2022年9月5日四川泸定6.8级地震强震记录及典型强震动站点特征分析

摘要：

对2022年9月5日四川泸定M6.8地震中获取的205条强震动观测记录进行计算处理，发现近场站点NS向的地震动参数高于EW向，呈现出显著的方向性差异;根据计算的地震动参数结果，绘制峰值加速度（PGA）及峰值速度（PGV）等值线分布图，并研究该地震的衰减规律;计算近场站点的加速度反应谱峰值周期、90%重要持时及卓越周期，得出近场站点90%重要持时变化范围为10～30 s、平均持时为20 s；分析台站51LDJ及51LDL的加速度反应谱、傅里叶谱谱比，发现在不同震级、类似震中距的情况下，同一台站谱形主要受震源影响，震级越大，反应谱衰减越慢；计算分析M6.8主震及余震中典型台站的水平与竖向速度反应谱谱比，51LDL台在主余震中卓越频率平移不明显，而51LDJ台在强震下出现卓越频率向低频（大周期）的大幅度移动，可能是站点的场地非线性反应引起。

关键词：

泸定M6.8地震; PGA; 加速度反应谱; 衰减关系; 加速度反应谱谱比

中图分类号： P315.9""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 1000-0844（2024）05-1203-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230102003

Strong motion records from the Luding M6.8 earthquake

in Sichuan Province on September 5， 2022， and

characteristics of typical strong motion stations

PAN Zhangrong1， ZHOU Yang1， ZHU Yongli2， MIAO Zaipeng1， WANG Feng1， ZHANG Rong1

（1. Gansu Earthquake Agency，Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Sichuan Earthquake Agency， Chengdu 610041， Sichuan， China）

Abstract：

A total of 205 strong motion records from the Luding M6.8 earthquake in Sichuan Province on September 5， 2022， were processed and analyzed. According to the calculated ground motion parameters， contour maps of peak acceleration and peak velocity were created， and the attenuation law of the M6.8 earthquake was examined. The analysis revealed that the ground motion parameters in the NS direction were larger than those in the EW direction， indicating a significant directional difference. The peak period， 90% important duration， and predominant period of the acceleration response spectrum at near-field stations were calculated. The 90% important duration ranged from 10 to 30 s， with an average duration of 20 s. The acceleration response spectrum and Fourier spectrum ratio for the typical stations 51LDJ and 51LDL were analyzed. The results indicate that， for different magnitudes and similar epicentral distances， the spectral shape is mainly influenced by the source. Specifically， as the magnitude increases， the response spectrum exhibits slower attenuation. The ratio of the vertical and horizontal acceleration response spectra for the two stations during the M6.8 main shock and its aftershocks was calculated. The predominant frequency shift at the 51LDL station was not significant， while the predominant frequency at the 51LDJ station exhibited a notable shift to lower frequencies （longer periods） during the strong earthquake， which may be attributed to the nonlinear response of the site.

Keywords：

Luding M6.8 earthquake; PGA; acceleration response spectrum; attenuation relationship; ratio of acceleration response spectra

0 引言

2022年9月5日12时52分，四川省泸定县（29.59°N，102.08°E）发生M6.8地震，震源深度16 km，地震发生在鲜水河断裂带附近，矩震级MW6.6，双力偶成分占88%，是一次近纯走滑的地震事件。发震断层走向163°、倾角77°（倾向SW），滑动角为-5°［1］。张喆等［1］研究结果表明：本次地震主震破裂区主要由两部分构成：一破裂区为破裂起始点及其周围，而另一破裂区位于其东南方，总体表现为从NW向SE的单侧破裂，最大滑动量约1.4 m，位于起始破裂点附近。从矩心、矩张量反演和有限断层反演得到的震源时间函数均表明地震持续时间约20 s。

中国数字强震动观测台网（不含国家地震烈度速报与预警工程建设站点）在本次地震中共获得89组三分向地震动加速度记录，其中51MNC的UD向及51DYB的NS向因数据异常未采用。本次泸定M6.8地震中共获取波形完整、震相清晰的加速度记录205条。

首先，对获得的这205条强震动记录进行格式转换、基线校正、滤波等常规处理，计算得到台站加速度记录三分向最大值（PGA）及速度三分向最大值（PGV），并绘制PGA、PGV等值线分布图;然后，计算、分析近场（震中距lt;100 km）地震记录的卓越周期、持续时间及加速度反应谱峰值周期等地震动参数，结果表明：本次地震强震动记录特征与震源机制紧密相关;其次，分析本次地震典型台站加速度反应谱、傅里叶谱谱比，以及典型站点的强震与余震的速度反应谱谱比，认为51LDJ台可能由于场地的非线性反应引起卓越周期平移;最后，将台站实测PGA与四组常见地震动衰减关系进行对比分析，研究了本次地震的衰减规律。

