基于強震記錄的唐山5.1級地震強地面運動特征及局部場地效應分析

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,730000 2 甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,蘭州市東崗西路450號,730000

2020-07-12 06：38河北省唐山市古冶區(39.78°N, 118.44°E)發生5.1級地震，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震感強烈。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級地震余震的主要分布區[1-2]。京津冀地區密集的強震動和烈度速報臺捕獲到214組三分向加速度記錄，豐富的數據可為研究近、遠場地面運動特征提供支持。由于有記錄的臺站多位于渤海灣盆地，而歷史震害調查和理論研究表明，受局部場地條件影響，地震時盆地內建筑物的破壞程度往往更嚴重[3]。相對數值模擬和解析計算而言，由于數據來源于實際觀測，采用強震記錄進行場地效應研究的方法無需太多假設和復雜計算，其結果更具有真實性，因此利用地震記錄研究盆地厚軟土層等局部場地條件對地震動的影響具有重要意義，相關研究成果可為地震危險性分析、場地放大效應估計、盆地地震動預測和盆地內高層建筑的震害防御等提供參考。

1 地質構造與場地環境

本次唐山5.1級地震發生于華北平原凹陷帶與北部燕山褶皺帶的接觸部位，從周邊地質構造來看，唐山地區被NE向豐臺-野雞坨斷層(F1)、寧河-昌黎斷層(F2)及NW向灤縣-樂亭斷層(F3)、薊運河斷層(F4)等4條深大斷層圍成菱形塊體，該塊體歷史上曾發生多次強震。而唐山斷裂帶位于該菱形塊體的對角線位置，由3條NE向子斷裂構成，分別為唐山-陡河斷裂、巍山-長山斷裂和唐山-古冶斷裂[4-5]，其中唐山-古冶斷裂(F5)為1976年唐山7.8級地震的發震斷層[5]。本次地震距唐山-古冶斷裂最近，被認為是1976年唐山大地震老震區一次正常的地震起伏活動，圖1為此次地震的震中位置、周邊斷層及觸發強震動臺站分布情況。

圖1 觸發強震動臺站分布

由圖1可知，記錄到本次地震的強震臺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造單元內。

2 強震動記錄基本特征

本次唐山5.1級地震的強震記錄分布在距震中27.03～355.9 km范圍內，其中50 km以內有8組，50～100 km范圍內有38組，100～150 km范圍內有66組，150～200 km范圍內有45組，其余則分布在200 km以外。雖然此次地震震級不高，但仍獲得中遠場(R≥50 km)強震動記錄206組，近場(R≤50 km)記錄僅有8組，這一方面與臺站分布不均、震中附近臺站較少有關，另一方面可能也與中遠場區域的局部場地條件有關。在進行數據分析前，需對原始加速度記錄進行基線校正和濾波等常規處理[6]，圖2為處理后的震中距50 km以內8個臺站的三分向加速度時程，其中13YZH臺和13DOH臺為基巖場地臺，其余為土層臺。本次地震的最大峰值加速度(PGA)在13QTY臺(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臺次之，其余臺站PGA隨震中距的增大總體呈逐漸減小的趨勢。

圖2 典型記錄的加速度時程

利用計算的地震動參數，采用克里金插值方法得到震中附近區域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]對比發現，烈度的極值分布在震中右下方，這與最大PGA分布情況一致。但烈度等震線長軸呈NEE向，而PGA等值線長軸呈NWW向分布，其原因一方面可能與發震斷裂為NE-SW向有關，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參數大于平行方向符合近場地震動的特征；另一方面則可能與局部場地條件有關，震中區深厚、松軟的土質對地震動的中、長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周期地震動參數的影響，而PGA主要由地震動的高頻成分(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，與地震動參數、局部場地條件、建(構)筑物本身的工程特性和施工質量等有關，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常現象。

3 近場加速度反應譜和譜比

根據圖2距震中50 km以內6個近場土層臺站(13HSY、13SZH、13QTY、13XGZ、13DXZ、13YJT)的加速度記錄，計算單自由度線彈性體系的加速度反應譜，阻尼比取5%，并與《GB 50011-2010建筑抗震設計規范》[8]設計譜進行比較，結果如圖4(a)和4(b)所示(圖中g代表重力加速度)。在繪制設計譜時，6個臺站場地條件均取強震動臺站選址建設時普遍采用的 Ⅱ 類場地；抗震設防烈度根據規范取Ⅷ度，設計地震動分組為第2組。從圖4(a)和4(b)可以看出，6個土層臺水平向和垂直向記錄的反應譜峰值對應周期主要集中在0.05～0.3 s，表明本次地震高頻成分占優，這也符合中、小地震的頻率分布特征。由于6個臺站記錄的反應譜幅值在多數周期范圍內均遠小于Ⅷ度多遇地震的設計反應譜值，僅個別反應譜在峰值處略大于Ⅷ度多遇地震的設計譜值，且反應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)，因此本次地震對該地區自振周期范圍內的建筑破壞性較小。6個土層臺附近分布2個基巖臺站(13YZH、13DOH)，圖4(c)和4(d)為其水平向和垂直向反應譜。

