云南漾濞 MS6.4地震強震動特征和震害分析

張 斌 李小軍* 榮棉水 俞言祥 王玉石 王繼鑫

1)北京工業大學城市建設學部， 北京 100124 2)中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

北京時間2021年5月21日21時45分， 云南省大理白族自治州漾濞縣發生強烈地震。據中國地震臺網測定， 這次地震面波震級MS6.4 ， 震中位于(25.67°N， 99.87°E)， 震源深度8km。漾濞MS6.4 地震是近10a以來中國云南地區繼MS6.5 魯甸地震、MS6.6 景谷地震后發生的又一次破壞性淺源地震。截至2021年5月22日6時， 此次地震造成30人傷亡， 倒塌房屋192間， 一般損壞13090間。截至2021年5月28日21時， 共發生5級及以上余震2次， 4級及以上余震11次， 3級及以上余震35次。最大余震發生在2021年5月21日22時31分， 面波震級MS5.2。漾濞MS6.4 地震的能量主要集中在前8s內釋放， 矩震級為MW6.1， 以走滑破裂機制為主， 滑動極值區位于震中SE向， 且主要破裂長度為12～15km(中國地震局地球物理研究所， 2021)。云南省地震局現場工作隊對災區218個調查點開展了震害調查， 參照震區地震構造背景、 余震分布、 震源機制、 儀器烈度等科技支撐成果， 結合地表強震動觀測記錄， 給出了《云南漾濞6.4級地震烈度圖》(1)www.yndzj.gov.cn/yndzj/_300559/_300651/629959/index.html。。此次地震最高烈度為Ⅷ度， Ⅷ度區面積約170km2， Ⅵ度區及以上面積約6600km2(含洱海)， 共涉及大理白族自治州6縣市。相對于魯甸MS6.5 地震震中區域的烈度Ⅸ度， 此次地震震中附近區域震害較輕。

中國國家強震動觀測臺網(NSMONS)是從中國第10個 “五年計劃”開始建設的， 包括1154個永久自由場地臺站、 12個專用觀測陣列， 于2008年3月正式運行(Lietal.， 2008a)。NSMONS記錄了汶川MS8.0 和蘆山MS7.0 地震中大量的強震動記錄， 極大地豐富了中國強震動數據庫， 尤其是增加了大量大地震近場記錄(Lietal.， 2008b； Xieetal.， 2014)。漾濞地震發生后， 中國地震局工程力學研究所強震動觀測組緊急處理并于次日公布了NSMONS記錄的漾濞MS6.4 地震的29個自由場地臺站的強震動加速度記錄， 其中26個臺站位于云南省境內， 3個臺站位于四川省境內， 地震震中及其觸發的強震動臺站分布如圖 1 所示， 最近的臺站距震中8.03km， 最遠的臺站距震中351.50km。

圖 1 漾濞MS6.4地震震中及觸發的強震動臺站分布Fig. 1 Location of epicenter and strong motion stations of the Yangbi MS6.4 earthquake.五角星表示震中， 三角形表示強震動臺站， 紅色實線表示斷層

本文利用合理可靠的方法對漾濞MS6.4 地震的強震動觀測數據進行處理， 并初步分析了漾濞MS6.4 地震觀測的地震動PGA和PGV的空間分布； 將觀測的峰值加速度、 加速度反應譜值與國內常用的地震動衰減關系計算值進行對比， 分析了此次地震觀測的地震動幅值、 時頻特征， 將近場臺站記錄的反應譜值與設計譜進行對比， 并整理和分析了地震現場震害調查結果。最后， 基于上述分析解釋此次地震震中附近相對較輕的震害現象， 希望能為將來記錄的進一步使用提供一定的幫助和參考。

