阿布都瓦里斯·阿布都瓦衣提， 唐麗華

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震震害調(diào)查資料和強(qiáng)震觀測(cè)結(jié)果表明，不同類別場(chǎng)地土層的地震動(dòng)特性具有很大的差別，其特征參數(shù)對(duì)地震動(dòng)PGA、反應(yīng)譜和持時(shí)有很大的影響。目前，場(chǎng)地的地震動(dòng)特性研究主要有2種分析方法：第1種方法是針對(duì)不同類別的場(chǎng)地，采用不同的理論計(jì)算模型來(lái)分析場(chǎng)地的地震動(dòng)特性，但由于各種計(jì)算模型的理論基礎(chǔ)不同，其對(duì)于場(chǎng)地的地震動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)也不相同。另1種方法是利用不同場(chǎng)地類別場(chǎng)地的強(qiáng)震觀測(cè)記錄，對(duì)場(chǎng)地的地震動(dòng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這種方法與理論計(jì)算的分析方法相比更具有客觀性。自1932年美國(guó)在加州長(zhǎng)灘地震中獲得第1條地震加速度記錄以來(lái)，美國(guó)、日本、中國(guó)和歐洲等許多國(guó)家在不同的場(chǎng)地上獲得了大量的強(qiáng)震觀測(cè)資料，并針對(duì)場(chǎng)地的地震動(dòng)特性進(jìn)行了大量的研究。研究結(jié)果表明，場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的影響不僅表現(xiàn)在地震動(dòng)幅值的變化上[1]，也表現(xiàn)在地震動(dòng)頻譜特性的變化方面[2]。隨著研究的深入，人們開(kāi)始利用強(qiáng)震觀測(cè)資料對(duì)場(chǎng)地分類方法進(jìn)行研究并給出不同場(chǎng)地上地震動(dòng)參數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)公式[3-4]。

新疆強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的起點(diǎn)為1985年烏恰7.1級(jí)地震，觀測(cè)歷史不長(zhǎng)，直到“十五”末期才建立了由97個(gè)強(qiáng)震臺(tái)和50個(gè)烈度速報(bào)臺(tái)組成的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)。雖然新疆地震頻繁，也有不少可以研究的強(qiáng)震觀測(cè)記錄，但是針對(duì)新疆地區(qū)地震動(dòng)特性研究開(kāi)展的較少。新疆南天山地區(qū)隨著國(guó)家投入的增大已經(jīng)成為了新疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的核心區(qū)域，同時(shí)，南天山地區(qū)是新疆破壞性地震頻發(fā)區(qū)域[5]，2010年以來(lái)先后發(fā)生幾次6級(jí)以上破壞性地震，造成了房屋建筑與基礎(chǔ)設(shè)施的大量破壞。南天山地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造發(fā)育，場(chǎng)地條件復(fù)雜，許多城市或基礎(chǔ)設(shè)施距離活動(dòng)斷層很近或穿越斷層，顯然，如何提高工程設(shè)施的抗震能力、減輕地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是南天山地區(qū)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，研究和分析為抗震設(shè)防服務(wù)的南天山地區(qū)不同類別場(chǎng)地的地震動(dòng)特性具有重要意義。

1 南天山地區(qū)地質(zhì)概況

南天山地處塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊交界處，為烏拉爾—南天山造山帶在中國(guó)境內(nèi)的延伸，為一典型的古生代造山帶，是在塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊之間的一個(gè)開(kāi)闊洋盆演化而來(lái)的古生代碰撞帶，由南北兩條蛇綠巖及其周圍的陸緣巖系及古老結(jié)晶基底組成[6]。印度板塊和歐亞板塊的強(qiáng)烈碰撞，不但主導(dǎo)著青藏地區(qū)的現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是數(shù)千千米之外的天山地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一個(gè)主要力源。南天山及山前地帶發(fā)育多條近東西至北東向全新世逆沖活動(dòng)斷層，局部具有左旋走滑性質(zhì)。這些斷層大體呈平行展布，間距20～30 km[7]。

