基于强震动观测记录的新疆南天山地区地震动特性统计分析*

阿布都瓦里斯·阿布都瓦衣提， 唐丽华

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震震害调查资料和强震观测结果表明，不同类别场地土层的地震动特性具有很大的差别，其特征参数对地震动PGA、反应谱和持时有很大的影响。目前，场地的地震动特性研究主要有2种分析方法：第1种方法是针对不同类别的场地，采用不同的理论计算模型来分析场地的地震动特性，但由于各种计算模型的理论基础不同，其对于场地的地震动特性的认识也不相同。另1种方法是利用不同场地类别场地的强震观测记录，对场地的地震动特性进行统计分析，这种方法与理论计算的分析方法相比更具有客观性。自1932年美国在加州长滩地震中获得第1条地震加速度记录以来，美国、日本、中国和欧洲等许多国家在不同的场地上获得了大量的强震观测资料，并针对场地的地震动特性进行了大量的研究。研究结果表明，场地条件对地震动的影响不仅表现在地震动幅值的变化上[1]，也表现在地震动频谱特性的变化方面[2]。随着研究的深入，人们开始利用强震观测资料对场地分类方法进行研究并给出不同场地上地震动参数变化的经验公式[3-4]。

新疆强震动观测的起点为1985年乌恰7.1级地震，观测历史不长，直到“十五”末期才建立了由97个强震台和50个烈度速报台组成的强震动观测网。虽然新疆地震频繁，也有不少可以研究的强震观测记录，但是针对新疆地区地震动特性研究开展的较少。新疆南天山地区随着国家投入的增大已经成为了新疆经济社会发展的核心区域，同时，南天山地区是新疆破坏性地震频发区域[5]，2010年以来先后发生几次6级以上破坏性地震，造成了房屋建筑与基础设施的大量破坏。南天山地区活动构造发育，场地条件复杂，许多城市或基础设施距离活动断层很近或穿越断层，显然，如何提高工程设施的抗震能力、减轻地震灾害风险是南天山地区面临的严峻挑战。因此，研究和分析为抗震设防服务的南天山地区不同类别场地的地震动特性具有重要意义。

1 南天山地区地质概况

南天山地处塔里木板块和哈萨克斯坦板块交界处，为乌拉尔—南天山造山带在中国境内的延伸，为一典型的古生代造山带，是在塔里木板块和哈萨克斯坦板块之间的一个开阔洋盆演化而来的古生代碰撞带，由南北两条蛇绿岩及其周围的陆缘岩系及古老结晶基底组成[6]。印度板块和欧亚板块的强烈碰撞，不但主导着青藏地区的现今地壳运动，同时也是数千千米之外的天山地区构造运动的一个主要力源。南天山及山前地带发育多条近东西至北东向全新世逆冲活动断层，局部具有左旋走滑性质。这些断层大体呈平行展布，间距20～30 km[7]。

2 强震台及强震记录概况

新疆地区强震动固定台建设始于1986年，为加强重点监视区地震监测能力，“十五”期间技术人员在南天山西段、南天山中段和北天山中段强震监视区新建97个强震动数字化固定观测台，分布在全疆9个地、州、市，并在乌鲁木齐市及周边地区新建50个烈度速报台，此时新疆维吾尔自治区地震局建立强震动台网部，强震动观测步入数字化阶段。

其中71个固定强震台站架设在南天山西段和南天山中段(图1)，主要分布在南疆5个地、州、市， 71个强震动台站，全部配置ETNA型一体化数字强震动记录仪。图1为新疆强震动台网台站分布图。

新疆强震动台网自2006年开始运行，已记录到1 800多组强震动记录。本文选取南天山地区4级及以上地震113次和南天山71个强震动台站的732组强震动记录，每组记录包括东西向(EW分量)、南北向(NS分量)和垂直向(UD分量)的加速度记录，共2 196条加速度记录，来研究不同场地类别条件下南天山地区的地震动特性。

