2021年9月16日四川泸县MS6.0地震强地面运动特征分析＊

李萍萍 江 鹏， 李同林 马康熙温瑞智 苏金蓉 姜维松

1） 中国成都 610041 四川省地震局

2） 中国哈尔滨 150080 中国地震局工程力学研究所

3） 中国重庆 401147 重庆市地震局

引言

2021年9月16日4时33分四川泸州市泸县发生MS6.0地震，震中（29.20°N，105.34°E）位于泸州市泸县福集镇（中国地震台网，2021），距泸县6 km，距泸州市37 km，距成都市197 km，震中20 km范围内有福集镇、青龙镇、嘉明镇、喻寺镇、天兴镇、牛滩镇、方洞镇、得胜镇、金龙镇、双加镇.震区震感强烈，成都、重庆等多地震感明显.截至当日16时，地震造成泸州等地12.1万人受灾，3人死亡，100人受伤；1 400余间房屋倒塌，6 400余间严重损坏，2.9万间一般损坏.

此次泸县地震位于川东南地区，属于南北地震带中南段.距震中最近的断层是华蓥山断裂带，该断裂带北起达县北，向南西经大竹、邻水、合川、铜梁、荣昌至宜宾南，长约460 km，是四川盆地内规模最大的断裂带，整体呈北东走向，断裂带上的地震以逆冲活动为主.1900年以来，华蓥山断裂带及附近共发生M5.0以上地震6次，最大的为此次泸县MS6.0地震.根据四川省地震局（2021）发布的 《四川泸县6.0级地震烈度图》 ，此次地震的最高烈度为Ⅷ度，等震线长轴呈北西西走向，Ⅵ度区长轴长62 km，短轴长54 km，与华蓥山断裂带的走向近似垂直，这与一般等震线长轴沿断裂带延展的情形相差较大.

强震动观测记录是开展震害快速评估及地震动特性、震源机制、地震动衰减规律、结构地震破坏机理等（李宏男，2013）研究直接的、重要的基础资料.地震动衰减关系是地震工程上最常用的估计地震动影响场或预测地震动的方法，在地震危险性分析、地震区划、确定设计地震动等方面都有重要应用（袁一凡，田启文，2012）.目前使用的地震动衰减关系主要以实际观测资料为基础，通过统计与函数回归得到，强烈依赖观测资料的积累.经过历次项目建设，四川已建成由强震动台站和一般站组成的高密度区域观测台网，并且在地震活动性较高的区域获得了大量观测记录，这些记录对研究中小地震地震动的特征具有重要意义（温瑞智，王宏伟，2020）.本文简要介绍了泸县MS6.0地震的强震动记录，拟从仪器记录方面分析地震动的空间分布特征，并初步进行区域衰减特性和场地特性等方面的研究，以期为记录的后续使用提供参考.

1 强震动记录

“十五”期间四川建成了由224个数字强震动台站组成的数字强震动观测台网，分布于鲜水河—安宁河—则木河断裂带以及龙门山断裂带周边.“地震烈度速报与预警工程”项目在四川地区建成了1 083个一般站、263个基本站和239个基准站.除“十五”期间建成的数字强震动台网采用阈值触发模式存储数据外，其余基准站、基本站、一般站的观测数据均通过网络实时传输至四川省地震局预警中心.基本站与原数字强震动台站的建设标准一致（下文统一合并为基本站），主要分布在乡镇政府、中小学校等人口密集区域，台站以自由场地表观测为主，安装力平衡式加速度计和数据采集器；基准站参照测震台站建设要求，布设在基岩场地，安装地震计、力平衡式加速度计和数据采集器；一般站采用MEMS芯片传感器的烈度仪，具有建设成本低、安装快捷、维护简便的特点，作为基准站和基本站的补充，选择乡镇政府内自由地表、通信铁塔站点的机房作为观测场地，部分台站的烈度仪固定在不高于地面30 cm的墙体上（江鹏等，2021）.在时域和频域上对烈度仪记录和强震仪记录的分析表明，在1—10 Hz频段，烈度仪获取的记录与强震仪记录有较好的一致性，在低频段有一定的差异（张红才等，2017），符合地震预警和地震烈度速报等常规地震监测的要求.

