新疆烏恰6.8級地震的場地響應分析*

張振斌，唐麗華

(1.中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥230026;2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊830011)

新疆烏恰6.8級地震的場地響應分析*

張振斌1，2，唐麗華1

(1.中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥230026;2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊830011)

利用2008年10月5日新疆烏恰6.8級地震時新疆強震動觀測臺記錄的S波資料和脈動觀測資料，采用Nakamura方法計算了這些強震觀測臺的場地響應。結果表明:(1)地震記錄前10 s的脈動場地響應明顯大于測試脈動和地震記錄S波的場地響應，是測試脈動和記錄S波場地響應的3倍，而測試脈動場地響應和S波記錄場地響應基本相符。(2)當記錄臺站的等效剪切波速小于250 m/s時，測試脈動場地響應值在2.5～5.0之間;當?shù)刃Ъ羟胁ㄋ俅笥?50 m/s時，測試脈動場地響應值在1.5～3.0之間。(3)當記錄臺站覆蓋層為同一種類型時，臺站測試脈動場地響應小于1。

強震動記錄;衰減;烏恰地震;Nakamura方法;場址效應;新疆

0 引言

國家“十五”項目在新疆建成50個數(shù)字強震動觀測烈度速報臺和將近100個固定強震動速報臺，強震動臺的建設大大豐富了新疆近場記錄的資料，也明顯改善了新疆地震烈度速報的狀況。這期間，2007年該強震臺網(wǎng)記錄強震事件40個，涉及臺站100多個;2008年記錄強震事件46個;2009年記錄強震事件35個。2008年10月5日烏恰MS6.8地震的記錄臺站達26個，最近臺站距震中60.9 km，記錄到東西向峰值加速度142.74 Gal，最遠臺站距震中292.6 km，記錄到南北向峰值加速度4.9 Gal。筆者旨在通過對這次強震加速度記錄進行譜比分析，以了解區(qū)域場地卓越周期、衰減、場址響應等特征，為今后強震觀測記錄分析、校正奠定基礎。

1 地震地質(zhì)背景資料

2008年10月5日23時新疆烏恰發(fā)生MS6.8地震，震中 (39.27°N、74.02°E)位于南天山西段南麓與昆侖山交匯邊緣，屬于南天山、西昆侖山和塔里木盆地交匯地帶，構造上處于塔里木中間地塊西北邊緣，新構造上屬烏魯克恰提隆起帶，第四紀隆起幅度達900 m。由于受印度板塊西北角塊體向歐亞板塊持續(xù)強烈的擠壓作用，區(qū)域內(nèi)形成一系列不同方向和不同性質(zhì)的第四紀活動斷裂，6級以上地震主要分布在這些活動斷裂及其附近，這些斷裂的構造運動目前仍以斷塊差異性升降運動為主 (馮先岳，1997)。主要活動斷裂包括:烏魯克恰提斷裂、卡茲克阿爾特斷裂、烏合沙魯斷裂等。此次地震記錄臺站分布如圖1所示。

由圖1可看出2008年烏恰6.8級地震時獲取記錄的強震臺站的分布情況。此次地震發(fā)生在高山無人區(qū)，因此，在震中附近的強震固定臺比較少，在危險區(qū)及其周圍100 km的強震固定臺站只有4個，100～200 km的強震臺站大多分布在這次地震的正東方向上。

2 分析方法及資料處理

收集強震臺記錄數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換后，需去除直流分量和波形基線校正，儀器校正按公式 (1)進行:

式中，Y為轉(zhuǎn)換后的加速度值 (單位:Gal)，X為記錄數(shù) (單位:count)，S為儀器轉(zhuǎn)換靈敏度 (單位:count/Gal)。然后采用胡聿賢 (2006)給出的我國地震基巖記錄加速度峰值和震級、震中距的衰減關系式 (式 (2))計算各強震臺理論加速度。

其中σin為擬合標準，amax為地震水平峰值加速度(單位:cm·s－2);M為震級;R為震中距。再根據(jù)Aptikaev和Kopnichev(1980)提出的斷層錯動類型和地震動參數(shù)衰減關系，判定其斷層類型(表1)。

表1 amax和斷層類型的關系Tab.1 Relationship between amaxand fault type

最后，采用Nakamura(1989)提出的單點譜比法，即利用觀測點水平向和垂直向觀測記錄的傅氏頻譜比，計算觀測場地效應。計算公式如3式所示

式中Se代表觀測場地場址效應;SNS、SEW代表觀測場地水平向傅氏頻譜;SUD代表觀測場地垂直向傅氏頻譜。為了更好地分析數(shù)據(jù)，了解其場地特征，筆者參考《巖土工程勘察規(guī)范》(2001)給出了覆蓋層的等效剪切波速計算公式

