甘肃文县上城台地的地震记录分析

卢育霞，刘 琨，姚 凯, 石玉成，李 倩

（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国地震局黄土地震工程开放实验室，甘肃 兰州 730000;3.甘肃省岩土防灾工程技术研究中心，甘肃 兰州 730000）

0 引言

在我国中西部丘陵和多山地区，很多建（构）筑物、生命线工程都建在地形高差变化比较大的场地上，目前这类场地的地震反应越来越受到重视。2008年汶川8.0级地震中一个非常显著的震害现象就是建在山顶、阶地等高突地形处的房屋要比平坦地区的损坏严重。究其原因，一方面可能与两地房屋建筑质量的差别有关；另一方面应该与建筑的局部场地条件有关。场地对地震动最主要的影响是地表覆盖土层对地震波的放大或衰减作用，这种作用可能是由地下介质的多样性引起的，也可能是由不规则地形的几何形状引起的，然而，实际的场地地震动反应是由这两者共同作用的结果[1-5]。

汶川地震从主震到余震持续了好几个月，地震部门获得了丰富的强震记录，尤其在甘肃省文县上城台地不同位置处架设的强震流动观测台获得了一批余震记录，为我们深入研究不规则场地条件对地面运动特征的影响提供了资料。

1 文县上城台地的场地条件

图1 文县上城台地流动地震台站相对位置图[5]Fig.1 Related positions of observation station on Shangcheng platform of Wenxian.

文县位于甘肃省最南端，地处秦岭山地，山大沟深，地势西北高、东南低，海拔550～4 187 m。2008年四川汶川8.0级地震及其余震对文县造成重大人员伤亡和财产损失，地震造成县域南部地区烈度达 IX度，北面大部处于烈度 VIII度区[6]，5月12日发生8.0级大地震后，甘肃省地震局派出的强震流动监测队在文县县城一山包（图 1）不同高度上架设三台活动强震台，获得了十余次余震观测资料，真实的反映了观测点处地面运动加速度[5]。根据调查，该观测山包位于文县城关镇上城台地南缘，其顶部较为平坦，北靠相对高差约150 m的基岩山体，西南侧紧临白水江，东南侧偏低、坡降平缓。山顶与山脚相对高差约42 m，山包基岩以上主要组成物质为白水江冲洪积物，近地表覆盖黄土，最厚处约10 m。该场地居住人口较少，大多为耕地所用，并没有突出震害损失。

2 文县流动台地震记录分析

地震动是一个不规则的时间函数，一般从频域和时域两个角度去研究其特点和规律，即用幅值、频率特征和持续时间三个方面参数来表达地震动特点。虽然中小地震对工程的影响不是很大，但是本文认为这些难得的记录都可以用来研究文县山包场地的地震反应规律，因此本文分析了文县上城台地大于4.0级的九次地震记录（图2），震级为4.1～5.7级，震中距离为63～136 km，记录的峰值加速度范围为4.8～105.6 cm/s2（表1）。

图2 九次地震震中和记录台站位置图Fig.2 Ditribution of the epicenter of the selected 9 earthquake events and position of recording stations.

2.1 峰值加速度

地震动峰值的大小直接反映了地震力及其产生的振动能量和引起结构变形的大小，是地震对结构影响大小的尺度[7]。表1统计了文县上城台地不同位置处的峰值加速度以及山腰（No.2）、山顶（No.3）与山脚（No.1）峰值加速度的比值，分析表明：(1)该组地震记录中大多数地震事件存在峰值加速度放大现象,山顶（No.3）的峰值加速度放大较山腰（No.2）明显，山顶峰值加速度比山脚最大放大2.7倍（2008年6月7日4.3级地震）。（2）Y方向放大作用较X方向显著（X为平行于白水江河谷走向的方向，Y方向为垂直于河谷走向的方向）。（3）所分析的27组地震记录中Z(垂直)方向峰值加速度大于水平向的有7个，这可能与内陆型逆冲发震构造有关。总之，震级、震中距与峰值加速度放大倍数并没有显著的对应关系，在震中距差别不大时，个别小震级地震也会造成山顶峰值加速度明显增大。

2.2 频谱

地震动峰值仅仅表示地震动某一局部、某一时刻振幅的大小，而地震动谱则表示了地震动的频域特征。分析上城台地九次地震记录的平均加速度反应谱（图3）可见：X、Y两个水平方向的反应谱均以0.1 s为界，小于0.1 s的短周期（高频）成分谱值变化相对比较复杂，而大于0.1 s的中长周期（中低频）成分谱值从山脚到山顶逐渐增大；反应谱的卓越周期向长周期方向移动明显，说明地震波经过山包后高频衰减很快，主要能量向低频成分集中；垂直向反应谱在大于 0.2 s的长周期段谱值从山脚到山顶逐渐增大。

