2021年青海玛多7.4级地震强震动记录及特征分析

　　摘要:2021年5月22日,青海省果洛州玛多县发生7.4级地震,中国强震动观测网络在主震中捕获16组强震动数据.对48条三分向加速度记录进行基线校正、滤波等常规处理,计算相应的地震动参数,发现位于断层破裂前向位置的63DAW台NS向记录的地震动速度波形具有长周期分量丰富的特征.分析6个典型台站的单自由度加速度反应谱,并与我国建筑抗震设计谱比较,分析此次地震的频谱特性.将实际观测到的PGA、PGV和Sa(T=0.1s、T=1.0s、T=2.0s、T=5.0s)与国内广泛使用的几种地震动预测模型对比,研究此次地震的影响场.通过分析SaGSd曲线,探讨此次地震靠近断层区域地面运动大位移与桥梁落梁震害间可能存在的关系.

　　本文源自王维欢; 王文才; 尹欣欣; 陈继锋; 陈晓龙， 地震工程学报 发表时间：2021-06-30

　　关键词:玛多7.4级地震;加速度时程;反应谱;衰减规律

　　0引言

　　据中国地震台网正式测定,北京时间2021年5月22日2时4分,在青海省果洛州玛多县境内(34.59°N,98.34°E)发生7.4级地震,震源深度17km.这是继汶川8.0级地震后巴颜喀拉块体上发生的最大一次地震,发震断裂为昆仑山口—江错断裂,微观震中位于玛多县黄河乡,宏观震中位于玛多县玛查理镇.地震造成玛多县多人受伤,玉共高速野马滩大桥坍塌,花久高速昌麻河大桥坍塌,多处国、省干线公路严重受损、变形或隆起,西宁、兰州、成都等地有较强震感.中国数字化强震动观测网络在该地区布设的16个强震动野外观测站在主震中捕获到了48条三分向加速度波形数据[1G3],这些数据对抗震救灾、灾害损失评估、地震波传播路径和过程机理研究、建筑结构抗震研究等具有重要意义.本文基于这些波形数据,从地面运动的幅值、衰减规律、反应谱等方面分析此次地震引起的地面运动的基本特性,旨在为地质灾害评估、灾后重建和地震动预测等提供参考.

　　1地质构造与场地环境

　　玛多7.4级地震发生于青海省中南部的高平原区与巴颜喀拉褶皱带的交汇地带,地处青藏构造系与巴颜喀拉—松潘弧形构造带的结合部位.该区主要的构造断裂有玛多—甘德断裂、昆仑山口—江错断裂和达日断裂,根据余震精定位和震源机制反演结果初步确定昆仑山口—江错断裂为此次地震的发震断裂[4G6].此次地震余震的空间分布长度达170km,形成约70km的地表破裂,造成两处高速公路桥梁塌陷,多地出现砂土液化现象,少数人员受伤.图1为此次地震的主震位置、强震动记录台站和断层分布情况.由图1可见,16个野外强震台站分布在距震中175.2~448.4km的范围内,其中震中距200km内的台站有3个,200~300km内的台站有4个,其余台站的震中距大于300km.

　　2强震数据处理

　　在进行分析前需要对获取的强震动记录进行必要的处理:首先对地震前20s数据进行最小二乘拟合确定基线,并据此对原始加速度波形进行基线调整,以消除零线偏移对时程曲线的影响[7],然后用4阶截至频率为0.05Hz的Buttworth高通滤波器滤波,消除低频干扰信号,给出各台站基础信息与地面运动参数如表1所列[8].由表1可知,距震中175.2km的大武台(63DAW)记录的幅值最大,其EW、NS、UD向的加速度峰值分别为46.9cm/s2、40.6cm/s2、-19.1cm/s2,速度峰值分别为3.9cm/s、-7.3cm/s、3.1cm/s.图2为经基线校正后63DAW台的三分向加速度和速度时程曲线,其中NS向的地震动速度波形具有长周期分量丰富的特征.矩心矩张量反演结果表明[6],此次地震是发生在近乎直立的断层面上的一次走滑事件,发震断裂的走向为281°,大体呈EW走向,地表破裂长达70km,破裂的前向方向性效应可能是沿断层走向上地面运动长周期速度卓越的主要原因.以往的研究表明,长周期分量丰富的地震动对中、长周期结构(如大跨桥梁、减震结构、隔震结构等)可能会产生严重的破坏作用[9G10].

