国家“十五”项目在新疆建成50个数字强震动观测烈度速报台和将近100个固定强震动速报台,强震动台的建设大大丰富了新疆近场记录的资料,也明显改善了新疆地震烈度速报的状况。这期间,2007年该强震台网记录强震事件40个,涉及台站100多个; 2008年记录强震事件46个; 2009年记录强震事件35个。2008年10月5日乌恰M_S6.8地震的记录台站达26个,最近台站距震中60.9 km,记录到东西向峰值加速度142.74 Gal,最远台站距震中292.6 km,记录到南北向峰值加速度4.9 Gal。笔者旨在通过对这次强震加速度记录进行谱比分析,以了解区域场地卓越周期、衰减、场址响应等特征,为今后强震观测记录分析、校正奠定基础。

2008年10月5日23时新疆乌恰发生M_S 6.8地震,震中(39.27°N、74.02°E)位于南天山西段南麓与昆仑山交汇边缘,属于南天山、西昆仑山和塔里木盆地交汇地带,构造上处于塔里木中间地块西北边缘,新构造上属乌鲁克恰提隆起带,第四纪隆起幅度达900 m。由于受印度板块西北角块体向欧亚板块持续强烈的挤压作用,区域内形成一系列不同方向和不同性质的第四纪活动断裂,6级以上地震主要分布在这些活动断裂及其附近,这些断裂的构造运动目前仍以断块差异性升降运动为主(冯先岳,1997)。主要活动断裂包括:乌鲁克恰提断裂、卡兹克阿尔特断裂、乌合沙鲁断裂等。此次地震记录台站分布如图1所示。

图1 获取乌恰6.8级地震记录的台站分布图
Fig.1 26 strong-motion stations recorded Wuqia MS 6.8 earthquake in Xinjinag

收集强震台记录数据,并对数据进行格式转换后,需去除直流分量和波形基线校正,仪器校正按公式(1)进行:

Y=X/S.(1)

式中,Y为转换后的加速度值(单位:Gal),X为记录数(单位:count),S为仪器转换灵敏度(单位:count/Gal)。然后采用胡聿贤(2006)给出的我国地震基岩记录加速度峰值和震级、震中距的衰减关系式(式(2))计算各强震台理论加速度。

lga_max=1.70+0.657M-2.18lg(R+30).

σ_in=0.47.(2)

其中σ_in为拟合标准,a_max为地震水平峰值加速度(单位:cm·s^-2); M为震级; R为震中距。再根据Aptikaev和Kopnichev(1980)提出的断层错动类型和地震动参数衰减关系,判定其断层类型(表1)。

表1 amax和断层类型的关系
Tab.1 Relationship between amax and fault type

注:a₀为观测峰值加速度.

最后,采用Nakamura(1989)提出的单点谱比法,即利用观测点水平向和垂直向观测记录的傅氏频谱比,计算观测场地效应。计算公式如3式所示

H/V=S_e=((S²_NS+S²_EW)^1/2)/(S_UD).(3)

式中S_e代表观测场地场址效应; S_NS、S_EW代表观测场地水平向傅氏频谱; S_UD代表观测场地垂直向傅氏频谱。为了更好地分析数据,了解其场地特征,笔者参考《岩土工程勘察规范》(2001)给出了覆盖层的等效剪切波速计算公式

V_S=H/(∑ⁿ₁(h_i/v_i)).(4)

其中,n为覆盖层土层数; H为覆盖层厚度和固定值20 m二者的较小值; h_i为第i层土层厚度; v_i为第i层剪切波速度。结合钻孔资料计算各台场地等效剪切波速。

数据选取处理:在本次乌恰地震中有26个强震台获取到主震记录,用上述方法对这26个台的记录数据进行分析,结果见表2。

通常地震事件记录应有完整的波形及部分地震前的噪声信号,但是随着震中距的增加,即S波与P波到时差的增加,事件前记录时间将减少,导致丢失P波头或者没有记录到完整的S波,因此,笔者在谱分析时选取11个台站记录,其中3个台站记录完整,8个台站记录的P波、S波基本清楚,但没有记录到P波头前10 s的噪声信号,故在谱分析中没有对这8个台进行主震记录前10 s噪声信号谱分析; 同时选取新疆强震台网在“十五”项目建设过程中所做的这11个台站测试脉动数据,分别计算其傅氏谱,并进行对比分析(图2)。