在地震烈度速报与预警工程建设前全国观测台网密度较低，获得可供工程应用的强震动记录很少，尤其是近场大震记录犹为稀缺.2008年汶川地震中19个省、市、自治区仅455个强震台站获得了主震加速度记录，其中420个台站获得了震相完整的记录.泸县MS6.0地震中，除了个别不正常和远场信噪比过低的记录，共获取1 320组三分向强震动记录，其中一般站922组、基本站256组、基准站144组，仅震中距200 km内就有437个台站获得记录.图1给出了泸县MS6.0地震获取记录的台站分布情况.利用均值法对获取的强震动记录进行基线调整，在时域上对加速度进行积分获得仿真速度，在计算仪器烈度和频谱分析之前进行巴特沃思带通滤波处理（金星等，2004），滤波范围为0.1—10 Hz.参照 《中国地震烈度表GB/T 17742—2020》 （国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会，2020）计算了台站的仪器烈度.表1列出了震中距50 km 范围内的记录及其地震动参数.

图1 获取泸县MS6.0地震记录的台站分布图Fig. 1 Distribution of the strong-motion stations from which the Luxian MS6.0 earthquake records were received

表1 地震动记录及相关参数表Table 1 Seismic records and related parameters

2 地震动空间分布特征

峰值加速度PGA、峰值速度PGV和仪器烈度作为表征地震动特性的重要参数，其空间分布情况可以直观地反映出地震对地表及地表附着物的影响程度，为地震烈度评估和判断能量传播的优势方向提供重要依据（江鹏等，2021）.本文计算了1 320组记录的地震动参数，得到三分向记录的合成PGA，PGV和仪器烈度，图2提供了震中距50 km范围内的台站仪器烈度分布情况，采用克里金方法对台站空区进行插值，插值精度为0.01度，为了便于更清晰地显示等值线，将PGA和PGV取对数后再作插值，绘制PGA和PGV的空间分布图.从图2和图3c中可以看出：震中附近区域（仪器烈度6度以上）PGA，PGV和仪器烈度等值线长轴呈北西西方向，与四川省地震局（2021）公布的 《四川泸县6.0级地震烈度图》 等震线长轴走向基本一致；随震中距的增加，北西向能量强度优势变弱，北东向能量强度逐渐增强，PGA和PGV等值线长轴整体上呈现北东—南西走向，长轴方向变为沿华蓥山断裂方向展布，反映了地震动的扩散和衰减受到断层走向的影响.

图2 泸县MS6.0地震调查烈度和震中50 km范围内台站仪器烈度分布图Fig. 2 Investigation intensity for Luxian MS6.0 earthquake and instrument intensity distribution of the stations within 50 km away from the epicenter

由图3a和3b可以看出，在震中外围区域PGA和PGV分布均出现零散的异常点主要是布设在山坡和山顶的通信铁塔机房内的个别一般站，受到局部地形、场地的影响以及通信铁塔、建筑物等结构响应所致，此类观测记录应在地震烈度速报等生产性业务中予以剔除.在震中西北方向出现多个密集台站的异常区，考虑是地震动传播到四川盆地边缘，受到局部地质构造影响产生大量折射和反射所致，因此盆地边缘交会处表现出的特殊地震动反应有必要进行深入分析.

不同自振周期的建筑结构的地震动响应存在显著差异，为了更好地研究本次地震的强震动特征及其与震害的相关性，本文计算了各周期强震动记录的5%阻尼比拟加速度反应谱（pseudo-acceleration response spectrum，缩写为PSA），并对两水平分向拟加速度反应谱进行几何平均后取自然对数作等值线图.图3d，e，f给出了周期为0.3，1和3 s的拟加速度反应谱空间分布，可以看出，近场地震动的不同周期反应谱峰值的空间分布特征差异明显，即随着周期的增大，反应谱值快速变小，呈现出高频成分幅值大、衰减快，低频成分幅值小、衰减慢的显著特征.据了解，泸县玉蟾街道的民居建筑主要以低层砖混结构为主，外围村镇部分房屋为砖木结构和土木结构，近年新建的建筑有框架结构.若以结构自振周期近似为0.1N（N为楼层层数）来估计（温瑞智等，2013），则二层建筑结构自振周期应在0.2 s左右，三层结构自振周期在0.3 s左右，可初步判断此次地震对中低层建筑的影响较大.这也与现场震害调查情况一致，震中附近主要以四层以下的民房破坏为主，出现墙体破裂和局部严重破坏，框架结构房屋基本无破坏或轻微破坏.

