汶川地震強(qiáng)震動記錄分析及應(yīng)用

彭小波

1）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2）江蘇省地震局，南京210014

汶川地震強(qiáng)震動記錄分析及應(yīng)用

彭小波1，2）

1）中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080

2）江蘇省地震局，南京210014

地震工程的研究手段主要包括：震害調(diào)查、強(qiáng)震觀測、模型試驗(yàn)和數(shù)值分析。由于大地震本身較少，同時造成嚴(yán)重震害并且獲得強(qiáng)震動記錄的大地震就更少，一般的研究就更多地集中在利用模型試驗(yàn)和數(shù)值分析方面，而基于震害調(diào)查和強(qiáng)震觀測的研究較少，在國內(nèi)這一點(diǎn)更為突出，我國雖然是一個遭受地震災(zāi)害非常嚴(yán)重并且對地震進(jìn)行記錄和研究最早的國家，但是，在汶川地震之前近斷層強(qiáng)震動記錄一直非常匱乏。2008年5月12日發(fā)生在四川省的汶川8.0級大地震震動強(qiáng)度大、影響范圍廣，對我國造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，再一次表明了抗震減災(zāi)工作的必要性和重要性。在這次地震中收集到了大量的近斷層強(qiáng)震動記錄，并且在震后進(jìn)行了大量的震害調(diào)查工作，這兩項(xiàng)資料極大的豐富了我國大地震和震害的研究素材，為對汶川地震展開科學(xué)研究工作奠定了基礎(chǔ)。本文利用近斷層強(qiáng)震動記錄和建筑物的現(xiàn)場調(diào)查資料，以強(qiáng)震記錄為主線首先對近斷層強(qiáng)震動記錄進(jìn)行了校正處理、分析了速度和位移特征，然后利用強(qiáng)震動記錄估算了地面傾斜情況，接著利用近斷層強(qiáng)震動記錄反演了本次地震的震源破裂分布情況，最后分析了震害分布的特征及其和強(qiáng)震動參數(shù)之間的相關(guān)性，得到了以下一些認(rèn)識和成果：

（1）系統(tǒng)回顧了自強(qiáng)震動儀發(fā)明和應(yīng)用以來，在模擬記錄和數(shù)字記錄兩階段對近斷層加速度記錄進(jìn)行校正的發(fā)展歷程和方法，分析了6類噪音源的影響，把校正方法分成兩類5種，分析了每種方法的要點(diǎn)，并明確提出了評估校正結(jié)合合理性的6條準(zhǔn)則。指出了汶川地震中記錄漂移的復(fù)雜性，把漂移類型分成了6大類，其中起始漂移和復(fù)雜漂移為首次提出。分析了零線調(diào)整數(shù)據(jù)選取不同造成的校正誤差，明確指出使用地震波到達(dá)之前部分要優(yōu)于整個事前部分。根據(jù)漂移特征，改進(jìn)了單段式和雙段式校正方法，并提出了分部校正方法。研究了校正前后加速度的差異，指出對峰值影響很小，而傅里葉譜和反應(yīng)譜在長周期部分（約15 s以上）可能會有極大差異。根據(jù)校正結(jié)果研究了速度脈沖的單雙側(cè)性和周期特征，給出了脈沖幅值在14 cm／s以上的存在區(qū)域，分析了上下盤、方向性效應(yīng)對速度脈沖的影響。并通過PGV／PGA的比值分析了對脈沖的判斷，指出存在脈沖時該比值要明顯大于沒有脈沖時的情況。利用小波分析方法給出了控制速度和位移的加速度成分，顯示了三者不同的頻段特性。結(jié)合GPS結(jié)果指出了位移場的特征，并統(tǒng)計(jì)了永久位移同斷層距之間的關(guān)系。比較了PGA、PGV、PGD以及RGD之間的關(guān)系，對定性判斷各個值的大小提供了基本參考。最后分析了單、雙側(cè)濾波的影響，結(jié)果表明，濾波后的PGV、PGD和RGD同真實(shí)結(jié)果會有很大的差異。