1 强震动记录收集及处理

1.1 台站分布

M6.8泸定地震震中位于青藏高原东南缘的鲜水河断裂带南东段的磨西断裂附近。鲜水河断裂带北起甘孜东谷附近，大体呈NW—SE向展布，经炉霍、道孚、乾宁（八美）、康定延伸至泸定的磨西以南，并在石棉附近与龙门山断裂带和安宁河断裂带交汇，构成了川西地区著名的“Ｙ字形”断裂带，全长约350 km，是一条活动强烈的大型左旋走滑断裂带，地震发育、地质灾害风险高［2-3］。1900年以来，此次地震震中附近200 km范围内共发生6级以上地震19次，震级最大的为1955年4月14日四川甘孜州康定县7.5级地震（距离本次地震震中约53 km），时间最近的为2022年6月1日四川雅安市芦山县6.1级地震（距离本次地震震中约120 km）。

中国数字强震动台网（不含国家地震烈度速报与预警工程建设的预警站点）在主震中获取的89组、205条自由场地加速度记录，触发台站分布见图1;台站分布在距震中16.3～335.9 km的范围内，其中震中距在50 km以内的有5组，50～100 km以内的有6组，其余均大于100 km。

1.2 地震记录分析

对主震中获得的205条强震动记录进行了格式转换、基线校正、滤波等常规处理［4-6］，近场（震中距lt;100 km）触发强震动台站基本信息及获取记录的地震动参数计算结果列于表1。由表1可知，本次地震强震动记录单分向峰值加速度由51SMM台的NS向获取，震中距为48.2 km，其三分向（EW、NS、UD向）加速度峰值分别为：316.7 cm/s2、394.3 cm/s2、116.7 cm/s2;本次地震单分向峰值速度由震中距最近的51LDJ台NS向获取，震中距为16.30 km，其三分向（EW、NS、UD向）速度峰值分别为：12.34 cm/s、41.00 cm/s、7.74 cm/s。此次地震的PGA（加速度记录三分向最大值）和PGV（速度记录三分向最大值）值整体上随震中距增加呈递减趋势。图2为51SMM、51LDJ及51LDL三个典型强震动台站的加速度及速度时程记录。

由图2和表1可知，近场50 km范围内多数台站NS向记录峰值加速度高于EW向，最大相差2.76倍，呈现出显著的方向性差异，与震源机制直接相关。图2显示，近场的51SMM、51LDJ及51LDL三个站点水平向速度记录呈现双向脉冲，特别是NS方向速度记录时程双向脉冲明显，而垂直向无明显脉冲，且水平向峰值速度明显大于垂直向，是高角度纯走滑地震事件的典型表现。

2 地震动持时及反应谱分析

2.1 地震动持时

计算三分向强震动记录的傅里叶谱，得到地震记录三分向的卓越周期;计算三分向记录5%阻尼比的加速度反应谱，得到地震记录三分向的反应谱峰值周期;计算三分向90%重要持续时间，得到三分向地震动持时。其中90%重要持续时间定义为：

Td=T2-T1 （1）

式中：T2和T1分别为I（t）为0.95和0.05时对应的时间，I（t）定义为：

I（t）=∫t0a2（t）∫T0a2（t） （2）

式中：a（t）为地震动加速度。

表2给出了近场强震动台站（震中距＜100 km）三分向地震动90%重要持续时间、卓越周期及反应谱峰值周期。图3为典型强震动台站的地震动持时计算结果，红色区域为地震动90%重要持续时间。

从表2中可以看出：

（1） 近场站点的加速度记录90%重要持时变化范围为10～30 s，在EW、NS和UD三分向均值分别为：20.26 s、19.11 s、18.89 s。张喆等［1］通过矩心矩张量反演和有限断层反演得到的震源时间函数，得到地震持续时间约20 s，与本文计算结果基本吻合。可见基于地震能量累积过程定义的90%重要持时（显著持时），可为计算地震持时提供参考依据。

（2） 近场站点的 90% 重要持时随震中距增加持续时间增大，主要由于地震波在非均匀介质传播过程中经历多次反射与折射，地震波长度随着传播距离的增大而增长;土层介质的非弹性导致地震波能量在传播过程中被吸收，使地震动幅值减小［7］。

（3） 本次地震中51SMX台（震中距39.9 km）记录的持时最小，三分向（EW、NS、UD向）持续时间分别为10.11 s、11.86 s、11.29 s，明显小于其他站点，此现象与震源运动特性相关。据图1显示，51SMX台位于震源破裂前方，地震中多普勒效应致使破裂前方的地震动高于破裂后方，导致断层面辐射的能量几乎同时到达前方观测点，使得传播前方观测点的地震动较之后方地震动持时更短［8］。其他近场站点持续时间存在明显的离散性且分布范围较宽，可能与断层破裂过程、震源运动特性有关，有待于进一步研究。

