强震动观测记录是开展震害快速评估及地震动特性、震源机制、地震动衰减规律、结构地震破坏机理等研究最直接的、最重要的基础资料。研究地震的震源机制、地震波的传播路径、局部场地条件等对地震动的影响,可以为地震动参数区划图和行业抗震设计规范的编制与修订提供依据(温瑞智,2016)。利用实时或近实时强震台站实测的地震动记录进行地震动强度(烈度)速报,可以为地震应急和救灾提供基础依据(李山有等,2002)。基于强震动记录的分区特性,研究地震预警参数与震级线性关系的区域差异性有较强的适用性(宋晋东等,2017)。国家地震烈度速报与预警工程建设以前,中国大陆强震动观测台站密度较低,可用于工程地震的强震动记录很少,尤其缺乏近断层强震动记录,场地分类、衰减关系建立等方面的研究主要依托其它地区强震动记录,通过转换方法结合少量本地记录进行使用(俞言祥,汪素云,2006; 雷建成等,2007)。2013年四川芦山M_S7.0地震后,我国学者利用获取的强震动记录开展了数据处理、场地分类、方向性效应等方面的研究(温瑞智等,2013; 任叶飞等,2014)。2015年开始,中国地震局在川滇交界区域部署基于MEMS传感器的烈度仪台站,开展地震技术试验和验证。张红才等(2017)在时域和频域上对烈度仪与强震仪记录进行分析,在1～10 Hz频段,烈度仪获取的记录与强震仪有较好的一致性,但在低频段有一定的差异。2019年以后,四川省获取了数量可观的密集台网强震动记录,其中2020年四川北川M_S4.7地震获得有效记录532组(江鹏等,2021),2021年四川泸县M_S6.0地震获得有效记录1 320组(李萍萍等,2022),2022年四川芦山M_S6.1地震获得有效记录1 583组。这些密集台站记录的获取,尤其是震中距10 km内记录的获取,极大提升了强震动记录的空间分辨率,对于开展震源特性、区域衰减特性以及地下结构等相关研究有重要意义(温瑞智,王宏伟,2020)。

2022年泸定M_S6.8地震发生后,四川地震监测台网获取了丰富的地震动速度和加速度记录,计算产出了峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、仪器烈度等地震动参数,用于现场地震烈度调查和地震灾害损失的初步评定。本文对2022年泸定M_S6.8地震获取的强震动记录进行处理,并初步开展地震动空间分布、区域衰减特性和场地影响方面的研究,结合2个震害较重乡镇的观测记录,分析了震害与加速度反应谱的相关性。针对基准站、基本站和一般站观测条件的较大差异,简要分析三类台站获取记录的差异,以期为分析强地面运动特征和区域构造特征等研究提供参考。

依托“数字观测台网”等项目,四川建成了224个基于自由场地表观测的强震动台站,主要分布于鲜水河断裂带、安宁河断裂带、则木河断裂带、龙门山断裂带及周边地区,安装有SJL100和ES-T两种力平衡式加速度计,采用阈值触发模式存储和传输数据,获取采样率为200 sps的高质量加速度记录。随着国家和省级地震烈度速报与预警工程的实施,四川建成了269个基准站、317个基本站和1 083个一般站,大致均匀分布于全省,观测数据采样率为100 sps。基准站布设在基岩场地,同时观测速度和加速度,安装(甚)宽频带地震计和力平衡式加速度计两种传感器,仪器观测墩建设于基岩面上。基本站参照强震动台站建设标准,以自由场土层地表观测为主,台站分布在乡镇政府、中小学校等人口密集区域,安装力平衡式加速度计传感器,仪器观测墩通过钢筋与场地土紧密连接。一般站以服务于地震预警和地震烈度速报为目标,建在通信铁塔站点的机房内,安装MEMS传感器烈度仪,烈度仪安装在水泥地面或固定在不高于地面30 cm的墙体上(江鹏等,2021)。由于通信铁塔一般建在空旷区域的居高点上,一般站多数位于山坡和山顶上,观测数据受到一定程度的地形影响。

表1 四川地震预警台网安装的传感器和数据采集主要技术指标
Tab.1 The sensors and their main technical indicators in the Sichuan Earthquake Early Warning Network

