强震动观测是利用强震仪记录地震,尤其是强震产生的地面运动过程和工程结构的地震反应过程,为地震动特性及工程结构的地震反应等研究提供可靠的资料。随着观测技术、通讯技术等的不断进步,强震动观测的应用范围在不断拓展。近些年来,强震观测不仅服务于大震应急的烈度速报、地震速报、城市及重大工程的地震预警及其紧急处置等应急领域,还广泛用于强震的震源机制、地震动特性、地震动衰减关系及其标准设计反应谱等研究以及场地地震影响、土—结相互作用、结构地震反应及结构地震破坏机理、抗震分析方法检验等地震学和地震工程学方面的研究,直接服务于地震科研与防震减灾工作(李小军等,2008; 温瑞智,2009; 李山有等,2002,2004; 崔建文等,2007,2008,李世成,2008,2009)。因此,获取有价值的强震记录是强震观测的基本及首要任务。

2009年7月9日19点19分云南省姚安县发生M_S6.0地震,随后云南省地震局应急队员携带5台强震观测仪立即赶赴震区开展强震动流动观测工作。自7月9日23点至7月13日12点,5台流动强震仪共捕获196个地震事件,共计588条加速度记录,其中包括观测期间震区发生的5.2级、4.7级和4.6级强余震在内的所有M_S≥3.0余震。记录中地震动峰值加速度大于200 Gal的有9条,最大地震动峰值为官屯乡台记录的4.7级地震,其峰值加速度为684 Gal,创云南同震级档加速度峰值记录之最。这些记录弥补了地震区周边因无固定强震台站而缺乏近震记录的空白,不仅对分析确定此次地震震害具有定量的佐证作用,而且为研究近场小震的加速度高峰值低烈度现象,以及地震动的峰值、持时、频谱等与地震宏观烈度之间的关系等提供了重要数据。

姚安M_S6.0地震发生在川滇菱形块体南部的滇中中—新生代沉积盆地区的中南部。震区处于楚雄—建水断裂与通海—牟定断裂这两条北西向展布的区域性地震活断层北西端隐伏段所挟持的上地幔小隆起构造内(毛玉平,万登堡,2001)。震区内地表未见深大活动断裂。震区所在的姚安、大姚地区,中强地震活动频繁,仅最近一个活动期的十几年内,就先后发生了1993年2月1日大姚M_S5.3、1993年8月14日姚安M_S5.6、2000年1月15日姚安M_S6.5、2003年7月21日大姚M_S6.2、2003年10月16日大姚M_S6.1,以及此次2009年7月9日姚安M_S6.0地震。与云南其他地区相比,震区的地震活动具有中等强度频发及显著的原地重复性的特点。表1列出了2009年7月9日M_S6.0主震及主要强余震参数。

表1 2009年姚安MS6.0地震序列的基本参数
Tab.1 Basic parameters of earthquake sequence of Yao'an MS6.0 earthquake on July 9,2009

姚安M_S6.0地震宏观震中位于姚安县官屯乡官屯村至马游村一带。地震造成姚安、大姚等县的部分房屋破坏,生命线工程及水利等基础设施的损坏。极震区烈度为Ⅷ度,呈椭圆形分布在姚安县境内的官屯乡和左门乡部分地区。Ⅶ度区亦呈椭圆形分布在姚安县与大姚县境内的部分地区。椭圆长轴走向北西。此次流动观测台站主要布设在Ⅷ度区和Ⅶ度区内(图1)。

流动观测使用了5台K2型美国Kinemetrics公司生产的集三分向力平衡加速度计、记录器和GPS于一体的固态数字存储强震仪。使用的传感器为内置力平衡式3分量ES-T加速度计。仪器系统的动态范围大于等于108 dB,频响范围为DC到80 Hz,可记录的最大加速度值为±2g。时间服务系统采用GPS授时。近几年的观测使用情况表明,此类仪器记录质量好、温度适应范围较大、传感器零位温度漂移小,仪器稳定性能好,携带方便(Li et al,2008; 李世成等,2008)。

强震动流动观测,是以获取近场地震动记录为主、在条件允许时可通过有针对性地布设某一类或多类观测台阵,以获取有更广泛使用价值的强震动资料的一种机动性很强的观测手段(胡聿贤,2006; 温瑞智,2009; 李山有等,2004; 崔建文等,2007; 李世成等,2008)。由于震区地表活动构造显露不明显,在制定此次强震流动台布设方案时,主要根据现场震情趋势判断意见,并兼顾仪器运行环境、巡检维护及交通等因素,将观测点布设在震中区附近民居集中的乡镇、村落和水库坝基上(表2、图1)。

图1 姚安地震主余震及强震动流动观测台分布示意图
Fig.1 Distribution of the strong motion mobile observation stations and mainshock-aftershock of Yao'an MS6.0 earthquake

(1)4.7级余震官屯记录点高峰值加速度与低烈度现象

此次观测,5个流动台获取了4.6级、4.7级余震的30条加速度时程记录,其中大于50 Gal的有20条,大于200 Gal的有7条。最大地震动峰值为官屯乡台记录的4.7级地震的684 Gal(E-W分向),且水平向合成地震动峰值达825 Gal(按《中国地震烈度表》(GB/T17742-2008)对应的地震烈度为Ⅹ,这与该处震害及宏观烈度相差很大)。虽然地面加速度峰值大小与震源距直接相关(图7),但是场地条件的影响作用明显,有时甚至很大。图7中,光禄镇台与官屯台震源距相近,但峰值加速度相差8倍多。就此次流动观测台而言,震源相同,基底下传播介质同源,而各台站所处的盖层之沉积建造、地质构造发育、地形地貌等各不相同。官屯台地处低丘上部,与震中同处于姚安盆地,北西缘断裂西侧,台址土层为强风化基岩; 光禄镇台位于姚安断陷盆地内,且与震中之间有姚安盆地北西缘断裂相隔,台址场地土层为第四系冲洪积堆积。两台站的场地条件差异很大。这些差异直接影响到地面地震动峰值的大小。尽管该处4.7级地震峰值加速度水平向合成达825 Gal、对应的地震烈度为Ⅹ,但其地震动能量90%和70%的相对持时分别只有1.62 s和0.64 s,短持时是高加速度峰值的地震作用未使该处及周围震害加大加重的主要原因(记录仪安放的一层大

图7 4.7级余震各记录台加速度峰值与震源距分布关系
Fig.7 Relation between the PGA recorded at dtifferent stations and focal distance from the stations in M4.7 aftershock

(2)强震动记录与震灾快评

决定或影响构筑物地震震害轻重的因素复杂且多,包括地震动加速度的强度、频谱分布及持时,场地及地基条件,结构类型、工程材料及施工质量等。地表强震动记录真实地反映了地震弹性波在传播空间的强度分布。虽然用强震动记录很难把各点上的建构筑震害程度表示出来,但是,采用适当的方法建立起地震动参数与地面某种典型建筑物破坏程度之间的关系,并广泛用于震灾快评、烈度速报等应急工作,是十分必要的。

感谢李小军博士、温瑞智博士亲临姚安地震现场对此次强震流动观测工作的指导。