基于强震记录的唐山5.1级地震强地面运动特征及局部场地效应分析

王文才 杨晓鹏 苏小芸 陈丽君 王 燕 刘红玫

1 甘肃省地震局,兰州市东岗西路450号,730000 2 甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,兰州市东岗西路450号,730000

2020-07-12 06：38河北省唐山市古冶区(39.78°N, 118.44°E)发生5.1级地震，震源深度10 km，震中宏观烈度为V度，京津冀靠近震中的地区震感强烈。震中位于华北平原地震带与张家口-渤海地震带交汇部位，距离唐山-古冶断裂较近，是1976年唐山7.8级地震余震的主要分布区[1-2]。京津冀地区密集的强震动和烈度速报台捕获到214组三分向加速度记录，丰富的数据可为研究近、远场地面运动特征提供支持。由于有记录的台站多位于渤海湾盆地，而历史震害调查和理论研究表明，受局部场地条件影响，地震时盆地内建筑物的破坏程度往往更严重[3]。相对数值模拟和解析计算而言，由于数据来源于实际观测，采用强震记录进行场地效应研究的方法无需太多假设和复杂计算，其结果更具有真实性，因此利用地震记录研究盆地厚软土层等局部场地条件对地震动的影响具有重要意义，相关研究成果可为地震危险性分析、场地放大效应估计、盆地地震动预测和盆地内高层建筑的震害防御等提供参考。

1 地质构造与场地环境

本次唐山5.1级地震发生于华北平原凹陷带与北部燕山褶皱带的接触部位，从周边地质构造来看，唐山地区被NE向丰台-野鸡坨断层(F1)、宁河-昌黎断层(F2)及NW向滦县-乐亭断层(F3)、蓟运河断层(F4)等4条深大断层围成菱形块体，该块体历史上曾发生多次强震。而唐山断裂带位于该菱形块体的对角线位置，由3条NE向子断裂构成，分别为唐山-陡河断裂、巍山-长山断裂和唐山-古冶断裂[4-5]，其中唐山-古冶断裂(F5)为1976年唐山7.8级地震的发震断层[5]。本次地震距唐山-古冶断裂最近，被认为是1976年唐山大地震老震区一次正常的地震起伏活动，图1为此次地震的震中位置、周边断层及触发强震动台站分布情况。

图1 触发强震动台站分布

由图1可知，记录到本次地震的强震台站大部分位于震中东南部的渤海湾盆地，少部分在西北部的太行山隆起和北部的燕山褶皱带构造单元内。

2 强震动记录基本特征

本次唐山5.1级地震的强震记录分布在距震中27.03～355.9 km范围内，其中50 km以内有8组，50～100 km范围内有38组，100～150 km范围内有66组，150～200 km范围内有45组，其余则分布在200 km以外。虽然此次地震震级不高，但仍获得中远场(R≥50 km)强震动记录206组，近场(R≤50 km)记录仅有8组，这一方面与台站分布不均、震中附近台站较少有关，另一方面可能也与中远场区域的局部场地条件有关。在进行数据分析前，需对原始加速度记录进行基线校正和滤波等常规处理[6]，图2为处理后的震中距50 km以内8个台站的三分向加速度时程，其中13YZH台和13DOH台为基岩场地台，其余为土层台。本次地震的最大峰值加速度(PGA)在13QTY台(距震中27.81 km)处，EW、NS、UD向的PGA分别为-58.03 Gal、-61.39 Gal和61.41 Gal，13HSY台次之，其余台站PGA随震中距的增大总体呈逐渐减小的趋势。

图2 典型记录的加速度时程

利用计算的地震动参数，采用克里金插值方法得到震中附近区域EW向和NS向的PGA等值线分布(图3)。由图3可见，NE向PGA等值线分布较离散，这主要是由台站分布不均、缺少NE向记录造成的。将图3与地震烈度图[7]对比发现，烈度的极值分布在震中右下方，这与最大PGA分布情况一致。但烈度等震线长轴呈NEE向，而PGA等值线长轴呈NWW向分布，其原因一方面可能与发震断裂为NE-SW向有关，通常震害(宏观烈度)的展布方向与破裂带走向一致，而垂直于断层破裂面方向的地震动参数大于平行方向符合近场地震动的特征；另一方面则可能与局部场地条件有关，震中区深厚、松软的土质对地震动的中、长周期成分具有显著的选择放大作用，因此地震烈度更易受长周期地震动参数的影响，而PGA主要由地震动的高频成分(短周期)决定。

