2021年5月21日云南漾濞M6.4及相關地震強震動記錄特征分析

潘章容,李同林,崔建文,田秀豐,石文兵,張衛東,袁 潔

(1.甘肅省地震局,甘肅 蘭州 730000;2.四川省地震局,四川 成都 610041;3.云南省地震局,云南 昆明 650224)

0 引言

2021年5月21日21時48分34秒,云南省漾濞縣(25.67°N,99.87°E)發生M6.4地震,震源深度8.0 km。據中國地震臺網目錄,截至2021年6月15日,漾濞縣共發生M3.0以上余震40次,其中M3.0～3.9地震29次,M4.0～4.9地震9次,M5.0以上地震2次,最大余震為2021年5月21日22時31分10秒(震后43分鐘)發生的M5.2地震(25.59°N,99.97°E;震源深度8.0 km)。在M6.4主震發生前26分鐘(2021年5月21日21時21分25秒),漾濞縣發生了一次M5.6地震(25.63°N,99.92°E;震源深度10.0 km)。

中國數字強震動觀測網絡在2021年5月21日云南省漾濞縣前后70分鐘內發生的3次5級以上地震(M5.6、M6.4及M5.2)中,捕獲了豐富的強震動觀測記錄。基于此,本文擬對3次地震中獲取的加速度記錄進行初步處理與分析,繪制PGA等值線分布圖,并對比研究3次地震中加速度幅值衰減特性及加速度反應譜特性。

1 強震動記錄收集及處理

1.1 觸發臺站分布

2021年5月21日云南漾濞M5.6、M6.4及M5.2地震中,中國數字強震動觀測網絡共獲取了41組三分向加速度記錄,其中M5.6地震9組,M6.4地震27組(云南省強震動臺網25組、四川省強震動臺網2組),M5.2地震5組。3次地震近場觸發臺站(震中距<150 km)分布見圖1。由于53YPX(永平臺)UD向數據異常,未采用該臺站的UD向加速度記錄,因此在3次地震中共獲取波形完整、震相清晰的加速度記錄120條,其中M5.6地震26條、M6.4地震80條、M5.2地震14條。

圖1 近場觸發臺站分布圖(震中距<150 km)Fig.1 Distribution of near-field triggered stations(epicentral distance <150 km)

1.2 地震記錄分析

對上述120條未校正的加速度記錄進行格式轉換、基線校正、濾波等常規數據處理[3-7]。首先根據《中國地震烈度表》(GB/T 17742—2020)[8]中給定方法計算PGA(合成地震動加速度記錄的最大值)和PGV(合成地震動速度記錄的最大值),再按式(1)、式(2)計算應用PGA得到的地震烈度計算值IA及應用PGV得到的地震烈度計算值IV:

IA=3.17lg(PGA)+6.59

(1)

IV=3.00lg(PGV)+9.77

(2)

按式(3)計算儀器測定的地震烈度II，結果取小數點后一位有效數字；II<1.0時取1.0，II>12.0時取12.0:

(3)

最后按照《中國地震烈度表》(GB/T 17742—2020)中地震烈度與儀器測定的地震烈度II的對應關系,計算地震烈度值。

將云南漾濞M5.6、M6.4及M5.2地震典型加速度記錄的基本信息及相關參數分別列于表1、表2和表3。對有效三分量加速度記錄進行初步處理及特征分析,為大理州及周邊地區的地震區劃、抗震設防、場地效應、烈度衰減關系等研究提供基礎資料[6-7]。

表1、表2及表3顯示,M5.6地震獲取記錄的PGA介于0.8～338.9 cm/s2間,最大PGA由距離震中最近的53YBX(漾濞臺)EW向獲取,震中距為5.37 km;M6.4地震獲取記錄的PGA介于0.8～719.6 cm/s2間,最大PGA由震中距為7.77 km的53YBX臺NS向獲取;M5.2地震獲取記錄的PGA介于2.0～190.6 cm/s2間,最大PGA由震中距為9.12 km的53YBX臺NS向獲取。

表1 漾濞M5.6地震強震動記錄及其相關參數Table 1 Strong motion records and related parameters of the M5.6 earthquake

表2 漾濞M6.4地震強震動記錄及其相關參數Table 2 Strong motion records and related parameters of the M6.4 earthquake

表3 漾濞M5.2地震獲取強震動記錄及其相關參數Table 3 Strong motion records and related parameters of the M5.2 earthquake