1 漾濞 MS6.4 地震觀測的強震動記錄

1.1 強震動記錄處理

強震動記錄的處理遵循PEER NGA數據處理流程(Anchetaetal.， 2014)， 應用4階巴特沃斯非因果帶通濾波進行處理， 低通截止頻率為30Hz。為了保證確定的濾波高通截止頻率的有效性并盡量減小濾波對峰值位移(PGD)的影響， 首先根據震源譜模型的理論頻率、 噪聲的出現造成原本在低頻段的衰減正比于f2的傅里葉振幅譜出現翹起對應的頻率(Joyneretal.， 1988； Atkinsonetal.， 2000)以及記錄的信噪比≥3對應的頻率(Booreetal.， 2005)確定高通截止頻率的范圍。然后在該范圍內以0.01Hz為間隔逐一選取高通截止頻率進行處理， 最后根據處理后的速度和位移時程的末尾是否在零線處確定最終的高通濾波截止頻率； 之后再進行后處理(Booreetal.， 2012)。因此， 基于處理后的強震動數據獲得的PGA、PGV、PGD和SA是可靠的。本文選用的絕大部分記錄最終可用的有效頻段為0.08～30Hz。

1.2 地震動PGA和PGV的空間分布

對強震動記錄進行處理后的初步分析顯示， 漾濞MS6.4 地震有70個分量的PGA絕對值<10gal， 8個分量的PGA絕對值為10～50gal， 各有2個分量的PGA絕對值在50～100gal、 100～200gal之間， 1個分量的PGA絕對值為200～400gal， 2個分量的PGA絕對值>400gal， 絕對值最大的PGA是-695.65gal。圖 2 繪制了EW、 NS和UD 3個方向觀測的地震動PGA和PGV的空間分布。為了盡量減小等值線圖受單個臺站的影響， 利用GMT(the Generic Mapping Tools)(Wesseletal.， 1991)使用可調節張量連續曲率樣條插值法先將29個臺站觀測的3個方向的PGA和PGV值進行了網格化。從圖 2 可知， 3個方向的PGA和PGV等值線形狀較為平滑，PGA和PGV的最大值都位于震中處， 水平向地震動衰減最慢的方向均為通過震中的NNW向， 而豎向地震動衰減最慢的方向為近SN向(向S和向N的雙向)。水平向地震動衰減最慢的方向與房立華等給出的余震精定位結果、 張旭等利用遠場體波數據反演得到的破裂斷層走向(中國地震局地球物理研究所， 2021)以及《云南漾濞6.4級地震烈度圖》的等震線長軸方向基本相同。

圖 2 漾濞 MS6.4 地震震中距≤360km臺站記錄的EW、 NS和UD 3個方向的PGA和PGV等值線圖Fig. 2 Contours of peak ground acceleration(PGA)and peak ground velocity(PGV)of the Yangbi MS6.4 earthquake recorded by strong motion stations with epicenter distance less than 360km.五角星表示震中， 三角形表示強震動臺站

1.3 強震動幅值特征

有5個強震動臺站位于漾濞MS6.4 地震震中距≤100km的范圍內， 記錄到最大PGA的臺站是距震中8.03km的53YBX臺， 其EW、 NS和UD向的PGA分別為374.40gal、 -695.65gal和-407.42gal， 3個方向的PGV分別為-27.18cm/s、 -27.27cm/s和-7.90cm/s。距離震中33.18km的月溪井臺(53DLY)獲得了第2大的PGA值， 其EW、 NS和UD向的PGA分別為-114.17gal、 -106.40gal和-90.87gal， 3個方向的PGV分別為-8.49cm/s、 12.10cm/s和2.15cm/s。圖 3 繪制了53YBX臺和53DLY臺處理后的EW、 NS和UD方向記錄的加速度和速度時程。以Arias強度5%～95%之間的時間間隔計算的53YBX臺3個方向的相對持時(Trifunacetal.， 1975)分別為5.43s、 3.80s和5.18s， 53DLY臺3個方向的相對持時分別為14.72s、 12.78s和12.85s。震中距≤100km的強震動臺站記錄及相關地震動參數見表1。

