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探究湖北应城M4.9地震动场的分布特征
摘要：对2019-12-26湖北应城M4.9地震的强震加速度记录进行基线校正和滤波处理,分析地震动场的分布特征。结果表明,此次地震记录的峰值加速度(PGA)随距离衰减较快;场地效应、上盘效应和破裂方向性效应共同导致地震动产生巨大差异。对应城地震台的强震记录进行旋转,其顺断层方向记录与垂直断层向和垂直向记录差异明显,存在一段周期约为0.3s的类简谐强震动,与以走滑为主的震源机制相吻合。
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2019-12-2618:36湖北省孝感市应城县发生M4.9地震(震中位置30.87°N、113.40°E),震源深度10km,这是自1630年以来当地发生的最大地震。震中附近的区域性断裂为NNW向皂市断裂和NEE向潜北断裂,震中距2条断裂的交汇处约6km(图1)。此次地震的震源机制解为:断层节面Ⅰ走向为54.7°、倾角为74.2°、滑动角为142.7°;节面Ⅱ走向为156.3°、倾角为54.4°、滑动角为19.5°。初步判断节面Ⅱ为发震破裂面,此次地震为一次以走滑为主的事件,与皂市断裂的活动具有一定关系[1]。
武汉城市圈地震预警与烈度速报示范工程的强震动观测台网在此次地震中获取了50余组三分量加速度记录,本文选取距离震中200km范围内34组强震记录作为基础资料,对记录进行基线校正和滤波等常规处理,分析地震动场的分布特征,研究衰减特性、场地效应、上盘效应和破裂方向性效应对地震动场的影响。强震台站分布见图1。
图1强震台站分布
1、衰减特性
本文选取的地震记录震中距小于200km,均为土层自由场地记录,因缺乏场地勘测资料而无法对场地条件进行进一步分类。图2为本次地震地面运动PGA随震中距的衰减关系及其与中国地震动参数区划图编制的该地区采用的地震动衰减关系[2]和中国川滇地区地震动衰减关系[3]的对比,本文采用土层场地的衰减关系用于对比。从图2可以看出,水平向PGA的观测值与区划图的衰减关系基本一致,但观测值均来源于土层台站,而区划图的衰减关系是基于基岩场地条件而建立,这也说明观测值与经验预测公式相比整体上略偏小。观测值与川滇地区的衰减曲线相比呈明显差异:近场观测值明显高于衰减曲线,震中距20～50km范围内则较一致;远场观测值更低。
与经验衰减曲线对比可知,PGA观测值表现出近场高、远场低的特性,与震源浅具有直接关系。影响地震动大小的因素十分复杂,我国常用的地震动预测公式只考虑到震级和距离因素[2],存在一定局限性。如图2中震中距约50km的观测值最小为3cm/s2,最大为30cm/s2,相差10倍。
图2观测与预测地震动衰减特性对比
虚线为喻畑等[3]分析川滇地区中小地震的地震动衰减关系结论
2、场地效应
图3马口台与烟店台加速度反应谱及H/V对比
局部场地条件会对地震动产生重要影响。目前对场地地震效应的研究多为先按场地分类,对震级、震中距进行归档[4,5],或直接按加速度分类[6],然后比较不同场地的平均地震动反应谱,但该类统计方法在研究场地效应时会混入震源和传播介质的影响。如果采用同一次地震中相距较近的不同场地的强震记录,则可以忽略震源因素和传播介质的影响[7],但该条件一般难以满足。本文选用的数据均为土层台站记录,根据地形地貌(图1)可对场地条件进行初步分类:一类为江汉平原内部台站,如马口台、道桥台等;另一类为低岗丘陵区域台站,如烟店台、小悟台等。考虑距离因素,本文选用马口台和烟店台记录进行对比分析,其中马口台距震中53.4km,烟店台距震中53.8km。图3为2个台站记录的水平向5%阻尼比的加速度反应谱,从图中可以看出,距离相近的2个台站水平向记录的加速度反应谱相差较大。对于烟店台,反应谱在0.15s附近达到峰值并与马口台记录接近,然后随周期迅速衰减;马口台反应谱高频段上升较为平缓,但在0.3～0.7s段出现明显放大,导致在0.6s处两者比值超过30,相比PGA之间5倍的差异又放大6倍。
为分析此现象是否由场地效应引起,采用温瑞智等[8]基于谱比法的中国强震台站场地分类方法。首先对强震记录采用Butterworth非因果滤波消除噪声,带通频率为0.25～25Hz,确保在周期段0.05～3.00s有效;然后计算三分量记录的5%阻尼比速度反应谱值,并按式(1)计算谱比:
H/V=EW×NS√UD (1)
式中,EW、NS、UD分别为东西、南北、垂直方向记录的5%阻尼比速度反应谱值;H/V为水平向与垂直向的谱比。图3为马口台与烟店台H/V曲线,从图中可以看出,烟店台谱比曲线峰值出现在0.17s附近,幅值接近4,具有Ⅱ类场地特征,而谱比曲线幅值绝大部分小于2,类似Ⅰ类场地。因此推断,烟店台场地类型为Ⅰ1类,即基岩上覆盖薄残积土层,谱比曲线在0.17s附近出现的波峰为薄残积土层对高频地震动的放大效应。马口台谱比曲线呈现明显的“双波峰”现象,为Ⅲ、Ⅳ类场地特征,幅值约为6,远高于以往研究中Ⅲ类场地的统计值3[8],故推测马口台场地类型为Ⅳ类。由此可见,场地条件对地震动幅频特征具有重要影响,在工程建设前期应做好场地勘测工作,科学评估场地的地震效应。
