2016年日本熊本MW7.0地震強震動記錄特征分析*

解全才，馬 強，張景發(fā)

(1.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局地殼應力研究所 中國地震局地殼動力學重點實驗室，北京 100085)

0 引言

據日本氣象廳正式測定，日本時間2016年4月16日1時25分5.47秒，在九州島熊本縣(32.755°N，130.763°E)發(fā)生MW7.0地震，震源深度12 km。根據熊本地震震源機制解及震后余震分布情況，結合日本學者現場調查地表破裂特征，可以確定熊本地震發(fā)震構造為日奈久—布田川斷層系統(tǒng)(解全才，2018)。對本次地震強震動記錄進行深入分析可以為認識該地區(qū)地震動特征和工程震害調查提供參考資料。震后許多學者利用地震記錄及大地測量數據做過關于滑動分布反演研究(Yagietal，2016；Asano，Iwata，2016)以及震害調查(Godaetal，2016；Sakai，2016)等方面的研究。

本文對日本防災科學研究所(NIED)K-net臺網和Kik-net臺網獲取的熊本地震強震動記錄進行校正處理，在此基礎上分析了該次地震的峰值加速度與峰值速度幅值特征，并將觀測結果與日本常用的3組衰減關系進行了對比，計算得到5%-95%與5%-75%能量持時，與國際主流持時衰減關系進行對比，詳細分析了震中區(qū)的反應譜特征。

1 幅值特征

基于阪神地震的經驗教訓和日本未來可能發(fā)生大地震的假設，NIED在自由地表安裝了1 000多個強震加速度計組成K-net強震動臺網，臺間距約20 km；建設約700個由地表和井下加速度計組成的KiK-net強震動臺網(Kinoshita，1998；Aoietal，2010)。2003—2008年NIED利用K-net02，K-net02A和KiK-net06系統(tǒng)替換K-net和KiK-net強震動臺網的1 700多個臺站的K-NET95和SMAC-MDK系統(tǒng)(井下傳感器除外)，替換后儀器的數據采集系統(tǒng)具有連續(xù)觀測的能力(解全才等，2017)。日本K-net與Kik-net臺網強震儀器數據采樣率都為100 Hz。K-net臺網采用K-net02和K-net02A強震儀器，2種儀器可測量最大加速度都為4 000 gal，動態(tài)量程都為132 dB，數據傳輸都采用TCP/IP協(xié)議，都支持Linux編程，其中K-net02系統(tǒng)采用凱尼公司的FBA-FS加速度計，記錄能力為512 MB；K-net02A系統(tǒng)采用日本電子航空工業(yè)公司的JA40GA加速度計，記錄能力為768 MB(Aoietal，2010)；Kik-net06系統(tǒng)可測量的最大加速度為4 000 gal，井下最大加速度為2 000 gal，地表加速度計采用日本電子航空工業(yè)公司的JA40GA加速度計，井下加速度計采用日本Akashi公司的V404加速度計，動態(tài)量程為132 dB，記錄能力為768 MB，數據傳輸采用TCP/IP協(xié)議，支持Linux編程(Aoietal，2010)。

在日本熊本地震中，K-net強震動臺網獲取365組強震動記錄；Kik-net 強震動臺網獲取660組強震動記錄，包含330組自由地表加速度記錄與330組井下加速度記錄。熊本地震獲取記錄臺站分布如圖1所示。本文采用國家強震動臺網中心(CSMNC)強震數據處理方法對日本K-net和Kik-net強震動臺網獲取的加速度記錄進行處理(于海英等，2009；解全才等，2018)，結果如下：

(1)Kik-net強震動臺網的KMMH16臺站記錄到EW向和UD向最大峰值加速度分別為1 156.95 gal和873.401 gal，如圖2a所示；KMMH03臺站記錄到NS向最大峰值加速度為-786.60 gal，如圖2b所示。

(2)校正峰值加速度和速度分布如圖3所示，由圖可見，EW，NS及UD向峰值加速度范圍分別在0.15～1 156.95 gal，0.22～786.60 gal及0.09～873.40 gal；EW，NS及UD向峰值速度范圍為0.13～134.47 cm/s，0.16～85.63 cm/s及0.13～58.13 cm/s。

(3)按照《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》中算法(中國地震局監(jiān)測預報司，2015)，利用三分向數據計算強震動記錄得到儀器地震烈度分布如圖4a所示，儀器地震烈度為1.0～ 10.1；按照日本氣象廳儀器烈度標準(Yamazakietal，1998)，利用三分向數據計算強震動記錄得到儀器地震烈度分布如圖4b所示，儀器地震烈度為0～6.4。Kik-net強震動臺網的KMMH16臺站記錄取到本次地震的最大儀器地震烈度。

圖1 熊本地震獲取記錄臺站分布圖Fig.1 The station distribution map of the Kumamoto earthquake

圖2 KMMH16(a)與KMMH03(b)臺站記錄的加速度時程曲線Fig.2 The accerlergram of stations of KMMH16(a)and KMMH03(b)

