2016年日本熊本MW7.0地震强震动记录特征分析*

解全才，马 强，张景发

(1.中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；2.中国地震局地壳应力研究所 中国地震局地壳动力学重点实验室，北京 100085)

0 引言

据日本气象厅正式测定，日本时间2016年4月16日1时25分5.47秒，在九州岛熊本县(32.755°N，130.763°E)发生MW7.0地震，震源深度12 km。根据熊本地震震源机制解及震后余震分布情况，结合日本学者现场调查地表破裂特征，可以确定熊本地震发震构造为日奈久—布田川断层系统(解全才，2018)。对本次地震强震动记录进行深入分析可以为认识该地区地震动特征和工程震害调查提供参考资料。震后许多学者利用地震记录及大地测量数据做过关于滑动分布反演研究(Yagietal，2016；Asano，Iwata，2016)以及震害调查(Godaetal，2016；Sakai，2016)等方面的研究。

本文对日本防灾科学研究所(NIED)K-net台网和Kik-net台网获取的熊本地震强震动记录进行校正处理，在此基础上分析了该次地震的峰值加速度与峰值速度幅值特征，并将观测结果与日本常用的3组衰减关系进行了对比，计算得到5%-95%与5%-75%能量持时，与国际主流持时衰减关系进行对比，详细分析了震中区的反应谱特征。

1 幅值特征

基于阪神地震的经验教训和日本未来可能发生大地震的假设，NIED在自由地表安装了1 000多个强震加速度计组成K-net强震动台网，台间距约20 km；建设约700个由地表和井下加速度计组成的KiK-net强震动台网(Kinoshita，1998；Aoietal，2010)。2003—2008年NIED利用K-net02，K-net02A和KiK-net06系统替换K-net和KiK-net强震动台网的1 700多个台站的K-NET95和SMAC-MDK系统(井下传感器除外)，替换后仪器的数据采集系统具有连续观测的能力(解全才等，2017)。日本K-net与Kik-net台网强震仪器数据采样率都为100 Hz。K-net台网采用K-net02和K-net02A强震仪器，2种仪器可测量最大加速度都为4 000 gal，动态量程都为132 dB，数据传输都采用TCP/IP协议，都支持Linux编程，其中K-net02系统采用凯尼公司的FBA-FS加速度计，记录能力为512 MB；K-net02A系统采用日本电子航空工业公司的JA40GA加速度计，记录能力为768 MB(Aoietal，2010)；Kik-net06系统可测量的最大加速度为4 000 gal，井下最大加速度为2 000 gal，地表加速度计采用日本电子航空工业公司的JA40GA加速度计，井下加速度计采用日本Akashi公司的V404加速度计，动态量程为132 dB，记录能力为768 MB，数据传输采用TCP/IP协议，支持Linux编程(Aoietal，2010)。

在日本熊本地震中，K-net强震动台网获取365组强震动记录；Kik-net 强震动台网获取660组强震动记录，包含330组自由地表加速度记录与330组井下加速度记录。熊本地震获取记录台站分布如图1所示。本文采用国家强震动台网中心(CSMNC)强震数据处理方法对日本K-net和Kik-net强震动台网获取的加速度记录进行处理(于海英等，2009；解全才等，2018)，结果如下：

(1)Kik-net强震动台网的KMMH16台站记录到EW向和UD向最大峰值加速度分别为1 156.95 gal和873.401 gal，如图2a所示；KMMH03台站记录到NS向最大峰值加速度为-786.60 gal，如图2b所示。

(2)校正峰值加速度和速度分布如图3所示，由图可见，EW，NS及UD向峰值加速度范围分别在0.15～1 156.95 gal，0.22～786.60 gal及0.09～873.40 gal；EW，NS及UD向峰值速度范围为0.13～134.47 cm/s，0.16～85.63 cm/s及0.13～58.13 cm/s。

(3)按照《仪器地震烈度计算暂行规程》中算法(中国地震局监测预报司，2015)，利用三分向数据计算强震动记录得到仪器地震烈度分布如图4a所示，仪器地震烈度为1.0～ 10.1；按照日本气象厅仪器烈度标准(Yamazakietal，1998)，利用三分向数据计算强震动记录得到仪器地震烈度分布如图4b所示，仪器地震烈度为0～6.4。Kik-net强震动台网的KMMH16台站记录取到本次地震的最大仪器地震烈度。

图1 熊本地震获取记录台站分布图Fig.1 The station distribution map of the Kumamoto earthquake

图2 KMMH16(a)与KMMH03(b)台站记录的加速度时程曲线Fig.2 The accerlergram of stations of KMMH16(a)and KMMH03(b)

图3 校正峰值加速度(a)与校正峰值速度(b)分布图Fig.3 Corrected peak ground acceleration(a)and peak ground velocity(b)distribution map

