2021年5月21日漾濞MS6.4地震近场地震动特征和方向性效应分析

2021-10-20张斌李小军林国良荣棉水俞言祥王玉石傅磊

地球物理学报 2021年10期

张斌，李小军,，林国良，荣棉水*，俞言祥，王玉石，傅磊

1 北京工业大学城市建设学部，北京 100124 2 中国地震局地球物理研究所，北京 100081 3 云南省地震局，昆明 650224

0 引言

据中国地震台网测定，北京时间2021年5月21日21时45分，云南省大理州漾濞县发生MS6.4地震，震中位于25.67°N，99.87°E，震源深度8 km.漾濞MS6.4地震是近十年来我国云南地区继MS6.5鲁甸地震、MS6.6景谷地震后发生的又一次6级以上破坏性浅源地震.据央视新闻报道，记者从云南省大理州委获悉，截止2021年5月22日6时，此次地震共造成30人伤亡，房屋倒塌192间，一般损坏13090间.经查询中国地震台网公布数据，截止2021年5月28日21时，共发生5级及以上余震2次，4级及以上余震11次，3级及以上余震35次.此次地震能量主要集中在前8 s内释放，矩震级为MW6.1，以向东南方向单侧走滑破裂为主，滑动极值区位于震中东南方向，主要破裂长度约为15 km(张旭等，个人通讯).云南省地震局现场工作队对灾区218个调查点进行震害调查，参照震区地震构造背景、余震分布、震源机制、仪器烈度等科技支撑成果，结合地表强震动观测记录，发布了《云南漾濞6.4级地震烈度图》(www.yndzj.gov.cn/yndzj/_300559/_300651/629959/index.html).此次地震最高烈度为Ⅷ度，Ⅵ度区及以上面积约6600 km2(含洱海)，共涉及大理州6县市.

在地震过程中，地震动特征的不同往往会引起震中区建筑结构破坏表现出不同的特点，深入分析地震动观测特征有利于加深对震害的认识.本文采用漾濞地震中NSMONS和云南地震预警台网一般站获得的158组强震动记录，分析了近场台站观测记录的地震动幅值、反应谱值特征以及断层距200 km内不同周期反应谱值的空间分布；基于近场台站反应谱值与NGA-West2预测方程的对比，结合现场震害调查进一步揭示此次地震近场地震动的方向性效应特征.

1 强震动观测记录及其数据处理

NSMONS是从国家第十个“五年计划”开始建设的，包括1154个永久自由场地台站、12个专用观测阵列，于2008年3月正式运行(Li et al., 2008a).NSMONS记录了汶川MS8.0大地震和芦山MS7.0地震的大量强震动记录，极大地丰富了中国强震动数据库，尤其是增加了大量的大震近场记录(Li et al., 2008b; Xie et al., 2014).国家地震烈度速报与预警工程于2015年8月正式启动，计划建成1800个配置宽频带地震仪和加速度仪的基准站、3600个配置加速度仪的基本站、超过10000个配置烈度计的台站，将为重灾区位置和灾情分布的快速判定，社会公众的避震逃生，重大工程的制动、关闭的紧急处置等提供服务，减轻直接地震灾害及次生灾害损失(蒋长胜和刘瑞丰，2016).漾濞地震发生后，中国地震局工程力学研究所强震动观测组公布了NSMONS获得的29组自由场地的强震动记录，云南地震预警台网一般站获得了146组自由场地记录.本文以这两个台网获得的158组断层距200 km内数据为基础开展研究.经查询，本文选用的NSMONS的12组强震动记录均由中国地震局工程力学研究所生产的SLJ-100型3分向力平衡加速度计记录，选用的云南地震预警台网一般站的146组加速度记录均由北京港震科技股份有限公司生产的GL-P2C烈度计记录，GL-P2C烈度计采用的是高灵敏度3分向微电机Mems加速度计，两种加速度计的主要技术指标如表1所示.由表1可知，除了采样率有所差异，两种加速度计的主要技术指标基本相同，具有较好的一致性.将烈度计的记录增采至200 SPS后与强震动数据同时应用于本研究.地震的震中及其触发的断层距200 km内台站分布如图1所示.

