2021年青海瑪多7.4級地震強震動記錄及特征分析

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

據中國地震臺網正式測定,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(34.59°N,98.34°E)發生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生的最大一次地震,發震斷裂為昆侖山口—江錯斷裂,微觀震中位于瑪多縣黃河鄉,宏觀震中位于瑪多縣瑪查理鎮。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。中國數字化強震動觀測網絡在該地區布設的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據[1-3],這些數據對抗震救災、災害損失評估、地震波傳播路徑和過程機理研究、建筑結構抗震研究等具有重要意義。本文基于這些波形數據,從地面運動的幅值、衰減規律、反應譜等方面分析此次地震引起的地面運動的基本特性,旨在為地質災害評估、災后重建和地震動預測等提供參考。

1 地質構造與場地環境

瑪多7.4級地震發生于青海省中南部的高平原區與巴顏喀拉褶皺帶的交匯地帶,地處青藏構造系與巴顏喀拉—松潘弧形構造帶的結合部位。該區主要的構造斷裂有瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯斷裂和達日斷裂,根據余震精定位和震源機制反演結果初步確定昆侖山口—江錯斷裂為此次地震的發震斷裂[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,多地出現砂土液化現象,少數人員受傷。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,其中震中距200 km內的臺站有3個,200～300 km內的臺站有4個,其余臺站的震中距大于300 km。

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

2 強震數據處理

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數據進行最小二乘擬合確定基線,并據此對原始加速度波形進行基線調整,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,給出各臺站基礎信息與地面運動參數如表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。矩心矩張量反演結果表明[6],此次地震是發生在近乎直立的斷層面上的一次走滑事件,發震斷裂的走向為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、長周期結構(如大跨橋梁、減震結構、隔震結構等)可能會產生嚴重的破壞作用[9-10]。

表1 強震動記錄相關參數[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《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)[11]規定的該地區抗震設計譜進行比較。工程鉆探資料顯示,63DAW強震臺建于中硬土上,屬于Ⅱ類場地,設計地震動采用第三組分組,該地區設防標準為Ⅶ度設防。由于現行的《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)將反應譜的使用范圍延長到了6 s,因此與設計譜比較時63DAW臺反應譜的上限周期取6 s。目前普遍使用的數字化強震儀能夠保障10 s以內觀測的反應譜精度,為考察此次地震對長周期建筑結構的影響,對其余5個臺站進行反應譜計算時統一將上限周期設置為10 s。

圖3 觀測記錄的反應譜與設計譜比較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,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度多遇地震的設計譜值,但小于7度設防地震的設計譜。說明地震動經傳播介質到達距震中175.2 km的63DAW臺附近時,從峰值幅度看已不足以對當地滿足抗震設防要求的建筑物構成嚴重威脅。(2)根據我國《住宅設計規范》(GB 50096-2011)[12],當地中小城鎮主要建筑結構的自振頻率為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度設防建筑物的影響也較小。(3)在0.4～6.0 s自振周期內,63DAW臺NS向的譜加速度值大于7度多遇地震的設計值,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,還可能與震源參數,尤其是觀測站所處的場地條件有關。由于缺乏近場強震動記錄,假設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—塔系統等結構將產生嚴重破壞影響。

4 地震動衰減關系

地震動在地殼介質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各向異性的影響,地震動的衰減規律呈現出不同的特性。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據進行統計回歸以確定相應的系數:

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

(1)

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

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基巖場地衰減關系[14]、以及俞言祥等(2013)第五代區劃圖中青藏地區的衰減關系進行比較[15],結果如圖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,采用上下行分離設計,單幅橋包括28跨。根據地震現場科學考察結果,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落于地面,北側支撐于橋墩,立面呈傾斜狀態,如圖5所示。現場震害調查認為導致此次地震中連續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域的長周期結構的地震響應位移更大,對橋梁、大壩、輸電線-塔系統等長周期結構更可能產生嚴重影響,這與現場科學考察的結果一致。

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 結論

基于中國數字化強震動觀測網絡在2021年青海瑪多7.4級地震中捕獲的加速度記錄,從強震數據處理、地面運動幅值、反應譜、衰減關系等方面研究了此次地震的基本特征,并得到如下結論:

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

(2)強震動觀測數據處理結果顯示,63DAW臺NS向的地震動速度波形表現出明顯的長周期分量卓越的特性,根據以往的研究結果,這可能會對附近的中、長周期結構產生較嚴重的影響。

(3)63DAW臺記錄的UD向譜加速度峰值在平臺周期內低于7度設防地震的反應譜值,其作用周期范圍也低于當地城鎮房屋的自振周期,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,震中區域長周期結構出現的震害,如大跨橋梁落梁、坍塌,輸電線-桿-塔系統傾斜嚴重等,可能與長周期結構NS向地震反應位移過大有關。

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