9次地震事件中5.7级和4.5级地震是来自同一个震中位置的（表1、图2），除了震源机制有差别外，这两次地震记录经过的路径和场地条件可以认为是相同的；另外，表1中4.4级地震震中距较5.7级、4.5级地震近10 km，这三次地震的震源位置基本上在记录台站的同一个方向（约 N100°E），图 4比较了这三个来自同一方向地震的加速度反应谱。相同震中位置处的两次地震，加速度反应谱受地震能量的影响谱值差别非常显著，但谱形状比较相似，5.7级地震的频谱向两端增高；4.4与4.5级地震震级相差0.1级，震中距差10 km,反应谱基本形状相似，谱值接近，受10 km震中距的影响，4.5级地震除山腰垂直向分量外其余各监测点的谱值均小于4.4级地震的，说明震中距对中强地震加速度反应谱谱值的影响非常敏感；三次地震中频谱放大尤其突出的 Y向分量从山脚到山顶反应谱的单峰变化明显。

表1 所选地震事件的参数

图3 九次地震的平均反应谱Fig.3 Average spectram of 9 earthquake events.

图4 相近震源方向（NE100°）的地震反应谱对比(从左到右分别为X，Y，Z方向)Fig.4 Comparing the seismic spectrams from similar direction (NE100°)(from left to right are Z,Y,Z directions).

图5 九次地震的平均反应谱谱比Fig.5 Average Spectral ratios of 9 earthquake events.

此外，我们将9次地震在同一记录位置同一方向的地震反应谱作平均，然后对比山腰/山脚（No.2/No.1）和山顶/山脚（No.3/No.1）的三分量的谱比（图5），可见，垂直向的谱比在0.2～0.35 s范围内比水平向放大显著；水平方向反应谱谱比曲线峰值出现在0.4 s左右，Y方向总体比X方向放大明显，综合大地貌分析，Y方向谱值放大应与白水江河谷地形走向（近南北）以及记录场地北面基岩山体造成南北向地震波来回反射震荡有关。

2.3 地震动持续时间

大多数地震工程学家都认为地震动持时是地震动工程特性的三要素之一。关于地震动持续时间的定义有多种，现有的定义可以分两大类，一类是用加速度绝对值，另一类则是用相对值[8]。分析上述九次地震的地震加速度时程可知，各次地震的地震动绝对持时从山脚、山腰到山顶依次增长。由于篇幅限制，图6中仅列出了5.7级地震时文县上城台地三个位置的地震记录。一般认为当地表存在低速层时，地震波能量在自由地表和基岩界面之间来回反射，引发低速层共振，多次反射会造成地震动振幅增大并且时间延长；单论地形对地震动的放大，可能是由入射波在地质体内的反射、散射相互叠加干涉造成振幅增大和持时延长导致的，这与入射波的入射角、波长，及地质体的几何形状有关。

图6 5.7级余震加速度时程Fig.6 Acceleration time histories of MS 5.7 aftershock.

3 结论

(1) 上城台地地震记录分析显示：相对于山脚，上城台地顶部的峰值加速度是明显放大的；接近顶部的地震动在场地卓越周期附近放大最显著；大部分地震记录显示山顶垂直于白水江河谷分量的峰值加速度比值大于平行于河谷分量的比值；地震动绝对持时从山脚、山腰到山顶依次增长。总之，该高突台地本身和其上覆松散层共同作用造成地震动振幅增大并且时间延长。

(2) 甘肃文县正在开展地震小区划研究项目，上城台地已被纳入文县县城规划重点开发的区域之一。以上分析不仅为研究场地条件对地震动特征的影响提供理论依据，而且为所研究场地提供了确定设计地震动参数的依据。

[1]F Buech, T R Davies, J R Pettinga. The little red hill seismic experimental study: Topographic effects on ground motion at a bedrock-dominated mountain edifice[J]. BSSA, 2010, 100 (5A):2219-2229.

[2]M Bouchon, J S Barker. Seismic response of a hill. The example of Tarzana, California[J]. B.S.S.A., 1996, 86 (1A): 66-72.

[3]P Spudich, A M Hellweg, W H K Lee. Directional topographic site response at Tarzana observed in aftershocks of the 1994 Northridge,California, earthquake: Implications for mainshock motions[J].B.S.S.A., 1996, 86 (1 Part B, supp.1 ): 193-208.

[4]H Pedersen, B LeBrun, D Hatzfeld, et al.. Ground motion amplitude across ridges[J]. B.S.S.A., 1994, 84: 1786-1800.

[5]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.

[6]石玉成,卢育霞.汶川 8.0级地震甘肃灾区震害特点及恢复重建对策[J].西北地震学报,2009, 31(1): 1-7.

[7]蒋溥,戴丽思.工程地震学概论[M].北京：地震出版社,1993.

[8]胡聿贤.地震工程学[M].北京：地震出版社,2006.