圖3 校正峰值加速度(a)與校正峰值速度(b)分布圖Fig.3 Corrected peak ground acceleration(a)and peak ground velocity(b)distribution map

圖4 按照中國儀器地震烈度標準(a)及日本氣象廳儀器地震烈度標準(b)得到熊本地震儀器地震列度分布圖Fig.4 Instrumental seismic ientensiy map of China seismic intensity scale(a)and Japan seismic intensity scale(b)

Si和Midorikawa(1999)提出的日本的峰值加速度衰減公式和峰值速度衰減公式被廣泛應用于日本地震動衰減預測中(Headquarters for Earthquake Research Promotion，2009)，本文利用該公式對熊本地震地震動衰減特征進行分析：

lg(PGA)=0.50×MW+0.0043D+d-lg(X+0.0055×100.5×MW)+0.003X+0.61

(1)

lg(PGV)=0.58×MW+0.0038D+d-lg(X+0.0028×100.5×MW)-0.002X-1.29

(2)

式中：X為斷層距離；D為震源深度；MW為矩震級；d代表不同地震類型的系數，對于地殼地震、板間地震、板內地震，PGA的d取值分別是0.0，0.01，0.22；PGV的d取值分別為0.0，-0.02，-0.12；根據日本氣象廳發(fā)布的地震定位結果和日本防災科學研究所發(fā)布的震源機制結果，熊本地震D取12.45，MW為7.1。

將本文得到的觀測數據與Kataoka等(2006)、Kanno等(2006)和Si和Midorikawa(1999)的衰減公式進行對比，發(fā)現本次地震觀測峰值加速度與Si 和Midorikawa(1999)、Kataoka等(2006)、Kanno等(2006)地震動衰減公式預測結果較一致。斷層距在200 km內，觀測峰值速度與Si和Midorikawa(1999)、Kanno等(2006)衰減公式比較一致，高于Kataoka等(2006)衰減公式；斷層距超過200 km后，觀測峰值速度比Si和Midorikawa(1999)、Kataoka等(2006)以及Kanno等(2006)地震動衰減公式預測結果衰減緩慢。

圖5 觀測PGA(a)和PGV(b)與對應衰減關系的比較Fig.5 Comparison of the observed horizontal PGA(a)and PGV data(b) with related attenuation relathionship

2 持時特征

關于地震動持時，學術界有許多不同的定義，一般分為括號持時、一致持時、有效持時和能量持時4種類型(Bommer，Martinez，1999)。能量持時通?；诩铀俣确e分得到(Arias，1970)。能量持時計算過程如下：

(3)

Dxy=tx-ty

(4)

(5)

(6)

式中：Ia為Arias強度；Dxy代表不同取值時的能量持時；g為重力加速度；t0為加速度時程總持續(xù)時間；a(t)為加速度記錄；tx，ty分別為能量比達到x或者y的時刻。通常x，y有2種取法，分別是x=5%，y=75%或者x=5%，y=95%，即通常說的5%-75%和5%-95%能量持時。Brendon(2011)指出5%-95%能量持時在目前工程實踐中廣泛應用，Bommer等(2009)研究指出5%-75%能量持時一般只包含體波的能量，5%-95%能量持時同時包含體波和面波的能量 。

本文利用經過校正處理的熊本地震加速度數據計算得到5%-95%和5%-75%能量持時，如圖6所示。由圖可見，EW向5%-95%能量持時和5%-75%能量持時分別為6.49～197.41 s和2.22～155.58 s；NS向5%-95%和5%-75%能量持時分別為7.45～157.66 s和2.01～131.26 s；UD向5%-95%和5%-75%能量持時分別為4.16～174.86 s和2.31～126.80 s。熊本地震5%-95%能量持時為4.16～197.41 s，主要集中在30～60 s；5%-75%能量持時為2.01～155.58 s，主要集中在10～50 s 。總體來說，5%-75%和5%-95%能量持時符合隨震中距增大而增大的規(guī)律。

圖6 5%-95%(a)與5%-75%(b)能量持時分布圖Fig.6 The 5%-95%(a)and 5%-75%(b)significant duration distribution map

針對5%-95%能量持時，分別選用Boomer等(2009)基于NGA數據庫的全球模型以及Trifunac和Brady(1975)的美國加州模型進行能量持時衰減分析。由圖7a可見，水平向觀測數據的5%-95%能量持時與Trifunac 和Brady(1975)能量持時預測模型結果一致，整體上符合隨著斷層距離增大而增大的規(guī)律。在斷層距超過100 km后，水平向觀測數據的5%-95%能量持時遠高于Boomer 等(2009)的預測模型。針對5%-75%能量持時，選用Boomer等(2009)能量持時衰減模型進行分析，由圖7b可見，在斷層距小于100 km時，水平向觀測數據的5%-75%能量持時與Boomer等(2009)預測模型比較一致，在斷層距超過100 km后，水平向觀測數據的5%-75%能量持時遠高于Boomer 等(2009)的預測模型。

