2021年5月22日玛多MS 7.4地震地震动特征

万秀红 吴 哲 李智敏 屠泓为 李 鑫

（中国西宁 810001 青海省地震局）

0 引言

据中国地震台网中心正式测定，2021年5月22日2时4分，青海省果洛州玛多县发生MS7.4地震，震中为34.59°N、98.34°E，震源深度17 km，最大震级余震为同日10时29分发生的5.1级地震。此次地震是继2001年昆仑山8.1级地震、2010年玉树7.1级地震之后青海地区发生的又一次破坏性较强的地震。地震造成多处桥梁坍塌，道路严重变形和开裂，民房倒塌或严重受损。

强震地面运动研究是由于抗震设计的需求而发展起来的，强震观测是其基础。通过强震观测记录研究可以认识地震动特性，了解工程结构在地震中的破坏情况。不同强度的地震动对工程结构的破坏程度明显不同，因此，强震动观测日益受到重视。一些研究者利用不同地震的强震动记录数据，从厚覆盖土层与长周期地震动间的关系、竖向与水平向峰值加速度之比、反应谱比、水平向PGA等值线与烈度图间的关系、衰减关系、PGA与地震烈度间的关系、地震断层破裂的方向性效应等方面对强震动记录特征进行了研究（徐扬等，2008；施伟华等，2010；李英成等，2012；宋晋东等，2017；吕国军等，2018；徐钦等，2018；王文才等，2019；赵昆等，2020；安昭，2020；江鹏等，2021），强震动特征研究对于灾害损失评估、工程抗震设防、工程抗震研究等具有重要意义。玛多MS7.4地震后，已有研究者对此次地震的震害特点、深部环境、地震发震构造等进行了研究（詹艳等，2021；李智敏等，2021）。本文在前人研究的基础上，收集玛多MS7.4地震强震记录数据，从地震峰值加速度、反应谱变化特征等方面对此次地震进行初步分析，以期为青海地区场地效应、工程抗震研究提供参考。

1 强震记录及分布

玛多MS7.4地震震中位于青海省南部区域的玛多县，该区域分布有玛多—甘德断裂、昆仑山口—江错断裂、达日断裂，此次地震的主震、余震震中主要分布在昆仑山口—江错断裂及附近（图1）。现场科考人员经地表破裂调查后认为，昆仑山口—江错断裂为此次地震的发震断裂，地表破裂长度约160 km（李智敏等，2021）。

图1 青海强震动台网台站位置及玛多MS 7.4地震序列震中分布 Fig.1 Station location of Qinghai strong motion network and epicentral distribution of the Maduo MS 7.4 earthquake sequence

青海强震动台网经过2003年“中国数字强震动观测网络”项目、2011年“中国地震背景场探测工程”项目的建设，已基本形成了覆盖青海全省且技术先进的强震动观测台网。青海监视区范围内发生4级以上地震后，强震动台网可迅速给出各台站的强震观测结果，进而定量地给出监视地区的地震动强度并确定宏观震中，为及时有效地组织抗震救灾，乃至为建立大震预警系统和地震应急控制系统提供科学依据。这对提高防御地震灾害能力、减轻地震造成的人员伤亡和经济损失、保障社会稳定和可持续发展，构筑地震安全提供了有力支撑。本文收集了16个台站（图1）记到的强震数据，这些台分别为西宁地震台、湟源地震台、民和地震台、循化地震台、平安地震台、共和地震台、同仁地震台、德令哈地震台、都兰地震台、诺木洪地震台、大格勒地震台、塘格木地震台、贵德地震台、兴海地震台、大武地震台、河南地震台，除了同仁地震台和德令哈地震台为基岩台，其他14个台均为土层台。其中，震中距小于200 km的有3个台，200—400 km的有11个台，大于400 km的有2个台。各台站的场地条件、震中距及峰值加速度如表1所示。

