2021年青海玛多7.4级地震强震动记录及特征分析

王维欢,王文才,尹欣欣,陈继锋,陈晓龙

(1.甘肃省地震局,甘肃 兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

0 引言

据中国地震台网正式测定,北京时间2021年5月22日2时4分,在青海省果洛州玛多县境内(34.59°N,98.34°E)发生7.4级地震,震源深度17 km。这是继汶川8.0级地震后巴颜喀拉块体上发生的最大一次地震,发震断裂为昆仑山口—江错断裂,微观震中位于玛多县黄河乡,宏观震中位于玛多县玛查理镇。地震造成玛多县多人受伤,玉共高速野马滩大桥坍塌,花久高速昌麻河大桥坍塌,多处国、省干线公路严重受损、变形或隆起,西宁、兰州、成都等地有较强震感。中国数字化强震动观测网络在该地区布设的16个强震动野外观测站在主震中捕获到了48条三分向加速度波形数据[1-3],这些数据对抗震救灾、灾害损失评估、地震波传播路径和过程机理研究、建筑结构抗震研究等具有重要意义。本文基于这些波形数据,从地面运动的幅值、衰减规律、反应谱等方面分析此次地震引起的地面运动的基本特性,旨在为地质灾害评估、灾后重建和地震动预测等提供参考。

1 地质构造与场地环境

玛多7.4级地震发生于青海省中南部的高平原区与巴颜喀拉褶皱带的交汇地带,地处青藏构造系与巴颜喀拉—松潘弧形构造带的结合部位。该区主要的构造断裂有玛多—甘德断裂、昆仑山口—江错断裂和达日断裂,根据余震精定位和震源机制反演结果初步确定昆仑山口—江错断裂为此次地震的发震断裂[4-6]。此次地震余震的空间分布长度达170 km,形成约70 km的地表破裂,造成两处高速公路桥梁塌陷,多地出现砂土液化现象,少数人员受伤。图1为此次地震的主震位置、强震动记录台站和断层分布情况。由图1可见,16个野外强震台站分布在距震中175.2～448.4 km的范围内,其中震中距200 km内的台站有3个,200～300 km内的台站有4个,其余台站的震中距大于300 km。

图1 触发强震动台站分布图Fig.1 Distribution of strong motion stations

2 强震数据处理

在进行分析前需要对获取的强震动记录进行必要的处理:首先对地震前20 s数据进行最小二乘拟合确定基线,并据此对原始加速度波形进行基线调整,以消除零线偏移对时程曲线的影响[7],然后用4阶截至频率为0.05 Hz的Buttworth高通滤波器滤波,消除低频干扰信号,给出各台站基础信息与地面运动参数如表1所列[8]。由表1可知,距震中175.2 km的大武台(63DAW)记录的幅值最大,其EW、NS、UD向的加速度峰值分别为46.9 cm/s2、40.6 cm/s2、-19.1 cm/s2,速度峰值分别为3.9 cm/s、-7.3 cm/s、3.1 cm/s。图2为经基线校正后63DAW台的三分向加速度和速度时程曲线,其中NS向的地震动速度波形具有长周期分量丰富的特征。矩心矩张量反演结果表明[6],此次地震是发生在近乎直立的断层面上的一次走滑事件,发震断裂的走向为281°,大体呈EW走向,地表破裂长达70 km,破裂的前向方向性效应可能是沿断层走向上地面运动长周期速度卓越的主要原因。以往的研究表明,长周期分量丰富的地震动对中、长周期结构(如大跨桥梁、减震结构、隔震结构等)可能会产生严重的破坏作用[9-10]。

表1 强震动记录相关参数[8]Table 1 Some related parameters of strong motion records[8]

图2 63DAW台加速度和速度时程曲线Fig.2 The acceleration and velocity time-history curves of 63DAW station

3 加速度反应谱特征

从工程应用方面考虑,反应谱是最重要的强震地面运动参数之一。利用震中距最小、幅值最大的6个典型台站(63DAW、63NMH、63XIH、63DUL、63TGM和63DGL)捕获的强震记录,计算5%阻尼比对应的单自由度线弹性体系加速度反应谱(图3)。将距震中最近、幅值最大的63DAW台的反应谱与我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[11]规定的该地区抗震设计谱进行比较。工程钻探资料显示,63DAW强震台建于中硬土上,属于Ⅱ类场地,设计地震动采用第三组分组,该地区设防标准为Ⅶ度设防。由于现行的《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)将反应谱的使用范围延长到了6 s,因此与设计谱比较时63DAW台反应谱的上限周期取6 s。目前普遍使用的数字化强震仪能够保障10 s以内观测的反应谱精度,为考察此次地震对长周期建筑结构的影响,对其余5个台站进行反应谱计算时统一将上限周期设置为10 s。

图3 观测记录的反应谱与设计谱比较Fig.3 Comparison of design spectrum and response spectrum of observation records