图1 新疆南天山地区固定强震动台网台站分布图

为了较好的研究不同震级、场地类别及震中距对南天山地区地震特性的影响，将这732组强震动记录按照震级、场地类别和震中距进行分组，数据分组以及分布见表1。台站场地的分类按照《建筑抗震设计规范》第4.1.6条及场地测试结果确定。

南天山71个强震动台站里没有在Ⅳ类场地上建造的台站。在表1分类的基础上，将用SeismoSignal软件对强震动加速度记录基线校正和滤波处理。

表1 强震数据分组

3 地震动峰值加速度统计特性分析

地震动的强度或振幅可以是泛指地震动加速度、速度、位移幅值或其中的任何一个峰值(最大值)或某种意义的有效值。峰值加速度PGA很早就被看作是表示地震动强弱的物理量，相应的研究也最多[10]。

本文中针对挑选的732组强震动记录的三分量绘制了PGA随场地条件变化的特征。图2为在3种震级条件下，I类、II类及III类场地的三分量PGA均值及均方差随震中距分布图。由图2可知，由于I类场地强震动加速度记录不是很丰富，因此看不出PGA随震中距的变化而变化的明显规律；II类、III类场地的强震动加速度记录比较丰富，因此，观察图3～4可发现，II类、III类场地的PGA都具有随距离一致衰减的特点。

进一步观察图2～4，当震中距为0～20 km时，同类震级下，NS分量的PGA均值及均方差普遍比EW分量的大。由于南天山活动构造大多以EW向或NEE向展布，主压应力场以近NS向为主，这表明场地条件和构造环境对水平向不同分量的影响有不同的特点或规律差异影响显著。

图2 I类场地PGA随震中距变化图

图3 II类场地PGA随震中距变化图

图4 III类场地PGA随震中距变化图

4 地震动加速度反应谱统计特性分析

随着强震记录的增多，统计研究结果已经表明[11]，垂直向与水平向分量加速度的谱比值在反应谱不同周期范围内不是简单的常数，而是与震级、震中距、场地类别等因素相关的。由于本文中所采用的数据来源于不同地震，因此，在分别计算每组强震动加速度记录三个分量反应谱的基础上，为了让其结果具有可比性，对其进行归一化处理，来考虑震级、震中距和场地类别对三分量反应谱的影响。具体的归一化方法是，将地震波的反应谱除以最大加速度值，所得结果为放大倍数谱，称之为β谱。

图5～13为3种场地类别条件下的加速度谱随震级和震中距的变化。由图5～13可见，三分量频谱曲线呈现出上升、平稳、下降3个频段。β谱平稳段对应的周期在本文中称之为特征周期，下文用Ts来表示。研究表明，地震动的主要能量集中于其反应谱的平稳段，因此，Ts作为本文谱分析的一种指标来分析南天山地区强震动加速度记录β谱的特性。

观察同类场地和震级条件下的β谱曲线，可以发现，I类场地小、中、大震的记录及II、III类场地小、中震的记录，其EW分量与NS分量频谱形状上大致是一样的，而其UD分量频谱形状与EW、NS分量有比较明显的差异。具体来说，竖向分量Ts总体上小于水平分量Ts，因为竖向地面运动中纵波含量要比水平向运动多，而纵波都含有比较多的高频分量。进一步观察EW分量与NS分量频谱，可以发现EW分量与NS分量之间也有较明显的差异。这种差异与断层机制、台站与发震断层的相对位置、断层距等因素可能都有一定的关系。纵向比较I、II 、III类场地三分量Ts，可发现，随场地依次变软，水平向分量Ts逐渐增大；而垂直向分量Ts随场地类别的变化规律不明显，与场地类别的相关性与相比水平向Ts要小。横向比较同类场地下的β谱曲线，随震级的增大，Ts也逐渐增大。对此结论可以解释为：震级越大，地面运动长周期的分量就越多。比较同类场地同类震级下的β谱曲线，可发现，Ts也随震中距的变化而变化。普遍来说，Ts随震中距的增大而增大。由于I类场地小震和大震数据量较小，因此，从β谱曲线出发分析震级和震中距对β谱的影响具有局限性。然而，I类场地中震数据相对较多，从图5～13可以看出，同类震中距下，震级的大小会影响Ts的长短。这也能印证上述分析的可靠性。