泸定M_S6.8地震发生在巴颜喀拉地块东缘区域,震中位于鲜水河断裂带南东段磨西断裂附近。鲜水河断裂带是青藏高原东部的一条大型左旋走滑断裂,南与安宁河断裂在康定一带相接,北与甘孜—玉树断裂相接,是我国动力作用环境和地壳运动变形最强烈的断裂带之一,历史上具有较强的地震活动性,曾发生多次强烈地震。泸定M_S6.8地震后中小余震频发,截至2022年10月8日10时共记录到余震5 527次,余震整体趋势呈NW—SE走向,中段密集区呈团状分布。初步震源机制解显示此次地震为走滑破裂,反演显示破裂方向以南东侧为主,主要破裂长度约20～25 km。扣除个别记录错误和受到干扰的数据,泸定M_S6.8

地震共获取1 799组加速度记录,其中基准站194组、基本站371组、一般站1 234组,记录数量相比以往中强地震有量级上的提升,仅震中距100 km内就有128个台站获得加速度记录,本次地震获取记录的台站分布情况如图1所示。地震造成部分监测台站停电或通信中断,导致震中附近6个台站获取的记录不完整,另外T2402、T2404台站记录到的垂直向数据有误,本文仅采用这两个台的水平向数据。值得注意的是,本次地震中还获取了36组基本站和一般站同台址观测数据,经过初步对比分析,两种仪器记录的加速度时程在幅值和频谱上基本一致。

受观测仪器本身及近断层绝对位移等原因的影响,观测台网获取的原始地震记录会产生零线偏移的现象。少量台站受到通信和其它干扰等影响,导致记录存在中断、丢包、失真、信噪比过低等现象。本文对获取的强震动记录采用以下方法进行预处理:①剔除波形不完整或者波形有明显错误的记录; ②剔除信噪比过低的记录; ③对记录进行格式转换并去除仪器响应; ④多数记录通过减去P波前10 s无干扰噪声的平均值去除零线偏移,少量干扰较多的数据通过减去全时程平均值的方法去除零线偏移; ⑤强震动记录的零线偏移和干扰噪声对加速度积分过程有较大影响,在仿真速度和频谱分析前进行4阶巴特沃斯高、低通滤波处理(Boore,2005; 金星等,2004),参考仪器烈度计算标准,滤波范围选择为0.1～10 Hz; ⑥仿真加速度、速度和位移; ⑦计算PGA、PGV、仪器烈度等参数。表2列出了震中距50 km范围内的强震动记录及其参数。

图1 获取到泸定MS6.8地震记录的台站分布(a)及泸定MS6.8地震余震分布(b)
Fig.1 Distribution of the strong-motion stations recording the Luding MS6.8 earthquake(a) and distribution of the Luding aftershocks(b)

表2 震中距50 km范围内强震动记录及相关参数
Tab.2 Seismic records and relate parameters within the range of 50 kilometers from the epicenter

本次地震最大PGA由SC.CNXJ台获取,因记录的零线发生不规则偏移,对其进行分段调零后三分向PGA分别为873.92、1 368.53、852.70 cm/s²,PGV分别为16.41、26.53、-18.01 cm/s,计算得到仪器烈度为8.2。在震相分析中发现,本次地震强震动记录有3个特点:①垂直方向峰值较大,多个台站垂直向PGA超过0.3 g,最大达到0.8 g。②P波峰值大于S波峰值的“大头波”现象较多,2022年芦山M_S6.1地震中该区域台站同样记录到该现象; ③近场加速度记录的长周期成分非常显著,多个近断层台站记录到速度大脉冲现象,如记录到本次地震最大仪器烈度的SC.V2271台,PGA为519.57 cm/s²,但PGV达到-131.76 cm/s。

PGA、PGV和仪器烈度作为表征地震动特性的重要参数,由传感器直接记录或计算获得,其空间分布情况可以客观反映出地震的破坏程度,为地震烈度评估和灾情快速判断提供重要依据。本文统计了本次地震获取的1 799组加速度记录的地震动参数,计算三分向矢量合成PGA、PGV和仪器烈度,采用克里金法对台站空区进行插值,插值精度为0.01°,绘制了仪器地震烈度的等值线。