表1 加速度计主要技术指标

图1 漾濞MS6.4地震震中及触发的强震动台站和云南地震预警台网一般站分布，黑色实线圈为云南省地震局发布的宏观烈度分布

本研究中的近场强震动记录采用近断层强震动记录的基线校正改进方法(张斌等，2020)进行处理，避免了滤波对位移时程和永久位移信息的影响.剩余记录均遵循PEER NGA数据处理流程(Ancheta et al., 2014)，应用4阶Butterworth非因果带通滤波进行处理，低通截止频率为30 Hz.为了保证确定的滤波高通截止频率的有效性和尽量减小滤波对峰值位移(PGD)的影响，首先根据震源谱模型的理论频率、加速度的傅里叶振幅谱在低频段的衰减正比于f2，噪声的出现会造成傅里叶振幅谱在低频段的翘起(Joyner and Boore, 1988；Atkinson and Silva, 2000)以及记录的信噪比不小于3(Boore and Bommer, 2005)等判定标准确定高通截止频率的范围.然后在该范围内以0.01 Hz的间隔逐一选取高通截止频率进行处理，最后根据处理后的速度和位移时程的末尾是否在零线确定最终的高通滤波截止频率；再进行后处理(Boore et al., 2012).因此，处理后的地震动获得的PGA、峰值速度(PGV)、PGD和SA是可靠的.

2 漾濞地震观测的强震动特征

2.1 幅值特征

漾濞地震有158组强震动记录位于断层距200 km以内，其中30 km内的10组.断层距(台站到断层破裂面最近的距离)、断层投影距(台站到断层破裂面在地表投影的水平距离)的计算采用了张旭等(个人通讯)有限断层模型，由于其初始破裂点与中国地震台网公布的震中位置有所差别，本文中采用的是中国地震台网公布的震中位置，并将其有限断层模型投影到该震中位置，如图1中断层破裂面所示.漾濞地震的有限断层模型参数如表2所示.记录到最大PGA的台站是断层距4.67 km的53YBX台，其EW、NS和UD向的PGA分别为374.40 Gal、-695.65 Gal和-407.42 Gal，三个方向的PGV分别为-27.18 cm·s-1、-27.27 cm·s-1和-7.90 cm·s-1.表3给出了近场30 km内10个台站记录及三个方向的相关地震动参数.图2绘制了53YBX台、L2203台和L2205台处理后的EW、NS和UD方向的加速度和速度时程.由图2和表3可知，近场30 km内大部分台站NS向的PGA高于EW向，最大相差1.86倍，呈现显著的方向性差异.

表2 漾濞MS6.4地震破裂尺度

表3 漾濞MS6.4地震近场30 km内台站记录及其相关参数

图2 漾濞MS6.4地震近场台站(a)53YBX、(b)L2203、(c)L2205记录的EW、NS和UD向加速度和速度时程

2.2 反应谱特征

经查询《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，53YBX台、L2203台和L2205台所在地区抗震设防烈度均为Ⅷ度，设计地震动分组为第三组(中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2010).根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)规定，53YBX台所在地区Ⅱ类场地基本地震动PGA和SA特征周期分别为0.2g和0.45 s，Ⅱ类场地罕遇地震动PGA和SA特征周期分别为0.38g和0.5 s；L2203台和L2205台的分别为0.15g和0.45 s，0.285g和0.5 s(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2015).分别计算出三个台站强震动记录的5%阻尼比EW和NS向加速度反应谱值(SA(T=0.01～6.0 s))，并将其与该地区的设计反应谱进行对比，如图3所示.