（4） 近场站点记录（除51HYQ站点外）的EW、NS和UD三分向的加速度反应谱峰值周期范围为0.1～0.5 s，对自震频率为2～10 Hz的建筑物存在较大的破坏力。

（5） 本次地震记录到的地震动卓越频率范围较宽，长周期成分丰富，PGV/PGA值较大，对结构的破坏力较强，造成了震中区的房屋破坏严重。

2.2 典型台站谱分析

为进一步分析同一站点对不同震级的反应，本文选取51LDJ（泸定加郡）、51LDL（泸定冷磧）台记录的加速度数据进行重点分析。两个台站在2022年11月18日四川泸定M4.3地震、2022年10月22日四川泸定M5.0地震、2022年9月5日四川泸定M6.8地震中都记录到了完整的强震动波形。3次地震中，51LDJ及51LDL台强震动记录的EW向、NS向及UD向加速度反应谱（阻尼比为5%）见图4。3次地震中51LDJ台的EW向/UD向、NS向/UD向加速度傅里叶谱谱比（Parzen：0.2 Hz）见图5。具体分析为：

（1） 图4（a）～（b）显示，51LDJ及51LDL台在M6.8主震中获取的地震记录在大于1 s的中长周期部分，反应谱值仍为50～150 gal，因此，M6.8主震对结构自振周期较长的大坝、桥梁、输电塔、超高建筑等可能造成影响。

（2） 图4（c）～（d）展示了不同地震震级在类似震中距的情况下对同一台站反应谱的影响，震中距类似，同一台站谱形主要受震源影响，震级越大，反应谱衰减越慢。

（3） 图5对比了51LDJ及51LDL台在不同震级的加速度傅里叶谱谱比。可知，同一个台站、同一场地条件、相近震中距的情况下，对不同震级的地震的放大效应不一样。51LDJ台在M4.3地震中，NS向放大9～10倍，EW向放大4～5倍，放大频率均在3.8 Hz，频谱曲线成单峰;在M5.0地震中，EW、NS均放大4～5倍，放大频率均在2～3 Hz内，频谱曲线成多峰;在M6.8地震中，NS向放大9～10倍，放大频率在1.5 Hz，EW向放大4～5倍，放大频率在2.5 Hz。51LDL台在M4.3地震中，NS向放大13～14倍，EW向放大6～7倍，峰值放大频率在2～3 Hz，谱比曲线成多峰;在M5.0地震中，NS向放大11～12倍，EW向放大6～7倍，峰值放大频率在2.5 Hz，谱比曲线成单峰;在M6.8地震中，NS向放大9～10倍，EW向放大4～5倍，峰值放大频率在3.5 Hz。整体上看，两个台站在NS方向的放大效应大于EW方向。

（4） 从图4（c）与图5（c）中可以看出，51LDJ台在NS向数据记录与其他分向存在较为明显的区别。根据文献［9］的建议方法，计算了51LDJ及51LDL站点在M6.8主震及余震的阻尼比为 5% 的水平与竖向速度反应谱谱比，谱比曲线见图6。由图可知，51LDL台卓越频率稍有平移，但平移不明显，而51LDJ台强震下出现了卓越频率向低频（大周期）的大幅度移动。51LDJ台在水平方向卓越频率的明显移动可能是强震作用下土体在大应变下动剪切模量发生降低，导致卓越频率出现偏移的现象，这是场地非线性反应的重要特征［9］。

3 地震动峰值分布图

地震动峰值参数主要为峰值加速度及峰值速度。采用克里格插值法，以每个观测点的加速度及速度三分向最大值为基础绘制峰值加速度（PGA）及速度峰值（PGV）等值线分布图（图7）。

由图7（a）、（b）可知，四川泸定M6.8地震PGA等值线图整体上呈NW—SE方向展布，但最大值未位于震中，与最大PGA并非是震中最近站点获取有关;PGV等值线图整体上呈NWW展布，最大速度值位于震中附近。由于宏观地震烈度的主观性和综合性特征，仪器烈度和宏观烈度很难做到完全一致。但图7显示仪器烈度值基本符合宏观调查烈度值，仪器烈度可为地震烈度提供参考依据，特别是前期震区烈度信息较少的情况下通过观测仪器快速计算烈度，为快速评估震害损失提供基础数据。

4 幅值衰减特征

地震动能量随震中距增加而不断损耗，受震源和传播路径介质的影响，地震动在传播过程中会呈现出不同的衰减特性。而地震动衰减关系表征了地震动参数随震级、距离、场地等因素变化的规律，具有一定的物理意义。

