2023年12月18日甘肃积石山6.2级地震强震动记录特征分析

摘要：2023年12月18日，甘肃省临夏回族自治州积石山县发生6.2级地震。基于甘肃地震预警台网获取的此次地震强震动记录，完成基线校正、滤波等基本数据处理后计算出地震动相关参数，分析此次地震震中200 km内的幅值、反应谱和持时等重要特征，并绘制峰值加速度等相关参数空间分布图。结果表明：此次地震震中200 km内获取到的峰值加速度范围为1.2～1 511.6 cm/s2，峰值速度范围为0.1～85.9 cm/s，由于地形和场地影响，地震动峰值随着震中距的增大而衰减。将实际观测值与常用的五种衰减模型预测值进行对比，表明YU模型对甘肃积石山6.2级的预测结果要明显优于NGA-West2的四种模型，但五种衰减模型都明显低估了实际观测值的最大峰值。通过对比两个邻近震源台站的5%阻尼比加速度反应谱与设计谱，发现三分向高频成分加速度反应谱均远超过7度罕遇地震的设计谱，且反应谱峰值周期均在0.5 s以内。通过计算5%～75%和5%～95%两种重要持时，发现持时随着震中距的增大而增大，且与Afshari amp; Stewart 16预测方程均基本吻合。

关键词：积石山地震; 强震动记录; 幅值衰减; 反应谱; 持时

中图分类号： P319文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0888-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240305003

Characteristics of strong motion records of the Jishishan， Gansu，

MS6.2 earthquake on December 18， 2023ZHANG Weidong， JIA Lu， KANG Binlong， YUAN Jie， WANG Weiquan

（Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China）Abstract：

On December 18， 2023， an MS6.2 earthquake struck Jishishan County， Linxia Hui Autonomous Prefecture， Gansu Province， China. In this paper， the strong motion records of the earthquake obtained by the Gansu Earthquake Early Warning Network were analyzed. After the basic data processing， such as baseline correction and filtering， the related parameters of ground motion were then calculated. The amplitude， response spectrum， and important duration characteristics recorded within 200 km of the epicenter were examined， and the spatial distribution map of related parameters， such as peak acceleration， was illustrated. Results show that the peak acceleration within 200 km of the epicenter ranges from 1.2 to 1 511.6 cm/s2， and the peak velocity ranges from 0.1 to 85.9 cm/s. The peak value of ground motion decreases with the increase in epicentral distance due to the influence of topography and site. Comparison results of the observation and prediction values of five commonly used attenuation models reveal that the prediction result of the YU model for the Jishishan MS6.2 earthquake is better than the four models of NGA-West2. However， these models underestimate the maximum peak value of actual observation values. The acceleration response spectra of two near-source stations （5% damping ratio） in severely damaged areas were compared with the design spectrum. The results indicate that the acceleration response spectra of high-frequency components at the two stations far exceed the design spectrum of a rare earthquake with 7-degree， and the peak periods of the response spectra are within 0.5 s. Moreover， the durations of 5%-75% and 5%-95% increase with the epicentral distance， which is consistent with the prediction equation of AFShari amp; Stewart 16.

Keywords：Jishishan earthquake; strong motion records; amplitude attenuation; response spectrum; duration

0引言

根据中国地震台网正式测定，北京时间2023年12月18日23时59分，在甘肃临夏州积石山县发生了6.2级地震，震中位于102.79°E，35.7°N，震源深度约为10 km［1］。震中距离积石山柳沟乡8 km、临夏回族自治州39 km。震中距离最近的断层为距离震中1 km的拉脊山北缘断裂。此次地震造成甘肃、青海两省大量人员伤亡，部分水、电、交通、通讯等基础设施受损。根据应急管理部中国地震局发布的《甘肃积石山6.2级地震烈度图》（https：//www.mem.gov.cn/xw/yjglbgzdt/202312/t20231222_472849.shtml），该地震等震线长轴呈NNW走向，长轴约124 km，短轴约85 km，Ⅵ度（6度）区及以上面积8 364 km2，其中甘肃省5 232 km2，青海省3 132 km2。此次地震涉及甘肃省3个市（州）、9个县（市、区）、88个乡镇（街道），以及太子山天然林保护区、盖新坪林场，涉及青海省2个市（州）、4个县（市）、30个乡镇。

