兰州观象台存放台阵汶川MS8.0强震动记录与分析①

卢大伟，姚 凯，闵祥仪，王东彬

（1.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；2.甘肃省地震局，甘肃 兰州 73000；3.地壳运动监测工程研究中心，北京 100036）

0 引言

为了研究场地对地震动的影响，必须布设场地影响专用台阵，以便在一次地震中获取多条完整记录，反映场地地震动的效应。“十五”期间在兰州观象台内布设了10台数字强震动仪组成存放台阵。在汶川特大地震中该存放台阵10个台站全部获得了这次地震事件的3分向数字化强震动记录。本文依据这些实际观测资料研究以该场地为代表的黄土场地在地震发生后的自由场地面运动加速度过程及其特征，探讨在震源、场地和震中距基本相同的情况下，小范围场地上加速度峰值及傅立叶幅值谱的差异，为工程建设的抗震设计提供参考。

1 兰州观象台存放台阵观测系统

兰州观象台存放台阵属于“中国数字强震动台网”单位工程之一，于2007年9月正式投入运行。兰州观象台土地面积近80亩，位于兰州市城关区内，属于黄河Ⅳ级阶地，为典型的黄土地区。场地表面地形平坦，属于IV类土层，无滑坡、泥石流等不良地质现象，其西3km有金城关活动断层分布。

台阵在兰州观象台内布设了10个观测点，台阵孔径约为280m，各测点均位于黄土土层自由地表，台阵测点分布如图1所示。

表1 K2、Etna型数字强震动记录器的主要技术指标

图1 兰州观象台存放台阵测点分布图Fig.1 Distribution of observation points of paking array in Lanzhou Earth Observatary.

台阵各测点的主要仪器设备包括：数字强震加速度仪（第1、3测点为K2型，其余为Etna型）、GPS系统、供电及避雷设备、通讯设备等（图2）。

配置的强震动加速度仪为美国Kinemetrics公司生产的K2型和Etna型数字强震动加速度仪，内置力三分向平衡式加速度计，型号为EpiSensor。有关记录器和加速度计等设备的详细技术参数见表1及表2。加速度仪参数设置事前和事后记录各为20s，三个通道触发阈值都为4gal，通道极性设置见表3。

图2 台阵测点观测系统框图Fig.2 Observation system of observation points of the paking array.

表2 EpiSensor型力平衡式加速度计技术指标

表3 仪器各道极性设置

2 记录处理与分析

2008年5月12日汶川MS8.0特大地震中，兰州观象台存放台阵获得了10组三分量波形完整的数字加速度记录。从仪器获得的原始记录为电信号数据，依据仪器灵敏度1.25V／g将电信号数据转变成加速度数据。为了消除仪器零位的影响，对原始加速度记录进行了零阶基线校正，具体处理步骤如下：（1）确定整个波长的加速度记录平均值；（2）从原始加速度记录减去记录平均值。

处理后的所有测点的加速度时程曲线如图3所示。图中每组时程曲线从上至下依次是EW向、NS向和UD向。由各测点处理后的加速度记录计算各测点峰值加速度，数据处理结果见表4。

表4显示，10个台站的峰值加速度均显示EW向大于NS向，垂直向最小。虽然该台阵的观测孔径较小，但各台站峰值加速度仍有差异。由于使用相同型号的强震动仪器观测，各台站记录的PGA则显示出各观测点的场地间差别：就EW向而言，位于兰州观象台西部的场地的第2、3观测点的测值明显大于第1、8、7点测值，由图1（b）可知是由于其西部存在较深陡坎，因此对于EW分向的地面自由场加速度具有明显的放大作用；NS向也有类似趋势，但场地整体在此方向相对平坦，故各测点PGA差异不很明显。

表4 各测点记录处理结果

各台的垂直向峰值加速度均未显示明显差异。10组记录的EW、NS、UD3个方向PGA分别进行平均计算，求得平均值及标准方差和离散系数（表5），可见两个水平向的PGA离散程度较大，并且都要大于竖直向，主要原因在于水平向地震动受土层放大作用影响较竖向要明显。图4给出了每个记录PGA的离散程度，可以发现除测点1的EW、NS方向及测点2的NS方向离散程度超过30%以外，其他各记录PGA离散程度都在20%以内。

分别计算这10组记录的傅立叶幅值谱（FAS）。由于篇幅有限，本文只给出EW方向各记录傅立叶幅值谱，见图5。从中可以发现各方向各记录的傅立叶幅值谱基本上一致。为了能更好的说明这种一致性，我们计算了这10组记录的平均傅立叶幅值谱（图6）。并且运用帕曾窗进行平滑，目的是为了能消除大量的“尖峰”，使各记录的傅立叶幅值谱与平均谱进行比较更为清晰。从图6可以发现，各方向的平均傅立叶幅值谱在频率低于1Hz时标准差非常小，尤其是NS及UD向，几乎为0；在卓越频率周围，也就是水平向2Hz、竖向4Hz周围标准差相对偏大；高于卓越频率部分标准差又相对减小，并且始终维持在一个水平。EW、NS、UD向的平均FAS卓越频率及标准方差和离散系数见表5。

图3 台阵各测点加速度时程曲线Fig.3 Acceleration records of observation points in the paking array.

图4 各记录PGA离散程度Fig.4 PGA discrete degree of the acceleration records.

表5 各方向PGA值及FAS卓越频率离散性统计

3 结论

图6 平均傅里叶幅值谱（已平滑）Fig.6 Smoothed average acceleration Fourier spectr in three directions.

通过峰值加速度和傅立叶谱初步分析，表明在震源、场地和震中距相同情况下局部小范围场地上不同测点记录的加速度峰值存在一定程度的差异，在EW方向较为明显，较好地反映了场地地形对自由场加速度的放大作用。10个台站的峰值加速度均显示EW向大于NS向，而垂直向最小。傅立叶谱分析结果表明各测点傅立叶谱值的差异较小，尤其在小于1Hz频段范围内，傅立叶幅值谱之间的差异极小。可以推断，不同测点记录的加速度峰值之间的差异主要是高频成分不同造成的。

［1］闵祥仪，姚凯，何新社.2003年10月25日甘肃平乐—山丹MS6.1地震强震动近场记录和分析［J］.西北地震学报，2003，25（4）：289－292.

［2］刘旭宙，姚凯，何新社，等.2008年5月12日汶川MS8.0地震强震动记录与初步分析［J］.西北地震学报，2008，30（3）：266－269.

［3］卢寿德，李小军主编.汶川8.0级地震未校正加速度记录［M］.北京：地震出版社，2008.

［4］姚凯，卢大伟，刘旭宙，等.利用汶川余震流动观测资料探讨地形对峰值加速度的影响［J］.西北地震学报，2009，31（1）：46－50.