王文才 楊曉鵬 蘇小蕓 陳麗君 王 燕 劉紅玫

1 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號(hào),730000 2 甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,蘭州市東崗西路450號(hào),730000

2020-07-12 06：38河北省唐山市古冶區(qū)(39.78°N, 118.44°E)發(fā)生5.1級(jí)地震，震源深度10 km，震中宏觀烈度為V度，京津冀靠近震中的地區(qū)震感強(qiáng)烈。震中位于華北平原地震帶與張家口-渤海地震帶交匯部位，距離唐山-古冶斷裂較近，是1976年唐山7.8級(jí)地震余震的主要分布區(qū)[1-2]。京津冀地區(qū)密集的強(qiáng)震動(dòng)和烈度速報(bào)臺(tái)捕獲到214組三分向加速度記錄，豐富的數(shù)據(jù)可為研究近、遠(yuǎn)場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)特征提供支持。由于有記錄的臺(tái)站多位于渤海灣盆地，而歷史震害調(diào)查和理論研究表明，受局部場(chǎng)地條件影響，地震時(shí)盆地內(nèi)建筑物的破壞程度往往更嚴(yán)重[3]。相對(duì)數(shù)值模擬和解析計(jì)算而言，由于數(shù)據(jù)來源于實(shí)際觀測(cè)，采用強(qiáng)震記錄進(jìn)行場(chǎng)地效應(yīng)研究的方法無需太多假設(shè)和復(fù)雜計(jì)算，其結(jié)果更具有真實(shí)性，因此利用地震記錄研究盆地厚軟土層等局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的影響具有重要意義，相關(guān)研究成果可為地震危險(xiǎn)性分析、場(chǎng)地放大效應(yīng)估計(jì)、盆地地震動(dòng)預(yù)測(cè)和盆地內(nèi)高層建筑的震害防御等提供參考。

1 地質(zhì)構(gòu)造與場(chǎng)地環(huán)境

本次唐山5.1級(jí)地震發(fā)生于華北平原凹陷帶與北部燕山褶皺帶的接觸部位，從周邊地質(zhì)構(gòu)造來看，唐山地區(qū)被NE向豐臺(tái)-野雞坨斷層(F1)、寧河-昌黎斷層(F2)及NW向?yàn)纯h-樂亭斷層(F3)、薊運(yùn)河斷層(F4)等4條深大斷層圍成菱形塊體，該塊體歷史上曾發(fā)生多次強(qiáng)震。而唐山斷裂帶位于該菱形塊體的對(duì)角線位置，由3條NE向子斷裂構(gòu)成，分別為唐山-陡河斷裂、巍山-長(zhǎng)山斷裂和唐山-古冶斷裂[4-5]，其中唐山-古冶斷裂(F5)為1976年唐山7.8級(jí)地震的發(fā)震斷層[5]。本次地震距唐山-古冶斷裂最近，被認(rèn)為是1976年唐山大地震老震區(qū)一次正常的地震起伏活動(dòng)，圖1為此次地震的震中位置、周邊斷層及觸發(fā)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站分布情況。

圖1 觸發(fā)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站分布

由圖1可知，記錄到本次地震的強(qiáng)震臺(tái)站大部分位于震中東南部的渤海灣盆地，少部分在西北部的太行山隆起和北部的燕山褶皺帶構(gòu)造單元內(nèi)。

2 強(qiáng)震動(dòng)記錄基本特征

本次唐山5.1級(jí)地震的強(qiáng)震記錄分布在距震中27.03～355.9 km范圍內(nèi)，其中50 km以內(nèi)有8組，50～100 km范圍內(nèi)有38組，100～150 km范圍內(nèi)有66組，150～200 km范圍內(nèi)有45組，其余則分布在200 km以外。雖然此次地震震級(jí)不高，但仍獲得中遠(yuǎn)場(chǎng)(R≥50 km)強(qiáng)震動(dòng)記錄206組，近場(chǎng)(R≤50 km)記錄僅有8組，這一方面與臺(tái)站分布不均、震中附近臺(tái)站較少有關(guān)，另一方面可能也與中遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的局部場(chǎng)地條件有關(guān)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，需對(duì)原始加速度記錄進(jìn)行基線校正和濾波等常規(guī)處理[6]，圖2為處理后的震中距50 km以內(nèi)8個(gè)臺(tái)站的三分向加速度時(shí)程，其中13YZH臺(tái)和13DOH臺(tái)為基巖場(chǎng)地臺(tái)，其余為土層臺(tái)。本次地震的最大峰值加速度(PGA)在13QTY臺(tái)(距震中27.81 km)處，EW、NS、UD向的PGA分別為-58.03 Gal、-61.39 Gal和61.41 Gal，13HSY臺(tái)次之，其余臺(tái)站PGA隨震中距的增大總體呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖2 典型記錄的加速度時(shí)程

