2023年甘肃白银平川区4.9级地震强地面运动特征分析

摘要：

中国地震预警台网在甘肃白银平川区4.9级地震中获得197组三分向地面运动加速度记录，其中仅100 km范围内就有165组，这是首次在海原断裂带附近获得的大量近断层强震动观测记录。通过近场台站加速度反应谱与设计谱比较、不同周期地震动与预测模型对比，绘制出地震动的空间影响场，研究此次地震的强地面运动特征。结果表明：近场6个土层台的水平向加速度反应谱在卓越周期附近大于8度多遇地震的设计谱，其中GS.D003E台EW向反应谱在峰值处超过8度设防地震的设计谱值，但由于其卓越周期低于当地城乡普通建筑的自振周期，因此其对采取了抗震措施的建筑物的破坏程度较小。土层台观测的PGA、PGV、Sa（0.2 s）、Sa（0.5 s）等短周期地震动普遍大于地震动预测值，而Sa（1.0 s）、Sa（2.0 s）等中等周期地震动的观测值与预测值较一致，说明本次地震高频成分的地震动比较卓越。基本站和一般站的地震动观测值普遍大于基准站，结合相邻土层台和基岩台的谱比分析，表明土层场地和地形对地震动有放大作用。PGA、Sa（0.2 s）、Sa（0.5 s）等短周期地震动除沿断层走向上的幅值较大外，在垂直于断层走向的震中西南侧的幅值也较大。而Sa（1.0 s）、Sa（2.0 s）和Sa（3.0 s）等中等周期的地震动在震中西南侧幅值较大的特点更加明显，可能与震源破裂特性及台站所处局部场地对地震动的影响有关。

关键词：

地震预警台网; 平川区4.9级地震; 反应谱; 衰减关系; 空间分布

中图分类号： P315.63""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 1000-0844（2025）01-0207-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240120001

Strong ground motion characteristics of the M4.9 earthquake

in Pingchuan District， Baiyin City， Gansu Province in 2023

WANG Shuwang1， WANG Wencai1，2， YANG Xiaopeng1， AN Zhao2，

ZHANG Weidong1， SHI Wenbing1， LI Liang1， ZHAN Rong1

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

2. Institute of Geophysics， CEA， Beijing 100081， China）

Abstract：

The China Earthquake Early Warning Network recorded 197 sets of three-component ground motion acceleration data during the M4.9 earthquake in Pingchuan District， Baiyin City， Gansu Province. Among these， 165 sets were recorded within 100 km of the epicenter， marking the first significant collection of near-fault strong motion observations near the Haiyuan fault zone. This paper delved into the strong ground motion characteristics of this earthquake by comparing the acceleration response spectra at near-field stations with design spectra， contrasting ground motions of different periods with prediction models， and mapping the spatial impact field of the ground motions. The findings reveal that horizontal acceleration response spectra at six near-field stations exceed the design spectrum of 8-degree frequent earthquakes at the dominant period. Notably， the east-west response spectrum of station GS.D003E had a peak value exceeding the design spectrum for an 8-degree fortification earthquake. However， its dominant period was lower than the natural period of typical urban and rural buildings in the area， resulting in minimal damage to buildings equipped with seismic measures nearby. Observed values of peak ground acceleration （PGA）， peak ground velocity， Sa （0.2 s）， Sa （0.5 s）， and other short-period ground motions at the soil stations generally exceeded predicted values. Meanwhile， values for Sa （1.0 s）， Sa （2.0 s）， and other intermediate-period ground motions aligned with predictions， indicating a significant presence of high-frequency components during this earthquake. Furthermore， observations from strong motion stations and intensity stations typically showed higher values than those from seismic stations. Spectral ratio analysis between adjacent soil and bedrock stations suggests that soil sites and topography amplify ground motion. PGA， Sa （0.2 s）， and Sa （0.5 s） exhibited large amplitudes along the fault strike and on the southwest side of the epicenter， perpendicular to the fault. Conversely， Sa （1.0 s）， Sa （2.0 s）， and Sa （3.0 s） demonstrated larger amplitudes solely on the southwest side of the epicenter， also perpendicular to the fault strike. This phenomenon may relate to the rupture characteristics of seismic sources and the influence of station sites on ground motions.