图2为本文得到的仪器地震烈度的影响范围和中国地震局发布的调查地震烈度等震线(四川省地震局,2022)。从图中可看出,鲜水河断裂两侧的仪器烈度影响范围相当,并未表现出明显的滑动盘地震动幅值偏大的现象。Ⅶ度以上区域,仪器地震烈度与调查地震烈度的长轴方向和面积一致性较好,仪器地震烈度等值线长轴为SE向并沿鲜水河断裂带展布,在震中NE向沿大渡河断裂发生倾斜,可较好印证断裂带对地震动的空间分布有较强的控制作用。Ⅶ度以下区域,仪器地震烈度和调查地震烈度的长轴方向和面积差异非常大,调查地震烈度Ⅵ度区长轴为NW向,仪器地震烈度等值线长轴转变为与断裂带垂直的NE向。调查地震烈度主要由技术人员以现场调查的震害严重程度为判定指标,仪器烈度由传感器直接观测地面运动数据计算得到,客观反映的是地震动强弱程度,不能直接等同震害情况。除地震动强度之外,地震设防要求、结构体抗震能力、经济发展水平均会影响震害的严重程度。根据《中国地震烈度表》(GBT 17742—2020)的评定指标,Ⅵ度区结构震害为少数未设防的土木、砖木、砖混结构轻微破坏,设防结构绝大多数完好; Ⅴ度区基本不发生破坏。震害现象不显著会增加调查人员判断的难度,降低评定结果的可靠性。虽然仪器地震烈度和调查地震烈度的含义和确定因素不一样,但多数情况下两者较为一致。 《中国地震烈度表》(GBT 17742—2020)提出,具备使用仪器测定地震烈度条件的地区,宜采用仪器测定的地震烈度。从本次地震两种地震烈度的对比结果看,还需要进一步研究调查地震烈度与仪器地震烈度的对应关系,仪器烈度如要代替调查烈度还需建立更可靠的统计模型。

图2 泸定MS6.8地震的仪器地震烈度及调查地震烈度空间分布
Fig.2 The intensity determined through strong ground-motion instruments and isoseisms determined through field investigation

通过转换方法得到的衰减关系,会产生一些不确定因素,更适用于反映区域地震动衰减的一般特性(胡聿贤,张敏政,1984)。在地震较多的地区采用实际观测记录进行拟合可以获取更合理的区域地震动预测方程(GMPE)(李宏男,陈国兴,2013)。为减少场地项的影响,采用基岩台获取的记录直接拟合水平向峰值加速度和峰值速度基岩地震动衰减关系。本文选取泸定M_S6.8地震获取的318组加速度记录,其中基准站190组,震中距为15～590 km; 一般站128组,震中距小于150 km。《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015,以下简称“五代图”)提供的模型为:

lgY=A+BM+Clg(R+De^EM)(1)

式中:Y为PGA或PGV,取2个水平方向记录矢量合成的最大值; M为面波震级; R为震中距; A、B、C、D和E为回归系数; σ为事件内残差的标准差。本文采用式(1)拟合泸定M_S6.8地震的PGA和PGV衰减关系,回归系数见表3。

为直观地反映泸定M_S6.8地震的衰减特性,图3给出了1 799组加速度记录的水平向合成PGA、PGV随震中距的分布情况,选用五代图中M≥6.5地震的青藏区长轴衰减关系(俞言祥等,2013)作为对比的GMPE,其适用范围为M≥6.5地震、震中距 200 km 以内。从图3可以看出,本文拟合的泸定M_S6.8地震PGA衰减关系与五代图GMPE一致性较好,震中距200 km内基准站和基本站的实测PGA基本在五代图GMPE预测值的1倍标准差范围内,一般站实测PGA普遍比五代图GMPE预测值偏大。本文拟合的泸定M_S6.8地震PGV衰减关系与五代图GMPE区别较大,对其进行分析认为,一是由于近场数据样本点过少,震中距30 km范围内仅有6组观测数据,拟合的PGV衰减关系与五代图GMPE有较大偏差,没有体现真实的近场饱和效应; 二是震中距200 km以上,远场台站实测PGV比五代图GMPE的预测值明显偏大,反映出衰减变慢的特征。