图4 按照中国仪器地震烈度标准(a)及日本气象厅仪器地震烈度标准(b)得到熊本地震仪器地震列度分布图Fig.4 Instrumental seismic ientensiy map of China seismic intensity scale(a)and Japan seismic intensity scale(b)

Si和Midorikawa(1999)提出的日本的峰值加速度衰减公式和峰值速度衰减公式被广泛应用于日本地震动衰减预测中(Headquarters for Earthquake Research Promotion，2009)，本文利用该公式对熊本地震地震动衰减特征进行分析：

lg(PGA)=0.50×MW+0.0043D+d-lg(X+0.0055×100.5×MW)+0.003X+0.61

(1)

lg(PGV)=0.58×MW+0.0038D+d-lg(X+0.0028×100.5×MW)-0.002X-1.29

(2)

式中：X为断层距离；D为震源深度；MW为矩震级；d代表不同地震类型的系数，对于地壳地震、板间地震、板内地震，PGA的d取值分别是0.0，0.01，0.22；PGV的d取值分别为0.0，-0.02，-0.12；根据日本气象厅发布的地震定位结果和日本防灾科学研究所发布的震源机制结果，熊本地震D取12.45，MW为7.1。

将本文得到的观测数据与Kataoka等(2006)、Kanno等(2006)和Si和Midorikawa(1999)的衰减公式进行对比，发现本次地震观测峰值加速度与Si 和Midorikawa(1999)、Kataoka等(2006)、Kanno等(2006)地震动衰减公式预测结果较一致。断层距在200 km内，观测峰值速度与Si和Midorikawa(1999)、Kanno等(2006)衰减公式比较一致，高于Kataoka等(2006)衰减公式；断层距超过200 km后，观测峰值速度比Si和Midorikawa(1999)、Kataoka等(2006)以及Kanno等(2006)地震动衰减公式预测结果衰减缓慢。

图5 观测PGA(a)和PGV(b)与对应衰减关系的比较Fig.5 Comparison of the observed horizontal PGA(a)and PGV data(b) with related attenuation relathionship

2 持时特征

关于地震动持时，学术界有许多不同的定义，一般分为括号持时、一致持时、有效持时和能量持时4种类型(Bommer，Martinez，1999)。能量持时通常基于加速度积分得到(Arias，1970)。能量持时计算过程如下：

(3)

Dxy=tx-ty

(4)

(5)

(6)

式中：Ia为Arias强度；Dxy代表不同取值时的能量持时；g为重力加速度；t0为加速度时程总持续时间；a(t)为加速度记录；tx，ty分别为能量比达到x或者y的时刻。通常x，y有2种取法，分别是x=5%，y=75%或者x=5%，y=95%，即通常说的5%-75%和5%-95%能量持时。Brendon(2011)指出5%-95%能量持时在目前工程实践中广泛应用，Bommer等(2009)研究指出5%-75%能量持时一般只包含体波的能量，5%-95%能量持时同时包含体波和面波的能量 。

本文利用经过校正处理的熊本地震加速度数据计算得到5%-95%和5%-75%能量持时，如图6所示。由图可见，EW向5%-95%能量持时和5%-75%能量持时分别为6.49～197.41 s和2.22～155.58 s；NS向5%-95%和5%-75%能量持时分别为7.45～157.66 s和2.01～131.26 s；UD向5%-95%和5%-75%能量持时分别为4.16～174.86 s和2.31～126.80 s。熊本地震5%-95%能量持时为4.16～197.41 s，主要集中在30～60 s；5%-75%能量持时为2.01～155.58 s，主要集中在10～50 s 。总体来说，5%-75%和5%-95%能量持时符合随震中距增大而增大的规律。

图6 5%-95%(a)与5%-75%(b)能量持时分布图Fig.6 The 5%-95%(a)and 5%-75%(b)significant duration distribution map

针对5%-95%能量持时，分别选用Boomer等(2009)基于NGA数据库的全球模型以及Trifunac和Brady(1975)的美国加州模型进行能量持时衰减分析。由图7a可见，水平向观测数据的5%-95%能量持时与Trifunac 和Brady(1975)能量持时预测模型结果一致，整体上符合随着断层距离增大而增大的规律。在断层距超过100 km后，水平向观测数据的5%-95%能量持时远高于Boomer 等(2009)的预测模型。针对5%-75%能量持时，选用Boomer等(2009)能量持时衰减模型进行分析，由图7b可见，在断层距小于100 km时，水平向观测数据的5%-75%能量持时与Boomer等(2009)预测模型比较一致，在断层距超过100 km后，水平向观测数据的5%-75%能量持时远高于Boomer 等(2009)的预测模型。

