王維歡,王文才,尹欣欣,陳繼鋒,陳曉龍

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定,北京時間2021年5月22日2時4分,在青海省果洛州瑪多縣境內(nèi)(34.59°N,98.34°E)發(fā)生7.4級地震,震源深度17 km。這是繼汶川8.0級地震后巴顏喀拉塊體上發(fā)生的最大一次地震,發(fā)震斷裂為昆侖山口—江錯斷裂,微觀震中位于瑪多縣黃河鄉(xiāng),宏觀震中位于瑪多縣瑪查理鎮(zhèn)。地震造成瑪多縣多人受傷,玉共高速野馬灘大橋坍塌,花久高速昌麻河大橋坍塌,多處國、省干線公路嚴重受損、變形或隆起,西寧、蘭州、成都等地有較強震感。中國數(shù)字化強震動觀測網(wǎng)絡在該地區(qū)布設(shè)的16個強震動野外觀測站在主震中捕獲到了48條三分向加速度波形數(shù)據(jù)[1-3],這些數(shù)據(jù)對抗震救災、災害損失評估、地震波傳播路徑和過程機理研究、建筑結(jié)構(gòu)抗震研究等具有重要意義。本文基于這些波形數(shù)據(jù),從地面運動的幅值、衰減規(guī)律、反應譜等方面分析此次地震引起的地面運動的基本特性,旨在為地質(zhì)災害評估、災后重建和地震動預測等提供參考。

1 地質(zhì)構(gòu)造與場地環(huán)境

瑪多7.4級地震發(fā)生于青海省中南部的高平原區(qū)與巴顏喀拉褶皺帶的交匯地帶,地處青藏構(gòu)造系與巴顏喀拉—松潘弧形構(gòu)造帶的結(jié)合部位。該區(qū)主要的構(gòu)造斷裂有瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯斷裂和達日斷裂,根據(jù)余震精定位和震源機制反演結(jié)果初步確定昆侖山口—江錯斷裂為此次地震的發(fā)震斷裂[4-6]。此次地震余震的空間分布長度達170 km,形成約70 km的地表破裂,造成兩處高速公路橋梁塌陷,多地出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象,少數(shù)人員受傷。圖1為此次地震的主震位置、強震動記錄臺站和斷層分布情況。由圖1可見,16個野外強震臺站分布在距震中175.2～448.4 km的范圍內(nèi),其中震中距200 km內(nèi)的臺站有3個,200～300 km內(nèi)的臺站有4個,其余臺站的震中距大于300 km。

圖1 觸發(fā)強震動臺站分布圖Fig.1 Distribution of strong motion stations

2 強震數(shù)據(jù)處理

在進行分析前需要對獲取的強震動記錄進行必要的處理:首先對地震前20 s數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合確定基線,并據(jù)此對原始加速度波形進行基線調(diào)整,以消除零線偏移對時程曲線的影響[7],然后用4階截至頻率為0.05 Hz的Buttworth高通濾波器濾波,消除低頻干擾信號,給出各臺站基礎(chǔ)信息與地面運動參數(shù)如表1所列[8]。由表1可知,距震中175.2 km的大武臺(63DAW)記錄的幅值最大,其EW、NS、UD向的加速度峰值分別為46.9 cm/s2、40.6 cm/s2、-19.1 cm/s2,速度峰值分別為3.9 cm/s、-7.3 cm/s、3.1 cm/s。圖2為經(jīng)基線校正后63DAW臺的三分向加速度和速度時程曲線,其中NS向的地震動速度波形具有長周期分量豐富的特征。矩心矩張量反演結(jié)果表明[6],此次地震是發(fā)生在近乎直立的斷層面上的一次走滑事件,發(fā)震斷裂的走向為281°,大體呈EW走向,地表破裂長達70 km,破裂的前向方向性效應可能是沿斷層走向上地面運動長周期速度卓越的主要原因。以往的研究表明,長周期分量豐富的地震動對中、長周期結(jié)構(gòu)(如大跨橋梁、減震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)等)可能會產(chǎn)生嚴重的破壞作用[9-10]。

表1 強震動記錄相關(guān)參數(shù)[8]Table 1 Some related parameters of strong motion records[8]

圖2 63DAW臺加速度和速度時程曲線Fig.2 The acceleration and velocity time-history curves of 63DAW station