Keywords：

earthquake early warning network;M4.9 earthquake in Pingchuan District; response spectrum; attenuation relationship; spatial distribution

0 引言

北京时间2023年12月31日22时27分，在甘肃省白银市平川区（36.74°N，105.00°E）发生了M4.9地震，震源深度10 km。地震未造成人员伤亡，但甘肃省兰州市、白银市，以及宁夏中卫市等靠近震中的区域震感强烈。从区域地质构造来看，此次地震发生于青藏高原东北缘地区的海原断裂带附近。海原断裂带是中国西部地区一条重要的活动断裂带，它西起甘肃古浪，经乌鞘岭、毛毛山、老虎山、马厂山、米家山，向东越过黄河，经哈思山、水泉尖山、西华山、南华山，直至宁夏固原西的六盘山，全长500 km，宽约20 km［1］。海原断裂带上曾发生1920年海原8.5级特大地震，并造成28.82万人死亡，约30万人受伤。有研究表明，海原断裂带自晚更新世以来的活动状态一直持续稳定到现在，以左旋走滑为主兼有逆冲分量［2］，本次平川区4.9级地震距离海原8.5级大地震震中约67 km。此次地震虽然震级较小，但随着国家烈度速报与预警工程的持续推进，使得获取强震动加速度记录的台站覆盖密度得到很大提升［3］。此次地震中甘肃和宁夏地震预警网共获得197组三分向加速度记录，仅在100 km范围内的就有165组，丰富的近场记录为研究近断层地面运动特征提供了良好的数据依据。此外，震中附近广泛分布着黄河阶地、黄土丘陵，受局部土层、地形等场地条件对地震动的影响，往往会出现相邻地区震害差异较大、局部地区建筑物破坏程度加重的现象［4-5］。因此，利用此次地震中获取的丰富强震动记录，进行近断层地震动特性、场地地震动反应分析等方面的研究很有必要。相关结果不仅可为该地区地震危险性分析、地震动预测和震害估计、抗震设防等方面的研究提供参考，且对地震预警台网新建台站的观测数据质量评价等方面同样具有重要意义。

1 地震预警台站分布情况

中国地震预警台网布设在甘肃和宁夏地区的22个基准站、32个基本站和143个一般站，在此次M4.9地震中共获得三分向地面运动加速度记录197组，为近年来该地区捕获强震动记录最多的一次地震。记录台站分布在距震中9.3～111 km范围内，其中50 km内有38个，50～100 km范围内有128个，100～111 km范围内有32个台站。图1给出了此次地震的震中位置、周围断层和台站分布情况，其中基准站指位于基岩场地的台站，这类台站多

建于地表出露的基岩上，少数位于山洞或地下深井中。所有基准站同时配备有1套微震仪和1套强震仪，本次地震中除NX.SPTYS基准站和NX.ZHW基准站的加速度传感器分别布设在井下300 m和180 m的砂岩上之外，其余基准站的传感器均固定于地表观测室内的基坑中。基本站多建于学校、乡镇政府、村委会等人口较为密集地区的土层场地上，通常配备1套强震仪，加速度传感器固定于观测室内的观测墩上。一般站多位于通讯铁塔机房内，通常配备1套基于MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）传感器的简易烈度计，烈度计使用螺栓固定于地面或不高于30 cm的墙面上。

2 强震动观测数据处理

强震动数据应用前需要对获取的原始加速度时程记录进行常规处理，包括基线校正、滤波和积分等。首先自动识别P波到时［6］，计算出P波到时前20 s记录的平均值并作为基线，用加速度记录波形减去基线值，实现对地震记录波形的校正，从而消除基线偏移对地震动时程的影响；然后采用拐角频率分别取0.1 Hz和50 Hz的Butterworth带通滤波器，滤波干扰信号；最后对加速度记录积分，得到速度时程［7-9］。本次地震中GS.D003E、GS.D003F、GS.D003C、GS.D0033、GS.D0037、GS.D0019、GS.D0038、GS.D0002及GS.D0035台三分向记录中至少有一个分向的峰值加速度（PGA）大于100 gal，这些台站的位置见图1。绘制出幅值较大的两个土层台GS.D003E（R=9.3 km）、GS.D003F（R=21.6 km）和两个基岩台GS.PCQSQ（R=24.8 km）、GS.JYHGW（R=26.4 km）的加速度和速度时程，如图2所示。由图2可知GS.D003E台记录的PGA最大，其EW、NS、UD向PGA分别为-184.7、-132.2和114.2 gal。