利用計(jì)算的地震動(dòng)參數(shù)，采用克里金插值方法得到震中附近區(qū)域EW向和NS向的PGA等值線分布(圖3)。由圖3可見，NE向PGA等值線分布較離散，這主要是由臺(tái)站分布不均、缺少NE向記錄造成的。將圖3與地震烈度圖[7]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，烈度的極值分布在震中右下方，這與最大PGA分布情況一致。但烈度等震線長(zhǎng)軸呈NEE向，而PGA等值線長(zhǎng)軸呈NWW向分布，其原因一方面可能與發(fā)震斷裂為NE-SW向有關(guān)，通常震害(宏觀烈度)的展布方向與破裂帶走向一致，而垂直于斷層破裂面方向的地震動(dòng)參數(shù)大于平行方向符合近場(chǎng)地震動(dòng)的特征；另一方面則可能與局部場(chǎng)地條件有關(guān)，震中區(qū)深厚、松軟的土質(zhì)對(duì)地震動(dòng)的中、長(zhǎng)周期成分具有顯著的選擇放大作用，因此地震烈度更易受長(zhǎng)周期地震動(dòng)參數(shù)的影響，而PGA主要由地震動(dòng)的高頻成分(短周期)決定。

圖3 震中附近EW向和NS向PGA等值線

此外，由于地震烈度為宏觀綜合的震害描述，與地震動(dòng)參數(shù)、局部場(chǎng)地條件、建(構(gòu))筑物本身的工程特性和施工質(zhì)量等有關(guān)，而PGA只是影響宏觀烈度的因素之一，兩者存在一定的差別屬正?，F(xiàn)象。

3 近場(chǎng)加速度反應(yīng)譜和譜比

根據(jù)圖2距震中50 km以內(nèi)6個(gè)近場(chǎng)土層臺(tái)站(13HSY、13SZH、13QTY、13XGZ、13DXZ、13YJT)的加速度記錄，計(jì)算單自由度線彈性體系的加速度反應(yīng)譜，阻尼比取5%，并與《GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]設(shè)計(jì)譜進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4(a)和4(b)所示(圖中g(shù)代表重力加速度)。在繪制設(shè)計(jì)譜時(shí)，6個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地條件均取強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站選址建設(shè)時(shí)普遍采用的 Ⅱ 類場(chǎng)地；抗震設(shè)防烈度根據(jù)規(guī)范?、?，設(shè)計(jì)地震動(dòng)分組為第2組。從圖4(a)和4(b)可以看出，6個(gè)土層臺(tái)水平向和垂直向記錄的反應(yīng)譜峰值對(duì)應(yīng)周期主要集中在0.05～0.3 s，表明本次地震高頻成分占優(yōu)，這也符合中、小地震的頻率分布特征。由于6個(gè)臺(tái)站記錄的反應(yīng)譜幅值在多數(shù)周期范圍內(nèi)均遠(yuǎn)小于Ⅷ度多遇地震的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值，僅個(gè)別反應(yīng)譜在峰值處略大于Ⅷ度多遇地震的設(shè)計(jì)譜值，且反應(yīng)譜峰值周期普遍小于我國一般多層房屋的自振周期(0.2～1.2 s)，因此本次地震對(duì)該地區(qū)自振周期范圍內(nèi)的建筑破壞性較小。6個(gè)土層臺(tái)附近分布2個(gè)基巖臺(tái)站(13YZH、13DOH)，圖4(c)和4(d)為其水平向和垂直向反應(yīng)譜。