表1 青海强震动台网台站及强震动相关参数Table 1 The parameters of strong ground motion stations

2 峰值加速度PGA随震中距的变化及其衰减特征

收集到了16个地震台的强震记录数据，这些台站距玛多MS7.4地震震中均较远，其中，最近的为大武地震台，震中距约为175 km，该台获取到了此次地震PGA的最大值；距震中最远的为民和地震台，震中距约为450 km（表1）。图2为收集到的16个强震台三分量（EW、NS、UD）PGA随震中距的变化。由图2可见，除德令哈地震台、西宁地震台之外，其他台站PGA随震中距的增大呈现平稳下降过程。

图2 峰值加速度随震中距的变化Fig.2 Variation of PGA with epicentral distance

选取《GB18306—2015〈中国地震动参数区划图〉宣贯教材》（高孟潭，2015）给出的中国分区地震动参数衰减关系中青藏地区衰减关系来研究玛多MS7.4地震的衰减特征。该衰减关系为6.5级以下和6.5级以上两段式，之所以采用以震级6.5级为界进行震级分段的两段式衰减关系，是因为在进行地震动参数分布回归时，对震级项系数的拟合具有明显的以6.5级为界的分段线性特征。针对玛多MS7.4地震，选取 6.5级以上衰减关系。图3为以青藏地区长轴（实线）、短轴（虚线）衰减关系，绘制的 7.0级、7.4级、8.0级地震的衰减曲线。从图3可见，总体上，EW向PGA值最大，UD向基本小于EW向、NS向；地震动PGA的衰减特征与青藏地区衰减关系间有较好的一致性；三分量PGA值均随着震中距的增大而减小；距震中较近的台站三分量PGA值差别较大，尤其是UD向与EW向、NS向之间，随着震中距的增大，三分量PGA值逐渐接近，水平向与UD向基本持平。三分量PGA值随震中距增大而减小的过程中，贵德地震台EW向、NS向PGA值和西宁台NS向、UD向PGA值稍变大。

图3 峰值加速度衰减变化Fig.3 The variation of PGA attenuation

3 加速度时程分析

收集了大武地震台、兴海地震台、塘格木地震台、贵德地震台、都兰地震台、诺木洪地震台、大格勒地震台、河南地震台、德令哈地震等9个台站的强震记录波形数据，这9个台中8个为土层台，1个为基岩台（德令哈地震台）。虽然玛多MS7.4地震震级较大，但因震中附近强震台较少，且这些台站距震中较远，PGA值较小。距震中最近的大武地震台记录到了最大PGA，EW向45.5 Gal、NS向40.6 Gal、UD向-19.1 Gal。除了个别台，一般都是EW向PGA值最大，其次为NS向，UD向值最小。距震中较近的4个台加速度时程曲线如图4所示。

图4 加速度时程数据（a）大武地震台；（b）兴海地震台；（c）塘格木地震台；（d）贵德地震台Fig.4 Acceleration time history data of DAW(a)，XIH(b)，TGM(c) and GUD(d)

4 加速度反应谱分析

反应谱关系到设防标准和结构的动力特性，是抗震设计的前提和依据。规范中所使用的设计反应谱通常是根据对大量实际地震记录的反应谱进行统计分析并结合经验判断加以规定的（周锡元等，1990），因此研究实际地震记录的反应谱具有理论和实践意义。

图5为上述9个台站的EW向、NS向、UD向PGA反应谱，从图5见，除大武地震台PGA值较大之外，其他台的PGA值都较小，这种情况是PGA随震中距的增大而衰减的结果。大武地震台PGA反应谱特征周期为0.6 s左右，其他台站震中距较大，PGA值较小，特征周期没有那么明显，但总体上EW向、NS向PGA反应谱特征周期均为0.6—1.0 s。

