2013年8月新疆烏魯木齊市5.1級地震強震動記錄及特征分析①

張振斌， 溫瑞智， 魏　斌， 王寶柱

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

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2013年8月新疆烏魯木齊市5.1級地震強震動記錄及特征分析①

張振斌1， 溫瑞智2， 魏斌1， 王寶柱1

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要：2013年8月30日烏魯木齊市發(fā)生MS5.1地震，烏魯木齊烈度速報臺網(wǎng)有32個強震動臺觸發(fā)獲得了主震加速度記錄。選取23條強震動記錄進行常規(guī)處理，統(tǒng)計強震動記錄數(shù)量隨震中距分布，對比分析此次地震峰值加速度(PGA)與新疆土層加速度衰減關系；并利用強震動數(shù)據(jù)對此次地震進行定位，定位結果對應臺站震中距與到時線性度較好；最后分析了典型強震動臺站記錄特性與建筑物震害及工程震害相關性。

關鍵詞：烏魯木齊地震； 衰減關系； 強震動記錄

0引言

2013年8月30日13時27分30.3秒烏魯木齊市區(qū)(43.8° N，87.6° E)發(fā)生5.1級地震。該地震是近十幾年來烏魯木齊市區(qū)發(fā)生的較大地震，也是烏魯木齊市烈度速報臺建成以來市區(qū)發(fā)生的第一次5.0級地震，此次地震的微觀震中位于烏魯木齊市中心紅山繁華地段。本次地震震級雖不大，但震中附近強震臺密度較大，烈度速報臺基本都觸發(fā)。2012年以來新疆多次發(fā)生5級以上地震，但真正發(fā)生在強震臺網(wǎng)內(nèi)的地震不多，2012年3月9日新疆洛浦縣發(fā)生6.0級地震，新疆強震臺網(wǎng)最近臺站距震中217 km，獲取最大峰值加速度為31 cm/s2；2013年6月30日新疆新源、和靜交界發(fā)生6.6級地震，震中位于無人山區(qū)，遠偏離新疆強震臺網(wǎng)。本次地震發(fā)生在烏魯木齊市，烈度速報臺包圍較好，獲取了一些高質(zhì)量的數(shù)字加速度記錄。本文在分析總結此次地震強震動記錄基本特征的基礎上，對比研究本次地震衰減關系，分析布設在市區(qū)不同建筑結構區(qū)域強震臺獲取的強震動記錄基本特征；此外還利用強震動記錄數(shù)據(jù)對此次地震的震源位置進行定位分析，以期取得一些新認識，這也是本文使用強震動資料在地震定位方面的一次探索，可為進一步開展新疆強震動資料的使用提供依據(jù)。

1記錄分析處理

烏魯木齊烈度速報臺網(wǎng)由50個子臺組成，其中包括4個基巖臺和46個土層臺，臺間距約2~5 km，分布基本均勻。臺站使用的儀器有三種，其中33個臺使用GSMA-2400 IP，12個臺使用GSR-18，8個臺使用ETNA型數(shù)采，儀器采樣率設置為200 samples/s，量程為±2g，臺站儀器傳感器為力平衡加速度計。本次地震有32個烈度速報臺獲得加速度記錄，其余18個臺沒有觸發(fā)原因是8個臺由于臺站搬遷停機，10個臺在地震時停電或儀器發(fā)生故障。圖1為其中23個記錄臺站震中分布圖；圖2為不同震中距上強震動記錄數(shù)量分布。從圖2可見，震中附近臺站分布較密集，震中距在0~5 km獲取記錄臺站有11個，5~10 km有5個，10~15 km有7個，大于15 km有5個，另有4個大于30 km,本文不予分析。

圖1　強震動記錄臺站分布Fig.1　Distribution of strong motion stations

圖2　不同震中距強震動記錄數(shù)量分布 Fig.2　Quantitative distribution of strong motion records　　　 within different epicentral distances

不同儀器采用不同信號處理技術，本文針對不同儀器記錄的本次強震動記錄進行了必要的數(shù)據(jù)處理工作[1-3]。原始強震動記錄通常采用二進制的數(shù)據(jù)存儲格式，在轉換后通常采用事件前記錄平均值的方式進行零線調(diào)整，消除基線漂移對于數(shù)據(jù)計算的影響，因此采用Boore方法對所用記錄進行基線校正處理[4]，分析處理了其中23個臺的強震動記錄資料(另外5個臺雖有記錄，但其波形不完整)。表1為這23臺的加速度記錄基本信息。