2 強(qiáng)震臺(tái)及強(qiáng)震記錄概況

新疆地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)固定臺(tái)建設(shè)始于1986年，為加強(qiáng)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力，“十五”期間技術(shù)人員在南天山西段、南天山中段和北天山中段強(qiáng)震監(jiān)視區(qū)新建97個(gè)強(qiáng)震動(dòng)數(shù)字化固定觀測(cè)臺(tái)，分布在全疆9個(gè)地、州、市，并在烏魯木齊市及周邊地區(qū)新建50個(gè)烈度速報(bào)臺(tái)，此時(shí)新疆維吾爾自治區(qū)地震局建立強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)部，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)步入數(shù)字化階段。

其中71個(gè)固定強(qiáng)震臺(tái)站架設(shè)在南天山西段和南天山中段(圖1)，主要分布在南疆5個(gè)地、州、市， 71個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站，全部配置ETNA型一體化數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)記錄儀。圖1為新疆強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖。

新疆強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)自2006年開(kāi)始運(yùn)行，已記錄到1 800多組強(qiáng)震動(dòng)記錄。本文選取南天山地區(qū)4級(jí)及以上地震113次和南天山71個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站的732組強(qiáng)震動(dòng)記錄，每組記錄包括東西向(EW分量)、南北向(NS分量)和垂直向(UD分量)的加速度記錄，共2 196條加速度記錄，來(lái)研究不同場(chǎng)地類別條件下南天山地區(qū)的地震動(dòng)特性。

圖1 新疆南天山地區(qū)固定強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖

為了較好的研究不同震級(jí)、場(chǎng)地類別及震中距對(duì)南天山地區(qū)地震特性的影響，將這732組強(qiáng)震動(dòng)記錄按照震級(jí)、場(chǎng)地類別和震中距進(jìn)行分組，數(shù)據(jù)分組以及分布見(jiàn)表1。臺(tái)站場(chǎng)地的分類按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.6條及場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果確定。

南天山71個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站里沒(méi)有在Ⅳ類場(chǎng)地上建造的臺(tái)站。在表1分類的基礎(chǔ)上，將用SeismoSignal軟件對(duì)強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄基線校正和濾波處理。

表1 強(qiáng)震數(shù)據(jù)分組

3 地震動(dòng)峰值加速度統(tǒng)計(jì)特性分析

地震動(dòng)的強(qiáng)度或振幅可以是泛指地震動(dòng)加速度、速度、位移幅值或其中的任何一個(gè)峰值(最大值)或某種意義的有效值。峰值加速度PGA很早就被看作是表示地震動(dòng)強(qiáng)弱的物理量，相應(yīng)的研究也最多[10]。

本文中針對(duì)挑選的732組強(qiáng)震動(dòng)記錄的三分量繪制了PGA隨場(chǎng)地條件變化的特征。圖2為在3種震級(jí)條件下，I類、II類及III類場(chǎng)地的三分量PGA均值及均方差隨震中距分布圖。由圖2可知，由于I類場(chǎng)地強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄不是很豐富，因此看不出PGA隨震中距的變化而變化的明顯規(guī)律；II類、III類場(chǎng)地的強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄比較豐富，因此，觀察圖3～4可發(fā)現(xiàn)，II類、III類場(chǎng)地的PGA都具有隨距離一致衰減的特點(diǎn)。

進(jìn)一步觀察圖2～4，當(dāng)震中距為0～20 km時(shí)，同類震級(jí)下，NS分量的PGA均值及均方差普遍比EW分量的大。由于南天山活動(dòng)構(gòu)造大多以EW向或NEE向展布，主壓應(yīng)力場(chǎng)以近NS向?yàn)橹鳎@表明場(chǎng)地條件和構(gòu)造環(huán)境對(duì)水平向不同分量的影響有不同的特點(diǎn)或規(guī)律差異影響顯著。

圖2 I類場(chǎng)地PGA隨震中距變化圖

圖3 II類場(chǎng)地PGA隨震中距變化圖

圖4 III類場(chǎng)地PGA隨震中距變化圖

4 地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜統(tǒng)計(jì)特性分析

隨著強(qiáng)震記錄的增多，統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果已經(jīng)表明[11]，垂直向與水平向分量加速度的譜比值在反應(yīng)譜不同周期范圍內(nèi)不是簡(jiǎn)單的常數(shù)，而是與震級(jí)、震中距、場(chǎng)地類別等因素相關(guān)的。由于本文中所采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于不同地震，因此，在分別計(jì)算每組強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄三個(gè)分量反應(yīng)譜的基礎(chǔ)上，為了讓其結(jié)果具有可比性，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，來(lái)考慮震級(jí)、震中距和場(chǎng)地類別對(duì)三分量反應(yīng)譜的影響。具體的歸一化方法是，將地震波的反應(yīng)譜除以最大加速度值，所得結(jié)果為放大倍數(shù)譜，稱之為β譜。