（2）根據(jù)傳感器擺的運(yùn)動方程，分析了地面傾斜對三分量加速度記錄影響的差異，表明地面傾斜對水平向記錄可能產(chǎn)生明顯的影響，影響的頻段主要集中在低頻部分。介紹了基于傅里葉譜比和小波變換從加速度記錄中估算地面傾斜值的方法，并使用譜比法計(jì)算了主震中近斷層36個臺站和6個余震中12個臺站處的地面傾斜值，結(jié)果表明主震中的地面傾斜基本在1.0°以下，部分臺站處存在地面殘余傾斜值。傾斜結(jié)果表明，發(fā)生0.1°傾斜的地方基本在斷層距30 km以內(nèi)，在斷層距100 km以外或者均方根加速度值小于200 cm／s2時則很少發(fā)生0.01°以上的地面傾斜情況。根據(jù)主震傾斜結(jié)果分析了離中央地表破裂跡線和前山地表破裂跡線最近的兩個臺站傾斜、斷層法線和平行向傾斜、上下盤地面傾斜以及逆沖段和走滑段傾斜、譜比與傾斜等情況的特征和差異。余震傾斜結(jié)果表明，很少出現(xiàn)大于0.001°以上的地面傾斜值，在5.3級以下地震引發(fā)0.001°以上傾斜的可能性非常低。進(jìn)一步分析了水平向記錄地面傾斜和積分漂移之間的關(guān)系，結(jié)果表明，傾斜對應(yīng)的低頻段積分結(jié)果基本上與整個記錄的積分重合，但是相對于漂移的普遍性，估算出存在明顯傾斜的臺站要少很多，并根據(jù)校正前后傅里葉譜比的差異探討了特征頻率的合理取值。

（3）總結(jié)回顧了基于觀測記錄反演震源過程的研究進(jìn)展，分析了使用遠(yuǎn)場測震記錄和近場強(qiáng)震記錄進(jìn)行反演之間的差異。系統(tǒng)地闡述了使用近斷層強(qiáng)震記錄進(jìn)行反演中涉及的震源理論、模型離散和方程形成、相關(guān)約束、反演理論以及多時間窗反演等相關(guān)內(nèi)容，提出了使用條件數(shù)來確定約束因子的方法并使用數(shù)值算例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合汶川地震的地質(zhì)構(gòu)造背景、地表破裂調(diào)查數(shù)據(jù)和既有的反演結(jié)果，建立了單一平面破裂模型，對比選擇了適當(dāng)?shù)陌l(fā)震時刻作為起始時刻，指出了強(qiáng)震記錄地震波初到時的選取方法并校正了選取的120 km以內(nèi)的44個臺站記錄的到時。根據(jù)反演能力把子斷層劃分為5 km×5 km，共計(jì)512個子源，結(jié)合分辨能力的要求和記錄中噪音的特征，確定了用于反演的速度時程的頻段為0.05～1 Hz。利用程序包COMPSYN計(jì)算理論地震圖，并對其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷囊员阌谶M(jìn)行反演方程的形成，利用非負(fù)最小二乘方法計(jì)算了1～4個時間窗下不同約束權(quán)重和數(shù)據(jù)組時斷層面上滑動量的分布，結(jié)果同地表破裂調(diào)查結(jié)果和既有的反演結(jié)果之間的主要特征符合得較好。

（4）回顧了我國震害評估的歷史和發(fā)展，介紹了震害指數(shù)的提出和使用方法，并總結(jié)對比了其在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中的發(fā)展過程。介紹了汶川地震中使用震害指數(shù)對170個調(diào)查場點(diǎn)5類建筑物的調(diào)查結(jié)果，結(jié)合實(shí)際震害分析了斷層、地形和土層對建筑震害的影響情況。統(tǒng)計(jì)給出了5類建筑的震害指數(shù)和烈度區(qū)的關(guān)系，結(jié)果顯示了2008版中國地震烈度表中對建筑分類的合理性，分析了在Ⅵ度和Ⅺ度區(qū)內(nèi)平均震害指數(shù)異常的原因。分析了震害指數(shù)離斷層距增加而衰減的特點(diǎn)，指出使用雙對數(shù)線性關(guān)系可以較好地表示這種衰減關(guān)系，給出了相關(guān)的擬合參數(shù)。利用震害指數(shù)對比和衰減特征分析了5類建筑的抗震能力的差異，并指出建筑震害之間具有高度線性相關(guān)性。提出歸一化方法對PGA和震害指數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，指出歸一化后的水平向記錄的PGA衰減曲線和磚混建筑的比較接近，而豎向偏低。選用與強(qiáng)震臺站相距在0.1°以內(nèi)的調(diào)查點(diǎn)分析了震害指數(shù)與PGA、PGV以及反應(yīng)譜峰值之間的線性相關(guān)性，結(jié)果表明磚混和磚木建筑同PGA、PGV的線性相關(guān)系數(shù)在0.7～0.8之間，而老舊建筑與其相關(guān)系數(shù)基本在0.3以下，并且總體上與PGA和PGV的相關(guān)性沒有明顯區(qū)別。建筑震害指數(shù)與反應(yīng)譜峰值的線性相關(guān)性與此前兩類比較接近，總體上來說使用時程峰值或者反應(yīng)譜峰值來預(yù)測磚混和磚木建筑的震害情況會更為可靠。

基線校正；速度脈沖；永久位移；地面傾斜；震源反演；震害指數(shù)；相關(guān)性

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.05.010

（作者電子信箱，彭小波：xiaobo＿peng＠163.com）