圖4 近場(chǎng)6個(gè)土層臺(tái)和2個(gè)基巖臺(tái)反應(yīng)譜

為了說明近場(chǎng)臺(tái)站反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)特性，分別計(jì)算6個(gè)土層臺(tái)和2個(gè)基巖臺(tái)水平向和垂直向反應(yīng)譜的平均值，結(jié)果如圖5(a)所示。從圖中可以看出，土層臺(tái)水平向反應(yīng)譜遠(yuǎn)大于垂直向，基巖臺(tái)水平向反應(yīng)譜和垂直向相當(dāng)，土層臺(tái)垂直向反應(yīng)譜平均值與基巖臺(tái)相近。采用傳統(tǒng)譜比法計(jì)算土層臺(tái)與基巖臺(tái)反應(yīng)譜幅值之比隨周期的變化情況，結(jié)果如圖5(b)所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于2個(gè)基巖臺(tái)而言，近場(chǎng)內(nèi)6個(gè)土層臺(tái)對(duì)水平向反應(yīng)譜的放大作用比對(duì)垂直向的放大作用更明顯。在垂直向，土層臺(tái)與基巖臺(tái)記錄的譜比值在1～2范圍內(nèi)波動(dòng)；在水平向，0.1～2.0 s周期范圍內(nèi)土層臺(tái)與基巖臺(tái)記錄的譜比值大于2.0，且在0.6 s處譜比曲線達(dá)到峰值4.0。

圖5 土層臺(tái)和基巖臺(tái)反應(yīng)譜比較

4 地震動(dòng)衰減與局部場(chǎng)地影響

研究地震動(dòng)衰減關(guān)系在場(chǎng)地安全評(píng)價(jià)、地震小區(qū)劃分及地震動(dòng)模擬等方面具有重要作用。本文通過計(jì)算觀測(cè)臺(tái)站實(shí)際記錄的峰值加速度(PGA)和譜加速度(PSA)，與國內(nèi)常用的預(yù)測(cè)方程進(jìn)行比較，探究本次地震的地震動(dòng)衰減特征。該研究不僅可檢驗(yàn)已有衰減關(guān)系的適用性，也可為發(fā)現(xiàn)地震動(dòng)的區(qū)域特征提供途徑。由于現(xiàn)有地震動(dòng)預(yù)測(cè)模型多基于基巖場(chǎng)地建立，為便于比較，本文均采用基巖地震動(dòng)峰值加速度和譜加速度衰減方程進(jìn)行分析。

由圖6(a)峰值加速度隨震中距的衰減曲線可知，相對(duì)而言，基于俞言祥等[9]和田利等[10]建立的基巖場(chǎng)地地震動(dòng)衰減關(guān)系計(jì)算的PGA預(yù)測(cè)值與此次地震基巖臺(tái)站觀測(cè)值吻合較好，能較好地反映此次地震的PGA衰減規(guī)律，而其他2種預(yù)測(cè)曲線[11-12]與實(shí)際觀測(cè)值離散性較大。圖6(b)和6(c)分別為T=0.2 s和T=2.0 s對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜觀測(cè)值隨震中距的變化曲線，可以看出，T=0.2 s時(shí)基巖臺(tái)站觀測(cè)的譜加速度值均勻分布在衰減關(guān)系曲線兩側(cè)，即俞言祥等[9]和田利等[10]建立的中國東部地區(qū)基巖場(chǎng)地衰減關(guān)系能較好地反映T=0.2 s時(shí)基巖場(chǎng)地譜加速度觀測(cè)值的衰減規(guī)律。對(duì)于T=2.0 s時(shí)的基巖臺(tái)觀測(cè)值而言，田利等[10]計(jì)算的預(yù)測(cè)值與其較一致，而俞言祥等[9]計(jì)算的預(yù)測(cè)值與基巖臺(tái)觀測(cè)值離散性較大?？傮w來看，田利等[10]建立的衰減關(guān)系能更好地反映本次地震各頻率成分對(duì)加速度反應(yīng)譜的影響。由圖6(a)～6(c)可以看出，無論是PGA還是PSA(T=0.2 s，T=2.0 s)，土層臺(tái)的觀測(cè)值普遍大于基巖場(chǎng)地地震動(dòng)預(yù)測(cè)值，說明土層對(duì)地震動(dòng)具有一定的放大作用，但對(duì)地震動(dòng)各頻率成分的放大程度存在差異。為定量分析，首先計(jì)算譜加速度觀測(cè)值相對(duì)于田利等[10]建立的衰減模型預(yù)測(cè)值的歸一化殘差，然后分別計(jì)算震中距為0～50 km、50～150 km、大于等于150 km臺(tái)站歸一化殘差的平均值，結(jié)果如圖6(d)～6(f)所示。可以看出，震中距為50～150 km土層臺(tái)記錄的地震動(dòng)幅值較其他空間范圍更大，且不同周期譜加速度的歸一化殘差存在eT=2.0 s≈2eT=0.2 s≈5ePGA的關(guān)系；而遠(yuǎn)場(chǎng)土層臺(tái)的記錄相對(duì)基巖臺(tái)具有放大作用，但放大倍數(shù)較小，說明中場(chǎng)對(duì)地震動(dòng)長(zhǎng)周期成分的放大作用更顯著，這可能與中場(chǎng)臺(tái)站的局部場(chǎng)地條件有關(guān)。