图3 泸县MS6.0地震地震动参数空间分布图图（a）和（b）分别为合成PGA和PGV，图（c）为仪器烈度，图（d）-（f）分别为周期0.3，1，3 s时的拟加速度反应谱Fig. 3 Spatial distribution maps of ground motion parameters of Luxian MS6.0 earthquakeFigs. （a） and （b） are synthetic PGA and synthetic PGV respectively，and Fig. （c） is instrument intensity，and Figs. （d）-（f） are pseudo-acceleration response spectrum with periods of 0.3，1 and 3 s respectively

3 地震动衰减特性

地震动参数的衰减关系有很强的区域性，不同地区的震源特性、传播介质和场地资料可能有较大差异，在不同地区地震动随着震中距的增加会表现出不同的衰减特性.为研究川东南地区的地震动衰减规律，本文统计了水平分量PGA，PGV以及拟加速度反应谱随震中距的分布情况.考虑震中位置和震级的因素，选用第五代区划图中M≤6.5的青藏区长轴方向衰减关系（俞言祥等，2013）、俞言祥和汪素云（2006）提出的中国西部地区水平向长轴基岩加速度衰减关系和雷建成等（2007）提出的四川盆地衰减关系作为对比的地震动预测方程，其中后两种衰减关系主要适用于M≥5.0且震中距200 km以内的情况.

图4给出了基准站、基本站和一般站等三类台站的实测PGA值随距离的分布，并根据PGA值拟合了本次地震的衰减关系.可见：此次地震的地震动峰值相比上述三个对比衰减关系相对偏小，这与一般情况下实测地震动受场地影响而大于衰减关系预测值有较大差异，这与本次地震震源较浅及震源破裂机制有关；震中距10 km以内拟合的衰减曲线大于对比的衰减关系，主要是由于近断层样本点过少，对拟合系数无法约束.基本站和基准站的建台要求较高，观测场地选址时一般需避开局部不利地形，仪器安装在专用的观测基墩上，因此PGA的离散程度小，衰减特性一致性较好；一般站建在铁塔基站的机房内部，观测设备一定程度上会受到墙体和铁塔的结构影响，尤其是铁塔基站根据其自身建设要求通常分布在山顶、斜坡等局部区域较高的位置，其场地受到局部地形影响严重，不同台站场地的覆盖层也有较大差异.从图4可以看出，一般站的衰减分布离散性较大，相同震中距的地震动幅值差异可以达到10倍以上，在使用一般站数据拟合衰减关系时会出现奇异值，残差较大.当然地震动衰减具有较大随机性，受到震源、路径和场地等综合作用的影响，因此研究区域地震动的衰减关系特性还需要更多地震的观测记录.

图4 三类台站实测PGA值随震中距的衰减分布Fig. 4 Attenuation distribution of the measured PGA values with epicentral distance for the three types of stations

随着经济的发展和建筑技术的提升，高层和超高层建筑、大跨度桥梁和隧道等大型结构物不断建成，城镇乡村的建筑结构类型呈现新旧交替并存的局面，结构物自振周期的范围逐渐变宽，地震动拟加速度反应谱的衰减亟需大量记录资料进行完善，特别是泸县地震震源较浅，地震动在频谱上表现出不同的特点.为了分析反应谱的衰减特性，分别计算了加速度记录在周期T为0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，2.0，3.0，5.0，和6.0 s时的5%阻尼比拟加速度反应谱（PSA），并与第五代区划图提供的各周期反应谱衰减关系预测值（肖亮，2012）进行对比，结果如图5所示.

一般而言，浅源地震的近断层地震动高频成分更丰富，高频震动在地壳传播过程中会很快被吸收和消除，表现出震中PGA较大但幅值衰减较快的特点，这在本次地震中得到了验证.从图5可以看出，反应谱的周期越小幅值随距离衰减越快，周期越大其衰减趋势越慢.比较各个周期的反应谱衰减情况，并与五代图青藏区基岩地震动反应谱的衰减关系预测值进行对比，结果显示：本次地震在周期0.3 s内的反应谱值明显小于衰减关系的预测值；周期在1—3 s时反应谱值与衰减关系预测值逐渐接近；周期在3 s以上时，反应谱值大于衰减关系预测值，体现出本次地震的高频地震动衰减较快的特性.