表 1　臺站記錄基本信息

為了更好地了解本次地震的特點，本文重點分析了3個典型臺站強震記錄，計算其相關參數(shù)，以便后期進一步分析研究。圖3給出了近場3個典型臺站加速度時程。

圖3(a)為156地質(zhì)隊(65DZD)強震臺校正加速度時程。臺址位于地質(zhì)隊四層辦公樓地下室，記錄儀器是GSR-18型數(shù)采，傳感器為SLG-100型加速度計。此臺距震中3.75 km，獲取本次主震東西、南北、垂直向最大峰值加速度分別為162.3 gal，91.4 gal和75.6 gal。圖3(b)為延安公園(65YAY)臺強震臺校正加速度時程。臺址位于延安公園大門口配電室，記錄儀器是GSMA-2400 IP型數(shù)采，傳感器為SLG-100型加速度計，震中距為3.87 km，東西、南北、垂直向加速度峰值分別為147.7 gal，124.0 gal和57.6 gal。圖3(c)為安寧渠(65ANQ)強震臺校正加速度時程。臺址位于城市郊區(qū)，周圍建筑物稀少，屬于開闊地，記錄儀器是ETNA型數(shù)采，傳感器為SLG-100型加速度計，距震中22.0 km，此臺東西、南北、垂直向加速度峰值分別為16.2 gal，28.1 gal和22.0 gal。從3個典型臺的加速度時程可以看出，兩個較近臺站中不同儀器記錄最大峰值都出現(xiàn)在EW向，并且兩臺也位于此次地震震中東西方向上，符合此次地震沿東西向破裂的規(guī)律。三個臺水平向記錄第一次破裂波形顯著，第二次破裂波形較小、能量較小、波形不顯著。分別計算上述臺站三分向加速度反應譜，如圖4所示。

圖4分析了3個不同儀器記錄的加速度反應譜，發(fā)現(xiàn)無論是垂直向還是水平向卓越周期均在0.09~0.30 s之間。156地質(zhì)隊臺加速度記錄反應譜幅值在垂直和東西方向大于，而南北向小于延安公園臺記錄反應譜幅值。本文對此次地震兩個典型記錄臺站進行反應譜分析，圖5為156地質(zhì)隊(65DZD)和延安公園(65YAY)兩個臺記錄反應譜與抗震設計規(guī)范中設計譜[6]的比較。

圖3　 3個強震臺加速度記錄時程Fig.3　The acceleration time histories recorded by three strong motion stations

圖4　加速度反應譜Fig.4　Acceleration response spectra

圖5　兩臺站反應譜及其與規(guī)范設計譜對比Fig.5　Acceleration response spectra of two typical stations　　　 and those compared with design spectrum of code

從圖5可以看出，65DZD東西向記錄周期在0.35~0.38 s內(nèi)譜加速度大于設計譜，這一周期范圍正好與該臺站所破壞建筑物的結構自震周期相對應。其余分向反應譜值均小于設計譜，對其他區(qū)域建筑物及高層建筑物影響較小。 2強震動衰減特性本次地震震中周邊強震臺大多架設在樓層負一層，并且震中周圍高樓密集，考慮到烏魯木齊市區(qū)地質(zhì)特點及強震臺的臺址情況，本文選用新疆土層衰減關系[5]，該關系適用于土層場地。

圖6為此次地震記錄峰值加速度(包括EW、NS、UD向)與預測值之間的對比。從圖中可以看出此次地震PGA離散性較大，總體看來水平方向(EW、NS)的觀測值與預測值吻合較垂直向好，其垂直向(UD)觀測值較預測值顯著偏小。另外該衰減關系在回歸時缺少0~50 km數(shù)據(jù)，其預測值沒有數(shù)據(jù)基礎，但此次地震獲取的數(shù)據(jù)主要集中在5~15 km，并且觀測值與預測值吻合較好，只有少數(shù)幾個臺數(shù)據(jù)明顯偏離預測值。因此本文數(shù)據(jù)也是對新疆土層衰減關系在0~50 km區(qū)域的驗證，可用于探討新疆土層衰減關系在新疆部分區(qū)域的適用性。

3地震定位

本次地震震中位于烏魯木齊市區(qū)，其烈度速報臺對震中包圍較好。為了嘗試強震動數(shù)據(jù)在地震定位方面的使用，本文選取8個震相清楚、圍繞微觀震中分布較好的臺站對地震進行定位。在定位前首先對所選臺臺址位置進行現(xiàn)場核實，表2為所選參與定位臺站信息。

圖6　加速度峰值與理論曲線對比Fig.6　Comparison between observed values and theoretical curves of PGA