3、方向性效应
断层破裂的方向性效应可用多普勒效应来解释。当断层面上的破裂朝某个观测点传播,且破裂的速度与岩体的剪切波速相当时,断层面上先后破裂点的能量辐射几乎同时到达该观测点,导致地震动峰值增大、持时缩短;而破裂方向后方观测点的特征则相反,地震动时间过程相对平缓且持时变长。向前的方向性效应为引起地震动速度脉冲的主要原因之一,这种速度脉冲对长周期结构的地震响应具有重要影响[9]。
根据图1在上盘沿断层展布方向选择烟店台、李店台、义堂台为一组观测点,选择道桥台、城隍台、马口台为另一组观测点,郎君台因位于中性区而被剔除。理论上,方向性效应在垂直断层方向记录上的表现应最为明显,但由于这2组观测点的场地条件存在明显不同,方向性效应和场地效应均导致水平向地震动存在差异。一般来说,地震动垂直向分量受场地的影响程度远小于水平向分量,因此本文采用垂直向记录进行分析,以减少场地效应的影响。图4为2组观测点垂直向加速度时程曲线,其中左图为震中以南的观测点曲线,右图为震中以北的观测点曲线,图中D为震中距。从图4可以看出,左图S波峰值高、衰减快,右图S波峰值小、时间过程较平稳,持续时间长。初步认为,震中以南为断层破裂方向前方,震中以北为后方,该结论有待震源破裂过程反演后进行验证。通过积分获取2组观测点的速度时程,结果表明,并未观测到速度大脉冲,可能与震级(破裂面)较小有关。
图4断层破裂前方(左图)和后方(右图)记录的UD分量波形
4、上盘效应
断层的上盘效应为近断层地震动的一个显著特征。地震工程领域普遍认为,与地表断层线距离相同的上盘场地实际上比下盘场地更接近发震断层面,因而上盘场地的地震动更强。地震波在地表与断层面之间的多次反射也可能会放大上盘场地的地震动[10],本文选择距离断层较近且距离大致相当的几组强震记录来分析本次地震的上盘效应。由图1可知,小板台、干驿台、岳口台、回龙台位于断层下盘,郎君台、道桥台、城隍台、马口台等位于断层上盘。考虑场地效应可能带来的影响,剔除郎君台后剩余台站均位于江汉平原内部,所选台站均位于破裂方向前方,因此可不考虑方向性效应带来的耦合影响。图5为上盘和下盘台站记录的水平向PGA与震中距的关系,从图中可以看出,上盘记录的PGA明显高于下盘。采用最小二乘法分别拟合上盘和下盘PGA随距离的衰减趋势(图5中虚线),结果表明,下盘记录的PGA衰减更快,这与其他地震的观测结果一致[11,12]。
图5断层上盘和下盘场地记录水平向PGA对比
5、近断层记录特征
在强震台网中,应城地震台距皂市断层地表迹线小于500m(图1),在此次地震中捕获到重要的强震记录。为更加直观地分析地震记录与震源破裂的关系,将水平向分量进行旋转,使其方向与断层走向一致。具体来说,先将东西向与南北向记录在平面内合成矢量,再投影到顺断层走向方向和垂直断层走向方向,旋转后的三分量记录时程曲线及加速度反应谱曲线如图6(5%阻尼比)所示。由于离震源较近,垂直向分量P波与S波的幅值接近,其中S波幅值与水平方向相当。同时,顺断层走向方向记录的S波在峰值后存在一段持续约2.5s的类简谐强震动,而在该时段内垂直断层走向方向和垂直向震动迅速衰减。从频域角度分析,加速度反应谱在0.3s附近存在明显差异,顺断层走向方向和垂直断层走向方向的反应谱明显高于垂直向,而顺断层走向方向的反应谱约为垂直断层走向方向的2倍,这与以走滑为主兼逆冲的震源机制相吻合[1]。
图6应城台加速度记录波形及反应谱
6、结语
基于2019-12-26湖北应城M4.9地震获取的强震记录,从地震动幅值、时间过程和频谱等方面分析不同台站强震记录的差异及形成原因,得到以下结论:
1)与经验预测公式相比,此次地震PGA近场偏高而远场偏低,呈现衰减快的特征,与震级较小和震源浅具有一定关系。
2)地震发生在低岗丘陵地形与江汉平原的过渡带,江汉平原沉积层较厚,对地震动的放大作用十分明显。以马口台为例,根据H/V谱比法推测其场地类型为Ⅳ类。
3)近断层区域,震中以南加速度S波幅值高、波峰明显,而震中以北加速度S波幅值小、时间过程较平稳,持续时间长。初步推测震中以南为断层破裂方向前方,震中以北为后方。
4)此次地震的地震动场存在较明显的上盘效应,上盘场地PGA显著高于下盘,且随距离衰减较慢。
参考文献：
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基金:中国地震局地震研究所基本科研业务费和中国地震局地壳应力研究所基本科研业务费专项(IS201916294).
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期刊名称：大地测量与地球动力学
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主管单位：中国地震局
主办单位：中国地震局地震研究所,地壳运动监测工程研究中心
出版地方：湖北
专业分类：科学
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