图5 9个台站三分量PGA反应谱Fig.5 Three components PGA response spectra of 9 stations

对上述9个台的反应谱数据进行了分析（图6），由图6可见，大武地震台反应谱最大峰值为200 Gal左右，其他台最大反应谱峰值均小于40 Gal。另外，大武地震台与河南地震台反应谱曲线偏窄，其他台反应谱曲线均偏宽。大武地震台、贵德地震台、河南地震台三分量（EW、NS、UD）PGA反应谱只有1个谱峰，塘格木地震台、兴海地震台、都兰地震台、诺木洪地震台PGA反应谱出现了2个谱峰和1个低谷。德令哈地震台为基岩台，其他台均为土层台，土层台与基岩台PGA反应谱明显不同。8个土层台中，除了都兰地震台UD向PGA反应谱大于EW向、NS向之外，其他台均为EW向、NS向PGA反应谱大于UD向。震中距越小，短周期高频成分越多，衰减越快；震中距越大，长周期高频成分越少，衰减越慢。上述现象可能与震中距、观测台站的场地条件、地震波传播介质、传播途径等因素有关。

图6 9个台站的三分量PGA反应谱（a）DAW；（b）TGM；（c）XIH；（d）GUD；（e）DUL；（f）HEN；（g）NMH；（h）DGL；（i）DLHFig.6 Three components PGA response spectra of 9 stations

5 加速度反应谱（UD向与EW、NS向）比值分析

GB 50011—2010《建筑抗震设计》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2010）中规定，一般情况下，应至少在建筑结构的2个主轴方向分别计算水平地震作用，8度、9度时的大跨度、长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。随着社会的发展，各类高耸结构、大跨结构等复杂结构越来越多，在地震作用下，工程结构受到的破坏可能由水平向地震动引起，也可能与竖向地震动密切相关（徐龙军等，2007）。因此，对水平向加速度反应谱与竖向加速度反应谱的比值进行研究具有重要意义。

一般认为，谱比值受震中距、周期、场地等因素的影响，PGA的UD向与EW、NS向反应谱的比值（V/H）平均为1/2—2/3。在短周期和近场范围内，比值远大于2/3；在中长周期内，比值基本上小于2/3（周锡元等，2006）。由于收集到的强震记录PGA值较小，所以选取3个PGA值较大台站（大武地震台、兴海地震台、塘格木地震台）的波形数据的三分量反应谱进行分析（图7）。从图7可见，3个台PGA反应谱的UD/EW、UD/NS均出现了2个谱峰、1个低谷，两峰一谷这种现象与李恒等（2010）、耿淑伟等（2004）的研究结果基本一致；出现谱峰的地方UD向值大于EW、NS向值，出现低谷的地方UD向值小于EW、NS向值；大武地震台在约2.4 s之前PGA反应谱UD/EW小于1.0，之后大于1.0，到8 s后，开始小于1.0，UD/NS均小于1.0；兴海地震台与塘格木地震台的PGA反应谱的UD/EW、UD/NS，除了几个谱峰比值大于1.0外，其余比值均小于1.0；这3个台中，除了2个谱峰处的比值较大外，其他比值与周锡元等（2006）给出结果基本一致。

图7 3个台的PGA反应谱UD/EW（a）、UD/NS（b）Fig.7 The PGA response spectrum ratio of UD/EW and UD/NS of 3 stations

高杰（2009）在研究UD向地震动加速度反应谱时，给出了收集到的所有记录的平均谱比曲线，发现总平均谱比曲线在短周期处呈现1个峰值，继而迅速下降，并出现1个低谷，然后上升，从2.5 s开始谱比进入了相对稳定期，稳定在0.55左右。本文与高杰（2009）研究结果基本一致，都出现了两峰一谷，不同的是高杰（2009）给出的是平均谱比，本文为个别台的谱比，在谱比值上有所差异。

