唐山豐南M4.1級地震強震記錄分析1

冉志杰 楊歧焱 周月玲 孫麗娜 呂國軍 孟立朋 范 強 彭遠黔

（河北省地震局，石家莊 050022）

引言

唐山老震區位于河北平原地震構造帶上，斷裂構造發育，地震活動頻繁，1976年 7月28日唐山7.8級地震就發生在該地區（梅世蓉等，1982）。近年來唐山地區中小地震活躍，2010年4月9日18時52分在唐山市豐南區發生了4.1級地震，北京、天津等地有明顯震感。地震發生后，津冀地區獲取了多個臺站強震記錄，本文對此次地震的強震記錄進行分析。

1 地震參數

據河北省地震臺網測定，2010年4月9日18時52分在唐山市豐南區發生4.1級地震，震中位置為：北緯39.47°，東經118.06°，震源深度13km。

2 發震構造背景

唐山老震區周圍被 4條斷裂圍限，其南界是寧河-昌黎斷裂，北界是榛子鎮（豐臺鎮-野雞坨）斷裂，二者走向都是北東東向；東界是灤縣-樂亭斷裂，西界是薊運河斷裂，二者走向均呈北西向（虢順民等，1977）。唐山地震及余震主要沿上述斷裂所控制區域內的唐山斷裂帶分布（圖1）。

唐山斷裂帶主要由唐山-古冶斷裂、陡河斷裂、唐山-巍山-長山斷裂、王蘭莊斷裂組成（郭慧等，2011）：

（1）唐山-古冶斷裂（F4）：西南段走向北東30°，東北段走向50°。斷裂南端被1條近東西向橫斷裂（豐南斷裂）所切，全長約30km。唐山以南一段由2條平行的斷層組成，兩斷層間距約500m，斷面傾向北西，傾角70°－80°，西邊1條為逆斷層，東邊1條為正斷層。唐山-古冶斷裂為全新世活動斷裂。

（2）陡河斷裂（F2）：斷裂為北東走向，由南、北兩段組成。東北段為傾向北西的正斷層，西南段由2條相距約200m的平行小斷層組成，斷面都傾向北西，正斷層，全長約50km。

（3）唐山-巍山-長山斷裂（F3）：由一些斷斷續續的北東向斷層組成，多為向北西傾的逆斷層，以擠壓逆沖性質為主，斷面多沿地層層面分布。斷層長約20km。

（4）王蘭莊斷裂（F9）：在王蘭莊一帶展布2條斷裂，稱之為王蘭莊西支斷裂和王蘭莊東支斷裂，它們分別是唐山-豐南斷裂、碑子院-豐南斷裂向南延伸段，彼此間呈右階錯列，分別長約18km。總體走向北東，均傾向東，上新統底部礫巖被其斷開40—300m。1976年唐山7.8級地震余震沿王蘭莊斷裂東支和王蘭莊南-漢沽斷裂密集成帶。此次 4.1M 級地震就發生在王蘭莊斷裂附近。

圖1 唐山豐南M4.1級地震發生的構造背景圖Fig. 1 Tectonic background of Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake

3 臺站獲取記錄情況

3.1 觀測臺站

津冀地區共有36個強震動臺站（臺站位置見圖1）獲得了 4.1M 級地震記錄，臺站均建在土層上，部分臺站分布在地震活動斷裂帶及其附近。觀測儀器采用三種類型，如表1所示。三種儀器從性能上雖各有其差異，但記錄效果基本一致。

表l 強震儀類型Table 1 The seismometers used for strong motion record

3.2 觀測記錄情況

36個強震動臺站共獲取107條加速度記錄，對所獲得的加速度記錄進行了波形數據的基線校正、0.01—80Hz的數字濾波，最終獲取地震加速度記錄峰值如表2所示；圖2為距震中最近的胥各莊臺和最遠的靜海臺加速度波形記錄。

表2 獲取的地震加速度記錄結果Table 2 The records of earthquake acceleration

續表

圖2 胥各莊臺（左）和靜海臺（右）唐山豐南M4.1級地震加速度時程記錄Fig. 2 Acceleration time-history used for Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake record from Xugezhuang station (L) and Jinghai station (R)

4 強震記錄分析

4.1 加速度時程

在距震中11.9—120.07km范圍內，記錄到的最大水平加速度峰值為58.92cm/s2，最大豎向加速度峰值為 22.24cm/s2，加速度峰值總體呈現隨震中距增大而減小趨勢，沿北東向斷裂附近的臺站兩水平分量加速度峰值相差較明顯，達1.0—3.5倍，如唐山、漢沽鹽場、七里海、和平地辦。水平分量峰值加速度均比豎向峰值加速度大，東西分量為豎向峰值加速度的0.87—4.36倍，南北分量為豎向峰值加速度的0.96—8.07倍，大于一般認為的1/2—2/3水平，強震動具有豎向分量偏高的特點。隨著震中距R的增大，南北分量加速度峰值比東西分量大。將兩水平分量加速度峰值與豎向分量加速度峰值進行統計分析得到如下關系式：