图3 近场台站EW和NS向5%阻尼比加速度反应谱与设计反应谱的对比

53YBX台EW、NS向加速度反应谱在0.14 s前明显高于罕遇地震动设计谱，分别在0.14～1.60 s、0.14～1.10 s高于基本地震动设计谱而低于罕遇地震动设计谱，在其他周期范围均低于基本地震动设计谱.反应谱卓越周期在0.1 s，0.1 s后反应谱值迅速下降，EW、NS向卓越周期对应的反应谱值分别是罕遇地震动设计谱平台值的1.54倍和3.87倍.L2203台EW、NS向反应谱值分别在0.12 s和0.16～0.32 s、0.22～0.28 s高于罕遇地震动设计谱，卓越周期分别为0.24 s和0.28 s，卓越周期对应的反应谱值分别是罕遇地震动设计谱平台值的1.21倍和1.59倍.L2205台NS向反应谱值在0.18～0.32 s高于基本地震动设计谱而低于罕遇地震动设计谱，NS向在其他周期范围和EW向在几乎所有周期范围内均低于基本地震动设计谱；NS向反应谱卓越周期在0.24 s，卓越周期对应的反应谱值是基本地震动设计谱平台值的1.66倍.近场台站的加速度反应谱值在卓越周期附近呈现NS向显著大于EW向的方向性差异.

2.3 观测的水平向地震动的空间分布

上述研究表明近场地震动幅值和反应谱值表现出EW向和NS向的方向性差异，为了更直观地观察两个方向地震动强度的差异，图4给出了EW和NS向PGA、SA(T=0.1 s、0.5 s、1.0 s、3.0 s、5.0 s)的空间分布对比.从图4可知，极震区NS向的PGA、SA(T=0.1 s)显著大于EW向，这与前两节中幅值特征和反应谱特征相符；极震区NS向的SA(T=0.5 s、1.0 s)显著小于EW向，而NS向的SA(T=3.0 s、5.0 s)略大于EW向.此次地震以向东南方向单侧走滑破裂为主(张旭等，个人通讯)，无论是EW向还是NS向，不同周期的地震动在断层破裂的前方(震中东南方向)和后方(震中北西方向)表现出明显的差异.在相同的距离处，断层破裂前方观测的加速度反应谱值明显大于破裂后方.在短周期(PGA～0.1 s)时，随着周期的增大，断层破裂前方和破裂后方的观测加速度反应谱值的差异越来越大，破裂的方向性更为突出；当周期大于0.1 s时，随着周期的增大，断层破裂前方与破裂后方的观测加速度反应谱值的差异逐渐减小，破裂的方向性没有像短周期时那么突出.为了更好地研究断层破裂前方和后方的水平向地震动强度的方向性差异，图5给出了EW向和NS向地震动PGA和SA(T=0.1 s、0.5 s、1.0 s、3.0 s、5.0 s)的几何均值的空间分布.图5也显示出与图4相同的断层破裂前方观测的加速度反应谱值明显大于破裂后方的方向性差异，在短周期(PGA～0.1 s)时，随着周期的增大，断层破裂前方和破裂后方的观测加速度反应谱值的差异越来越大，破裂的方向性更为突出；当周期大于0.1 s时，随着周期的增大，断层破裂前方与破裂后方的观测加速度反应谱值的差异逐渐减小，破裂的方向性没有像短周期时那么突出.

图4 EW和NS向PGA、SA(T=0.1 s、0.5 s、1.0 s、3.0 s、5.0 s)的空间分布对比

图5 EW和NS向PGA、SA(T=0.1 s、0.5 s、1.0 s、3.0 s、5.0 s)几何均值的空间分布

震中东南方向40多公里处的长周期地震动(SA(T=3.0 s、5.0 s))明显大于震中及附近区域的长周期加速度反应谱值，表现出明显的长周期放大特征.经查询，该区域预警台网一般站布设在洱海周边，洱海南、西、北三面受河流冲积形成洪积平原，十八条溪溪口横向连接成洪积裙，深厚的沉积层放大了漾濞地震的长周期地震动.震后地震科考发现位于洱海边上的云南信创大理产业园大楼(25.619°N，100.287°E)的22～26层的楼梯间和电梯间之间的填充墙上出现剪切裂缝，且随着楼层增加，剪切裂缝越明显，初步推测与深厚沉积层对长周期地震动放大以及建筑物结构的地震动放大有关.

3 近场地震动的方向性效应

上述近场台站获取的地震动幅值、反应谱值表现出明显的方向性差异，不同周期的水平向地震动加速度反应谱值在断层破裂前方(震中东南方向)和后方(震中北西方向)也存在显著差异.初步认为是受此次走滑地震震源破裂的方向性效应影响.为了进一步验证这一推测，将断层破裂前方、后方近场台站记录的水平向加速度反应谱值与NGA-West2预测方程进行对比分析.

