吉林松原M_S5.7、M_S5.1地震強(qiáng)震動(dòng)記錄特征分析

徐欽　陳琳榮　張宇　王文才　石文兵

摘要：2018年5月28日和2019年5月18日在吉林省松原市先后發(fā)生MS5.7和MS5.1地震，對吉林省和黑龍江省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)收集的24組地表強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行整理、基線校正和濾波等常規(guī)處理，分析2次地震記錄的幅值、加速度反應(yīng)譜特征，結(jié)果表明：①2次地震記錄多為中遠(yuǎn)場（100?km以外），近場記錄較少;②MS5.7地震事件中獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄PGA范圍為2.25～192.30?gal，MS5.1地震事件中獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄PGA范圍為1.08～176.92?gal，最大PGA均由風(fēng)華臺(tái)獲取;③將PGA觀測值與第五代《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（中強(qiáng)地震區(qū)）地震動(dòng)衰減關(guān)系進(jìn)行了對比發(fā)現(xiàn)垂直向和預(yù)測值吻合度較高;④比較獲取記錄儀器烈度和地震調(diào)查烈度，達(dá)里巴臺(tái)與調(diào)查烈度值完全吻合;最后對典型臺(tái)站2次地震反應(yīng)譜和設(shè)計(jì)譜進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，MS5.7長周期分量大于MS5.1;⑤同一臺(tái)站不同震級反應(yīng)譜形狀接近，且高頻優(yōu)于低頻。

關(guān)鍵詞：松原地震;強(qiáng)震動(dòng)記錄;反應(yīng)譜;衰減關(guān)系;強(qiáng)震動(dòng)觀測

中圖分類號(hào)：P315.914?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1000-0666（2019）04-0627-08

0?引言

2018年5月28日1時(shí)50分，吉林省松原市寧江區(qū)（45.27°N，124.71°E）發(fā)生MS5.7地震，震源深度13?km。此次地震發(fā)生在松遼斷陷盆地中央沉降帶內(nèi)，位于NE向松原（扶余）—肇東斷裂帶和NW向第二松花江斷裂帶交匯部位。截至2018年6月13日共記錄到地震823次，最大余震為2018年5月29日14時(shí)36分ML4.2地震（盤曉東等，2018）。2019年5月18日6時(shí)24分吉林省松原市寧江區(qū)（45.30°N，124.75°E）發(fā)生MS5.1地震，震源深度10?km，本次地震震中距2018年5月28日MS5.7地震震中4.6?km，距松原市19?km，距長春市171?km。東北地區(qū)地震活動(dòng)性較弱，對該區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄的分析可為我國東北地區(qū)地震動(dòng)特征和工程震害調(diào)查提供參考資料。張仁鵬和雷煥珍（2017）、李永振（2011）曾對吉林省2013年和2009年地震獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行了初步分析，從地震動(dòng)特征角度解釋了松原地震地面運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈而震害相對較輕的原因。本文在分析總結(jié)MS5.7和MS5.1地震加速度記錄特征的基礎(chǔ)上，對比研究2次地震儀器烈度與調(diào)查烈度、加速度幅值、衰減特性以及反應(yīng)譜特性，了解2次地震的異同。

1?強(qiáng)震動(dòng)記錄的收集與處理

吉林省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)由15個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站組成，“十五”期間建設(shè)并投入使用的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)有10個(gè)，主要沿“公主嶺—長春—德惠—榆樹”沿線分布;依托中國地震背景場探測項(xiàng)目建設(shè)完成的有5個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)，主要沿“長春—松原”一線分布（張仁鵬，雷煥珍，2017）。黑龍江省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)由13個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站組成，其中“十五”期間建設(shè)有8個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)，中國地震背景場探測項(xiàng)目建設(shè)有5個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)。這兩次地震與上述強(qiáng)震臺(tái)震中距100～200?km，近場記錄較少，觸發(fā)臺(tái)站分布見圖1。其中吉林省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)獲取MS5.7地震11組33條記錄、MS5.1地震11組33條記錄;黑龍江省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)獲取MS5.7地震2組6條記錄。