表1 漾濞MS6.4地震震中距≤100km的強震動臺站記錄及其相關參數Table1 Ground motion parameters of strong-motion recording at epicenter distances less than 100km observed in the Yangbi MS6.4 earthquake

2 與國內常用地震動衰減關系的對比

目前， 國內適用于云南地區的常用水平向地震動衰減關系包括： 基于美國西部的水平向基巖加速度反應譜衰減關系和中國西部的地震烈度衰減關系， 采用中線映射轉換方法(胡聿賢等， 1996)建立的中國西部和川藏地區的基巖水平向PGA和5%阻尼比SA(T=0.04～6.0s)衰減關系(俞言祥等， 2006； 肖亮， 2011)(下文稱YW06和XL11)； 王玉石等(2013)利用川滇地區破壞性地震和汶川強余震的強震動數據統計回歸獲得的水平向地震動PGA和5%阻尼比SA(T=0.04～10.0s)衰減關系(下稱WLZ13)。俞言祥等(2006)和肖亮(2011)的衰減關系適用于基巖場地， 王玉石等(2013)的衰減關系使用的加速度記錄臺站所處場地條件均為堅硬場地。這3組衰減關系均適用于震中距0～200km的情況， 因此本文將在震中距≤200km的范圍內進行對比。將漾濞MS6.4 地震的水平向PGA和SA觀測值與常用的地震動衰減關系計算值進行對比， 如圖 4 所示。圖 4 顯示， YW06和XL11的長軸衰減關系計算值大于漾濞MS6.4 地震中遠場觀測的PGA和SA(T=0.2s)值， 而與近場觀測的PGA和SA(T=0.2s、 1.2s、 3.0s)值吻合較好； 除基巖場地的觀測值小于YW06和XL11短軸衰減關系計算值外， 土層場地的觀測PGA和SA(T=0.2s、 1.2s、 3.0s)值均與YW06和XL11的短軸衰減關系計算值吻合較好。WLZ13衰減關系的計算值大于基巖場地的觀測PGA、SA(T=0.2s、 1.2s、 3.0s)值， WLZ13衰減關系的計算值大于中遠場而小于近場土層場地的觀測PGA和SA(T=0.2s、 1.2s、 3.0s)值。

圖 4 漾濞 MS6.4 地震水平向PGA和SA(T=0.2s、 1.2s、 3.0s)觀測值與國內常用的水平向基巖地震動衰減關系計算曲線的對比Fig. 4 Comparison of observed horizontal PGA and SA(T=0.2s， 1.2s， 3.0 s)of the Yangbi MS6.4 earthquake with the horizontal ground motion attenuation relation curves commonly used in China.

3 近場強震動記錄時頻分析和震害分析

3.1 時頻特征

《云南漾濞6.4級地震烈度圖》顯示， 此次地震的極震區烈度為Ⅷ度， 相對于魯甸MS6.5 地震的極震區烈度Ⅸ度， 此次地震震中附近地震震害較輕。為了研究震中區震害相對較輕的原因， 選取距離震中最近的53YBX臺的強震動記錄進行分析。對此次地震中53YBX臺地震動的EW、 NS向加速度記錄進行小波變換和時頻分析。小波變換是在頻域上將信號與中心頻率fi和參數m的改進Morlet小波相乘：

(1)

式中，ω0=6。在給定的頻率fi上應用小波變換可分析該特定頻率上信號能量的時間分布。圖 5 給出了在每個頻率上應用小波變換得到的時頻圖， 該圖將信號的能量分布在時頻平面上。53YBX臺地震動EW、 NS向加速度記錄的能量主要集中在8～15Hz， 對應的周期范圍為0.07～0.13s； 而UD向加速度記錄的能量主要集中在20Hz附近， 對應的周期約為0.05s。

圖 5 漾濞 MS6.4 地震53YBX臺EW、 NS和UD向加速度記錄時頻分析圖Fig. 5 Time-frequency diagram of acceleration time histories in the EW， NS， and UD components at station 53YBX for the Yangbi MS6.4 earthquake.