表3 PGA和PGV衰减关系回归系数
Tab.3 Regression parameters of the PGA and the PGV attenuation relationship

在获取的泸定M_S6.8地震强震动记录中,有较多近断层记录出现明显的长周期成分,这与近断层记录以高频为主的特点差别较大。本文计算统计各周期拟加速度反应谱(PSA)随震中距的分布情况,并与五代图GMPE进行对比分析。从图4可以看出,0.3、0.5和1 s的PSA出现多个异常偏大的台站点,此周期范围内恰恰是震区主要建筑结构自振周期的主要范围,这与部分乡镇出现较严重震害现象相一致。

图3 1799组加速度记录的泸定MS6.8地震PGA(a)和PGV(b)随震中距的分布情况
Fig.3 Attenuation of the PGA(a)and the PGV(b)of 1 799 pieces of accelaration records along with epicentral distance

图4 各周期 5%阻尼比拟加速度反应谱(PSA)随震中距的分布
Fig.4 Distribution of 5% damping ratio pseudo-acceleration response spectra along with epicentral distance in each period

为进一步分析场地和反应谱特征与震害的相关性,本文选取震害较为严重的泸定县磨西镇和石棉县挖角乡所获取的地震动进行分析。场地分类优先采用《建筑抗震设计规范》(GB 5011—2010)规定的方法,以场地覆盖土层厚度H和深度为20 m(当H<20 m时取H)的等效剪切波速为分类指标; 没有钻孔资料的台站尝试用水平/竖向(H/V)谱比法进行分类。为排除强地震作用下土层发生非线性反应的情况,选取同台站获取的中小地震加速度记录,计算水平向速度反应谱的平均谱比曲线,以卓越周期、平坦系数和形状一致性为关键参数,匹配不同场地类别的H/V谱比标准曲线(Ji et al,2017)确定台站场地类别。本文计算了SC.V2204和SC.51SMW台站的5%阻尼比PSA,并选取2013年芦山M_S7.0地震中51BXD台站和51LSF台站获取的加速度记录进行对比,分析地震烈度相同、震中距相近的反应谱特征。

泸定县磨西镇抗震设防烈度为Ⅷ度,设计基本地震加速度值为0.2 g,设计地震分组为第二组(建筑抗震设计规范,GB 50011—2010)。SC.V2204台站距离磨西镇中心区约0.6 km,震中距为6.9 km。该台未进行场地钻孔测试,但现场目测可见少量基岩出露,结合余震记录速度反应谱谱比结果初步判定该台场址为Ⅰ类场地,设计地震反应谱特征周期Tg取0.3 s。从图5a可以看出,在0.1～0.3 s,SC.V2204台的水平方向PSA远小于2013年芦山M_S7.0地震中SC.51BXD台站水平方向PSA,但仍大于Ⅷ度设防地震反应谱和多遇地震反应谱。在0.3～1.5 s,SC.V2204台水平方向PSA明显大于SC.51BXD台的PSA和设计地震反应谱,尤其在1 s时,SC.V2204台EW向PSA大约为Ⅷ度设防罕遇地震反应谱值的2倍,是SC.51BXD台PSA的6倍。磨西镇的建筑以3～6层的砖木、砖混结构为主,夹杂少量10层左右的框架结构,初步估计结构的卓越周期在0.3～1 s,恰好是地震动作用在结构上的强烈反应的阶段,因而产生较为严重的结构破坏,这一现象与实际调查的震害情况基本一致。