對獲取的記錄進(jìn)行基線校正、濾波等常規(guī)數(shù)據(jù)處理（于海英等，2009）：①先計(jì)算原始加速度記錄前時(shí)間記錄的平均值，然后將原始加速度記錄數(shù)據(jù)減去事前記錄平均值，對個(gè)別有零線漂移的加速度記錄作調(diào)整，消除對時(shí)程的影響。②對于零線進(jìn)行調(diào)整之后的加速度記錄，利用Butterworth數(shù)字濾波器進(jìn)行雙向高通濾波，低頻截止頻率的下限取該記錄時(shí)長倒數(shù)的2倍，根據(jù)謝禮立等（1983）和周寶峰（2012）的研究，高頻截止頻率對強(qiáng)震動(dòng)記錄位移時(shí)程基線偏移的影響很小，考慮到抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較感興趣的頻帶范圍，本文高頻截止頻率取35?Hz。③對于濾波之后加速度記錄作積分，求出速度與位移時(shí)程，對于后者運(yùn)用最小二乘法調(diào)整零線來消除線性趨勢，通過分析計(jì)算出MS5.7，MS5.1地震典型強(qiáng)震記錄的基本信息及相關(guān)參數(shù)，見表1，2，采用式（1）計(jì)算合成水平向加速度記錄，采用式（3）計(jì)算水平向加速度峰值。利用式（2）計(jì)算合成水平方向速度記錄，利用式（4）計(jì)算水平方向速度峰值，具體計(jì)算公式如下：

2?儀器烈度

根據(jù)《吉林松原5.7級地震烈度圖》（吉林省地震局，2018），MS5.7地震的最大烈度為Ⅶ度，Ⅵ度和Ⅶ度烈度區(qū)呈橢圓型分布，橢圓長軸總體呈NE走向，Ⅵ度及以上區(qū)域總面積為1?037?km2。Ⅶ度區(qū)主要涉及吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)、伯都鄉(xiāng)、新城鄉(xiāng)和前郭縣平鳳鄉(xiāng)，面積為157?km2。Ⅵ度區(qū)主要涉及吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)、伯都鄉(xiāng)、新城鄉(xiāng)、大洼鎮(zhèn)、興原鄉(xiāng)和前郭縣平鳳鄉(xiāng)、長山鎮(zhèn)、達(dá)里巴鄉(xiāng)，以及黑龍江省大慶市肇源縣極少部分無居民點(diǎn)地區(qū)，面積為880?km2。此外，位于Ⅵ度區(qū)之外的部分地區(qū)也受到波及，部分老舊房屋出現(xiàn)破壞受損現(xiàn)象。根據(jù)《儀器地震烈度計(jì)算暫行規(guī)程》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2015）計(jì)算此次地震的儀器烈度，并與《吉林松原5.7級地震烈度圖》進(jìn)行對比可見，22DLB臺(tái)位于Ⅵ度區(qū)，儀器烈度與調(diào)查烈度值完全吻合，除22FHT臺(tái)為Ⅵ度，其余臺(tái)站儀器烈度均為IV度及以下，未進(jìn)入公布的烈度圈內(nèi)。

根據(jù)《吉林松原5.1級地震烈度圖》（吉林省地震局，2019），MS5.1地震最大烈度Ⅵ度，Ⅵ度區(qū)等震線長軸總體呈NE走向，長軸半徑約11?km，短軸半徑約7?km，總面積237?km2。Ⅵ度區(qū)主要涉及吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)、伯都鄉(xiāng)、新城鄉(xiāng)和前郭縣平鳳鄉(xiāng)。根據(jù)中國地震局儀器烈度計(jì)算暫行規(guī)程（中國地震局，2015）計(jì)算此次地震的儀器烈度，并與《吉林松原5.1級地震烈度圖》對比，觸發(fā)臺(tái)站均未進(jìn)入公布的烈度圈內(nèi)。該烈度圖只繪制了Ⅵ度區(qū)域，強(qiáng)震動(dòng)記錄22FHT臺(tái)儀器烈度為Ⅵ度并未包含在烈度區(qū)內(nèi)，因?yàn)檎鸷罅叶日{(diào)查資料是一定區(qū)域內(nèi)平均或延伸，而強(qiáng)震數(shù)據(jù)只是個(gè)別點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，二者具有差異性（馬強(qiáng)等，2014），若進(jìn)一步針對該強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站場地等周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，可降低統(tǒng)計(jì)關(guān)系的離散性。

3?幅值特征

3.1?加速度幅值特征

MS5.7地震獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄?PGA為2.25～192.30?gal，震中距為15.46～195.83?km。最大PGA由22FHT臺(tái)EW向獲取，震中距為24.97?km，其次是22DLB臺(tái)垂直向（165.97?gal），震中距為15.46?km。MS5.7地震觸發(fā)臺(tái)站在NW向第二松花江斷裂帶EN方向的臺(tái)站相似震中距PGA整體大于EW向，該特性與《吉林松原5.7級地震烈度圖》的烈度圈分布走向一致，是否與場地效應(yīng)有關(guān)需要根據(jù)臺(tái)站鉆孔資料等做進(jìn)一步分析。