3.2 臺站附近結構的震害調查

漾濞臺位于漾濞縣地震局內， 地貌上屬于漾濞江形成的峽谷， 場地整體較平坦， 地勢NE高SW低， 位于河漫灘一、 二級階地上， 主要由構造剝蝕和沖洪積沉積形成的粉質黏土、 漂塊石組成。經查詢《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)， 該地區的抗震設防烈度為Ⅷ度， 設計地震動分組為第3組(中華人民共和國城鄉建設部， 2010)。《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)規定， 該地區Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度和加速度反應譜特征周期分別為0.20g和0.45s， Ⅱ類場地罕遇地震動峰值加速度和加速度反應譜的特征周期分別為0.38g和0.50s(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局， 2015)。計算了此次地震中53YBX臺強震動記錄的5%阻尼比水平向加速度反應譜(T=0.01～6.0s)， 并將其與該地區的建筑結構抗震設計譜進行對比， 如圖 6 所示。53YBX臺EW、 NS向記錄的加速度反應譜在0.14s前均明顯高于基本地震動設計譜和罕遇地震動設計譜。EW、 NS向加速度反應譜分別在0.14～1.6s、 0.14～1.1s高于基本地震動設計譜而低于罕遇地震動設計譜， 在其他周期范圍均低于基本地震動設計譜。反應譜的卓越周期為0.1s， 在0.1s后反應譜值迅速下降， NS向反應譜的卓越周期對應的反應譜值是罕遇地震動設計譜平臺值的3.87倍。近場臺站53YBX強震動記錄的加速度反應譜計算結果表明， 周期0.1s(頻率10Hz)的地震動成分極為豐富， 而周期>0.14s的地震動成分相對較少。

圖 6 漾濞 MS6.4 地震53YBX臺EW向和NS向5%阻尼比加速度反應譜與基本和罕遇地震動設計譜的對比Fig. 6 Comparison of 5% damping acceleration response spectra in the EW and NS components of station 53YBX for the Yangbi MS6.4 earthquake with code design spectra.

對53YBX臺附近建筑物的結構破壞情況進行了詳細的調查和分析。調查發現， 受地震破壞的主要是建于20世紀80～90年代的1層穿斗木構架結構， 其建筑特點為： 1)前墻多以木結構為主， 如木門、 木窗、 木柱、 木梁等； 2)山墻和后墻多采用厚度較大的土墻結構。此次地震中木骨架基本完整， 地震導致了嚴重的梭瓦現象和厚重的土墻開裂甚至坍塌， 受損的木結構也多是年久失修的檁條， 如圖7a、 b所示。而近幾年新建的2～3層磚混結構、 框架結構基本未出現震害或震害很輕， 如布設53YBX臺的漾濞縣地震局大樓屬于全框架結構， 于2014年建成， 該建筑共有2層半， Ⅷ度設防， 僅外墻和內墻出現細微的水平向、 豎直向和斜向裂縫， 不影響使用， 如圖7c、 d所示。我們注意到， 對于一般的房屋建筑通常可近似使用0.1N來估算建筑結構的自振周期， 其中N為樓層層數(溫瑞智等， 2013)， 據此可以推測53YBX臺附近1層穿斗木構架結構破壞嚴重而2～3層的磚混結構和框架結構破壞較輕應該與近場記錄能量主要集中在周期0.07～0.13s、 周期0.1s的地震動成分極為豐富、 周期>0.14s的地震動成分相對較少、 結構本身特點以及年久失修等因素有關。

圖 7 53YBX臺站附近建筑物震害情況Fig. 7 The earthquake damage of buildings around the station 53YBX.