图3 震中附近EW向和NS向PGA等值线

此外，由于地震烈度为宏观综合的震害描述，与地震动参数、局部场地条件、建(构)筑物本身的工程特性和施工质量等有关，而PGA只是影响宏观烈度的因素之一，两者存在一定的差别属正常现象。

3 近场加速度反应谱和谱比

根据图2距震中50 km以内6个近场土层台站(13HSY、13SZH、13QTY、13XGZ、13DXZ、13YJT)的加速度记录，计算单自由度线弹性体系的加速度反应谱，阻尼比取5%，并与《GB 50011-2010建筑抗震设计规范》[8]设计谱进行比较，结果如图4(a)和4(b)所示(图中g代表重力加速度)。在绘制设计谱时，6个台站场地条件均取强震动台站选址建设时普遍采用的 Ⅱ 类场地；抗震设防烈度根据规范取Ⅷ度，设计地震动分组为第2组。从图4(a)和4(b)可以看出，6个土层台水平向和垂直向记录的反应谱峰值对应周期主要集中在0.05～0.3 s，表明本次地震高频成分占优，这也符合中、小地震的频率分布特征。由于6个台站记录的反应谱幅值在多数周期范围内均远小于Ⅷ度多遇地震的设计反应谱值，仅个别反应谱在峰值处略大于Ⅷ度多遇地震的设计谱值，且反应谱峰值周期普遍小于我国一般多层房屋的自振周期(0.2～1.2 s)，因此本次地震对该地区自振周期范围内的建筑破坏性较小。6个土层台附近分布2个基岩台站(13YZH、13DOH)，图4(c)和4(d)为其水平向和垂直向反应谱。

图4 近场6个土层台和2个基岩台反应谱

为了说明近场台站反应谱的统计特性，分别计算6个土层台和2个基岩台水平向和垂直向反应谱的平均值，结果如图5(a)所示。从图中可以看出，土层台水平向反应谱远大于垂直向，基岩台水平向反应谱和垂直向相当，土层台垂直向反应谱平均值与基岩台相近。采用传统谱比法计算土层台与基岩台反应谱幅值之比随周期的变化情况，结果如图5(b)所示。可以看出，对于2个基岩台而言，近场内6个土层台对水平向反应谱的放大作用比对垂直向的放大作用更明显。在垂直向，土层台与基岩台记录的谱比值在1～2范围内波动；在水平向，0.1～2.0 s周期范围内土层台与基岩台记录的谱比值大于2.0，且在0.6 s处谱比曲线达到峰值4.0。

图5 土层台和基岩台反应谱比较

4 地震动衰减与局部场地影响

研究地震动衰减关系在场地安全评价、地震小区划分及地震动模拟等方面具有重要作用。本文通过计算观测台站实际记录的峰值加速度(PGA)和谱加速度(PSA)，与国内常用的预测方程进行比较，探究本次地震的地震动衰减特征。该研究不仅可检验已有衰减关系的适用性，也可为发现地震动的区域特征提供途径。由于现有地震动预测模型多基于基岩场地建立，为便于比较，本文均采用基岩地震动峰值加速度和谱加速度衰减方程进行分析。

