1988年11月6日21时3分14.5秒和15分44.9秒,云南省澜沧县和耿马县相继发生了7.6、7.2级强烈地震。云南省地震局大震流动观测队携带SMA-1型和GQ3-3型等强震仪、中国建筑科学院工程抗震所携带3台SMA-1型强震仪、同济大学携带2台PDR-1强震仪抵达震区,在震区共使用了5种型号16台强震动仪开展流动观测(图1)。在近一个月的观测时间内,获取了大量的强震动加速度记录,仅光直式模拟强震仪就获取了91次余震的148条433道记录。其中,架设在竹塘乡的2台SMA-1强震仪捕获到6.7级最强余震的加速度记录,其最小震中距为3.8 km,未经校正的最大加速度峰值为518.4 gal,记录时长30 s,波形完整,是当时我国在离震中最近的情况下获

图1 澜沧―耿马地震强震动流动观测台分布示意图(部分资料来自姜葵,1993)
Fig.1 Distribution of the strong motion mobile observation stations of Lancang-Gengma earthquake(part of data from Jiang,1993)

取的最大地面加速度峰值记录(图2)。这期间获取的这批观测记录把当时我国用于研究的实测强震动资料的地震统计样本的震级上限提高到7.6级(姜葵,1993)。

从1984年开始,云南省地震局与中国建筑科学院工程抗震所合作在滇南的思茅―景洪地区建设了由5台SMA-1强震仪组成的滇南区联合强震台网。虽然此次7.6、7.2级地震发生后,该强震台网获取了主、余震记录。但因该台网台站距离震中较远,其加速度峰值不及流动台记录的十分之一。此震例显示出流动观测在弥补固定强震动台站密度不够时所发挥的重要作用,也印证了国家地震局在当时装备条件下对强震观测要“以守为辅,以追为主”方针的实用性。

图2 竹塘流动台记录的1988年11月30日澜沧6.7级强余震三分向地面运动录(引自姜葵,1993)
Fig.2 Ground motion recordings of Lancang M6.7 aftershock on Nov.30,1988 recorded by mobile station in Zhutang(from Jiang,1993)

滇西地区的施甸,位于龙陵—耿马地震带和丽江―大理地震带之间,历史上曾发生多次地震。由于强震仪缺乏的历史条件,滇西地区强震观测的重点均放在大理―丽江一带,而施甸一带一直是观测盲区。2000年10月,根据中国地震局震害防御司的部署安排,云南省地震局在施甸、柯街、沙坝、瓦窑、北斗、苴力、力角、期纳等地布设了8个流动观测台。2001年4月10日施甸5.2级地震发生后,强震观测人员迅速将柯街的强震仪调整到震区的水长,并将昆明结构台阵中的2台数字固态化强震仪架设到震区附近的太平及等子。2001年4月10、12日、6月8日,施甸县太平乡一带先后发生了5.2级、5.9级和5.3级地震。震前布设的这些流动观测台均获得了记录。其中,获取施甸5.9级地震的三分向峰值加速度分别为446.47 cm/s²(EW)、528.24 cm/s²(UD)、425.64 cm/s²(SN)。这是云南流动观测首次捕获的主震强震动记录,也是一次成功的震前式流动观测(崔建文等,2004)。

2006年7月22日、8月25日和8月29日,云南省盐津县豆沙关镇附近相继发生了5.1、5.1和4.7级中强地震群。云南省地震局利用2台K2型数字强震仪分别于7月23—26 日、8月26—30日在震区进行了2次流动观测,包括山麓土层(万古村台)与山头基岩(豆沙关台)、谷底(柿子镇台)与山头(豆沙关台)场地土影响与地形影响的流动对比观测(图3),获取了100多次余震的强震动观测记录(李世成等,2008)。其中,豆沙关流动台记录的4.7级地震南北向加速度峰值达494.2 cm/s²。对比分析万古村台与豆沙关台、柿子镇台与豆沙关台的地震动记录,发现这两两台站之间记录的幅值及其主频存在明显差异,显现出观测点的场地(土)与地形效应的不同(图3)。