5 地震动加速度持时统计特性分析

在表1分类的基础上，将用SeismoSignal得到的强震动加速度记录70%能量持时。70%能量持时主要代表了能量集中释放的持续时，即地震动能量达到总能量10%开始至达到总能量的80%结束所经历的时间[12]，来分别计算水平向和垂直向分量的均值与方差。图14～16得出了持时在同类震级和场地条件下的，随震中距变化的趋势。由图14～16可知，在II，III类场地条件下，场地类别对地震动三分量的影响比较明显。具体说就是在同类震中距范围内，随着场地依次变软，水平向分量的平均持时会有些增大，与水平向分量平均持时相对应的均方差也有增大的趋势。垂直向分量的平均持时从总体来说也是增大的，但不像水平向分量那样有规律，其对应的均方差在不同震中距范围内的变化规律也有明显的不同。由于I类场地条件下的强震动记录较少，可能在同类震中距范围内，会出现I类场地的地震动持时大于II类场地的情况。再仔细观察由图14～16可知，震中距对地震动三分量持时的影响很明显。在同类震级和场地条件下，地震动三分量的平均持时随震中距的增大而增大；随着震中距的继续增大，反而，地震动三分量的平均持时有减小的趋势。具体说，当震中距小于150 km时，在同类震级和场地条件下，随着震中距的增大地震动三分量的平均持时会持续增大；在小震条件下，当震中距大于150 km时，III类场地的地震动平均持时开始减小；在中震条件下，当震中距大于150 km时，II类场地的地震动平均持时开始减小。然而，III类场地的地震动平均持时，当震中距大于200 km时才开始减小；在大震条件下，当震中距达到200 km以上时，II类场地与III类场地的地震动平均持时才有变小的趋势。

图5 I类场地不同震级和震中距条件下地震动EW分量β谱

图6 I类场地不同震级和震中距条件下地震动NS分量β谱

图7 I类场地不同震级和震中距条件下地震动UD分量β谱

图8 II类场地不同震级和震中距条件下地震动EW分量β谱

图9 II类场地不同震级和震中距条件下地震动NS分量β谱

图10 II类场地不同震级和震中距条件下地震动UD分量β谱

图11 III类场地不同震级和震中距条件下地震动EW分量反应谱β谱变化

图12 III类场地不同震级和震中距条件下地震动NS分量反应谱β谱变化

图13 III类场地不同震级和震中距条件下地震动UD分量反应谱β谱变化

图16 III类场地持时随震中距变化图

6 结论

本文中依据南天山地区强震动台站记录到的不同震中距和不同场地条件下的地震记录，研究了地震动三分量的PGA、β谱和持时的某些统计特性，结果表明：

(1) 南天山地区地震动三分量PGA大体上随震中距的变化而变化有着明显规律，即大致符合已有的衰减关系。同类震级条件下同类别场地的PGA大小差距较大，这可能与地震波的传播规律和特殊的地壳构造有关。同类震级下，两个水平向分量的PGA有着明显的差别，说明场地条件对水平向不同分量的PGA的影响有不同的特点或规律。

(2) 南天山地区的地震动垂直向分量β谱Ts总体上小于水平向分量β谱Ts，因为垂直向地面运动中纵波含量要比水平向运动多，而纵波都含有比较多的高频分量。断层机制、台站与发震断层的相对位置、断层距等因素会导致两个水平向分量地震动β谱之间的明显差异。随场地依次变软，水平向分量β谱Ts逐渐增大；而垂直向分量β谱Ts随场地类别的变化规律不明显。随震级和震中距的增大，β谱Ts有逐渐增大的趋势。

(3) 南天山地区场地类别对地震动水平向分量的持时有一定的影响，随着场地依次变软，持时会有些增大，对于垂直向分量，则没有明显的规律。