圖7 水平向觀測數據5%-95%(a)和5%-75%(b)能量持時與相應衰減關系的比較Fig.7 Comparison of the observed 5%-95%(a)and 5%-75%(b)horizontal significant duration with related attenuation relathionship

3 頻譜特征

圖8為熊本地震中獲取最大峰值加速度的KMMH16與KMMH03臺站的加速度反應譜與1995年阪神地震JR Takatori臺站的反應譜對比，圖中TAK為JR Takaroti臺站。由圖8可見，震中距為7 km的KMMH16臺站EW，NS及UD向記錄到的峰值周期分別為0.40 s，0.30 s及0.25 s左右；震中距為28 km的KMMH03臺站EW，NS及UD向記錄到的峰值周期分別為0.18 s，0.90 s及0.09 s左右。KMMH16臺站3個方向的反應譜在0.5～1.2 s時都超過JR Takaroti臺站的反應譜，該周期范圍與結構破壞嚴重程度密切相關(Sakai，2009)。與日本BSL規(guī)范(Yuji，Hans，1987)中軟土設計譜比較，可以發(fā)現KMMH16臺站水平向反應譜在0.05～2 s都超過規(guī)范設計譜，豎直向反應譜在0.05～0.5 s超過該地區(qū)設計譜，KMMH03臺站NS向在0.05～2 s也超過該地區(qū)設計譜，故本次地震中熊本地區(qū)木結構房屋和低矮及中層鋼筋混凝土建筑破壞嚴重，與Sakai(2016)在震害調查中指出的木結構房屋倒塌比例高達50%的結果一致。KMMH16與KMMH03臺站NS方向在1～2 s的反應譜仍然較高，對高層建筑及其他長周期結構也會產生一定程度的破壞。Goda等(2016)指出在離震中非常近的KMM006臺站南方發(fā)現了鋼筋混凝土結構的9層公寓產生了破壞，在KMMH16臺站附近的益城町發(fā)現了橋梁破壞情況，日奈久斷層東段穿過的西原村附近沿著日本28號公路上一些橋梁、大壩、隧道發(fā)現較大的破壞，導致難以進入阿蘇地區(qū)。以上震害調查依據證實了本次地震會對高層建筑及其他長周期結構產生一定程度的破壞。

圖8 熊本地震中KMMH16(a)，KMMH03(b)臺站記錄加速度反應譜與阪神地震中JR Takatori臺站記錄的加速度反應譜對比圖Fig.8 Comparison of acceleration response spectra between KMMH16(a)， KMMH03(b)with JR Takatori stations

4 結論

本文對日本防災科學研究所(NIED)K-net強震動臺網和KikK-net強震動網記錄到的熊本地震強震記錄進行處理，得到1 025組強震動記錄，對其強震動特征進行分析，并與前人研究結果進行對比，得到如下結論：

(1)經過校正處理，KikK-net臺網的KMMH16臺站記錄到最大的EW向和UD向峰值加速度分別為1 156.95 gal和873.40 gal。KikK-net臺網的KMMH03臺站記錄到最大的NS向峰值加速度為-786.60 gal。本次地震觀測峰值加速度和峰值速度與Si和Midorikawa(1999)的衰減公式預測結果比較一致，斷層距超過200 km后，峰值速度衰減比預測結果緩慢。按照中國地震局《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》中的計算方法和日本氣象廳儀器烈度計算方法分別計算了全部自由地表強震記錄的儀器地震烈度，KMMH16臺站記錄到了本次地震的最大儀器地震烈度，高達中國地震烈度的10.1度，日本地震烈度的6.4度。

(2)選取幅值較大的KMMH16和KMMH03臺站進行反應譜特征分析，KMMH16臺站峰值周期在0.4 s以內，KMMH16臺站3個方向的加速度反應譜在0.5～1.2 s范圍時都超過了1995年阪神地震最大強震記錄JR Takaroti臺站，本次地震對木結構房屋和低矮及中層鋼筋混凝土房屋破壞嚴重。同時，這2個臺站在1～2 s周期反應譜仍然較高，會對高層建筑及其他長周期結構產生一定程度的破壞。

(3)熊本地震5%-95%能量持時為4.16～197.41 s，主要集中在30～60 s；水平向觀測數據的5%-95%能量持時與Trifunac和Brady(1975)能量持時預測方程結果一致。在斷層距小于100 km時，水平向觀測數據的5%-95%能量持時與Boomer等(2009)的能量持時預測方程比較一致，斷層距超過100 km后，水平向觀測數據的5%-95%能量持時遠高于Boomer等(2009)的預測方程。5%-75%能量持時為2.01 ～155.58 s，主要集中在10～50 s。在斷層距小于100 km時，水平向觀測數據的5%-75%能量持時與Boomer等(2009)能量持時預測方程比較一致，但在斷層距離超過100 km后，水平向觀測數據的5%-75%能量持時遠高于Boomer等(2009)預測方程。5%-75%和5%-95%能量持時符合隨震中距離增大而增大的規(guī)律。

感謝日本防災科學研究所(NIED)K-net強震動臺網與Kik-net提供的強震動數據。