MS5.1地震獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄?PGA為1.08～176.92?gal，震中距為20.57～199.08?km。最大PGA由22FHT臺(tái)SN向獲取，震中距為20.57?km，其次是22BDT臺(tái)EW向（41.02?gal），震中距為47.09?km。當(dāng)震中距約為50?km時(shí)，PGA衰減到大約41?gal，衰減約76%，震中距大于50?km，隨震中距增大PGA逐步衰減直至降為零，基本不再會(huì)對人和建筑物造成危險(xiǎn)和破壞。此外，MS5.1地震基巖場地22JYT臺(tái)的PGA明顯低于相似震中距的臺(tái)站，同樣特性在九寨溝MS7.0地震中也有所表現(xiàn)（徐欽等，2018），由此可見局部場地條件對PGA有相當(dāng)大的影響。

2次地震獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄PGA整體隨震中距的增大而快速衰減，同一震中距（或震中距基本相等）的22SHJ臺(tái)PGA均大于22DHT臺(tái)、22DSJ臺(tái)，且遞減規(guī)律一致，該特性可能與當(dāng)?shù)氐膱龅貤l件和地震傳播特性有關(guān)，需作進(jìn)一步研究。典型臺(tái)站時(shí)程曲線如圖2，3所示。

3.2?幅值衰減特征

選用《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB?18306—2015）（聞滿華，2017）中強(qiáng)地震區(qū)（包含東北地震區(qū)、鄂爾多斯帶、長江中游帶、右江帶）分區(qū)衰減關(guān)系（俞言祥等，2013）對比研究此次地震的PGA幅值衰減特征，衰減關(guān)系模型為：

lgY=A+BM+Clg（R+DeEM）（5）

式中：Y為地震動(dòng)參數(shù)（加速度峰值）;M為面波震級;R為震中距;A，B，C，D和E為回歸系數(shù)。圖4，5是2次地震PGA觀測值和和預(yù)測衰減關(guān)系對比。

2次地震均表現(xiàn)出UD向觀測值和預(yù)測值吻合度高，100?km內(nèi)全部在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，MS5.7地震的UD向觀測值比MS5.1地震衰減要緩慢一些;水平向二者觀測值和預(yù)測值差值較大，MS5.7地震在近場與預(yù)測值吻合較好，MS5.1地震觀測值與預(yù)測值相差較大，整體大于預(yù)測值。

4?加速度反應(yīng)譜特征

4.1?與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較

選取MS5.7地震震中距最小的22DLB臺(tái)和MS5.1震中距最小的22FHT臺(tái)加速度反應(yīng)譜與該臺(tái)站所在地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范，GB?50011—2010）進(jìn)行比較，如圖6，7所示：MS5.7的NS，EW向加速度反應(yīng)譜高于Ⅷ度多遇地震，EW向反應(yīng)譜高于Ⅶ度罕遇，MS5.1地震的NS，EW向加速度反應(yīng)譜超過Ⅷ度多遇地震小于Ⅷ度罕遇地震，NS向反應(yīng)譜超過Ⅶ度罕遇。

MS5.7和MS5.1地震的反應(yīng)譜形狀相近，反應(yīng)譜峰值周期均在0.3?s以內(nèi)，卓越平臺(tái)窄，EW向反應(yīng)譜在對應(yīng)設(shè)計(jì)譜特征周期（Tg=0.45?s）之前衰減迅速。對比2次地震的反應(yīng)譜發(fā)現(xiàn)，MS5.7低頻分量大于MS5.1，MS5.7地震反應(yīng)譜平臺(tái)值更大。2次地震發(fā)生1?s后反應(yīng)譜峰值達(dá)到1?m/s2以下甚至接近于0，因此不會(huì)對自振較長的大壩、橋梁、高層及超高層建筑造成嚴(yán)重破壞，對該地區(qū)非設(shè)防結(jié)構(gòu)，低矮短周期結(jié)構(gòu)破壞較大（張?zhí)K平等，2017）。

4.2?同一臺(tái)站不同震級對比

選取22FHT和22BDT這2個(gè)臺(tái)站，分別對其2次地震加速度反應(yīng)譜進(jìn)行對比分析，由于震級接近，2臺(tái)站2次地2次地震反應(yīng)譜曲線形狀基本相似，高頻分量優(yōu)于低頻。22FHT臺(tái)的反應(yīng)譜峰值MS5.7地震在0.1?s以后高于MS5.1地震，但22BDT臺(tái)NS?向MS5.7地震的反應(yīng)譜整體低于MS5.1地震。

本節(jié)所涉及到的加速度反應(yīng)譜均為阻尼比為5%的單自由度彈性反應(yīng)譜（Sa）。

5?結(jié)論

本文對吉林松原寧江區(qū)2018年5月28日發(fā)生的MS5.7地震和2019年5月18日MS5.1地震獲取的強(qiáng)震動(dòng)觀測記錄進(jìn)行整理、基線校正和濾波等常規(guī)處理，在分析加速度記錄特征的基礎(chǔ)上，對比研究2次地震儀器烈度與調(diào)查烈度、加速度幅值以及衰減特性、加速度反應(yīng)譜特性。得到以下主要結(jié)論：