由图3可知:(1)在0.05～0.4 s的平台周期内,63DAW台NS向和EW向记录的谱加速度均为“单峰”型,反应谱峰值远大于7度多遇地震的设计谱值,但小于7度设防地震的设计谱。说明地震动经传播介质到达距震中175.2 km的63DAW台附近时,从峰值幅度看已不足以对当地满足抗震设防要求的建筑物构成严重威胁。(2)根据我国《住宅设计规范》(GB 50096-2011)[12],当地中小城镇主要建筑结构的自振频率为1～3 Hz,对应自振周期为0.3～1 s,而63DAW台记录的此次地震谱加速度峰值周期主要集中在0.05～0.3 s,因此从作用周期范围看,本次地震对63DAW台附近Ⅶ度设防建筑物的影响也较小。(3)在0.4～6.0 s自振周期内,63DAW台NS向的谱加速度值大于7度多遇地震的设计值,其余5个台站的反应谱值曲线在大于1 s的中长周期部分也同样存在较强的起伏变化,虽然反应谱幅值只有十几gal,但相对平台周期的幅值而言却是不容忽视的,尤其是63NMH(R=186.8 km)、63DUL(R=191.1 km)和63DGL(R=312.1 km)台单分向长周期部分对应的反应谱值甚至大于其平台周期的反应谱幅值。造成这种现象的原因与记录台站距离震中均较远,地震动随距离高频(短周期)成分衰减快、低频(长周期)成分衰减慢有关,还可能与震源参数,尤其是观测站所处的场地条件有关。由于缺乏近场强震动记录,假设局部场地条件是影响上述反应谱特征的主要因素,那么近场类似场地上的反应谱可能也会有类似形状,而幅值远大于远场的反应谱值,这对自振周期较长的大坝、桥梁、输电线—塔系统等结构将产生严重破坏影响。

4 地震动衰减关系

地震动在地壳介质中传播时随距离的增加其能量不断衰减,受到断层破裂方式和传播介质各向异性的影响,地震动的衰减规律呈现出不同的特性。目前学者多采用式(1)作为地震动衰减模型,并基于不同强震动数据进行统计回归以确定相应的系数:

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

(1)

式中:Y表示地震动参数(PGA、PGV、PSA等);M表示震级;R为震中距;ci为回归系数。

将本次地震中观测到的峰值加速度与各周期谱加速度按式(2)计算水平向几何平均,并与霍俊荣等(1992)地震动衰减模型[13]、俞言祥(2006)建立的中国西部地区基岩场地衰减关系[14]、以及俞言祥等(2013)第五代区划图中青藏地区的衰减关系进行比较[15],结果如图4所示。

(2)

式中:PGAH表示水平向合成的峰值加速度;PGAEW和PGANS分别表示EW向和NS向的峰值加速度。

由图4可知:(1)63DAW台的加速度峰值明显高于震中距相近的63XIH、63DUL台,也大于几种常见的基岩场地衰减模型的预测值;(2)两个基岩台(63DLH、63TOR)的PGA和PSA(T=0.2 s、T=1.0 s、T=2.0 s)观测值普遍小于同等震中距土层台的幅值,说明地表覆盖土层对地震动有放大作用;(3)300 km内观测的PGV值整体位于霍俊荣基岩场地预测曲线之上,但当震中距大于300 km时观测值普遍低于该预测曲线,说明PGV在远场衰减较快;(4)从不同周期谱加速度值PSA(T=0.2 s、T=1.0 s、T=2.0 s、T=5.0 s)与俞言祥(2006)预测曲线的比较结果可以看出,随自振周期的增加,位于俞言祥(2006)预测曲线上方的离散点个数有逐渐增加的趋势,说明了此次地震中长周期分量(低频成分)卓越的特性。

图4 观测值与常用衰减关系对比Fig.4 Comparison of observed values and some commonly used GMPE

5 强震动与桥梁震害讨论

野马滩1号大桥位于玉共高速野马滩段,采用上下行分离设计,单幅桥包括28跨。根据地震现场科学考察结果,此次地震造成该桥下行线落梁18跨,上行线落梁19跨,所有落梁跨均为南侧落于地面,北侧支撑于桥墩,立面呈倾斜状态,如图5所示。现场震害调查认为导致此次地震中连续多跨主梁落梁的直接原因是全部主梁向北的大位移[16]。为证明此观点,绘制出63DAW台NW向的加速度-位移反应谱(Sa-Sd)曲线于图6。从图6可以看出,63DAW台记录的加速度反应谱在长周期部分的幅值较小,但位移反应谱幅值却较大,5 s对应的Sd为17 cm,10 s对应的Sd为42 cm。由于63DAW台距震中较远,推测靠近断层破裂区域的长周期结构的地震响应位移更大,对桥梁、大坝、输电线-塔系统等长周期结构更可能产生严重影响,这与现场科学考察的结果一致。

图5 野马滩大桥落梁震害Fig.5 Earthquake damage of the YMT bridge

图6 63DAW台Sa-Sd曲线Fig.6 Sa-Sd curves of 63DAW station

6 结论

基于中国数字化强震动观测网络在2021年青海玛多7.4级地震中捕获的加速度记录,从强震数据处理、地面运动幅值、反应谱、衰减关系等方面研究了此次地震的基本特征,并得到如下结论:

(1)震情重、伤亡轻是此次地震的一个基本特征,主要是由于地震发生在人烟稀少的高海拔地区。

(2)强震动观测数据处理结果显示,63DAW台NS向的地震动速度波形表现出明显的长周期分量卓越的特性,根据以往的研究结果,这可能会对附近的中、长周期结构产生较严重的影响。

(3)63DAW台记录的UD向谱加速度峰值在平台周期内低于7度设防地震的反应谱值,其作用周期范围也低于当地城镇房屋的自振周期,因此对63DAW台附近自振周期较短的建筑物影响较小。

(4)无论从各典型台站的反应谱值还是不同周期谱加速度的衰减规律来看,此次地震长周期分量卓越。

(5)由63DAW台的Sa-Sd曲线可以看出,震中区域长周期结构出现的震害,如大跨桥梁落梁、坍塌,输电线-杆-塔系统倾斜严重等,可能与长周期结构NS向地震反应位移过大有关。

致谢:中国地震局工程力学研究所为本研究提供了数据支持,青海省地震局强震动观测人员在数据的收集整理过程中付出了辛勤的劳动,在此一并表示感谢！