石棉县挖角乡抗震设防烈度为Ⅷ度,设计基本地震加速度值为0.2 g,设计地震分组为第三组(建筑抗震设计规范,GB 50011—2010)。SC.51SMW台站位于挖角乡中心小学内,震中距为23.7 km,场地为大渡河二级阶地,地势平坦,属中山河谷地形,覆盖层主要为第四系人工杂填土、冲洪积的砂卵石层等,厚度大于22 m。依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010),该台址为Ⅱ类场地,依据中小地震记录速度反应谱谱比计算结果判定其同样为Ⅱ类场地,设计地震反应谱特征周期Tg取0.45 s,在计算罕遇地震加速度反应谱时特征周期均增加0.5 s。从图5b中可以看出,SC.51SMW台PSA表现出典型的“双峰”现象,第一个峰值集中在0.1～0.3 s,第二个峰值集中在0.45～1.5 s,且水平向的PSA平台周期跨度较宽。在第1个周期区间,SC.51SMW台垂直向PSA远大于设计地震反应谱,这种情况极易对低矮建筑造成破坏。在第2个周期区间,SC.51SMW台水平向PSA大约是罕遇地震设计地震反应谱的2倍,是设防地震反应谱值的4倍,是SC.51LSF台PSA的15倍。挖角乡的建筑以1～4层的砖混结构为主,夹杂少量6～8层的框架结构,在乡镇外围有一定数量的砖、土结构农居房屋,初步估计结构的卓越周期集中在0.2～0.6 s,现场调查挖角乡震害严重的主要为低矮农居结构,与反应谱呈现的特征相吻合。SC.51SMW台的PSA明显大于SC.V2204台,也与SC.51SMW台的场地更软、覆盖层较厚有关,还与该台位于地震破裂的发育方向上,产生多普勒效应有关。

图5 SC.V2204(a)和SC.51SMW(b)台站的5%阻尼比拟加速度反应谱
Fig.5 5% damping pseudo-acceleration response spectra at SC.V2204 station(a) and SC.51SMW station(b)

本文从震相、地震动空间分布及衰减特性等方面分析了泸定M_S6.8地震的地震动特征,并初步研究了场地条件、反应谱与震害的相关性,主要得出以下结论:

(1)泸定M_S6.8地震强震动记录具有幅值大、密度高、周期长等显著特征,这些高密度地震动记录的获取对于研究中强地震的地震动特征和区域构造具有重要意义。震相表现出了垂直方向幅值较大、P波峰值较大和近场加速度记录长周期成分非常显著的特点。基准站、基本站和一般站记录到的地震动峰值依次增大,反映出地形和场地对地震动的放大作用。

(2)泸定M_S6.8地震的仪器地震烈度分布较好印证了区域构造对地震动传播的影响。Ⅶ度以上区域仪器地震烈度等值线长轴为SE向并沿断裂带展布,在震中NE向沿大渡河断裂发生倾斜,调查地震烈度与仪器地震烈度一致性较好。Ⅶ度以下区域仪器地震烈度等值线长轴扭转为与断裂带垂直的NE向,仪器地震烈度与调查地震烈度的等值线方向和面积均有较大差异,表明在震害不显著情况下两种烈度的对应关系不太理想,还需要进一步研究调查地震烈度与仪器地震烈度的对应关系。

(3)泸定M_S6.8地震PGA衰减特性与五代图青藏区(M≥6.5地震)GMPE基本一致,PGV衰减关系比五代图GMPE更慢,出现多个近场PGV远大于五代图GMPE预测值的台站。在PSA的衰减方面,可以看出周期越大PSA随震中距衰减越慢。综合震相特征认为本次地震更符合浅源地震的特点。

(4)通过H/V谱比方法和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的分类指标对震中附近震害较为严重地区2个台站SC.V2204和 SC.51SMW的场地类别进行确定,对比了这两个台站的5%阻尼比PSA与区域地震设计反应谱,SC.51SMW相比SC.V2204场地更软,获取记录的PSA卓越周期更大,反映出场地覆盖层对长周期地震动的放大作用较为明显。在设计地震反应谱特征周期Tg取值到1.5 s之间,两个台站记录的水平向PSA均超出了多遇地震设计反应谱,在部分周期区间SC.51SMW的水平向PSA还超出了罕遇地震设计反应谱值,这较好解释了这两个台站所在乡镇震害严重的原因。

泸定M_S6.8地震获取的强震动记录相比以往国内中强地震记录数量有10倍以上的增加,尤其是近断层记录的大量获取,对于研究震源特性和地震动的特征提供了重要依据。在数据整理过程中,笔者还发现了较多的速度大脉冲记录和P波峰值超过S波的现象,这些异常记录值得深入研究。