圖5～13為3種場(chǎng)地類別條件下的加速度譜隨震級(jí)和震中距的變化。由圖5～13可見(jiàn)，三分量頻譜曲線呈現(xiàn)出上升、平穩(wěn)、下降3個(gè)頻段。β譜平穩(wěn)段對(duì)應(yīng)的周期在本文中稱之為特征周期，下文用Ts來(lái)表示。研究表明，地震動(dòng)的主要能量集中于其反應(yīng)譜的平穩(wěn)段，因此，Ts作為本文譜分析的一種指標(biāo)來(lái)分析南天山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄β譜的特性。

觀察同類場(chǎng)地和震級(jí)條件下的β譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)，I類場(chǎng)地小、中、大震的記錄及II、III類場(chǎng)地小、中震的記錄，其EW分量與NS分量頻譜形狀上大致是一樣的，而其UD分量頻譜形狀與EW、NS分量有比較明顯的差異。具體來(lái)說(shuō)，豎向分量Ts總體上小于水平分量Ts，因?yàn)樨Q向地面運(yùn)動(dòng)中縱波含量要比水平向運(yùn)動(dòng)多，而縱波都含有比較多的高頻分量。進(jìn)一步觀察EW分量與NS分量頻譜，可以發(fā)現(xiàn)EW分量與NS分量之間也有較明顯的差異。這種差異與斷層機(jī)制、臺(tái)站與發(fā)震斷層的相對(duì)位置、斷層距等因素可能都有一定的關(guān)系?？v向比較I、II 、III類場(chǎng)地三分量Ts，可發(fā)現(xiàn)，隨場(chǎng)地依次變軟，水平向分量Ts逐漸增大；而垂直向分量Ts隨場(chǎng)地類別的變化規(guī)律不明顯，與場(chǎng)地類別的相關(guān)性與相比水平向Ts要小。橫向比較同類場(chǎng)地下的β譜曲線，隨震級(jí)的增大，Ts也逐漸增大。對(duì)此結(jié)論可以解釋為：震級(jí)越大，地面運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)周期的分量就越多。比較同類場(chǎng)地同類震級(jí)下的β譜曲線，可發(fā)現(xiàn)，Ts也隨震中距的變化而變化。普遍來(lái)說(shuō)，Ts隨震中距的增大而增大。由于I類場(chǎng)地小震和大震數(shù)據(jù)量較小，因此，從β譜曲線出發(fā)分析震級(jí)和震中距對(duì)β譜的影響具有局限性。然而，I類場(chǎng)地中震數(shù)據(jù)相對(duì)較多，從圖5～13可以看出，同類震中距下，震級(jí)的大小會(huì)影響Ts的長(zhǎng)短。這也能印證上述分析的可靠性。