　　3加速度反应谱特征

　　从工程应用方面考虑,反应谱是最重要的强震地面运动参数之一.利用震中距最小、幅值最大的6个典型台站(63DAW、63NMH、63XIH、63DUL、63TGM和63DGL)捕获的强震记录,计算5%阻尼比对应的单自由度线弹性体系加速度反应谱(图3).将距震中最近、幅值最大的63DAW台的反应谱与我国«建筑抗震设计规范»(GB50011-2010)[11]规定的该地区抗震设计谱进行比较.工程钻探资料显示,63DAW强震台建于中硬土上,属于Ⅱ类场地,设计地震动采用第三组分组,该地区设防标准为Ⅶ度设防.由于现行的«建筑抗震设计规范»(GB50011-2010)将反应谱的使用范围延长到了6s,因此与设计谱比较时63DAW台反应谱的上限周期取6s.目前普遍使用的数字化强震仪能够保障10s以内观测的反应谱精度,为考察此次地震对长周期建筑结构的影响,对其余5个台站进行反应谱计算时统一将上限周期设置为10s.

　　由图3可知:(1)在0.05~0.4s的平台周期内,63DAW台NS向和EW向记录的谱加速度均为“单峰”型,反应谱峰值远大于7度多遇地震的设计谱值,但小于7度设防地震的设计谱.说明地震动经传播介质到达距震中175.2km的63DAW台附近时,从峰值幅度看已不足以对当地满足抗震设防要求的建筑物构成严重威胁.(2)根据我国«住宅设计规范»(GB50096-2011)[12],当地中小城镇主要建筑结构的自振频率为1~3Hz,对应自振周期为0.3~1s,而63DAW台记录的此次地震谱加速度峰值周期主要集中在0.05~0.3s,因此从作用周期范围看,本次地震对63DAW台附近Ⅶ度设防建筑物的影响也较小.(3)在0.4~6.0s自振周期内,63DAW台NS向的谱加速度值大于7度多遇地震的设计值,其余5个台站的反应谱值曲线在大于1s的中长周期部分也同样存在较强的起伏变化,虽然反应谱幅值只有十几gal,但相对平台周期的幅值而言却是不容忽视的,尤其是63NMH(R=186.8km)、63DUL(R=191.1km)和63DGL(R=312.1km)台单分向长周期部分对应的反应谱值甚至大于其平台周期的反应谱幅值.造成这种现象的原因与记录台站距离震中均较远,地震动随距离高频(短周期)成分衰减快、低频(长周期)成分衰减慢有关,还可能与震源参数,尤其是观测站所处的场地条件有关.由于缺乏近场强震动记录,假设局部场地条件是影响上述反应谱特征的主要因素,那么近场类似场地上的反应谱可能也会有类似形状,而幅值远大于远场的反应谱值,这对自振周期较长的大坝、桥梁、输电线—塔系统等结构将产生严重破坏影响.

　　4地震动衰减关系

　　地震动在地壳介质中传播时随距离的增加其能量不断衰减,受到断层破裂方式和传播介质各向异性的影响,地震动的衰减规律呈现出不同的特性.目前学者多采用式(1)作为地震动衰减模型,并基于不同强震动数据进行统计回归以确定相应的系数:ln(Y)=c1+c2M+c3M2+c4lg(R+c5ec6M)(1)式中:Y表示地震动参数(PGA、PGV、PSA等);M表示震级;R为震中距;ci为回归系数.

　　将本次地震中观测到的峰值加速度与各周期谱加速度按式(2)计算水平向几何平均,并与霍俊荣等(1992)地震动衰减模型[13]、俞言祥(2006)建立的中国西部地区基岩场地衰减关系[14]、以及俞言祥等(2013)第五代区划图中青藏地区的衰减关系进行比较[15],结果如图4所示.PGAH=PGANS