图3 豆沙关台(a)、万古台(b)记录的4.7级地震加速度时程及其反应谱对比
Fig.3 Contrast of acceleration time histories and their response spectrum of Yanjin M4.7 earthquake between mobile station of Dushaguan(a)and Wangu(b)station

7月22日5.1级地震后,云南省地震局在震区布设了2台强震仪,但地震应急结束,强震动流动观测也停止。8月25日5.1级地震后又重新布设强震仪,造成后续地震发生时的观测缺失。该震群的强震动观测,属于典型的震后式流动观测。由此引发对流动观测时长及管理的思考与修定,这在震群型或双震型地区布设流动台站时尤显必要。

2008年8月30日攀枝花6.1级地震发生后,云南省地震局强震动流动观测组在震区迅速布设了由4个观测点组成的沿发震构造走向分布的强震动观测台阵(图4)。8月31日—9月3日,共获取264组3分量近场地面强震动记录,其中包括5.6级在内的所有M≥4强余震,最大加速度峰值为502 cm/s²。通过对该次流动观测台阵所取得的强震记录分析,发现了存在于强地震动加速度时程中的方向性效应(图5)(李世成等,2009)。

2014年5月30日盈江6.1级地震后,云南省地震局在震区沿与此次地震密切相关的卡场―大竹寨断裂近垂直方向布设了流动观测台阵(图6a)。随后在极震区的勐弄乡流动观测点附近,选择了一个形态相对规整、岩性结构较均匀的孤突山丘相对平坦的顶部,布设了由4台Basalt强震仪组成的局地差动台阵(图6b),并与山丘相邻的流动观测台相对比。

此次地震流动观测捕获了近千次余震的强震动记录,但绝大多数为小、微地震事件的近场记录,其中一些微震在测震目录中没有出现。由于这些台站是针对特殊场地而布设的观测台阵,对这些记录的处理及分析具有一定的价值。

图4 攀枝花6.1级地震强震动流动观测台阵分布
Fig.4 Distribution map of the strong motion mobile observation stations of Panzhihua MS6.1 earthquake

图5 位于破裂传播后方的拉鲊台(a)与位于破裂传播方向上的平地台(b)记录的攀枝花5.6级强余震加速度时程波形对比
Fig.5 Contrast of acceleration time histories of Panzhihua MS5.6 earthquake between Lazha located on the opposite direction of fracture propagation(a)and Pingdi located on the same direction of fracture propagation

图6 盈江6.1级地震后布设的强震流动观测台阵(a)及局地差动台阵(b)
Fig.6 Distribution of strong motion attenuation array

2014年10月7日云南景谷发生6.6级地震,云南省地震局在震区布设了6个强震动流动观测台,获取了大量的余震加速度记录,包括12月6日5.8级及5.9级强余震的近场记录(崔建文等,2016)。10月11日强震动科考时,在益智中学固定强震台附近,选择澜沧江支流的河谷台阶边坡,用4台观测仪布设了一个局地地形观测台阵(图7),进行了约3 h的短时流动观测。在仪器架设完后约1 h,4台仪器成功获取了10月11日14时至14时30分之间发生的1个4.7级及3个2.9级余震的强震动记录(图8),给研究局部场地的地形对地震动影响提供了难得的定量数据。

图7 景谷6.6级地震地形效应流动观测台阵示意图
Fig.7 Sketch map of distribution of the strong motion mobile of terrain array in Jinggu M6.6 earthquake

图8 地形效应台阵捕获的景谷4.7级强余震加速度时程记录
Fig.8 Acceleration time histories of Jinggu MS4.7 aftershock recorded by mobile terrain array

此次地震流动观测得到的一个启示是:随着观测仪器及设备的改进,在完成流动观测台的架设与运行后,现场观测人员可根据震区环境灵活选择合适的观测对象进行有目的的短时流动观测。