5 地震動(dòng)加速度持時(shí)統(tǒng)計(jì)特性分析

在表1分類的基礎(chǔ)上，將用SeismoSignal得到的強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄70%能量持時(shí)。70%能量持時(shí)主要代表了能量集中釋放的持續(xù)時(shí)，即地震動(dòng)能量達(dá)到總能量10%開(kāi)始至達(dá)到總能量的80%結(jié)束所經(jīng)歷的時(shí)間[12]，來(lái)分別計(jì)算水平向和垂直向分量的均值與方差。圖14～16得出了持時(shí)在同類震級(jí)和場(chǎng)地條件下的，隨震中距變化的趨勢(shì)。由圖14～16可知，在II，III類場(chǎng)地條件下，場(chǎng)地類別對(duì)地震動(dòng)三分量的影響比較明顯。具體說(shuō)就是在同類震中距范圍內(nèi)，隨著場(chǎng)地依次變軟，水平向分量的平均持時(shí)會(huì)有些增大，與水平向分量平均持時(shí)相對(duì)應(yīng)的均方差也有增大的趨勢(shì)。垂直向分量的平均持時(shí)從總體來(lái)說(shuō)也是增大的，但不像水平向分量那樣有規(guī)律，其對(duì)應(yīng)的均方差在不同震中距范圍內(nèi)的變化規(guī)律也有明顯的不同。由于I類場(chǎng)地條件下的強(qiáng)震動(dòng)記錄較少，可能在同類震中距范圍內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)I類場(chǎng)地的地震動(dòng)持時(shí)大于II類場(chǎng)地的情況。再仔細(xì)觀察由圖14～16可知，震中距對(duì)地震動(dòng)三分量持時(shí)的影響很明顯。在同類震級(jí)和場(chǎng)地條件下，地震動(dòng)三分量的平均持時(shí)隨震中距的增大而增大；隨著震中距的繼續(xù)增大，反而，地震動(dòng)三分量的平均持時(shí)有減小的趨勢(shì)。具體說(shuō)，當(dāng)震中距小于150 km時(shí)，在同類震級(jí)和場(chǎng)地條件下，隨著震中距的增大地震動(dòng)三分量的平均持時(shí)會(huì)持續(xù)增大；在小震條件下，當(dāng)震中距大于150 km時(shí)，III類場(chǎng)地的地震動(dòng)平均持時(shí)開(kāi)始減??；在中震條件下，當(dāng)震中距大于150 km時(shí)，II類場(chǎng)地的地震動(dòng)平均持時(shí)開(kāi)始減小。然而，III類場(chǎng)地的地震動(dòng)平均持時(shí)，當(dāng)震中距大于200 km時(shí)才開(kāi)始減??；在大震條件下，當(dāng)震中距達(dá)到200 km以上時(shí)，II類場(chǎng)地與III類場(chǎng)地的地震動(dòng)平均持時(shí)才有變小的趨勢(shì)。

圖5 I類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)EW分量β譜

圖6 I類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)NS分量β譜

圖7 I類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)UD分量β譜

圖8 II類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)EW分量β譜

圖9 II類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)NS分量β譜

圖10 II類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)UD分量β譜

圖11 III類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)EW分量反應(yīng)譜β譜變化

圖12 III類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)NS分量反應(yīng)譜β譜變化

圖13 III類場(chǎng)地不同震級(jí)和震中距條件下地震動(dòng)UD分量反應(yīng)譜β譜變化

圖16 III類場(chǎng)地持時(shí)隨震中距變化圖

6 結(jié)論

本文中依據(jù)南天山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站記錄到的不同震中距和不同場(chǎng)地條件下的地震記錄，研究了地震動(dòng)三分量的PGA、β譜和持時(shí)的某些統(tǒng)計(jì)特性，結(jié)果表明：

(1) 南天山地區(qū)地震動(dòng)三分量PGA大體上隨震中距的變化而變化有著明顯規(guī)律，即大致符合已有的衰減關(guān)系。同類震級(jí)條件下同類別場(chǎng)地的PGA大小差距較大，這可能與地震波的傳播規(guī)律和特殊的地殼構(gòu)造有關(guān)。同類震級(jí)下，兩個(gè)水平向分量的PGA有著明顯的差別，說(shuō)明場(chǎng)地條件對(duì)水平向不同分量的PGA的影響有不同的特點(diǎn)或規(guī)律。

(2) 南天山地區(qū)的地震動(dòng)垂直向分量β譜Ts總體上小于水平向分量β譜Ts，因?yàn)榇怪毕虻孛孢\(yùn)動(dòng)中縱波含量要比水平向運(yùn)動(dòng)多，而縱波都含有比較多的高頻分量。斷層機(jī)制、臺(tái)站與發(fā)震斷層的相對(duì)位置、斷層距等因素會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)水平向分量地震動(dòng)β譜之間的明顯差異。隨場(chǎng)地依次變軟，水平向分量β譜Ts逐漸增大；而垂直向分量β譜Ts隨場(chǎng)地類別的變化規(guī)律不明顯。隨震級(jí)和震中距的增大，β譜Ts有逐漸增大的趨勢(shì)。

(3) 南天山地區(qū)場(chǎng)地類別對(duì)地震動(dòng)水平向分量的持時(shí)有一定的影響，隨著場(chǎng)地依次變軟，持時(shí)會(huì)有些增大，對(duì)于垂直向分量，則沒(méi)有明顯的規(guī)律。