圖6 譜加速度和歸一化殘差隨震中距的變化

5 加速度反應(yīng)譜空間展布

圖7為T=0.2 s和T=2.0 s對(duì)應(yīng)的PSA等值線，從圖中可以看出，PSA等值線與PGA等值線(圖3)存在很大差異，表現(xiàn)為地震動(dòng)影響場(chǎng)具有向震中西南側(cè)延展的趨勢(shì)，尤其是T=2.0 s對(duì)應(yīng)的PSA等值線更為顯著，其極大值區(qū)域移至西南側(cè)距離震中約50～150 km范圍內(nèi)。由于臺(tái)站記錄的地震動(dòng)主要受震源、傳播路徑和局部場(chǎng)地條件影響，而本次地震的震級(jí)較小，震源影響半徑有限，震中西南側(cè)臺(tái)站的地震動(dòng)傳播路徑相似，可認(rèn)為地震動(dòng)長(zhǎng)周期加速度反應(yīng)譜的放大作用主要受局部場(chǎng)地條件影響。由于震中西南側(cè)渤海灣盆地沉積層較北部燕山褶皺帶和西北部太行山隆起區(qū)的厚，區(qū)域平均厚度約為4 km，冀中凹陷帶北部部分地區(qū)沉積層厚度甚至達(dá)到6 km[13-14]，因此本次地震的加速度反應(yīng)譜長(zhǎng)周期成分被顯著放大、造成地震動(dòng)影響場(chǎng)向西南方向延展的局部場(chǎng)地條件主要為渤海灣盆地深厚的沉積層。

圖7 T=0.2 s和T=2.0 s譜加速度的空間分布

6 結(jié) 語

基于2020-07-12河北省唐山市古冶區(qū)5.1級(jí)地震的加速度記錄，從地震動(dòng)幅值、衰減關(guān)系、反應(yīng)譜、場(chǎng)地效應(yīng)等方面研究本次地震的基本特征，得到以下結(jié)論：

1)通過分析強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站數(shù)量隨震中距的分布關(guān)系發(fā)現(xiàn)，本次地震震級(jí)較小，但有記錄的臺(tái)站較多，主要分布在震中距大于50 km的中遠(yuǎn)場(chǎng)。將峰值加速度等值線與震后調(diào)查烈度圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者存在一定差異，但宏觀震中位置基本相同。

2)通過比較近場(chǎng)6個(gè)土層臺(tái)反應(yīng)譜與當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防反應(yīng)譜發(fā)現(xiàn)，部分土層臺(tái)的譜加速度峰值略大于Ⅷ度多遇地震的設(shè)計(jì)譜，但其作用周期范圍小，且低于當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)房屋的自振周期，因此對(duì)臺(tái)站附近構(gòu)筑物的影響較小。通過比較近場(chǎng)6個(gè)土層臺(tái)和2個(gè)基巖臺(tái)的平均反應(yīng)譜發(fā)現(xiàn)，對(duì)于基巖參考場(chǎng)地，震中附近軟弱地基和深厚覆蓋層對(duì)加速度反應(yīng)譜具有顯著放大作用，且水平向放大值總體在2.0以上，在周期為0.6 s附近可達(dá)到4.0。

3)相對(duì)而言，田利等[10]建立的東部地區(qū)基巖地震動(dòng)反應(yīng)譜衰減關(guān)系能更好地反映本次地震基巖場(chǎng)地PGA、PSA(T=0.2 s)、PSA(T=2.0 s)的地震動(dòng)影響場(chǎng)。歸一化殘差平均值計(jì)算結(jié)果表明，震中距為50～150 km的中場(chǎng)臺(tái)站局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的放大作用最顯著，且放大部分主要為地震動(dòng)長(zhǎng)周期成分。

4)震中西南側(cè)渤海灣盆地的沉積層厚度較北部燕山褶皺帶和西北部太行山隆起厚，對(duì)地震動(dòng)具有放大作用，尤其對(duì)地震動(dòng)長(zhǎng)周期成分的放大作用更顯著，這也是本次地震中遠(yuǎn)場(chǎng)地臺(tái)站獲取記錄較多的主要原因。

致謝:中國地震局工程力學(xué)研究所國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心為本研究提供原始強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，河北省地震局、天津市地震局、北京市地震局強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)人員在數(shù)據(jù)收集整理過程中付出辛勤勞動(dòng)，在此一并表示感謝。