NGA-West2预测方程是在NGA-West1的基础上，利用NGA-West2数据库建立的考虑了震源特性(震级、断层类型、上/下盘效应)、距离(几何衰减、非弹性衰减)、场地(土层线性/非线性效应、盆地响应)和区域的差异性等影响因素的水平向地震动预测模型(Abrahamson et al., 2014；Boore et al., 2014；Campbell and Bozorgnia, 2014；Chiou and Youngs, 2014；Idriss, 2014).这些考虑多个影响因素的地震动预测方程很大程度上减小了地震动估计中的不确定性.强震动台站的场地VS30来源于谢俊举等(个人通讯)收集的四川、云南地区强震动台站的钻孔波速资料给出的值；由于云南地震预警台网一般站布设时没有钻孔，根据Allen和Wald(2009)提出的地形坡度与VS30的修正关系获得场地VS30，强震动台站和云南预警台网一般站的场地VS30列于表3和附录中.图6给出了断层破裂前方台站(53YBX、L2205、L0101)和后方台站(L2201、L2204、L3003)记录的水平向加速度反应谱值与四个NGA-West2预测方程的对比，张旭等(个人通讯)有限断层模型参数列于表2中，6个台站的断层距和场地VS30列于表3中.从图6a可以看出，断层破裂前方台站观测的水平向加速度反应谱值在短周期处高于四个NGA-West2预测方程的结果，而图6b显示断层破裂后方台站观测的水平向加速度反应谱值在整个周期范围内均低于四个NGA-West2预测方程的结果.由水平向地震动加速度反应谱值的空间分布以及与NGA-West2预测方程的对比结果可知，此次漾濞地震的地震动表现出显著的方向性差异，断层破裂前方观测的地震动高频成分明显高于预测结果，断层破裂后方的则总体上明显低于预测结果.

图6 断层破裂前方(a)和破裂后方台站(b)记录的水平向加速度反应谱值与4个NGA-West2预测方程的对比

4 震害的方向性特征

根据现场震害调查结果，震中区破坏最严重的是1层老旧穿斗木构架结构，部分土墙倒塌、木梁未破坏；而2～3层砖混、框架结构破坏很轻或几乎没有破坏.53YBX台附近的下关完小(25.665°N，99.965°E)一栋EW走向的三层砖混结构宿舍楼(坐北朝南)，其墙体多处脱落，如图7(a、c)，而另一栋NS走向的两层砖混结构教学楼(坐西朝东)基本完好无损，如图7b.宏观震中淮安村的房屋震害也明显体现了震害的方向性，如图8中两个紧邻的房屋(25.691°N，99.942°E)，其中坐北朝南的房屋1梭瓦现象严重，墙皮大面积脱落，土坯墙体呈贯通竖向裂缝，而东西朝向的房屋2仅见小面积墙皮脱落和填充墙开裂，梭瓦不明显，其震害远轻于房屋1.相似的震害现象在微观震中秀岭村和距离震中8 km左右的漾濞县城苍山西镇(震中东南方位)多处可见.地震近场区的建筑物破坏呈现NS向破坏较EW向严重的方向性差异，很好地验证了前述近场地震动特征以及断层破裂前方和后方台站观测到地震动强度的方向性差异.

图7 下关完小EW向宿舍楼(a、c)和NS向教学楼(b)震害情况(经纬度25.665°N，99.965°E，照片a镜向正北，照片b镜向正西)

图8 宏观震中淮安村调查点震害情况(经纬度25.691°N，99.942°E，照片1镜向正西，照片2镜向北西)