整體上,3次地震的PGA、PGV值均隨震中距的增加而衰減,個別異常點可能與臺站本身的場地條件及地震傳播特性有關,還有待進一步研究。

2 峰值加速度分布圖

峰值加速度分布圖以各觀測點的加速度值為依據(通常選取三分向中的某一分向或最大分向來進行繪制),可真實反映地震發生時觀測點的地面運動強度,能夠為研究強地面運動的特性和工程結構抗震設計方法與技術提供基礎資料,同時可為快速評估和制定大震應急方案提供重要依據[7]。

以表1、表2及表3中計算得到的三分向峰值加速度值為基礎,選取三分向的最大峰值加速度值為數據源,采用克里格插值法分別繪制了云南漾濞M5.6、M6.4、M5.2地震的峰值加速度等值線分布于圖2。由圖2可知,3次地震的峰值加速度等值線均呈NW-SE方向展布,最大值位于震中附近。

圖2 峰值加速度等值線分布圖Fig.2 PGA contour distribution map

云南省地震局發布的《云南漾濞6.4級地震烈度圖》(圖3)顯示,此次地震的最高烈度為Ⅷ度,主要分布在漾濞縣蒼山西鎮、漾江鎮、太平鄉3個鄉鎮。根據《中國地震烈度表》(GB/T 17742—2020)中地震烈度與儀器測定的地震烈度的對應關系,儀器測定的最大值點(63YBX臺)所在位置對應地震烈度為Ⅷ度,與《云南漾濞6.4級地震烈度圖》基本一致。這說明儀器測定的地震烈度值與宏觀調查的地震烈度值基本符合,測量值可為確定地震烈度提供參考。

圖3 云南漾濞6.4級地震烈度圖(云南省地震局2021年5月25日發布)Fig.3 The seismic intensity map of Yangbi M6.4 earthquake (Published by Yunnan Earthquake Agency on May 25,2021)

3 幅值衰減特征

地震動在傳播過程中受到震源和傳播路徑介質的影響會呈現出不同的衰減特性,目前學者已提出多種衰減關系[1-2,9],本文選用國內兩種常用的衰減模型與本次地震動參數進行對比。

結合地震發生區域的地質特征和強震動臺站位置,選用第五代《中國地震動參數區劃圖(GB 18306—2015)》青藏區(包括川滇地區)地震動衰減關系[1](簡稱YU)和汪素云中國西部地震動衰減關系[2](簡稱WANG)分析M5.6、M6.4及M5.2地震強震動記錄的幅值衰減特性。為進行對比分析,將YU衰減關系的適用范圍延長至400 km。3次地震觀測PGA與衰減關系預測PGA間的對比關系見圖4,其中實線和虛線分別表示衰減關系長軸及短軸曲線。

圖4 青藏地區與中國西部地震衰減關系Fig.4 Earthquake attenuation relationship in the Qinghai-Tibet area and western China

由圖4可見,地震動PGA觀測值衰減與地震震級、震中距及地震傳播介質等因素有關,具體表現為:

(1)與上述兩種衰減關系相比較,PGA實際觀測值與YU預測值更吻合,與WANG預測值離散性較大。

(2)在近場震中距小于10 km的53YBX臺,3次地震的PGA觀測值與YU預測值基本一致,位于WANG衰減曲線上方,即該臺站PGA觀測值大于WANG預測值;在震中距介于10～30 km的53DLY(月溪井臺),3次地震的PGA觀測值與YU預測值、WANG預測值均吻合較好;在震中距介于60～65 km的53BTH(太和臺),3次地震的PGA觀測值均位于兩種預測曲線下方,即觀測值小于預測值,且從表1、表2和表3中可以看出該臺三分向加速度峰值均小于類似震中距臺站的加速度峰值,其實際情況有待進一步研究。

(3)震中距大于200 km的遠場PGA觀測值與YU預測值、WANG預測值均吻合較好,PGA觀測值較均勻地分布于兩種衰減曲線兩側。

(4)較之M6.4地震,M5.6和M5.2地震的PGA觀測值與預測值離散性更大,造成這些現象的主要原因可能與M5.6和M5.2地震震級較小、臺站獲取記錄較少及臺站分布不均勻有關。地震動參數衰減關系是利用觀測的強震記錄回歸得到的,臺站PGA觀測值本身存在較大隨機性,因此整體上PGA觀測值與兩種衰減關系的衰減特性一致。

4 加速度反應譜分析

加速度反應譜是目前國內外工程抗震設計的重要依據,反映了不同結構周期的單自由度體系在地震力作用下的最大反應,在地震工程研究和地震動區劃應用中有重要作用,計算和分析加速度反應譜有助于進一步了解強震動記錄的頻域特征[10-11]。