3 近场加速度反应谱与设计谱比较

根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》［10］，甘肃白银平川区的抗震设防烈度为8度，设计地震动加速度为0.30g，地震动分组为第三组。本文选取震中附近PGA最大的6个建于土层场地的一般站（GS.D003E、GS.D003C、GS.D003F、GS.D0033、GS.D0037、GS.D0019）和2个建于基岩场地的基准站（GS.PCQSQ、GS.JYHGW），计算其加速度反应谱（阻尼比取5%），并与文献［10］规定的抗震设防反应谱进行比较，如图3所示。由图3可知，6个土层台三分向记录的反应谱峰值对应周期主要集中在0.05～0.3 s，这符合中、小地震高频（短周期）地震动成分较丰富的特点。6个土层台观测的水平向反应谱在卓越周期处的值均超过了8度多遇地震设计谱的平台值，除GS.D003E台EW向反应谱在峰值处略大于8度设防地震设计谱的平台值外，其余台站的谱加速度均远小于8度设防地震的反应谱值。由于GS.D003E台EW向反应谱的卓越周期在0.1 s附近，低于我国城乡居民普通多层房屋的自振周期（0.2～1.2 s）［11］，因此，此次地震对该地区这一自振周期范围内的建筑破坏性较小。另外，GS.D003E台NS向和UD向的反应谱呈“双峰”型，其第一个峰值对应周期在0.1 s附近，第二个峰值对应周期在0.3 s左右，但由于峰值处的反应谱幅值远小于8度设防地震的设计谱，因此本次地震对该台站附近采取了设防措施的建筑物的破坏程度较小。对于周期大于1 s的中长周期，由于观测的反应谱值近乎为0，因此地震对该台站周围自振周期较长的大坝、桥梁、输电塔、超高建筑等也不会造成大的影响。

由图1可知，GS.PCQSQ、GS.JYHGW两个基准站位于上述6个土层台站附近，但其观测的谱加速度值远小于土层台站的反应谱值。由于地震动同时受震源、传播路径和场地反应的影响，为尽量减小震源和传播路径的影响，分别选取震中西北侧的GS.PCQSQ台（基岩台）和GS.D003C台（土层台），以及震中东南侧的GS.JYHGW台（基岩台）和GS.D003F台（土层台）进行对比，计算出土层台与基岩台反应谱的幅值之比随周期的变化情况［图4（a）、（b）］。由图可见，土层台相对基岩台而言，土层场地对水平向地震动和竖向地震动均有不同程度的放大作用，且在大多数周期范围内对水平向的放大作用大于对竖向。其中GS.D003F台所处场地对地震动的放大作用更大，主要集中在0.1～0.6 s的高频部分，而GS.D003C台所处场地对地震动的放大作用相对较小。这可能与GS.D003C台（土层台）和GS.D003F台（土层台）所处局部地形对地震动的放大作用有关。由图4（c）、（d）可知，GS.D003F台位于一个局部高突山梁的通信铁塔机房内，而GS.D003C台地处地形平缓的农户聚居区内。

4 地震动衰减特性

为分析此次4.9级地震的地震动衰减特性，首先将地震动观测值进行水平向合成，然后与国内常用的地震动预测模型进行比较，如图5所示。由于各种预测模型均在一定条件下适用，有些预测模型仅针对单种地震动参数进行预测，有些模型适用于多种地震动参数。本文将PGA与俞言祥等2006年

建立的中国西部地区基岩场地衰减关系［12］及2013年为第五代区划图建立的衰减规律［13］，以及Zhang等2022年建立的中国西部地区土层场地地震动预测模型［14］比较，将PGV与俞言祥等2013年为第五代区划图建立的衰减规律［13］对比，将不同周期的加速度反应谱值Sa（T=0.2，0.5，1.0，2.0 s）与Zhang等［14］2022年建立的中国西部地区基岩场地衰减关系比较。

由图5（a）可知，基岩场地（预警基准站）的地震动观测值比较均匀地分布在几种预测曲线的两侧，说明俞言祥等（2006）［12］及（2013）［13］和Zhang等 （2022）［14］建立的衰减模型能较好地反映此次地震基岩场地的PGA衰减规律。由图5（b）可知，PGV观测值的衰减特性与PGA类似，即衰减模型可以较好地预测基岩场地的地震动。由图5（c）、（d）可知，基岩台站观测的谱加速度值普遍位于预测曲线的下方，而土层台站（基本站和一般站）观测的谱加速度值普遍位于预测曲线的上方。由图5（e）、（f）可知，对T=1.0 s和T=2.0 s的观测值而言，俞言祥等（2013）［13］建立的衰减模型能较好地预测土层场地台站的地震动，但高估了基岩台的观测值。总体来看，土层台站观测的PGA、PGV、Sa（0.2 s）、Sa（0.5 s）等高频（短周期）地震动的观测离散点普遍位于基岩场地地震动预测曲线之上，而Sa（1.0 s）、Sa（2.0 s）等中等周期地震动观测值与基岩场地的地震动预测值水平相当，说明本次地震的高频地震动幅值较大。另外，不同周期的基岩台观测值普遍小于土层台的观测值，说明土层场地对地震动的放大作用普遍存在。