5 结论与讨论

本文采用漾濞地震中NSMONS和云南地震预警台网一般站获得的158组强震动记录，分析了近场台站观测记录的地震动幅值、反应谱值特征以及断层距200 km内不同周期反应谱值的空间分布；基于近场台站记录的反应谱值与NGA-West2预测方程的对比研究，并结合现场震害调查结果进一步揭示此次地震近场地震动的特点.得到了如下主要结论：(1)近场30 km内大部分台站记录NS向的PGA高于EW向的方向性差异，最大可达1.86倍；(2)近场台站记录的EW、NS向加速度反应谱在卓越周期附近高于基本地震动设计谱，在NS向更为显著，53YBX台NS向卓越周期对应的反应谱值是罕遇地震动设计谱平台值的3.87倍；(3)EW向、NS向的加速度反应谱值和两者几何均值的空间分布图表现出在相同的距离处，断层破裂前方观测的不同周期处加速度反应谱值均明显大于破裂后方的方向性差异.在短周期(PGA～0.1 s)时，随着周期的增大，两者的差异越来越大，破裂的方向性更为突出；当周期大于0.1 s时，随着周期的增大，两者的差异逐渐减小，破裂的方向性没有像短周期时那么突出；(4)断层破裂前方台站观测的水平向加速度反应谱值在短周期处高于NGA-West2预测方程的结果，而断层破裂后方台站观测的水平向加速度反应谱值在整个周期范围内均低于NGA-West2预测方程的结果，表现出显著的方向性差异；(5)近场区域的1～3层建筑结构破坏也呈现NS向破坏较EW向严重的方向性差异.很好地佐证了此次走滑地震近场地震动的方向性效应.

此次地震引起的极震区地震动的空间分布，在PGA、0.1 s周期处NS方向地震动明显高于EW方向地震动，在周期0.5 s、1.0 s处EW方向地震动反而高于NS方向地震动，在长周期3.0 s、5.0 s处NS方向地震动略高于EW方向但二者差别不大.这一现象说明由于震源、传播路径、场地的复杂性，不同周期处地震动的空间分布规律并不是在所有频段都一致，而是呈现出分频段不一致的特征.由于地震动等值线的高点以及中心主要位于漾濞县城，从场地条件来看整个县城几乎都分布在南北长约5 km，东西长约2 km的山间盆地内，EW与NS方向沉积土层厚度和水平方向分布(即盆地效应不同方向)的差异对周期0.5 s和1.0 s处地震动放大程度有差别，这可能是造成其它周期处NS向地震动高于EW向，而0.5 s和1.0 s处EW方向地震动反而高于NS方向地震动的主要原因.

近场地震动的方向性效应主要是由于震源破裂的方向性引起的，往往会放大断层破裂前方的地震动(谢俊举等，2017；安昭等，2019).张旭等(个人通讯)利用远场体波数据反演得到的漾濞地震震源破裂过程显示此次地震以向东南方向单侧走滑破裂为主，滑动极值区位于震中东南方向.张克亮等(2021)通过弹性半空间断裂位错模型结合GNSS同震变形场约束反演得到的此次地震最大滑动量也位于主震震源以南区域.这与本文得到的断层破裂前方(震中东南方向)观测的水平向加速度反应谱值明显大于破裂后方(震中北西方向)的方向性效应具有很好的一致性.

云南省地震局发布的《云南漾濞6.4级地震烈度图》显示，等震线长轴呈北北西走向，此次地震最高烈度为Ⅷ度，主要集中在漾濞县苍山西镇、漾江镇、太平乡3个乡镇.此次地震科考发现下关完小、宏观震中淮安村和微观震中秀岭村的建筑物破坏呈现NS向破坏较EW向严重的方向性差异，这些地区均位于断层破裂前方的苍山西镇.断层破裂前方台站53YBX、L2205、L0101、L2203也位于苍山西镇和太平乡.本文显示的近场台站幅值和反应谱值呈NS向显著大于EW向的方向性差异、断层破裂前方(震中东南方向)观测的水平向SA显著大于破裂后方(震中北西向)、近场断层破裂前方台站观测的水平向加速度反应谱值在短周期处高于NGA-West2预测方程结果以及近场区域建筑结构破坏的方向性差异等特征与该宏观烈度分布图等震线长轴方向和最高烈度分布区基本一致.近场地震动的方向性效应往往会放大断层破裂前方的地震动，造成建筑结构更为严重的破坏.因此，在建筑结构的抗震设计和地震动衰减关系的研究中需考虑近场地震动方向性效应的影响.

附录