此次地震发生在祁连地块内部，位于青藏高原东部地区南北地震带上。地震发生后，甘肃地震预警台网获取了丰富的地震动速度记录和加速度记录。本文对这些记录进行处理，分析了此次地震的强震动观测记录三要素特征，为地震灾害评估、宏观烈度评定以及后续强地面运动特征分析等提供了重要的参考价值。

1强震动观测台网和观测记录

甘肃省地质构造复杂，地震灾害严重，地震预警区大部分地区属于南北带，是国家地震烈度速报与预警工程项目设计的四大重点区域之一。甘肃子项目共建设台站1 269个，其中新建基准站107个，改建基准站57个，改建基本站105个，新建基本站100个，新建一般站900个。2022年青海门源地震后提出的青藏高原东北缘地震监测预警能力提升工程，在甘肃省境内西气东输管道和中欧班列车站沿线共新建92个地震监测站点。以上所有台站的观测数据均通过网络实时传输至甘肃省地震预警中心。

此次地震发生后，剔除个别受到干扰的数据，甘肃地震预警站网获取了1 819组加速度记录，其中基准站206组，基本站293组，一般站1 320组。记录的数量相比以往强地震有很大的量级提升，仅震中距200 km内就有582个台站记录到强震动数据。图1为此次地震获取到记录的台站位置分布图。

由于台站观测仪器本身受到环境干扰影响及绝对位移等原因，观测台网获取到的原始地震数据会产生零线偏移。本文首先对获取到的强震动记录进行基线校正处理，在时域上对加速度进行积分得到峰值速度，并在计算仪器烈度和频谱分析之前对数据进行有效频带为0.01～25 Hz的4阶Butterworth因果滤波处理［2-3］。

2幅值特征分析

峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）、峰值速度（Peak Ground Velocity，PGV）作为体现地震影响程度的重要指标，其空间分布直观地展示了地震对地表和地表附着物的影响程度，为评估地震烈度和确定能量传播的优势方向提供了重要依据［4-6］。采用克里金插值法，选用插值精度为0.01°。由于原始数据存在偏态性，取对数可以减少数据的波动性，因此，本文对PGA、PGV取对数后再进行插值，绘制其空间分布图（图2）。表1为震中50 km内观测数据强震动记录及相关参数表。图2为本次地震震中200 km内获取到的所有强震记录峰值加速度空间分布图和峰值速度空间分布图。从图2中可以看出，PGA和PGV值随着震中距的增大而衰减，较大值都分布在震中附近且靠近断层处。此外，在靠近榆中县东北部、靖远县南部、定西市安定区北部及会宁县西部范围内PGA和PGV分布均出现密集的较大异常值，初步判断为该区域范围内属于山区，海拔较高，黄土覆盖层较厚，受地形、土层结构等多种因素影响，在相同的地震动输入条件下会对地震动参数有放大作用［7］。

为更直观地体现此次积石山地震的衰减特性，研究该地区的地震动衰减规律，本文选用已有的NGA-West2四个地震动衰减模型，与中国第五代地震动参数区划图中M≤6.5的青藏区长轴衰减关系的地震动预测方程，相对于震中距的变化进行比较分析［8］。NGA-West2中的四个衰减模型包括ASK14、BSS14、CB14、CY14［9-12］。图3为此次地震震中200 km内基准站、基本站及一般站的峰值加速度和峰值速度随震中距变化的衰减特征。从图3可以看出，YU模型对甘肃积石山6.2级的预测结果要明显优于NGA-West2的四种模型。虽然作为全球化地震动衰减模型，NGA-West2模型考虑了断层破裂、发震类型、震源深度及覆盖层厚度等众多因素，但根据我国不同的区域划分，地震动衰减

特性也会随之发生变化，需要更加明确地考虑当地地形特征及发震类型等情况，因此NGA-West2模型无法对局部区域的地震动衰减特征进行有效分析。

为满足台网的整体性能需求，基本站和基准站在选址时需避开不利的地形环境和各类干扰源，在专用的观测基墩上安装仪器，且对地质构造有着严格的要求，因此，此次地震所记录的峰值加速度和峰值速度离散程度较为稳定，衰减特性一致性较好。但由于基准站主要布设在潜在危险地区坚硬、完整、未风化的基岩岩体上，基本站布设在人口聚集地区（县城）、经济发达地区、生命线工程地区、代表性场地的土层或基岩上，受地形效应的影响，基准站的峰值相较于基本站偏小，整体低于预测值。