图5 各周期T 5%阻尼比拟加速度反应谱PSA随震中距的分布Fig. 5 Distribution of 5% damping ratio pseudo-acceleration response spectrum with epicentral distance in each period T

4 最大加速度记录分析

在本次泸县地震中，距离震中约6.7 km的SC.K2803台站获取了本次地震最大加速度峰值的地震记录，其东西、南北和垂直向PGA分别为-563.57 cm/s2，756.02 cm/s2，-393.09 cm/s2，PGV分别为17.58 cm/s，-32.17 cm/s，-8.15 cm/s，计算仪器烈度为8.3度.SC.K2803台站为一般站，位于内江市隆昌市云顶镇一处铁塔基站机房内，烈度仪安装于离地30 cm的墙面上，场地覆盖层为风化严重的碎石土，偶有出露基岩.图6给出了SC.K2803的加速度时程记录和5%阻尼比拟加速度反应谱，可见水平向地震动明显强于垂直向，记录相对持时较短，南北分向有明显尖锐脉冲.从图7a给出的SC.K2803台站局部地形可以看出，该台观测室建在凸出体的斜坡上，外围两侧有陡坎，陡坎高度约10 m，另两侧分别为短斜坡和长斜坡.一般认为条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、陡坡、河岸、盆地、河谷等均属于不利建筑物的局部地形，这些地形对地震动有显著影响，地震动幅值会产生3—6倍的放大效果.

图6 SC.K2803台站的加速度a时程（a）和5%阻尼比拟加速度反应谱PSA （b）Fig. 6 Acceleration time history （a） and 5%-damped pseudo-acceleration response spectrum （b） at the station SC.K2803

图7 SC.K2803台站的局部地形（a）和观测室墙体裂缝（b）Fig. 7 Local topography at the station SC.K2803 （a） and the wall crack of the house （b）

根据 《建筑抗震设计规范GB 50011—2010》 （中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2010），SC.K2803台站场址所在区域抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，泸县为第二组，特征周期值取0.40 s.中小城市和城镇主要建筑物的结构自振周期约为0.3—1 s （任叶飞等，2014）；该台观测室为一层砌体，估计自振周期为0.1 s左右，在此范围内PSA明显大于抗震规范的罕遇地震反应谱值，因此该区域内未达到Ⅵ度抗震标准的建筑可能会在本次地震中出现较大破坏.在震后的科学考察中发现SC.K2803观测室为砖混结构，围墙为砖砌体，未见构造柱，地震除造成观测室出现裂缝外，并未造成其它明显破坏，而仪器烈度计算结果为8.3度，与通常认识下Ⅷ度烈度的破坏情况有较大差异.

从仪器烈度与调查烈度关系来看，除SC.K2803台站以外整体表现出了PGA和仪器烈度偏低的特点，仪器烈度与调查烈度偏差基本在1度以内.基本站和基准站的建台要求较高，按照建台规范要求观测场地选址时一般避开局部不利地形的影响，仪器安装在专用的观测基墩上，获取的记录相对可靠；一般站受到局部地形的影响，不同台站的场地特性差异很大，获取记录的PGA幅值随距离分布非常离散，震中距相近的台站幅值差异可能在1个量级以上，再次表明局部地形和场地对地震动影响非常明显，台站勘选时须遵守台站建设规范.

5 讨论与结论

泸县MS6.0地震获取的1 320组地震记录，是国内首次获得如此数量区域高密度地震动记录的浅源地震，对研究中小地震和浅源地震的地震动特征具有重要意义.本文介绍了获取地震动记录的基本情况，从幅值、空间分布及衰减情况等方面分析了地震动特征，并初步研究了加速度幅值最大记录与震害的相关性.

从空间分布上，泸县地震表现出了较强的区域特性.在震中附近区域PGA的展布长轴方向与华蓥山断裂方向近似垂直，在中远场上长轴方向变为沿华蓥山断裂的走向分布，震源机制显示地震的破裂方向为北西西，地震动的传播受到断层的强烈影响，表现出了沿断裂带衰减较慢的特征.震中外围出现多个烈度异常区，既有偏大也有偏小，也说明此区域的地下结构较为复杂，对地震动的影响是多方面的.

从区域衰减特性上，结合PGA与多个周期拟加速度反应谱的空间分布和衰减规律，本次地震的地震动幅值相比常用衰减关系的预测值偏小，同时震中区域地震动记录的高频能量突出，衰减较快，低频成分发育较弱但随距离的衰减较慢.

SC.K2803台站获取到本次地震的最大峰值加速度记录，结合现场检查情况初步判定为受局部地形的影响，加速度幅值有一定程度的放大，具体放大系数需结合理论分析和模型计算确定.观测室等结构物未见严重破坏，震害程度与获取的PGA有较大差异，也反映出震害的形成既与地震破坏力有关，也与局部的场地特性、结构物的自身特性有关.SC.K2803台站的观测记录为研究局部地形对地震动和震害的影响提供了重要数据基础，震害较轻的具体原因需进一步分析和研究.

四川地震台提供了泸县MS6.0地震的震源机制资料，四川省地震局肖本夫工程师提供了SC.K2803台站观测室裂缝照片，作者在此一并表示感谢.