其中，n為覆蓋層土層數(shù);H為覆蓋層厚度和固定值20 m二者的較小值;hi為第i層土層厚度;vi為第i層剪切波速度。結合鉆孔資料計算各臺場地等效剪切波速。

數(shù)據(jù)選取處理:在本次烏恰地震中有26個強震臺獲取到主震記錄，用上述方法對這26個臺的記錄數(shù)據(jù)進行分析，結果見表2。

通常地震事件記錄應有完整的波形及部分地震前的噪聲信號，但是隨著震中距的增加，即S波與P波到時差的增加，事件前記錄時間將減少，導致丟失P波頭或者沒有記錄到完整的S波，因此，筆者在譜分析時選取11個臺站記錄，其中3個臺站記錄完整，8個臺站記錄的P波、S波基本清楚，但沒有記錄到P波頭前10 s的噪聲信號，故在譜分析中沒有對這8個臺進行主震記錄前10 s噪聲信號譜分析;同時選取新疆強震臺網(wǎng)在“十五”項目建設過程中所做的這11個臺站測試脈動數(shù)據(jù)，分別計算其傅氏譜，并進行對比分析 (圖2)。

圖2給出了根據(jù)烏恰6.8級地震11個臺的強震記錄計算出的譜比曲線，其余15個臺P、S波記錄不完整，有的臺還疊加了后續(xù)余震的P波記錄，無法計算 S波的譜比。11個臺中震中距小于100 km的吉根、烏魯克恰提和烏合沙魯臺記錄到的主震前脈動不少于10 s，為此針對這三個臺給出S波、主震前10 s脈動、測試脈動的譜比 (圖2a，b，c)。其余的8個臺P波到達前的脈動時間少于10 s，所以只給出了S波和測試脈動的譜比。烏帕爾、托帕、布拉克蘇三個臺的S波譜比和測試地脈動圖出現(xiàn)明顯的差異 (圖2f，g，i)，其余的8個臺譜比曲線相似性比較好，曲線趨向性基本一致，但每個臺的譜比值有差異。

圖2 烏恰6.8級地震11個臺站的譜比曲線(實線為S波譜比;點線為測試地脈動譜比;虛線為地震前10 s譜比)(a)吉根;(b)烏魯克恰提;(c)烏合沙魯;(d)膘爾托考依;(e)烏恰;(f)烏帕爾;(g)托帕;(h)托云;(i)布拉克蘇;(j)紅旗農(nóng)場;(k)伽師Fig.2 H/V spectral ratio of 11 strong-motion stations recorded Wuqia 6.8 earthquake(solid line:S-wave spectral ratio;dotted line:test of ground micro-tremor spectral ratio;dashed line:10 seconds before earthquake micro-tremor spectral rostio)(a)Jigen;(b)Wulukeqiati;(c)Wuheshalu;(d)Biao'ertuokaoyi;(e)Wuqia;(f)Wupa'er;(g)Tuopa;(h)Tuoyun;(i)Bulakesu;(j)Hongqi Nongchang;(k)Jiashi

表2 烏恰6.8級地震加速度記錄分析和結果Tab.2 Analytical results of acceleration records of the Wuqia MS6.8 earthquake

3 討論

本次地震區(qū)域主要以逆沖型斷層為主 (馮先岳，1997)，但通過計算lg(a0/amax)值 (表2)，依據(jù)表1所列關系，我們發(fā)現(xiàn)只有吉根臺的值與給出的加速度和斷層關系數(shù)值基本相符，其它臺站計算出的數(shù)值基本上與斷層類型數(shù)值沒有關系。這說明用lg(a0/amax)的值來判定斷層類型，對于不同的地區(qū)、不同的場地動力特征、不同的儀器記錄，還需要考慮更多的因素，開展更多研究來推論和證實。綜合上述26個臺的場地條件、理論峰值加速度、等效剪切波速和11個臺的譜比曲線，筆者得出以下結論:

(1)由表2和圖2可知脈動場地效應值在2.5～5.0之間的布拉克蘇、紅旗農(nóng)場和伽師3個臺站，其等效剪切波速小于250 m/s;測試脈動場地響應值小于1的膘爾托考依、烏恰和托帕3個臺站，其覆蓋層為同一種類型且等效剪切波速大于400 m/s。結合表2和圖2的計算對比分析，可以認為在本次地震危險區(qū)，當場地的等效剪切波速小于250 m/s時，其場地響應值在2.5～5.0之間;當場地的等效剪切波速在250～400 m/s之間時，其場地響應值在1.5～3.0之間;當場地的等效剪切波速大于400 m/s時，其場地響應值小于1。

(2)通過圖2譜比圖發(fā)現(xiàn)，震中距小于100 km的強震臺記錄的地震前10 s的脈動譜比幅值明顯大于S波譜比幅值，也發(fā)現(xiàn)S波譜比幅值在1～10 Hz頻段和測試脈動譜比幅值平均值基本一致，在大于10 Hz的頻段S波譜比幅值明顯減小，也就是說在地震前10 s場地響應有明顯的放大，而場地響應對地震S波基本沒有放大效應。

(3)新疆的強震臺測試地脈動譜比和地震的S波譜比曲線在主要頻段內(nèi)起伏不大，和鉆孔資料具有較好的一致性，可以用來計算分析其場地衰減關系。

綜上所述，關于運用強震動近場記錄統(tǒng)計分析區(qū)域地震記錄的加速度峰值、震級、震中距的衰減關系式以及利用單點譜比法計算場地效應(Nakamura，1989)，許多專家在中國各地區(qū)都做過研究 (崔建文等，2007;郭明珠，2000;陳彧等，2006;朱榮歡，蘇有錦，2007)，但在新疆這方面的研究還不多。筆者參閱了云南省地震局工作人員的研究成果，結合本區(qū)域一些特點進行分析，其結果和前人的研究結果有相似性也有許多差別。例如S波譜比在大于10 Hz頻段有明顯的下降趨勢，而這項工作做出的強震臺記錄前10 s脈動譜比有明顯的場地放大效應，Lachet等 (1996)認為放大效應和S波譜比并不一致，這就說明地震記錄和許多因素有關，需要我們進一步研究。

陳彧，崔建文，劉學軍.2006.昆明地震動強度(烈度)觀測臺場地動力特征研究［J］.地震研究，29(3):251－255.

崔建文，李正光，趙云旭.2007.2007年寧洱6.4級地震強震動觀測記錄［J］.地震研究，30(4):384－388.

馮先岳.1997.新疆古地震［M］.烏魯木齊:新疆科技衛(wèi)生出版社.

郭明珠.2000.地脈動分析及場地其在場地動力特征測試中的應用［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學所.

胡聿賢.2006.地震工程學［M］.北京:地震出版社.

朱榮歡，蘇有錦.2007.用H/V譜比法計算云南區(qū)域數(shù)字地震臺站的場地響應［J］.地震研究，30(3):248－252.

GB50021－2001.巖土工程勘察規(guī)范［S］.

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Lachet C，Hatzfeld D，Bard P，et al.1996.Site effects and microzonation in the city thessaloniki(Greece)comparision of different approaches［J］.BSSA，86(6):1692 －1703.

Nakamura Y.1989.A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface［J］.QR of RTRI，30(1):25 －23.

Analysis of the Site Response of the MS6.8 Wuqia，Xinjiang Earthquake

ZHANG Zhen-bin1，2，TANG Li-hua2
(1.School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，Anhui，China)
(2.Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China)

Selecting the records of the seismic microtremor before the MS6.8 Wuqia earthquake on october 5，2008 and the S-wave data of the earthquake recorded by Xinjiang Strong Motion Network，we calculate the response of the strong-motion at these 26 stations through the Nakamura's technique.The results are as the following:(1)Ten seconds before the P-wave，the site amplification effects of the Earth pulse are 3 times of the effects of S-wave and the effects of the testing pulsation.Meanwhile，the site amplification effects of S-wave are constsitent with the ones of the testing pulsa.(2)When the equivalent shear-wave velocity of the recording stations is lower than 250 m/s，the site-response value of the test pulsation will be between 2.5 and 5.0.When the equivalent shear-wave velocity of the recording stations is higher than 250 m/s，the site-response value of the testing pulsation will be between 1.5 and 3.0.(3)When the overlayers under the recording station are of the same type，the site response value of the test pulsation will be lower than 1.

records of strong motion;attenuation;Wuqia earthquake;Nakamura's technique;site response;Xinjiang

P315.9

A

1000－0666(2011)02－0183－05

2010－03－29.

新疆地震局青年科學基金項目 (200508)和 (200606)聯(lián)合資助.