6 讨论

6.1 水平向、竖向地震动与工程结构破坏间的关系

地震作用是相当复杂的自然现象，它既导致结构物水平方向的运动，同时结构物还有竖向的响应。一般建筑物在多遇地震下主要表现为水平响应，其受到的破坏主要源于地震水平作用（高杰，2009）；而在强震时，则需要考虑长周期竖向地震动作用的影响。玛多MS7.4地震造成共玉高速玛多境内的野马滩1号大桥坍塌。根据现场科考，SN向的野马滩1号大桥位于震中西北方向，距发震断裂很近，与此次地震的发震断裂（NWW向左旋走滑的昆仑山口—江错断裂）呈夹角状，在极震区范围内，该区域受到的破坏最严重。野马滩1号大桥桥梁板塌落，桥墩也受到不同程度的损坏，均为南侧落于地面，北侧支撑于桥墩，出现朝同一个方向的整齐落梁，这种现象可能是由近断层方向效应所致（安昭，2020）。根据大武地震台强震记录，大武台EW向、NS向峰值加速度大于UD向，EW向、NS向加速度反应谱也大于UD向（图6），初步认为，野马滩1号大桥受到的破坏及水泥路面的明显错断[图8（a）、8（b）]受EW向、NS向地震动作用的影响更大，这种破坏现象与文中所得结果基本相符。

图8 野马滩1号大桥受到的破坏（a）和公路错断（b）Fig.8 Damaged Yematan No.1 bridge (a) and the highway (b)

6.2 强震台站的分布

强震台站分布的疏密对强震数据的获取极为重要。由于强震台站较少，对于玛多MS7.4地震没有获取到震中附近的强震数据，记录到强震数据的最近台站为大武地震台，震中距约为175 km，该台记录到了此次地震PGA最大值（45.5 Gal），而2013年4月20日芦山MS7.0地震时距震中最近台站记录到的PGA值超过了1 000 Gal。2次地震相比，虽然玛多MS7.4地震震级较大，破裂尺度也较大，但因强震台站均距震中较远，故未获得近距离的强震记录，各台站记录到的PGA值均较小。如果玛多MS7.4地震震中附近强震台站密集，就可能记录到更多反映玛多地震强度的数据，从而更好地分析此次地震。

7 结论

通过收集到的玛多MS7.4地震时16个台的PGA和9个台的强震波形数据，对此次地震PGA随震中距的变化及衰减特征、反应谱变化特征及几个较近台站的PGA反应谱及谱比进行了初步分析，得到如下结论。

（1）除德令哈地震台和西宁地震台以外，其他台站三分量PGA随震中距的增大呈平稳下降；PGA的衰减特征与青藏地区衰减关系间有较好的一致性；EW向PGA值最大，UD向PGA值基本小于EW向、NS向PGA值；距震中较近的台站三分量PGA值差别较大，且随震中距的增大三分量PGA值逐渐接近。

（2）除个别台以外，一般地震动波形数据都是EW向PGA值最大，其次为NS向，UD向值最小；由于收集到的台站震中距较大，PGA值较小，所以特征周期不明显，总体上EW向、NS向PGA反应谱特征周期均为0.6—1.0 s。

（3）对9个台的PGA反应谱数据进行分析发现，大武地震台、河南地震台反应谱曲线偏窄，其他台反应谱曲线均偏宽；土层台与基岩台反应谱明显不同；震中距越小，短周期高频成分越多，衰减越快，震中距越大，长周期高频成分越少，衰减越慢。

（4）PGA反应谱UD/EW与UD/NS均出现了两峰一谷现象；出现谱峰的地方UD向PGA值大于EW向、NS向，出现低谷的地方UD向PGA值小于EW向、NS向；本文结果与高杰（2009）研究结果基本一致，都出现了两峰一谷，不同的是高杰（2009）给出的是平均谱比，本文为个别台的谱比，在谱比值上有所差异。

（5）根据大武地震台强震记录，EW向、NS向PGA大于UD向，加速度反应谱也大于UD 向，初步认为，野马滩1号大桥受到的破坏及水泥路面的明显错断受EW向、NS向地震动作用的影响更大，这种破坏现象与文中所得结果基本相符。

本文采用了青海省地震局强震动数据及科考人员提供的现场图片，同时审稿老师提出很多宝贵的修改建议，在此一并致以谢意。