式中，PGAv為豎向分量加速度峰值；PGAh為水平分量加速度峰值。

由圖3可見，水平分量加速度峰值在大于15cm/s2時樣點較為離散，顯示出距震中較近的臺站水平分量與豎向分量的加速度峰值差別較大。

圖3 水平分量與豎向分量加速度峰值統計結果Fig. 3 The horizontal and vertical peak value of acceleration

4.2 地震動衰減

地震動峰值是地震動的主要參數之一，一般建筑抗震設計中最常用的地震動峰值是水平加速度峰值。強震動加速度記錄一般為三分向紀錄，即2個相互垂直的水平分量和1個垂直分量。按照定義，水平加速度峰值應該是 2個相互垂直的水平分量的矢量合成的最大值PGAH，但在有關地震加速度峰值的研究中，由于矢量合成比較麻煩，所以大部分是采用 2個水平分量中的較大絕對值或2個分量的均值近似作為加速度峰值PGAH。本文采用2個水平分量的最大值矢量合成的加速度峰值的絕對值PGAH，即記錄水平向矢量合成的加速度峰值的絕對值PGAH由下式計算得到：

利用臺站獲取的加速度峰值，按照常用的地震動峰值衰減模型Ⅰ和衰減模型Ⅱ確定地震動衰減關系（崔建文等，2006），地震動峰值衰減模型采用如下形式：

式中，Y為加速度峰值（gal）；M為震級；R為震中距（km）；0R是近場飽和因子；0c～3c為回歸的系數，其中0c為常數項，ε為統計分析誤差項。

采用多元線性回歸擬合得到地震動的峰值加速度隨震級和震中距變化的規律，衰減模型Ⅱ中0R分別取2、4、8、10、20進行統計回歸試算，以統計回歸方差最小者確定其值，通過試算確定02R= 。經多元線性回歸擬合得到地震動加速度峰值衰減關系如下：

衰減模型Ⅰ：

衰減模型Ⅱ：

上述衰減關系式中HY為水平向加速度峰值；VY為豎向加速度峰值；M為震級；R為震中距；δ為方差；r為相關系數。

對比衰減模型Ⅰ、模型Ⅱ的回歸參數δ和r可見衰減模型Ⅱ更能夠體現地震動衰減特征。

4.3 加速度傅氏譜

地震記錄中包含了許多極為豐富的振動頻率，不同地區的主要振動頻率不同，結構物本身具有自身的不同頻率和復頻響應，因而在不同頻率振動作用下，結構振動便不相同。為了避免地震作用下結構發生共振現象，確保結構安全，因而必須對地震的頻率成份進行分析。

通過對36條加速度記錄數據進行傅氏譜分析計算，結果見表2；圖4為胥各莊臺和靜海臺傅氏譜分析結果。由表2和圖5可見，東西分量加速度譜峰值在2.3—9.8Hz之間，南北分量加速度譜峰值在2.1—9.8Hz之間，豎向譜峰值在2.3—17.7Hz之間，總體而言東西分量的譜峰值比南北分量和豎向分量大。在震中距19.43—75.68km之間，隨著震中距的增加，東西分量加速度譜峰值呈現減小趨勢，之后譜峰值呈現增大趨勢，而南北分量和豎向分量沒有這樣的特征。通常震中距越遠，地震動記錄中的長周期（低頻）越顯著，但本次地震無該顯著特征，可能是受震源機制的影響。

根據傅氏譜計算結果將譜型分為三種類型：①單峰值型，傅氏譜峰值僅有1個主峰值；②雙峰值型，傅氏譜峰值有2個主峰值；③多峰值型，傅氏譜峰值有2個以上主峰值。單峰值型傅氏譜31條，雙峰值型傅氏譜35條，多峰值型傅氏譜41條。單峰值型比例為28%，雙峰值型比例為32%，而多峰值型傅氏譜比例為40%。其加速度傅氏譜譜型多以多峰值為主，這與臺址所處的土層有關，其頻率成分豐富。

圖4 傅氏譜分析結果Fig. 4 Results from Fourier spectrum analysis

圖5 傅氏譜峰值（頻率）隨震中距變化圖Fig. 5 Fourier spectrums’ Peak value (frequencies) v.s. epicenter distance

