2021年5月21日云南漾濞M6.4及相关地震强震动记录特征分析

潘章容,李同林,崔建文,田秀丰,石文兵,张卫东,袁 洁

(1.甘肃省地震局,甘肃 兰州 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时48分34秒,云南省漾濞县(25.67°N,99.87°E)发生M6.4地震,震源深度8.0 km。据中国地震台网目录,截至2021年6月15日,漾濞县共发生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,最大余震为2021年5月21日22时31分10秒(震后43分钟)发生的M5.2地震(25.59°N,99.97°E;震源深度8.0 km)。在M6.4主震发生前26分钟(2021年5月21日21时21分25秒),漾濞县发生了一次M5.6地震(25.63°N,99.92°E;震源深度10.0 km)。

中国数字强震动观测网络在2021年5月21日云南省漾濞县前后70分钟内发生的3次5级以上地震(M5.6、M6.4及M5.2)中,捕获了丰富的强震动观测记录。基于此,本文拟对3次地震中获取的加速度记录进行初步处理与分析,绘制PGA等值线分布图,并对比研究3次地震中加速度幅值衰减特性及加速度反应谱特性。

1 强震动记录收集及处理

1.1 触发台站分布

2021年5月21日云南漾濞M5.6、M6.4及M5.2地震中,中国数字强震动观测网络共获取了41组三分向加速度记录,其中M5.6地震9组,M6.4地震27组(云南省强震动台网25组、四川省强震动台网2组),M5.2地震5组。3次地震近场触发台站(震中距<150 km)分布见图1。由于53YPX(永平台)UD向数据异常,未采用该台站的UD向加速度记录,因此在3次地震中共获取波形完整、震相清晰的加速度记录120条,其中M5.6地震26条、M6.4地震80条、M5.2地震14条。

图1 近场触发台站分布图(震中距<150 km)Fig.1 Distribution of near-field triggered stations(epicentral distance <150 km)

1.2 地震记录分析

对上述120条未校正的加速度记录进行格式转换、基线校正、滤波等常规数据处理[3-7]。首先根据《中国地震烈度表》(GB/T 17742—2020)[8]中给定方法计算PGA(合成地震动加速度记录的最大值)和PGV(合成地震动速度记录的最大值),再按式(1)、式(2)计算应用PGA得到的地震烈度计算值IA及应用PGV得到的地震烈度计算值IV:

IA=3.17lg(PGA)+6.59

(1)

IV=3.00lg(PGV)+9.77

(2)

按式(3)计算仪器测定的地震烈度II，结果取小数点后一位有效数字；II<1.0时取1.0，II>12.0时取12.0:

(3)

最后按照《中国地震烈度表》(GB/T 17742—2020)中地震烈度与仪器测定的地震烈度II的对应关系,计算地震烈度值。

将云南漾濞M5.6、M6.4及M5.2地震典型加速度记录的基本信息及相关参数分别列于表1、表2和表3。对有效三分量加速度记录进行初步处理及特征分析,为大理州及周边地区的地震区划、抗震设防、场地效应、烈度衰减关系等研究提供基础资料[6-7]。

表1、表2及表3显示,M5.6地震获取记录的PGA介于0.8～338.9 cm/s2间,最大PGA由距离震中最近的53YBX(漾濞台)EW向获取,震中距为5.37 km;M6.4地震获取记录的PGA介于0.8～719.6 cm/s2间,最大PGA由震中距为7.77 km的53YBX台NS向获取;M5.2地震获取记录的PGA介于2.0～190.6 cm/s2间,最大PGA由震中距为9.12 km的53YBX台NS向获取。

表1 漾濞M5.6地震强震动记录及其相关参数Table 1 Strong motion records and related parameters of the M5.6 earthquake

表2 漾濞M6.4地震强震动记录及其相关参数Table 2 Strong motion records and related parameters of the M6.4 earthquake

表3 漾濞M5.2地震获取强震动记录及其相关参数Table 3 Strong motion records and related parameters of the M5.2 earthquake

整体上,3次地震的PGA、PGV值均随震中距的增加而衰减,个别异常点可能与台站本身的场地条件及地震传播特性有关,还有待进一步研究。

2 峰值加速度分布图

峰值加速度分布图以各观测点的加速度值为依据(通常选取三分向中的某一分向或最大分向来进行绘制),可真实反映地震发生时观测点的地面运动强度,能够为研究强地面运动的特性和工程结构抗震设计方法与技术提供基础资料,同时可为快速评估和制定大震应急方案提供重要依据[7]。