（1）2次地震記錄多為中遠(yuǎn)場（100?km以外），近場記錄較少。MS5.7地震事件中獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄?PGA范圍為2.25～192.30?gal，震中距15.46～195.83?km。最大PGA由22FHT臺(tái)EW向獲取，震中距為24.97?km。MS5.1地震事件中獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄PGA范圍為1.08～176.92?gal，震中距20.57～199.08?km。最大PGA由22FHT臺(tái)NS向獲取，震中距為20.57?km。

（2）與第五代《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中的分區(qū)（中強(qiáng)地震區(qū)）地震動(dòng)衰減關(guān)系對比發(fā)現(xiàn)，2次地震均表現(xiàn)出UD向和預(yù)測值吻合度高，水平向整體觀測值和預(yù)測值差值較大的特點(diǎn)，MS5.7地震在近場與預(yù)測值吻合較好。

（3）對比分析了2次地震的儀器烈度和調(diào)查烈度發(fā)現(xiàn)，MS5.7地震中22DLB臺(tái)位于Ⅵ度區(qū)，儀器烈度與調(diào)查烈度值完全吻合，其余臺(tái)站均未進(jìn)入公布的烈度圈內(nèi)。

（4）對比2次地震震中距最近的臺(tái)站反應(yīng)譜與抗震設(shè)計(jì)譜發(fā)現(xiàn)，MS5.7地震的長周期分量大于MS5.1地震，反應(yīng)譜寬度較MS5.1增大更加明顯。2次地震1?s之后反應(yīng)譜峰值降到1?m/s2以下甚至接近于0，因此不會(huì)對自振較長的大壩、橋梁、高層及超高層建筑造成嚴(yán)重破壞，但對該地區(qū)非設(shè)防結(jié)構(gòu)，低矮短周期結(jié)構(gòu)破壞較大;同一臺(tái)站不同震級反應(yīng)譜形狀接近，臺(tái)站反應(yīng)譜曲線形狀基本相似，高頻分量優(yōu)于低頻。

感謝吉林省地震局強(qiáng)震動(dòng)觀測人員在此次地震觀測、記錄收集工作中的辛勤勞動(dòng)。感謝中國地震局工程力學(xué)研究所“國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持。

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The?Characteristics?of?Strong?Motion?Records?of?the?SongyuanMS5.7?and?MS5.1?Earthquakes，Jilin?Province

XU?Qin1，CHEN?Linrong2，ZHANG?Yu2，WANG?Wencai1，SHI?Wenbing1

（1.?Lanzhou?National?Geophysical?Observation?and?Research?Station，Lanzhou?730000，Gansu，China）

（2.?Jilin?Earthquake?Agency，Changchun1?30022，Jilin，China）

Abstract

On?May?28，2018?and?May?18，2019，two?MS5.7?and?MS5.1?earthquakes?occurred?successively?in?Ningjiang?district，Songyuan?city，Jilin?province.The?24?groups?of?strong?ground?motion?records?collected?by?the?strong?motion?networks?in?Jilin?province?and?Heilongjiang?province?were?routinely?processed，including?classification，baseline?correction?and?filtering.The?amplitude?and?acceleration?response?spectrum?characteristics?of?the?two?seismic?records?were?analyzed.Most?of?the?two?seismic?records?were?from?the?far?and?medium?field（100km?away），while?few?were?from?the?near?field.The?MS5.7?PGA?ranges?from?2.25?to?192.30?gal，the?MS5.1?PGA?ranges?from?1.08?to?176.92?gal，and?the?maximum?PGA?value?was?obtained?by?22FHT.The?observed?PGA?values?were?compared?with?the?attenuation?relationship?of?the?fifth?generation?seismic?zoning?map（medium?and?strong?seismic?zones）in?China，and?the?vertical?direction（UD）was?consistent?with?the?predicted?values.The?instrumental?intensity?obtained?was?compared?with?the?seismic?investigation?intensity，and?the?22DLB?station?was?completely?consistent?with?the?investigation?intensity?value.Finally，the?response?spectrum?and?design?spectrum?of?two?typical?stations?are?analyzed，among?which?the?long-period?component?of?the?MS5.7?event?is?larger?than?that?of?the?MS5.1?event.The?response?spectra?of?different?magnitudes?of?the?same?station?are?similar?in?morphology，and?the?high?frequency?response?is?better?than?the?low?frequency?response.

Keywords：Songyuan?earthquake;strong?motion?records;acceleration?response?spectrum;attenuation?relationships;strong?motion?observation