4.4 加速度反應譜

隨著震中距R的增大，反應譜高頻成分的衰減快于低頻成分，長周期（T>1.0s）成分隨著R的增大而顯著增多（圖6）。兩水平分量反應譜在高頻段的差別較大，南北分量的反應譜衰減快于東西分量，隨著R的增大反應譜的卓越周期增大，豎向卓越周期的增長快于水平分量，在高頻段隨著R的增大豎向分量比水平分量衰減慢。

規準反應譜是確定地震作用的重要工具，也是地震工程中研究的重點，規準反應譜（或稱為標準反應譜、放大系數譜）就是將地震動加速度反應譜分別除以對應地震動的最大值，縱坐標一般用β 表示，它反映了單質點體系在地震作用下的最大反應對地震動峰值的放大情況。圖7為36組地震記錄的東西分量（EW）、南北分量（NS）和豎直分量（UD）規準反應譜曲線，從圖7可以看出：

（1）在小于0.3s的周期段，兩水平向譜曲線的形狀相似，在大于0.3s的周期段，豎直分量譜曲線比兩水平分量譜曲線的形狀較尖銳。

（2）兩水平分向的譜值差別不大。

（3）在小于0.1s的短周期段，兩水平分量與豎直分量譜值相差不大，當譜周期大于0.3s后，豎直分量譜值高于兩水平分量。

采用平均反應譜的標定方法對36組強震記錄加速度反應譜進行標定（圖7），得到唐山豐南M4.1級地震土層場地規準反應譜，結合唐山地區131個土層臺站共288組地震記錄（3.5級以上地震）反應譜的標定結果（圖8），獲得唐山地區土層場地反應譜譜形參數，其結果見表3。

表3 場地反應譜參數值Table 3 Parameters of site response spectrum

表中gT、1T、maxβ分別為反應譜的特征周期值、第一拐點周期值、放大系數最大值。《中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2010）》（中華人民共和國國家標準，2001）將場地特征周期分為0.35s、0.40s和0.45s三檔，唐山地區屬0.35s檔。《建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010）將區劃圖中的0.35s和0.40s的區域作為設計地震的第一組，取值0.35s，而將區劃圖中為0.45s的區域多數作為設計地震的第二組，取值0.40s，唐山地區在該規范中為設計地震第一組取值0.35s。由上述強震記錄反應譜標定結果可見，唐山地區水平向特征周期值大于該規范的規定值0.35s，maxβ值的優勢分布在2.5，并與國際上采用的結果相同，而《建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）》將其設定為2.25。

在一般情況下，豎向加速度約為水平向的1/2—2/3。由上述標定結果可見豎向地震動maxβ與水平向的maxβ相同，因此，需要進一步對豎向加速度反應譜進行研究，獲得可靠合理的參數。

圖6 震中距對反應譜的影響Fig. 6 The effect of epicenter distance on response spectrum

圖7 唐山豐南M4.1級地震加速度規準反應譜Fig. 7 Normalized acceleration response spectrum of Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake

圖8 唐山地區土層場地加速度反應譜Fig.8 Acceleration response spectrum for soil site in Tangshan area

5 結論

（1）唐山豐南M4.1級地震，津冀地區共有36個強震臺站獲取到強震動加速度記錄，在距震中11.9—0.07km范圍內，記錄到的最大水平加速度峰值為58.92cm/s2，最大豎向加速度峰值為22.24cm/s2。

總體而言，豎向的譜峰值比水平向大，無論是水平分量還是豎向分量，其加速度傅氏譜譜型多以多峰值為主。

（2）隨著震中距R的增大，反應譜的高頻成分衰減快于低頻成分，長周期（T>1.0s）成分隨著R的增大而顯著增多。隨著R的增大反應譜的卓越周期增大，豎向卓越周期的增長快于水平分量，在高頻段豎向分量隨著R的增大比水平分量衰減慢。

南北分量為豎向峰值加速度的0.96—8.07倍，以及反應譜豎向地震動maxβ與水平向的相同，均與一般認為的豎向加速度約為水平向的1/2—2/3差別較大，因此，需要進一步開展豎向加速度記錄的研究。

根據本次強震動記錄加速度反應譜標定所獲得反應譜參數，具有地域性，對唐山地區的工程抗震設計具有適用性和指導意義。

崔建文，李世成等，2006. 云南分區地震動衰減關系．地震研究，29（4）：386—391.

郭慧，江娃利，謝新生，2011. 對1976年河北唐山MS7.8級地震地表破裂帶展布及位移特征的新認識．地震地質，33（3）：506—524.

虢順民，李志義，程紹平等，1977. 唐山地震區域構造背景和發展模式的討論. 地質科學，10（4）：305—307.

梅世蓉，胡長和等，1982. 1976年唐山地震. 北京：地震出版社，105—115.

中華人民共和國國家標準，2001. 中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2010）. 北京：中國標準出版社.

中華人民共和國國家標準，2010. 建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）. 北京：中國建筑工業出版社.