3 加速度反應譜特征

從工程應用方面考慮,反應譜是最重要的強震地面運動參數(shù)之一。利用震中距最小、幅值最大的6個典型臺站(63DAW、63NMH、63XIH、63DUL、63TGM和63DGL)捕獲的強震記錄,計算5%阻尼比對應的單自由度線彈性體系加速度反應譜(圖3)。將距震中最近、幅值最大的63DAW臺的反應譜與我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)[11]規(guī)定的該地區(qū)抗震設(shè)計譜進行比較。工程鉆探資料顯示,63DAW強震臺建于中硬土上,屬于Ⅱ類場地,設(shè)計地震動采用第三組分組,該地區(qū)設(shè)防標準為Ⅶ度設(shè)防。由于現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)將反應譜的使用范圍延長到了6 s,因此與設(shè)計譜比較時63DAW臺反應譜的上限周期取6 s。目前普遍使用的數(shù)字化強震儀能夠保障10 s以內(nèi)觀測的反應譜精度,為考察此次地震對長周期建筑結(jié)構(gòu)的影響,對其余5個臺站進行反應譜計算時統(tǒng)一將上限周期設(shè)置為10 s。

圖3 觀測記錄的反應譜與設(shè)計譜比較Fig.3 Comparison of design spectrum and response spectrum of observation records

由圖3可知:(1)在0.05～0.4 s的平臺周期內(nèi),63DAW臺NS向和EW向記錄的譜加速度均為“單峰”型,反應譜峰值遠大于7度多遇地震的設(shè)計譜值,但小于7度設(shè)防地震的設(shè)計譜。說明地震動經(jīng)傳播介質(zhì)到達距震中175.2 km的63DAW臺附近時,從峰值幅度看已不足以對當?shù)貪M足抗震設(shè)防要求的建筑物構(gòu)成嚴重威脅。(2)根據(jù)我國《住宅設(shè)計規(guī)范》(GB 50096-2011)[12],當?shù)刂行〕擎?zhèn)主要建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率為1～3 Hz,對應自振周期為0.3～1 s,而63DAW臺記錄的此次地震譜加速度峰值周期主要集中在0.05～0.3 s,因此從作用周期范圍看,本次地震對63DAW臺附近Ⅶ度設(shè)防建筑物的影響也較小。(3)在0.4～6.0 s自振周期內(nèi),63DAW臺NS向的譜加速度值大于7度多遇地震的設(shè)計值,其余5個臺站的反應譜值曲線在大于1 s的中長周期部分也同樣存在較強的起伏變化,雖然反應譜幅值只有十幾gal,但相對平臺周期的幅值而言卻是不容忽視的,尤其是63NMH(R=186.8 km)、63DUL(R=191.1 km)和63DGL(R=312.1 km)臺單分向長周期部分對應的反應譜值甚至大于其平臺周期的反應譜幅值。造成這種現(xiàn)象的原因與記錄臺站距離震中均較遠,地震動隨距離高頻(短周期)成分衰減快、低頻(長周期)成分衰減慢有關(guān),還可能與震源參數(shù),尤其是觀測站所處的場地條件有關(guān)。由于缺乏近場強震動記錄,假設(shè)局部場地條件是影響上述反應譜特征的主要因素,那么近場類似場地上的反應譜可能也會有類似形狀,而幅值遠大于遠場的反應譜值,這對自振周期較長的大壩、橋梁、輸電線—塔系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生嚴重破壞影響。

4 地震動衰減關(guān)系

地震動在地殼介質(zhì)中傳播時隨距離的增加其能量不斷衰減,受到斷層破裂方式和傳播介質(zhì)各向異性的影響,地震動的衰減規(guī)律呈現(xiàn)出不同的特性。目前學者多采用式(1)作為地震動衰減模型,并基于不同強震動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸以確定相應的系數(shù):

ln(Y)=c1+c2M+c3M2+c4lg(R+c5ec6M)

(1)

式中:Y表示地震動參數(shù)(PGA、PGV、PSA等);M表示震級;R為震中距;ci為回歸系數(shù)。

將本次地震中觀測到的峰值加速度與各周期譜加速度按式(2)計算水平向幾何平均,并與霍俊榮等(1992)地震動衰減模型[13]、俞言祥(2006)建立的中國西部地區(qū)基巖場地衰減關(guān)系[14]、以及俞言祥等(2013)第五代區(qū)劃圖中青藏地區(qū)的衰減關(guān)系進行比較[15],結(jié)果如圖4所示。

(2)