4.1 典型臺站反應譜分析

選取距離3次地震震中最近的53YBX臺的加速度記錄進行加速度反應譜特征分析。該臺距離M6.4、M5.6及M5.2地震震中分別為7.77 km、5.37 km和9.12 km。3次地震中53YBX臺的EW向、NS向及UD向加速度反應譜(阻尼比為5%)如圖5所示。由圖5可知:

圖5 3次地震53YBX臺加速度反應譜Fig.5 Acceleration response spectra of 53YBX station for the three earthquakes

(1)圖5(a)為3次地震中53YBX臺捕獲記錄的加速度反應譜曲線,體現了不同震級地震在類似震中距的情況下對同一臺站反應譜的影響。可以看出,不同震級對反應譜影響主要表現在0.5 s之后的長周期成分。類似震中距的情況下,震級愈大,長周期分量愈明顯;震級愈小,幅值衰減愈快。

(2)從圖5(a)可以看出,同一震級對反應譜的影響主要反映在2 s后的反應譜幅值衰減,同一臺站、同一震級的3個方向反應譜形態整體一致,各分量的最大加速度反應譜幅值均在0.05～0.2 s間;各分量在10 s以后的反應譜幅值基本衰減至0,其中UD向衰減最快,NS向次之,EW向最慢。

(3)圖5(b)～(d)分別對比了53YBX臺在不同震級、同一方向上的加速度反應譜。可以看出:不同震級、類似震中距的情況下,震級越大,臺站同一方向的加速度反應譜峰值越大;不同震級、類似震中距的情況下,EW向、NS向及UD向反應譜譜形相似,反映了震級對同一臺站場地的卓越周期及反應譜形狀的影響有限,但出現這種現象也可能是因為3次地震震級相差較小。

4.2 加速度反應譜平均周期

地震動會對遠場軟土場地上的高層建筑、大跨橋梁及儲油罐等產生嚴重的震害,國內外專家均對如何評價遠場長周期地震動進行了研究。文獻[12-13]建議采用對地震動低頻成分更加敏感的加速度反應譜平均周期Tra來評價遠場長周期地震動:

(4)

式中:Ti為5%阻尼比加速度反應譜等間距離散周期;Sa(Ti)為Ti對應的譜加速度。

根據式(4)計算M6.4地震中獲得的80條加速度記錄的加速度反應譜平均周期Tra,并繪制Tra擬合曲線圖(圖6)。為對比顯示,圖中離散點為實際計算的Tra/2。從圖6中可以看出,在近場區域(100 km范圍內)Tra相對較小,這是因為在近場區域,地震動高頻成分占主要地位,長周期成分表現不明顯[12];隨著震中距增加,NS向和UD向呈上升趨勢,高頻地震分量在波的傳播過程中能量逐漸消耗,長周期成分成為地震動頻譜的主要特征。本次M6.4地震由于缺少350 km以外的遠場記錄,加速度反應譜平均周期的后續變化趨勢無法再計算。但整體來看,Tra從反應譜的角度比較有效地區分了近場和遠場的地震動長周期特性,可以作為評價地震動長周期特性的參考。

圖6 M6.4地震加速度反應譜平均周期Fig.6 Average period of acceleration response spectrum of the M6.4 earthquake

5 結論

本文對2021年5月21日云南漾濞M5.6、M6.4及M5.2地震中獲取的120條強震動觀測記錄進行了處理和初步分析,計算強震動記錄相關參數,分析了幅值衰減特性及典型臺站加速度反應譜,并得出以下結論:

(1)M5.6地震獲取記錄的PGA介于0.8～338.9 cm/s2間,M6.4地震獲取記錄的PGA介于0.8～719.6 cm/s2間,M5.2地震獲取記錄的PGA介于2.0～190.6 cm/s2間,最大PGA均由53YBX臺獲取。整體上隨震中距增加,各強震動臺站的PGA逐漸衰減,直至降為0。

(2)繪制了3次地震的峰值加速度分布圖,發現其峰值加速度等值線均呈NW-SE方向展布,最大值位于震中附近。其中M6.4地震峰值加速度等值線分布圖與云南省地震局發布的《云南漾濞6.4級地震烈度圖》基本一致。

(3)將PGA觀測值與兩種衰減關系進行比較,發現實際觀測值與俞言祥青藏區(包括川滇地區)地震動衰減關系預測曲線吻合更好,而與汪素云中國西部地震動衰減關系預測值離散性較大。

(4)分析典型臺站的加速度反應譜,發現震級愈大,反應譜中長周期分量愈明顯;震級愈小,幅值衰減愈快。

(5)加速度反應譜平均周期能比較有效地區分近場和遠場的地震動長周期特性,可以作為評價地震動長周期特性的參考。

致謝:感謝云南、四川強震動觀測人員在3次地震觀測、記錄收集工作中的辛勤付出！