臺名代碼Pg到時Sg到時S-P/s紅山地震臺65HST13-27-32.8713-27-35.3452.475烏魯木齊職大65WZD13-27-32.86913-27-35.3792.5156地質(zhì)隊65DZD13-27-32.96413-27-35.6642.5六道灣形變站65LBZ13-27-33.1013-27-35.712.61長勝大隊65CSD13-27-33.1713-27-35.832.66水上樂園65SLY13-27-32.85013-27-34.3601.51紅雁池電廠65HYC13-27-32.99013-27-35.7902.9新農(nóng)大65XND13-27-32.96413-27-35.8742.9

地震定位精度受以下幾方面因素影響：(1)臺站分布合理性；(2)區(qū)域速度模型準確性；(3)震相判別可靠性；(4)合適定位方法[6-7]。本文選取BLOC86程序進行定位[4]，該程序使用多年來定位效果較好。為了驗證強震數(shù)據(jù)定位結果準確程度，本文使用USGS定位結果、新疆地震目錄點位結果與強震數(shù)據(jù)定位結果，對比某一臺站震中距與此臺站S波與P波走時差線性關系。圖7為P波到時與震中距線性關系。

圖7　P波到時與震中距線性關系Fig.7　Linear relationship between arrival time of P　　　 wave and epicentral distance

從圖7可以看出強震數(shù)據(jù)定位結果的線性度更好。由于地震定位涉及的因素很多，定位結果好壞不好評判，而隨著國家地震預警項目開展，強震動數(shù)據(jù)在地震定位方面的應用將不可避免。本文做一初步研究，希望能為強震動數(shù)據(jù)在地震定位方面的應用起到一定作用，并更好地了解臺站附近震害與記錄相關性。

4結論

本文統(tǒng)計分析了此次5.1級地震加速度記錄及其特點和近場典型加速度記錄，分析了近場地震動特點；對比觀測值與地震動衰減關系，發(fā)現(xiàn)此次烏魯木齊地震的地震動PGA在0~50 km范圍內(nèi)，與預測值基本吻合；利用此次地震強震動數(shù)據(jù)對此次地震進行了重新定位，發(fā)現(xiàn)強震數(shù)據(jù)定位結果與到臺站震中距線性度較好；最后分析了本次地震典型臺站附近震害特征。本研究對烏魯木齊地區(qū)地震動特征和建筑物抗震具有一定的參考作用，并為進一步結合一些大中城市中強地震強震動記錄開展更深入地震動特征研究奠定了基礎。

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Characteristics of Strong Motion Records of Urumqi, Xinjiang

MS5.1 Earthquake on August 30, 2013

ZHANG Zhen-bin1, WEN Rui-zhi2, WEI Bin1, WANG Bao-zhu1

(1.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang,China;2.InstituteofEngineeringMechanics,CEA,Harbin150080,Heilongjiang,China)

Abstract:On August 30, 2013, a MS5.1 earthquake occurred in Urumqi (43.8° N, 87.6° E), Xinjiang, China. This was the largest earthquake to have occurred in this area for decades, and the first earthquake with a magnitude equal to or greater than 5.0 to have occurred since establishment of the intensity fast report stations network in Urumqi. The microscopic epicenter of this earthquake was located in Hongshan. Although the earthquake was relatively small, most of the intensity fast report stations were triggered near the epicenter, and 32 main shock acceleration records were obtained. In this study, 23 typical strong motion records within different epicenter distances were selected to conduct a conventional analysis. By comparing the peak ground accelerations (PGA) of this earthquake with the acceleration attenuation relation of the soil layer in Xinjiang, observed values were found to be in good agreement with predicted values at a depth of 0~50 km. An earthquake location analysis was then conducted, and results were found to be influenced by several factors: the rationality of station distribution, accuracy of the regional velocity model, reliability of seismic phase discrimination, and the proper location method. We used the strong motion data to locate the MS5.1 earthquake, and results showed a good linear relationship between P-wave travel time and epicentral distance. It is considered that in-depth research of motion characteristics could be conducted in other large cities, and results could be combined with records presented here.

Key words：Urumqi earthquake; attenuation relation; strong motion records

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0144

中圖分類號:P315.63

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0144-06

作者簡介：張振斌(1975-)，男，高級工程師，主要從事地震監(jiān)測、強震資料的應用和研究。E-mail：zhang8@ustc.edu.cn。

基金項目：新疆地震局青年科學 (200508，200606)；中國地震局交流訪問學者計劃

收稿日期：①2015-04-13