式中:PGAH表示水平向合成的峰值加速度;PGAEW和PGANS分別表示EW向和NS向的峰值加速度。

由圖4可知:(1)63DAW臺的加速度峰值明顯高于震中距相近的63XIH、63DUL臺,也大于幾種常見的基巖場地衰減模型的預測值;(2)兩個基巖臺(63DLH、63TOR)的PGA和PSA(T=0.2 s、T=1.0 s、T=2.0 s)觀測值普遍小于同等震中距土層臺的幅值,說明地表覆蓋土層對地震動有放大作用;(3)300 km內(nèi)觀測的PGV值整體位于霍俊榮基巖場地預測曲線之上,但當震中距大于300 km時觀測值普遍低于該預測曲線,說明PGV在遠場衰減較快;(4)從不同周期譜加速度值PSA(T=0.2 s、T=1.0 s、T=2.0 s、T=5.0 s)與俞言祥(2006)預測曲線的比較結(jié)果可以看出,隨自振周期的增加,位于俞言祥(2006)預測曲線上方的離散點個數(shù)有逐漸增加的趨勢,說明了此次地震中長周期分量(低頻成分)卓越的特性。

圖4 觀測值與常用衰減關(guān)系對比Fig.4 Comparison of observed values and some commonly used GMPE

5 強震動與橋梁震害討論

野馬灘1號大橋位于玉共高速野馬灘段,采用上下行分離設(shè)計,單幅橋包括28跨。根據(jù)地震現(xiàn)場科學考察結(jié)果,此次地震造成該橋下行線落梁18跨,上行線落梁19跨,所有落梁跨均為南側(cè)落于地面,北側(cè)支撐于橋墩,立面呈傾斜狀態(tài),如圖5所示?，F(xiàn)場震害調(diào)查認為導致此次地震中連續(xù)多跨主梁落梁的直接原因是全部主梁向北的大位移[16]。為證明此觀點,繪制出63DAW臺NW向的加速度-位移反應譜(Sa-Sd)曲線于圖6。從圖6可以看出,63DAW臺記錄的加速度反應譜在長周期部分的幅值較小,但位移反應譜幅值卻較大,5 s對應的Sd為17 cm,10 s對應的Sd為42 cm。由于63DAW臺距震中較遠,推測靠近斷層破裂區(qū)域的長周期結(jié)構(gòu)的地震響應位移更大,對橋梁、大壩、輸電線-塔系統(tǒng)等長周期結(jié)構(gòu)更可能產(chǎn)生嚴重影響,這與現(xiàn)場科學考察的結(jié)果一致。

圖5 野馬灘大橋落梁震害Fig.5 Earthquake damage of the YMT bridge

圖6 63DAW臺Sa-Sd曲線Fig.6 Sa-Sd curves of 63DAW station

6 結(jié)論

基于中國數(shù)字化強震動觀測網(wǎng)絡在2021年青?，敹?.4級地震中捕獲的加速度記錄,從強震數(shù)據(jù)處理、地面運動幅值、反應譜、衰減關(guān)系等方面研究了此次地震的基本特征,并得到如下結(jié)論:

(1)震情重、傷亡輕是此次地震的一個基本特征,主要是由于地震發(fā)生在人煙稀少的高海拔地區(qū)。

(2)強震動觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示,63DAW臺NS向的地震動速度波形表現(xiàn)出明顯的長周期分量卓越的特性,根據(jù)以往的研究結(jié)果,這可能會對附近的中、長周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較嚴重的影響。

(3)63DAW臺記錄的UD向譜加速度峰值在平臺周期內(nèi)低于7度設(shè)防地震的反應譜值,其作用周期范圍也低于當?shù)爻擎?zhèn)房屋的自振周期,因此對63DAW臺附近自振周期較短的建筑物影響較小。

(4)無論從各典型臺站的反應譜值還是不同周期譜加速度的衰減規(guī)律來看,此次地震長周期分量卓越。

(5)由63DAW臺的Sa-Sd曲線可以看出,震中區(qū)域長周期結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的震害,如大跨橋梁落梁、坍塌,輸電線-桿-塔系統(tǒng)傾斜嚴重等,可能與長周期結(jié)構(gòu)NS向地震反應位移過大有關(guān)。

致謝:中國地震局工程力學研究所為本研究提供了數(shù)據(jù)支持,青海省地震局強震動觀測人員在數(shù)據(jù)的收集整理過程中付出了辛勤的勞動,在此一并表示感謝！