由于受观测仪器及观测技术等条件限制,在我国强震动观测起步后的较长时段内,流动观测主要是作为震后应急监测手段,其获取的近场记录数据,难以满足研究问题针对性强的要求。事实上,强震动流动观测不仅已成为一种常态化的大震应急工作内容(一是作为获取近场强震动记录的常规方法,二是流动观测数据的快速处理与分析,可作为震区地震活动趋势研判、强余震震害快速判定与决策应对的重要科技支撑手段),而且更要利用天然地震这个实验场把强震动流动观测拓展为解决地震基础研究与防震减灾工程应用中诸多问题提供定量观测数据的重要手段与技术途径。观测方式既可以是震后应急流动观测,也可以是根据地震预判意见进行的震前流动布设,而且可根据震区观测环境灵活地布设针对性强的科学研究台阵。

我国强震动观测技术经历了从无到有、从单台到组网观测,从模拟式记录到数字化、网络化的发展,观测能力显著增强,但数字强震动台网的台站密度仍然较低。解决一些地震工程应用和地震基础研究难题所需的强震动观测数据仅靠现有固定台站来获取显然满足不了科学发展的迫切需求。加强强震动流动观测系统的建设,建立具备一定规模的流动台阵的应急体系是必然的选择。流动观测机动性强,观测目的根据观测对象可因地制宜。最终的观测质量受到诸多环节与因素的制约,如所使用的观测仪器数量多和类型杂、观测过程涉及环节较为复杂、技术要求高、参与人员广、观测环境条件多变等。为避免在观测过程中造成记录缺失或数据缺陷而影响强震动的观测结果,必须建立起一套系统的强震动流动观测规程。其中应该包括强震动流动观测的系统建设、基础数据库搭建、应急准备及观测预案的制定、现场台址选取及仪器安装的要求、流动台站组网方案、数据传输方式、强震动观测数据的质量控制、应急设备的平时维护等诸环节及保障机制(姜旭东等,2009; 宋丽莉等,2010; 谢俊举,李小军,2015)。极震区现场常会出现电力系统被破坏、强震仪交流电供中断的现象,如盐津、姚安、彝良及盈江地震的流动观测中,均遭遇断电震害,而仪器的内置电池维持时长有限,这也是流动观测设备保障中需要解决的问题。

新一代的《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)在《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)的基础上对场地(土)的地震动效应给以了更进一步地考虑与体现。但是,地形对地震动的影响在这两版国标中都还没有体现。事实上大量的强震动观测研究表明,不同地形的地震反应特性及其差异明显,对震害的影响较大(Bouckovalas,Papadimitriou,2005; 李小军,2006; 王伟,2010; 姚凯等,2009; 荣棉水等,2009a,b; 迟明杰等,2015; 梁轩等,2016; 闻满华,2017),有许多问题还亟待研究解决。建议在强震动流动观测中,加强地形影响台阵的布设,尽可能多地获取不同地形单元的地震反应观测数据,使地形对地震动参数的贡献在地震动参数区划图中得到具体体现。

由于我国结构台阵数量有限,强震作用下结构反应记录几乎为零,地基-结构相互作用台阵仍处于空缺,研究地震动空间变化的差动台阵观测有待开展 李山有.2016.强震动观测工程应用.。因此,在今后的强震动流动观测中,应该重视针对各类典型结构,尤其是大型或复杂结构的地震反应专用台阵的布设与观测; 开展地基-结构相互作用台阵、场地高密度差动台阵的流动观测,以期弥补国内该领域强震动观测数据的短缺。

国家“十五”重点项目《中国数字地震观测网络》的分项“中国数字强震动台网”建成投入运行以来,我国强震动观测数据快速积累,大震近场强震动记录也显著增加,但全国大部分地区仍不足以用强震动数据直接回归得到地震动参数衰减关系。第五代地震动参数区划图的编制、以及抗震设计规范修订和重大工程的抗震设计等仍依赖于与我国地震活动、地质构造背景不尽相同的其它国家和地区的强震动观测数据(李小军,2001; 李山有等,2003; 高孟潭,2015),我国强震动观测数据在上述计算过程中起着控制作用。随着国家地震烈度速报与地震预警台网项目的建设以及流动观测的扩展,这种状况将会得到根本改变。