图8（a）～（c）展示了我国常用四种土层场地的地震动预测方程：青藏区（包括川滇地区）地震动衰减关系［10］、汪素云等［11］提出的中国西部地震动衰减关系、霍俊荣等［12］提出的土层模型Ⅲ衰减关系、喻畑等［13］提出的川滇地区中小震地震动衰减关系。通过计算预测方程不同震中距下的预测PGA值，与本次地震获得的加速度记录实际观测值（EW向、NS向及UD向）进行对比;图8（d）对比了霍俊荣等［12］和汪素云等［11］所提出衰减关系的中位值±1倍为标准差曲线与本次地震水平向实测PGA值，以探讨预测方程的适用性和验证地震衰减关系的合理性。

由图8可见，M6.8泸定地震的PGA在EW、NS方向的水平观测值均分布于预测值两侧，与衰减关系的预测值均吻合较好;而在UD方向上观测值整体位于预测值下侧，即观测值均小于两组衰减关系预测值。造成这种现场的可能原因与场地条件对三分向的影响程度不一样有关。

图8（a）～（c）表明：在0～200 km距离内，泸定地震水平向记录较符合汪素云等［11］和霍俊荣等［12］所提出的衰减关系;对俞言祥等［10］所提方法进行比较，发现泸定地震水平向观测值多位于预测曲线之下，预测方程显然高估了本次地震;对喻畑等［13］所提方法进行比较，发现地震水平向观测值多位于预测曲线之上，预测方程明显低估了本次地震。图8（d）对比结果显示，文献［11］中衰减关系的中位值±1倍标准差曲线更符合本地地震PGA观测值。

需要说明的是，地震动衰减关系本身是利用大量强震动记录回归得到的，具有拟合特性，而单次地震观测值本身存在较大的随机性。因此，虽然本次地震的PGA存在离散型，且UD向整体值小于预测值，但整体上观测值与两组衰减关系的衰减特性基本一致。

5 结论

本文处理和分析了四川泸定M6.8地震的205次强震动观测记录（不含国家预警工程建设站点），计算了强震动记录的相关参数，对比了幅值衰减特性，并对典型台站的加速度反应谱进行了分析，得出如下结论：

（1） 近场50 km范围内大部分台站NS向的PGA高于EW向，最大相差2.76倍，呈现显著的方向性差异，且近场的51SMM、51LDJ及51LDL三个站点的速度水平向呈现双向脉冲，特别是NS方向速度时程上双向脉冲明显，而垂直向无明显脉冲，且水平向峰值速度明显大于垂直向，是高角度纯走滑的地震事件的典型表现。

（2） 绘制了本次地震的PGA和PGV等值线分布图。PGA等值线图整体上均呈NW—SE方向展布，但最大值未位于震中;PGV等值线图呈NWW展布，最大速度值位于震中附近。仪器测定的地震烈度值基本符合宏观调查的地震烈度值，测量值可提供定量依据，以供测定地震烈度时参考使用。

（3） 近场站点的加速度记录90%重要持时变化范围为10～30 s，在EW、NS和UD三分向均值分别为：20.26 s、19.11 s、18.89 s，与文献［1］结论吻合。可见基于地震能量累积过程定义的90%重要持时（显著持时），可为地震持时计算提供参考依据。

（4） 本次地震51SMX台的持时最小，三分向（EW、NS、UD向）持续时间分别为10.11 s、11.86 s、11.29 s。该站点位于震源破裂前方，地震动持时明显小于其他站点，与地震中多普勒效应有关，体现了走滑地震的明显特征。

（5） PGA观测值与四组衰减关系对比显示，本次地震水平向记录与文献［11］和文献［12］两个衰减关系较符合;对于文献［10］方法而言，预测方程显然高估了本次地震;而文献［13］所提出的预测方程显然低估了本次地震。

（6） 计算典型台站的加速度反应谱及加速度傅里叶谱谱比，分析不同地震震级在类似震中距的情况下对同一台站反应谱的影响，震中距类似，同一台站谱形主要受震源影响，震级越大，反应谱衰减越慢。

（7） 分析了51LDJ及51LDL台在M6.8主震及余震阻尼比为5%的水平与竖向速度反应谱谱比，51LDL台站卓越频率平移不明显，而51LDJ在强震下出现了卓越频率向低频（大周期）的大幅度移动，可能是由站点的场地非线性反应引起的。

致谢：感谢国家强震动台网中心提供的原始强震记录数据，感谢四川强震动观测人员在此次地震观测、记录收集工作中的辛勤付出！

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（本文编辑：任 栋）