5 强震动的空间分布

此次平川区4.9级地震及1920年海原8.5级大地震均发生于南华山与西华山断裂及其延伸部分构成的海原断裂带中段部位，海原断裂带在该段的产状特点为：走向NWW、倾向SSW，以左旋走滑为主兼有逆冲分量［2］。图6为本次地震的水平向PGA、

PGV和Sa（T=0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 s）的空间分布图。可以看出，不同周期地震动的空间分布情况有所不同，其中PGA、Sa（0.2 s）和Sa（0.5 s）沿断层走向上的幅值较大，这可能与走滑断层的破裂方式引起地震动的方向性效应有关［15］。此外，PGA、Sa（0.2 s）和Sa（0.5 s）等高频地震动在垂直于断层走向的震中西南侧的幅值也较大，而Sa（1.0 s）、Sa（2.0 s）和Sa（3.0 s）等中等频率地震动影响场向震中西南侧延展的趋势更加明显，其中以T=1.0 s的地震动反应谱最为突出。这种断层一侧（西南侧）地震动影响场占优的现象可能与上、下盘效应引起断层西南侧地震动幅值增大有一定关系［16］，但考虑到此次地震的震级较小，震源效应的影响半径有限，而平川区地处黄土高原，属陇中山地与黄土丘陵区，地貌特征以基岩山地和川坪地为主，除个别基岩山地外，地面被黄土覆盖，主要有基岩中低山地、黄土沟壑丘陵地形、山间盆地和河谷平原类型。因此，上述现象可能还与震中西南侧观测台站所处局部场地对地震动的放大作用有关［17］，尚待进一步考察。

6 结论

本文对中国地震预警台网在白银平川区4.9级地震中获得的197组加速度数据进行常规处理，通过观测值与预测模型对比、近场台站反应谱与设计谱比较，绘制出不同周期地震动空间分布图，分析了此次地震的地面运动特征，得到如下结论：

（1） 震中附近6个土层台的水平向反应谱在卓越周期附近（0.05～0.3 s）均超过了8度多遇地震的设计谱，其中GS.D003E台EW向的反应谱最大值超过8度设防地震的设计谱，但由于其卓越周期（0.1 s）低于该地区城乡普通多层房屋的自振周期（0.2～1.2 s），且其他周期段的谱值也远低于8度设防谱，因此本次地震对采取了设防措施的建筑物的破坏较小。

（2） 基准站观测的短周期地震动（如PGA、PGV）与预测模型的一致性较好，但中等周期地震动［如Sa（1.0 s）、Sa（2.0 s）等］普遍小于地震动预测值；基本站和一般站观测的短周期地震动普遍大于地震动预测值，而中等周期地震动与预测值的一致性较好，这说明基本站和一般站观测的地震动普遍大于基准站。结合2个土层台与邻近基岩台的谱比结果，这种现象可能与一般站和基本站所处土层场地和局部地形对地震动的放大作用有关。另外，本次地震具有高频地震动卓越的特点，这符合中小地震的震源破裂特征。

（3） 不同周期地震动的空间分布情况有所不同，其中PGA、Sa（0.2 s）和Sa（0.5 s）等短周期地震动的影响场除在沿断层走向上的幅值较大外，在垂直于断层走向的震中西南侧的幅值也较大，而Sa（1.0 s）、Sa（2.0 s）和Sa（3.0 s）等中等周期的地震动仅在垂直于断层走向的震中西南侧幅值较大的特点更加明显。这种现象可能与震源的破裂特性及震中西南侧台站所处于基岩山地、黄土丘陵和山间盆地等局部场地条件对地震动的放大作用有关，有待进一步考察。

致谢：中国地震台网中心为本研究提供了原始的强震加速度记录数据，在此表示感谢。

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（本文编辑：张向红）