图2给出了根据乌恰6.8级地震11个台的强震记录计算出的谱比曲线,其余15个台P、S波记录不完整,有的台还叠加了后续余震的P波记录,无法计算S波的谱比。11个台中震中距小于100 km的吉根、乌鲁克恰提和乌合沙鲁台记录到的主震前脉动不少于10 s,为此针对这三个台给出S波、主震前10 s脉动、测试脉动的谱比(图2a,b,c)。其余的8个台P波到达前的脉动时间少于10 s,所以只给出了S波和测试脉动的谱比。乌帕尔、托帕、布拉克苏三个台的S波谱比和测试地脉动图出现明显的差异(图2f,g,i),其余的8个台谱比曲线相似性比较好,曲线趋向性基本一致,但每个台的谱比值有差异。

图2 乌恰6.8级地震11个台站的谱比曲线(实线为S波谱比; 点线为测试地脉动谱比; 虚线为地震前10 s 谱比)
(a)吉根;(b)乌鲁克恰提;(c)乌合沙鲁;(d)膘尔托考依;(e)乌恰;(f)乌帕尔;
(g)托帕;(h)托云;(i)布拉克苏;(j)红旗农场;(k)伽师
Fig.2 H/V spectral ratio of 11 strong-motion stations recorded Wuqia 6.8 earthquake (solid line:S-wave spectral ratio; dotted line:test of ground micro-tremor spectral ratio; dashed line:10 seconds before earthquake micro-tremor spectral rostio)(a)Jigen;(b)Wulukeqiati;(c)Wuheshalu;(d)Biao'ertuokaoyi; (e)Wuqia;(f)Wupa'er;(g)Tuopa;(h)Tuoyun;(i)Bulakesu;(j)Hongqi Nongchang;(k)Jiashi

表2 乌恰6.8级地震加速度记录分析和结果
Tab.2 Analytical results of acceleration records of the Wuqia MS 6.8 earthquake

本次地震区域主要以逆冲型断层为主(冯先岳,1997),但通过计算lg(a₀/a_max)值(表2),依据表1所列关系,我们发现只有吉根台的值与给出的加速度和断层关系数值基本相符,其它台站计算出的数值基本上与断层类型数值没有关系。这说明用lg(a₀/a_max)的值来判定断层类型,对于不同的地区、不同的场地动力特征、不同的仪器记录,还需要考虑更多的因素,开展更多研究来推论和证实。综合上述26个台的场地条件、理论峰值加速度、等效剪切波速和11个台的谱比曲线,笔者得出以下结论:

(1)由表2和图2可知脉动场地效应值在2.5～5.0之间的布拉克苏、红旗农场和伽师3个台站,其等效剪切波速小于250 m/s; 测试脉动场地响应值小于1的膘尔托考依、乌恰和托帕3个台站,其覆盖层为同一种类型且等效剪切波速大于400 m/s。结合表2和图2的计算对比分析,可以认为在本次地震危险区,当场地的等效剪切波速小于250 m/s时,其场地响应值在2.5～5.0之间; 当场地的等效剪切波速在250～400 m/s之间时,其场地响应值在1.5～3.0之间; 当场地的等效剪切波速大于400 m/s时,其场地响应值小于1。

(2)通过图2谱比图发现,震中距小于100 km的强震台记录的地震前10 s的脉动谱比幅值明显大于S波谱比幅值,也发现S波谱比幅值在1～10 Hz频段和测试脉动谱比幅值平均值基本一致,在大于10 Hz的频段S波谱比幅值明显减小,也就是说在地震前10 s场地响应有明显的放大,而场地响应对地震S波基本没有放大效应。

(3)新疆的强震台测试地脉动谱比和地震的S波谱比曲线在主要频段内起伏不大,和钻孔资料具有较好的一致性,可以用来计算分析其场地衰减关系。

综上所述,关于运用强震动近场记录统计分析区域地震记录的加速度峰值、震级、震中距的衰减关系式以及利用单点谱比法计算场地效应(Nakamura,1989),许多专家在中国各地区都做过研究(崔建文等,2007; 郭明珠,2000; 陈彧等,2006; 朱荣欢,苏有锦,2007),但在新疆这方面的研究还不多。笔者参阅了云南省地震局工作人员的研究成果,结合本区域一些特点进行分析,其结果和前人的研究结果有相似性也有许多差别。例如S波谱比在大于10 Hz频段有明显的下降趋势,而这项工作做出的强震台记录前10 s脉动谱比有明显的场地放大效应,Lachet等(1996)认为放大效应和S波谱比并不一致,这就说明地震记录和许多因素有关,需要我们进一步研究。