由图6(a)峰值加速度随震中距的衰减曲线可知，相对而言，基于俞言祥等[9]和田利等[10]建立的基岩场地地震动衰减关系计算的PGA预测值与此次地震基岩台站观测值吻合较好，能较好地反映此次地震的PGA衰减规律，而其他2种预测曲线[11-12]与实际观测值离散性较大。图6(b)和6(c)分别为T=0.2 s和T=2.0 s对应的加速度反应谱观测值随震中距的变化曲线，可以看出，T=0.2 s时基岩台站观测的谱加速度值均匀分布在衰减关系曲线两侧，即俞言祥等[9]和田利等[10]建立的中国东部地区基岩场地衰减关系能较好地反映T=0.2 s时基岩场地谱加速度观测值的衰减规律。对于T=2.0 s时的基岩台观测值而言，田利等[10]计算的预测值与其较一致，而俞言祥等[9]计算的预测值与基岩台观测值离散性较大。总体来看，田利等[10]建立的衰减关系能更好地反映本次地震各频率成分对加速度反应谱的影响。由图6(a)～6(c)可以看出，无论是PGA还是PSA(T=0.2 s，T=2.0 s)，土层台的观测值普遍大于基岩场地地震动预测值，说明土层对地震动具有一定的放大作用，但对地震动各频率成分的放大程度存在差异。为定量分析，首先计算谱加速度观测值相对于田利等[10]建立的衰减模型预测值的归一化残差，然后分别计算震中距为0～50 km、50～150 km、大于等于150 km台站归一化残差的平均值，结果如图6(d)～6(f)所示。可以看出，震中距为50～150 km土层台记录的地震动幅值较其他空间范围更大，且不同周期谱加速度的归一化残差存在eT=2.0 s≈2eT=0.2 s≈5ePGA的关系；而远场土层台的记录相对基岩台具有放大作用，但放大倍数较小，说明中场对地震动长周期成分的放大作用更显著，这可能与中场台站的局部场地条件有关。

图6 谱加速度和归一化残差随震中距的变化

5 加速度反应谱空间展布

图7为T=0.2 s和T=2.0 s对应的PSA等值线，从图中可以看出，PSA等值线与PGA等值线(图3)存在很大差异，表现为地震动影响场具有向震中西南侧延展的趋势，尤其是T=2.0 s对应的PSA等值线更为显著，其极大值区域移至西南侧距离震中约50～150 km范围内。由于台站记录的地震动主要受震源、传播路径和局部场地条件影响，而本次地震的震级较小，震源影响半径有限，震中西南侧台站的地震动传播路径相似，可认为地震动长周期加速度反应谱的放大作用主要受局部场地条件影响。由于震中西南侧渤海湾盆地沉积层较北部燕山褶皱带和西北部太行山隆起区的厚，区域平均厚度约为4 km，冀中凹陷带北部部分地区沉积层厚度甚至达到6 km[13-14]，因此本次地震的加速度反应谱长周期成分被显著放大、造成地震动影响场向西南方向延展的局部场地条件主要为渤海湾盆地深厚的沉积层。

图7 T=0.2 s和T=2.0 s谱加速度的空间分布

6 结 语

基于2020-07-12河北省唐山市古冶区5.1级地震的加速度记录，从地震动幅值、衰减关系、反应谱、场地效应等方面研究本次地震的基本特征，得到以下结论：

1)通过分析强震动台站数量随震中距的分布关系发现，本次地震震级较小，但有记录的台站较多，主要分布在震中距大于50 km的中远场。将峰值加速度等值线与震后调查烈度图对比发现，两者存在一定差异，但宏观震中位置基本相同。

2)通过比较近场6个土层台反应谱与当地抗震设防反应谱发现，部分土层台的谱加速度峰值略大于Ⅷ度多遇地震的设计谱，但其作用周期范围小，且低于当地城镇房屋的自振周期，因此对台站附近构筑物的影响较小。通过比较近场6个土层台和2个基岩台的平均反应谱发现，对于基岩参考场地，震中附近软弱地基和深厚覆盖层对加速度反应谱具有显著放大作用，且水平向放大值总体在2.0以上，在周期为0.6 s附近可达到4.0。

3)相对而言，田利等[10]建立的东部地区基岩地震动反应谱衰减关系能更好地反映本次地震基岩场地PGA、PSA(T=0.2 s)、PSA(T=2.0 s)的地震动影响场。归一化残差平均值计算结果表明，震中距为50～150 km的中场台站局部场地条件对地震动的放大作用最显著，且放大部分主要为地震动长周期成分。

4)震中西南侧渤海湾盆地的沉积层厚度较北部燕山褶皱带和西北部太行山隆起厚，对地震动具有放大作用，尤其对地震动长周期成分的放大作用更显著，这也是本次地震中远场地台站获取记录较多的主要原因。

致谢:中国地震局工程力学研究所国家强震动台网中心为本研究提供原始强震动记录数据，河北省地震局、天津市地震局、北京市地震局强震动观测人员在数据收集整理过程中付出辛勤劳动，在此一并表示感谢。