圖4 近場6個土層臺和2個基巖臺反應譜

為了說明近場臺站反應譜的統計特性，分別計算6個土層臺和2個基巖臺水平向和垂直向反應譜的平均值，結果如圖5(a)所示。從圖中可以看出，土層臺水平向反應譜遠大于垂直向，基巖臺水平向反應譜和垂直向相當，土層臺垂直向反應譜平均值與基巖臺相近。采用傳統譜比法計算土層臺與基巖臺反應譜幅值之比隨周期的變化情況，結果如圖5(b)所示。可以看出，對于2個基巖臺而言，近場內6個土層臺對水平向反應譜的放大作用比對垂直向的放大作用更明顯。在垂直向，土層臺與基巖臺記錄的譜比值在1～2范圍內波動；在水平向，0.1～2.0 s周期范圍內土層臺與基巖臺記錄的譜比值大于2.0，且在0.6 s處譜比曲線達到峰值4.0。

圖5 土層臺和基巖臺反應譜比較

4 地震動衰減與局部場地影響

研究地震動衰減關系在場地安全評價、地震小區劃分及地震動模擬等方面具有重要作用。本文通過計算觀測臺站實際記錄的峰值加速度(PGA)和譜加速度(PSA)，與國內常用的預測方程進行比較，探究本次地震的地震動衰減特征。該研究不僅可檢驗已有衰減關系的適用性，也可為發現地震動的區域特征提供途徑。由于現有地震動預測模型多基于基巖場地建立，為便于比較，本文均采用基巖地震動峰值加速度和譜加速度衰減方程進行分析。

由圖6(a)峰值加速度隨震中距的衰減曲線可知，相對而言，基于俞言祥等[9]和田利等[10]建立的基巖場地地震動衰減關系計算的PGA預測值與此次地震基巖臺站觀測值吻合較好，能較好地反映此次地震的PGA衰減規律，而其他2種預測曲線[11-12]與實際觀測值離散性較大。圖6(b)和6(c)分別為T=0.2 s和T=2.0 s對應的加速度反應譜觀測值隨震中距的變化曲線，可以看出，T=0.2 s時基巖臺站觀測的譜加速度值均勻分布在衰減關系曲線兩側，即俞言祥等[9]和田利等[10]建立的中國東部地區基巖場地衰減關系能較好地反映T=0.2 s時基巖場地譜加速度觀測值的衰減規律。對于T=2.0 s時的基巖臺觀測值而言，田利等[10]計算的預測值與其較一致，而俞言祥等[9]計算的預測值與基巖臺觀測值離散性較大。總體來看，田利等[10]建立的衰減關系能更好地反映本次地震各頻率成分對加速度反應譜的影響。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)，土層臺的觀測值普遍大于基巖場地地震動預測值，說明土層對地震動具有一定的放大作用，但對地震動各頻率成分的放大程度存在差異。為定量分析，首先計算譜加速度觀測值相對于田利等[10]建立的衰減模型預測值的歸一化殘差，然后分別計算震中距為0～50 km、50～150 km、大于等于150 km臺站歸一化殘差的平均值，結果如圖6(d)～6(f)所示。可以看出，震中距為50～150 km土層臺記錄的地震動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的關系；而遠場土層臺的記錄相對基巖臺具有放大作用，但放大倍數較小，說明中場對地震動長周期成分的放大作用更顯著，這可能與中場臺站的局部場地條件有關。

圖6 譜加速度和歸一化殘差隨震中距的變化

5 加速度反應譜空間展布

圖7為T=0.2 s和T=2.0 s對應的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，表現為地震動影響場具有向震中西南側延展的趨勢，尤其是T=2.0 s對應的PSA等值線更為顯著，其極大值區域移至西南側距離震中約50～150 km范圍內。由于臺站記錄的地震動主要受震源、傳播路徑和局部場地條件影響，而本次地震的震級較小，震源影響半徑有限，震中西南側臺站的地震動傳播路徑相似，可認為地震動長周期加速度反應譜的放大作用主要受局部場地條件影響。由于震中西南側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的厚，區域平均厚度約為4 km，冀中凹陷帶北部部分地區沉積層厚度甚至達到6 km[13-14]，因此本次地震的加速度反應譜長周期成分被顯著放大、造成地震動影響場向西南方向延展的局部場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 語

基于2020-07-12河北省唐山市古冶區5.1級地震的加速度記錄，從地震動幅值、衰減關系、反應譜、場地效應等方面研究本次地震的基本特征，得到以下結論：

1)通過分析強震動臺站數量隨震中距的分布關系發現，本次地震震級較小，但有記錄的臺站較多，主要分布在震中距大于50 km的中遠場。將峰值加速度等值線與震后調查烈度圖對比發現，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6個土層臺反應譜與當地抗震設防反應譜發現，部分土層臺的譜加速度峰值略大于Ⅷ度多遇地震的設計譜，但其作用周期范圍小，且低于當地城鎮房屋的自振周期，因此對臺站附近構筑物的影響較小。通過比較近場6個土層臺和2個基巖臺的平均反應譜發現，對于基巖參考場地，震中附近軟弱地基和深厚覆蓋層對加速度反應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附近可達到4.0。

3)相對而言，田利等[10]建立的東部地區基巖地震動反應譜衰減關系能更好地反映本次地震基巖場地PGA、PSA(T=0.2 s)、PSA(T=2.0 s)的地震動影響場。歸一化殘差平均值計算結果表明，震中距為50～150 km的中場臺站局部場地條件對地震動的放大作用最顯著，且放大部分主要為地震動長周期成分。

4)震中西南側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，對地震動具有放大作用，尤其對地震動長周期成分的放大作用更顯著，這也是本次地震中遠場地臺站獲取記錄較多的主要原因。

致謝:中國地震局工程力學研究所國家強震動臺網中心為本研究提供原始強震動記錄數據，河北省地震局、天津市地震局、北京市地震局強震動觀測人員在數據收集整理過程中付出辛勤勞動，在此一并表示感謝。