图7 水平向观测数据5%-95%(a)和5%-75%(b)能量持时与相应衰减关系的比较Fig.7 Comparison of the observed 5%-95%(a)and 5%-75%(b)horizontal significant duration with related attenuation relathionship

3 频谱特征

图8为熊本地震中获取最大峰值加速度的KMMH16与KMMH03台站的加速度反应谱与1995年阪神地震JR Takatori台站的反应谱对比，图中TAK为JR Takaroti台站。由图8可见，震中距为7 km的KMMH16台站EW，NS及UD向记录到的峰值周期分别为0.40 s，0.30 s及0.25 s左右；震中距为28 km的KMMH03台站EW，NS及UD向记录到的峰值周期分别为0.18 s，0.90 s及0.09 s左右。KMMH16台站3个方向的反应谱在0.5～1.2 s时都超过JR Takaroti台站的反应谱，该周期范围与结构破坏严重程度密切相关(Sakai，2009)。与日本BSL规范(Yuji，Hans，1987)中软土设计谱比较，可以发现KMMH16台站水平向反应谱在0.05～2 s都超过规范设计谱，竖直向反应谱在0.05～0.5 s超过该地区设计谱，KMMH03台站NS向在0.05～2 s也超过该地区设计谱，故本次地震中熊本地区木结构房屋和低矮及中层钢筋混凝土建筑破坏严重，与Sakai(2016)在震害调查中指出的木结构房屋倒塌比例高达50%的结果一致。KMMH16与KMMH03台站NS方向在1～2 s的反应谱仍然较高，对高层建筑及其他长周期结构也会产生一定程度的破坏。Goda等(2016)指出在离震中非常近的KMM006台站南方发现了钢筋混凝土结构的9层公寓产生了破坏，在KMMH16台站附近的益城町发现了桥梁破坏情况，日奈久断层东段穿过的西原村附近沿着日本28号公路上一些桥梁、大坝、隧道发现较大的破坏，导致难以进入阿苏地区。以上震害调查依据证实了本次地震会对高层建筑及其他长周期结构产生一定程度的破坏。

图8 熊本地震中KMMH16(a)，KMMH03(b)台站记录加速度反应谱与阪神地震中JR Takatori台站记录的加速度反应谱对比图Fig.8 Comparison of acceleration response spectra between KMMH16(a)， KMMH03(b)with JR Takatori stations

4 结论

本文对日本防灾科学研究所(NIED)K-net强震动台网和KikK-net强震动网记录到的熊本地震强震记录进行处理，得到1 025组强震动记录，对其强震动特征进行分析，并与前人研究结果进行对比，得到如下结论：

(1)经过校正处理，KikK-net台网的KMMH16台站记录到最大的EW向和UD向峰值加速度分别为1 156.95 gal和873.40 gal。KikK-net台网的KMMH03台站记录到最大的NS向峰值加速度为-786.60 gal。本次地震观测峰值加速度和峰值速度与Si和Midorikawa(1999)的衰减公式预测结果比较一致，断层距超过200 km后，峰值速度衰减比预测结果缓慢。按照中国地震局《仪器地震烈度计算暂行规程》中的计算方法和日本气象厅仪器烈度计算方法分别计算了全部自由地表强震记录的仪器地震烈度，KMMH16台站记录到了本次地震的最大仪器地震烈度，高达中国地震烈度的10.1度，日本地震烈度的6.4度。

(2)选取幅值较大的KMMH16和KMMH03台站进行反应谱特征分析，KMMH16台站峰值周期在0.4 s以内，KMMH16台站3个方向的加速度反应谱在0.5～1.2 s范围时都超过了1995年阪神地震最大强震记录JR Takaroti台站，本次地震对木结构房屋和低矮及中层钢筋混凝土房屋破坏严重。同时，这2个台站在1～2 s周期反应谱仍然较高，会对高层建筑及其他长周期结构产生一定程度的破坏。

(3)熊本地震5%-95%能量持时为4.16～197.41 s，主要集中在30～60 s；水平向观测数据的5%-95%能量持时与Trifunac和Brady(1975)能量持时预测方程结果一致。在断层距小于100 km时，水平向观测数据的5%-95%能量持时与Boomer等(2009)的能量持时预测方程比较一致，断层距超过100 km后，水平向观测数据的5%-95%能量持时远高于Boomer等(2009)的预测方程。5%-75%能量持时为2.01 ～155.58 s，主要集中在10～50 s。在断层距小于100 km时，水平向观测数据的5%-75%能量持时与Boomer等(2009)能量持时预测方程比较一致，但在断层距离超过100 km后，水平向观测数据的5%-75%能量持时远高于Boomer等(2009)预测方程。5%-75%和5%-95%能量持时符合随震中距离增大而增大的规律。

感谢日本防灾科学研究所(NIED)K-net强震动台网与Kik-net提供的强震动数据。