4 結論和討論

本文對漾濞MS6.4 地震共29組強震動記錄進行處理， 繪制了漾濞地震觀測的地震動PGA、PGV的空間分布圖。將觀測地震動參數與國內常用的地震動衰減關系計算值進行了對比， 分析了此次地震觀測的地震動的幅值、 時頻特征， 對近場臺站記錄的反應譜值與建筑抗震設計譜進行了對比分析， 并結合現場震害調查分析了震中區建筑結構震害較輕的主要原因， 得到了如下幾點認識：

(1)漾濞MS6.4 地震中觀測的EW和NS向地震動PGA和PGV的最大值都位于震中處， 衰減最慢的方向均為通過震中沿NNW向， 這與房立華等給出的余震精定位結果、 張旭等利用遠場體波數據反演得到的破裂斷層走向(中國地震局地球物理研究所， 2021)以及《云南漾濞6.4級地震烈度圖》的等震線長軸方向基本相同；

(2)漾濞MS6.4 地震的土層場地實際觀測值與基于轉換方法得到的中國西部、 川藏區水平向基巖地震動衰減關系的計算值吻合較好， 而基巖場地的觀測值小于衰減關系的計算值。由于土層非線性對地震動存在放大的影響(Wallingetal.， 2008)， 同等條件下土層場地的觀測地震動應大于基巖地震動衰減關系的計算值， 而漾濞地震的土層場地實際觀測值與基巖地震動衰減關系的計算值吻合較好， 表明基于轉換方法獲得的中國西部、 川藏區水平向基巖地震動衰減關系在一定程度上會高估云南地區地震在基巖場地觀測的地震動(張斌等， 2020)。王玉石等(2013)的衰減關系略高估了短周期地震動而低估了中長周期地震動， 可能是由于該衰減關系采用的數據主要來自汶川主震及其強余震， 大部分記錄臺站位于四川地區， 而漾濞地震的記錄臺站主要位于云南地區， 2個地區的地質構造特征存在差異；

(3)距離震中最近的53YBX臺EW、 NS向加速度記錄的能量主要集中在0.07～0.13s周期， 反應譜卓越周期為0.1s， 加速度反應譜在0.14s前明顯高于建筑抗震設計規范的罕遇地震動設計譜。根據現場震害調查， 臺站周邊的主要建筑物一般為1～3層(1層建筑物以老舊穿斗木構架結構居多)， 自振周期為0.1～0.3s。破壞最嚴重的就是1層的老舊穿斗木構架結構， 2～3層的磚混結構和框架結構幾乎沒有破壞或者破壞很輕， 這與時頻分析得到的能量集中周期范圍、 反應譜卓越周期以及結構自振周期相符， 由此可以解釋漾濞MS6.4 地震近場臺站PGA較大、 極震區1層穿斗木構架結構破壞更為嚴重而2～3層的磚混結構震害較輕的原因。另外， 這些1層穿斗木構架結構的建造時間較長， 結構的某些部件年久失修已經朽爛， 特別是填充墻為就地取材的土坯制成， 厚重且內部缺乏較好粘結材料， 無拉結作用， 其本身的抗震能力較差， 在地震作用下極易發生破壞。云南省地震局發布的《云南漾濞6.4級地震烈度圖》顯示， 此次地震最高烈度為Ⅷ度， 主要集中在漾濞縣蒼山西鎮、 漾江鎮、 太平鄉3個鄉鎮。53YBX臺就位于蒼山西鎮內， 從該臺站的地震動峰值加速度(EW、 NS和UD向的PGA分別為374.40gal、 -695.65gal和-407.42gal)來看， 地震動強度大于地震烈度Ⅷ度相對應的值， 53YBX臺附近1層穿斗木構架結構的破壞情況也較其他地區嚴重， 但與該宏觀烈度分布圖最高烈度分布區基本一致， 觀測地震動記錄PGA偏大可能與局部場地條件有關。

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； 審稿專家對本文的完善提出了非常寶貴的意見。在此一并表示感謝!