为实现通信网络资源共享，一般站仪器通常安装在铁塔基站的机房内部，其安装方式包括壁挂式和地面式两种。在观测过程中，仪器在一定程度上会受到机房墙体和铁塔结构的影响，尤其是铁塔基站通常分布在海拔较高的山顶、斜坡等地形，其周围地形的局部变化可能会对观测结果产生严重影响。由此可见，不同台站场地的覆盖层也会表现出显著差异性，导致其衰减分布具有较大的离散性，且实测值较衰减预测值偏高，震中距相同的地震动幅值差异可高达10倍。

3仪器地震烈度

地震烈度是地震工程学中至关重要的指标之一，综合反映了地面运动地震能量对建筑物造成的破坏程度，标定了地震引起地震动及其影响的强弱程度。通过综合评定人类感知、器物反应、建筑结构损坏情况及地表破坏程度，地震烈度可作为衡量一定地区范围内地震平均水平的重要指标。而仪器烈度实际反映了地震动的强度，可以在地震发生后的几分钟至几十分钟内，利用实时回传的地震记录数据，通过一定的计算流程迅速获取。这种方法具有快速、直观、简便的特点，能够为震后灾情的快速评估和应急救援决策提供重要依据。

根据《中国地震烈度表（GB/T 17742—2020）》［13］中仪器烈度的计算方法，计算得到本次地震台站仪器烈度值，由于个别台站受地形、土层结构、通信铁塔结构等多种因素影响，其PGA、PGV值与地震烈度的对应关系具有较大离散值，因此，在绘制其仪器烈度空间分布图过程中，对个别地震动参数异常值采用加权最小二乘拟合法，计算其拟合烈度，更好地体现与地震破坏程度的相关性［14］。仪器烈度空间分布如图4所示。

4反应谱特征分析

加速度反应谱为国内、外制定地区的抗震设防标准提供了科学依据，对工程设计、地震响应分析、地震风险评估以及抗震设防标准的制定有着重要的意义。通过计算和分析加速度反应谱，能更深入地了解强震动记录的频域特征。加速度反应谱作为工程设计的重要依据，提供了不同结构周期下的最大加速度响应，有助于更好地评估结构在地震作用下的响应特性。结合反应谱进行地震响应分析，可以评估结构的动态响应情况，确定结构的强度、刚度和阻尼等参数，还能帮助评估地震对结构和人员安全的影响程度，从而评估地震风险，并采取相应的预防和应对措施。

本文选用距震中较近、峰值加速度和峰值速度值较大的GS.N002B和GS.N0028两个台站的强震动记录，计算其观测反应谱值与设计谱作比较。根据我国《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》［15］，为两个台站所在的甘肃积石山县抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震动分组为第三组，选用阻尼比数为5%，设计谱的特征周期值为0.45 s，根据上述系数计算Ⅱ类场地的设计谱。

本次地震中，距离震中12.3 km的台站GS.N002B（位于临夏州积石山县石塬乡石塬村）获取到此次地震最大的峰值加速度。在对数据进行分段调零后三分向的峰值加速度分别为1 022.0 cm/s2、805.0 cm/s2、769.8 cm/s2，峰值速度分别为64.2 cm/s、30.4 cm/s、43.7 cm/s，计算的仪器烈度为9.1度。距离震中13.6 km的台站GS.N0028（位于临夏州积石山县大河家乡甘沟滩村）获取到较大的峰值加速度，在对数据进行分段调零后三分向的峰值加速度分别为887.9 cm/s2、759.7 cm/s2、630.5 cm/s2，峰值速度分别为60.1 cm/s、57.2 cm/s、22.3 cm/s，计算的仪器烈度为9.4度。台站GS.N002B和台站GS.N0028所在位置当地建筑受损情况及加速度时程如图5、6所示。