以表1、表2及表3中计算得到的三分向峰值加速度值为基础,选取三分向的最大峰值加速度值为数据源,采用克里格插值法分别绘制了云南漾濞M5.6、M6.4、M5.2地震的峰值加速度等值线分布于图2。由图2可知,3次地震的峰值加速度等值线均呈NW-SE方向展布,最大值位于震中附近。

图2 峰值加速度等值线分布图Fig.2 PGA contour distribution map

云南省地震局发布的《云南漾濞6.4级地震烈度图》(图3)显示,此次地震的最高烈度为Ⅷ度,主要分布在漾濞县苍山西镇、漾江镇、太平乡3个乡镇。根据《中国地震烈度表》(GB/T 17742—2020)中地震烈度与仪器测定的地震烈度的对应关系,仪器测定的最大值点(63YBX台)所在位置对应地震烈度为Ⅷ度,与《云南漾濞6.4级地震烈度图》基本一致。这说明仪器测定的地震烈度值与宏观调查的地震烈度值基本符合,测量值可为确定地震烈度提供参考。

图3 云南漾濞6.4级地震烈度图(云南省地震局2021年5月25日发布)Fig.3 The seismic intensity map of Yangbi M6.4 earthquake (Published by Yunnan Earthquake Agency on May 25,2021)

3 幅值衰减特征

地震动在传播过程中受到震源和传播路径介质的影响会呈现出不同的衰减特性,目前学者已提出多种衰减关系[1-2,9],本文选用国内两种常用的衰减模型与本次地震动参数进行对比。

结合地震发生区域的地质特征和强震动台站位置,选用第五代《中国地震动参数区划图(GB 18306—2015)》青藏区(包括川滇地区)地震动衰减关系[1](简称YU)和汪素云中国西部地震动衰减关系[2](简称WANG)分析M5.6、M6.4及M5.2地震强震动记录的幅值衰减特性。为进行对比分析,将YU衰减关系的适用范围延长至400 km。3次地震观测PGA与衰减关系预测PGA间的对比关系见图4,其中实线和虚线分别表示衰减关系长轴及短轴曲线。

图4 青藏地区与中国西部地震衰减关系Fig.4 Earthquake attenuation relationship in the Qinghai-Tibet area and western China

由图4可见,地震动PGA观测值衰减与地震震级、震中距及地震传播介质等因素有关,具体表现为:

(1)与上述两种衰减关系相比较,PGA实际观测值与YU预测值更吻合,与WANG预测值离散性较大。

(2)在近场震中距小于10 km的53YBX台,3次地震的PGA观测值与YU预测值基本一致,位于WANG衰减曲线上方,即该台站PGA观测值大于WANG预测值;在震中距介于10～30 km的53DLY(月溪井台),3次地震的PGA观测值与YU预测值、WANG预测值均吻合较好;在震中距介于60～65 km的53BTH(太和台),3次地震的PGA观测值均位于两种预测曲线下方,即观测值小于预测值,且从表1、表2和表3中可以看出该台三分向加速度峰值均小于类似震中距台站的加速度峰值,其实际情况有待进一步研究。

(3)震中距大于200 km的远场PGA观测值与YU预测值、WANG预测值均吻合较好,PGA观测值较均匀地分布于两种衰减曲线两侧。

(4)较之M6.4地震,M5.6和M5.2地震的PGA观测值与预测值离散性更大,造成这些现象的主要原因可能与M5.6和M5.2地震震级较小、台站获取记录较少及台站分布不均匀有关。地震动参数衰减关系是利用观测的强震记录回归得到的,台站PGA观测值本身存在较大随机性,因此整体上PGA观测值与两种衰减关系的衰减特性一致。

4 加速度反应谱分析

加速度反应谱是目前国内外工程抗震设计的重要依据,反映了不同结构周期的单自由度体系在地震力作用下的最大反应,在地震工程研究和地震动区划应用中有重要作用,计算和分析加速度反应谱有助于进一步了解强震动记录的频域特征[10-11]。

4.1 典型台站反应谱分析

选取距离3次地震震中最近的53YBX台的加速度记录进行加速度反应谱特征分析。该台距离M6.4、M5.6及M5.2地震震中分别为7.77 km、5.37 km和9.12 km。3次地震中53YBX台的EW向、NS向及UD向加速度反应谱(阻尼比为5%)如图5所示。由图5可知:

图5 3次地震53YBX台加速度反应谱Fig.5 Acceleration response spectra of 53YBX station for the three earthquakes

(1)图5(a)为3次地震中53YBX台捕获记录的加速度反应谱曲线,体现了不同震级地震在类似震中距的情况下对同一台站反应谱的影响。可以看出,不同震级对反应谱影响主要表现在0.5 s之后的长周期成分。类似震中距的情况下,震级愈大,长周期分量愈明显;震级愈小,幅值衰减愈快。

(2)从图5(a)可以看出,同一震级对反应谱的影响主要反映在2 s后的反应谱幅值衰减,同一台站、同一震级的3个方向反应谱形态整体一致,各分量的最大加速度反应谱幅值均在0.05～0.2 s间;各分量在10 s以后的反应谱幅值基本衰减至0,其中UD向衰减最快,NS向次之,EW向最慢。

(3)图5(b)～(d)分别对比了53YBX台在不同震级、同一方向上的加速度反应谱。可以看出:不同震级、类似震中距的情况下,震级越大,台站同一方向的加速度反应谱峰值越大;不同震级、类似震中距的情况下,EW向、NS向及UD向反应谱谱形相似,反映了震级对同一台站场地的卓越周期及反应谱形状的影响有限,但出现这种现象也可能是因为3次地震震级相差较小。

4.2 加速度反应谱平均周期

地震动会对远场软土场地上的高层建筑、大跨桥梁及储油罐等产生严重的震害,国内外专家均对如何评价远场长周期地震动进行了研究。文献[12-13]建议采用对地震动低频成分更加敏感的加速度反应谱平均周期Tra来评价远场长周期地震动:

(4)

式中:Ti为5%阻尼比加速度反应谱等间距离散周期;Sa(Ti)为Ti对应的谱加速度。

根据式(4)计算M6.4地震中获得的80条加速度记录的加速度反应谱平均周期Tra,并绘制Tra拟合曲线图(图6)。为对比显示,图中离散点为实际计算的Tra/2。从图6中可以看出,在近场区域(100 km范围内)Tra相对较小,这是因为在近场区域,地震动高频成分占主要地位,长周期成分表现不明显[12];随着震中距增加,NS向和UD向呈上升趋势,高频地震分量在波的传播过程中能量逐渐消耗,长周期成分成为地震动频谱的主要特征。本次M6.4地震由于缺少350 km以外的远场记录,加速度反应谱平均周期的后续变化趋势无法再计算。但整体来看,Tra从反应谱的角度比较有效地区分了近场和远场的地震动长周期特性,可以作为评价地震动长周期特性的参考。

图6 M6.4地震加速度反应谱平均周期Fig.6 Average period of acceleration response spectrum of the M6.4 earthquake

5 结论

本文对2021年5月21日云南漾濞M5.6、M6.4及M5.2地震中获取的120条强震动观测记录进行了处理和初步分析,计算强震动记录相关参数,分析了幅值衰减特性及典型台站加速度反应谱,并得出以下结论:

(1)M5.6地震获取记录的PGA介于0.8～338.9 cm/s2间,M6.4地震获取记录的PGA介于0.8～719.6 cm/s2间,M5.2地震获取记录的PGA介于2.0～190.6 cm/s2间,最大PGA均由53YBX台获取。整体上随震中距增加,各强震动台站的PGA逐渐衰减,直至降为0。

(2)绘制了3次地震的峰值加速度分布图,发现其峰值加速度等值线均呈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线分布图与云南省地震局发布的《云南漾濞6.4级地震烈度图》基本一致。

(3)将PGA观测值与两种衰减关系进行比较,发现实际观测值与俞言祥青藏区(包括川滇地区)地震动衰减关系预测曲线吻合更好,而与汪素云中国西部地震动衰减关系预测值离散性较大。

(4)分析典型台站的加速度反应谱,发现震级愈大,反应谱中长周期分量愈明显;震级愈小,幅值衰减愈快。

(5)加速度反应谱平均周期能比较有效地区分近场和远场的地震动长周期特性,可以作为评价地震动长周期特性的参考。

致谢:感谢云南、四川强震动观测人员在3次地震观测、记录收集工作中的辛勤付出！