場.通過分析SaGSd曲線,探討此次地震靠近斷層區域地面運動大位移與橋梁落梁震害間可能存在的關系.

　　本文源自王維歡; 王文才; 尹欣欣; 陳繼鋒; 陳曉龍， 地震工程學報 發表時間：2021-06-30

　　關鍵詞:瑪多7.4級地震;加速度時程;反應譜;衰減規律

　　0引言

　　據中國地震臺網正式測定,北京時間2021年5月22日2時4分,在青海省果洛州瑪多縣境內(34.59°N,98.34°E)發生7.4級地震,震源深度17km.這是繼汶川8.0級地震后巴顏喀拉塊體上發生的最大一次地震,發震斷裂為昆侖山口—江錯斷裂,微觀震中位于瑪多縣黃河鄉,宏觀震中位于瑪多縣瑪查理鎮.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、省干線公路嚴重受損、變形或隆起,西寧、蘭州、成都等地有較強震感.中國數字化強震動觀測網絡在該地區布設的16個強震動野外觀測站在主震中捕獲到了48條三分向加速度波形數據[1G3],這些數據對抗震救災、災害損失評估、地震波傳播路徑和過程機理研究、建筑結構抗震研究等具有重要意義.本文基于這些波形數據,從地面運動的幅值、衰減規律、反應譜等方面分析此次地震引起的地面運動的基本特性,旨在為地質災害評估、災后重建和地震動預測等提供參考.

　　1地質構造與場地環境

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

　　2強震數據處理

　　在進行分析前需要對獲取的強震動記錄進行必要的處理:首先對地震前20s數據進行最小二乘擬合確定基線,并據此對原始加速度波形進行基線調整,以消除零線偏移對時程曲線的影響[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,給出各臺站基礎信息與地面運動參數如表1所列[8].由表1可知,距震中175.2km的大武臺(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為經基線校正后63DAW臺的三分向加速度和速度時程曲線,其中NS向的地震動速度波形具有長周期分量豐富的特征.矩心矩張量反演結果表明[6],此次地震是發生在近乎直立的斷層面上的一次走滑事件,發震斷裂的走向為281°,大體呈EW走向,地表破裂長達70km,破裂的前向方向性效應可能是沿斷層走向上地面運動長周期速度卓越的主要原因.以往的研究表明,長周期分量豐富的地震動對中、長周期結構(如大跨橋梁、減震結構、隔震結構等)可能會產生嚴重的破壞作用[9G10].

　　3加速度反應譜特征

　　從工程應用方面考慮,反應譜是最重要的強震地面運動參數之一.利用震中距最小、幅值最大的6個典型臺站(63DAW、63NMH、63XIH、63DUL、63TGM和63DGL)捕獲的強震記錄,計算5%阻尼比對應的單自由度線彈性體系加速度反應譜(圖3).將距震中最近、幅值最大的63DAW臺的反應譜與我國«建筑抗震設計規范»(GB50011-2010)[11]規定的該地區抗震設計譜進行比較.工程鉆探資料顯示,63DAW強震臺建于中硬土上,屬于Ⅱ類場地,設計地震動采用第三組分組,該地區設防標準為Ⅶ度設防.由于現行的«建筑抗震設計規范»(GB50011-2010)將反應譜的使用范圍延長到了6s,因此與設計譜比較時63DAW臺反應譜的上限周期取6s.目前普遍使用的數字化強震儀能夠保障10s以內觀測的反應譜精度,為考察此次地震對長周期建筑結構的影響,對其余5個臺站進行反應譜計算時統一將上限周期設置為10s.

　　由圖3可知:(1)在0.05~0.4s的平臺周期內,63DAW臺NS向和EW向記錄的譜加速度均為“單峰”型,反應譜峰值遠大于7度多遇地震的設計譜值,但小于7度設防地震的設計譜.說明地震動經傳播介質到達距震中175.2km的63DAW臺附近時,從峰值幅度看已不足以對當地滿足抗震設防要求的建筑物構成嚴重威脅.(2)根據我國«住宅設計規范»(GB50096-2011)[12],當地中小城鎮主要建筑結構的自振頻率為1~3Hz,對應自振周期為0.3~1s,而63DAW臺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63DAW臺附近Ⅶ度設防建筑物的影響也較小.(3)在0.4~6.0s自振周期內,63DAW臺NS向的譜加速度值大于7度多遇地震的設計值,其余5個臺站的反應譜值曲線在大于1s的中長周期部分也同樣存在較強的起伏變化,雖然反應譜幅值只有十幾gal,但相對平臺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)臺單分向長周期部分對應的反應譜值甚至大于其平臺周期的反應譜幅值.造成這種現象的原因與記錄臺站距離震中均較遠,地震動隨距離高頻(短周期)成分衰減快、低頻(長周期)成分衰減慢有關,還可能與震源參數,尤其是觀測站所處的場地條件有關.由于缺乏近場強震動記錄,假設局部場地條件是影響上述反應譜特征的主要因素,那么近場類似場地上的反應譜可能也會有類似形狀,而幅值遠大于遠場的反應譜值,這對自振周期較長的大壩、橋梁、輸電線—塔系統等結構將產生嚴重破壞影響.

　　4地震動衰減關系

　　地震動在地殼介質中傳播時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各向異性的影響,地震動的衰減規律呈現出不同的特性.目前學者多采用式(1)作為地震動衰減模型,并基于不同強震動數據進行統計回歸以確定相應的系數:ln(Y)=c1+c2M+c3M2+c4lg(R+c5ec6M)(1)式中:Y表示地震動參數(PGA、PGV、PSA等);M表示震級;R為震中距;ci為回歸系數.

　　將本次地震中觀測到的峰值加速度與各周期譜加速度按式(2)計算水平向幾何平均,并與霍俊榮等(1992)地震動衰減模型[13]、俞言祥(2006)建立的中國西部地區基巖場地衰減關系[14]、以及俞言祥等(2013)第五代區劃圖中青藏地區的衰減關系進行比較[15],結果如圖4所示.PGAH=PGANS