分别计算GS.N002B和GS.N0028两个台站的三分向加速度记录，得到加速度反应谱。图7为这两个台站的观测加速度反应谱与抗震设计谱对比图。通过对比两个台站的观测加速度反应谱与设计谱，可看出：两台站三分向高频成分加速度反应谱均远远超过7度罕遇地震的设计谱值，且反应谱峰值周期均在0.5 s以内，并在此之后迅速降低到较低水平。台站GS.N002B的EW向地震动明显高于SN向，且在0～1.5 s周期段，加速度反应谱幅值高于设计谱；大于1.5 s的中长周期部分与设计谱基本一致。而台站GS.N0028的SN向地震动明显高于垂直向，且在0～1.2 s周期段，加速度反应谱幅值高于设计谱；大于1.2 s的中长周期部分与设计谱基本一致。由于一般站选址受局部地形影响，不同台站的

地形差异较大。由此可看出，由于台站的观测反应谱值远远大于设计谱值，此次地震对积石山地区的主要建筑物造成了严重的破坏。

5持时特征分析

地震动持时是指地震释放能量的时间长度，主要取决于地震断层破裂所需的时间，即地震源释放能量的持续时间。持时反映了地震能量的释放过程，为建筑物的抗震设防提供重要科学依据，对于地震工程和地震危险性评估具有重要意义。本文选用重要持时特征来分析本次地震的地震动持时特征。

根据捕获的强震动记录数据，计算了工程实践中应用较为广泛的5%～75%和5%～95%重要持时。5%～75%重要持时EW向为1.28～35.77 s，主要集中在1.28～10 s内;SN向为1.21～37.75 s，主要集中在1.2～10 s内;UD向为2.13～58.24 s，主要集中在10～20 s内。5%～95%重要持时EW向为3.06～69.13 s，SN向为3.15～74.96 s，UD向为3.41～87.31 s，持时时间均集中在20～30 s内，持时分布如图8、图9所示。

基于以上重要持时计算结果，本文设定场地剪切波速vS30为510 m/s，选用Afshari（2016）持时预测方程与ES向重要持时与SN向重要持时的几何平均值进行比较［16］，由图10可知，其观测值整体趋势与预测值结果均比较吻合，随着震中距的增大而增大［17-19］。

6结论

基于甘肃地震预警台网在2023年甘肃积石山6.2级地震中获取的1 819组加速度记录，首先对数据进行预处理，再从幅值特征、仪器地震烈度、反应谱特征以及持时特征等几个方面研究了此次地震的强震动记录特征，得到以下结论：

（1） 此次地震震中200 km内获取到的峰值加速度范围为1.2～1 511.6 cm/s2，峰值速度范围为0.1～85.9 cm/s。由于地形、场地受限，地震动峰值随着震中距的增大而衰减。计算仪器地震烈度范围为1.0～9.4度，距离震中13.6 km的台站GS.N0028获取到仪器地震烈度最大值。将实际观测值与常见的几种衰减关系模型分析对比发现，衰减模型都明显低估了实际观测值的最大峰值，一般站的衰减分布较基准站和基本站而言具有较大的离散性，且实测值较衰减预测值偏大，表明不同台站场地的覆盖层也会有较大的差异。

（2） 震害较为严重的地区两个近震源台站的三分向高频成分，加速度反应谱均远远超过7度罕遇地震的设计谱值，且两台站反应谱峰值周期均在0.5 s以内。台站GS.N002B的EW向地震动明显高于SN向，而台站GS.N0028的SN向地震动明显高于UD向。由于一般站选址受局部地形影响，不同台站的地形差异较大。由此可看出，由于台站的观测反应谱值远远大于设计谱值，此次地震对积石山地区的主要建筑物造成严重破坏。

（3） 计算得到了5%～75%和5%～95%重要持时，并与Afshari amp; Stewart 16预测方程进行对比分析，其整体趋势与预测值基本吻合。

由于此次地震所在区域属于青藏高原和黄土高原的交界地带，人口相对密集，其建筑以砖木类和砖混类为主，抗震设防水平较低;其次震源深度为10 km，属于浅源地震，进一步加剧了地震的破坏性。该地区在今后需要提高抗震设防能力，以确保安全性等级。

此次地震获取的大量强震动记录，对于地震动特征分析提供了重要的数据支撑。在今后的数据分析中，基准站、基本站以及一般站与地形效应的关系以及黄土高原地区对地震动参数的影响还值得我们进行更深入的研究。

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（本文编辑：任栋）