基于強震動觀測記錄的新疆南天山地區(qū)地震動特性統(tǒng)計分析*

阿布都瓦里斯·阿布都瓦衣提， 唐麗華

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震震害調查資料和強震觀測結果表明，不同類別場地土層的地震動特性具有很大的差別，其特征參數(shù)對地震動PGA、反應譜和持時有很大的影響。目前，場地的地震動特性研究主要有2種分析方法：第1種方法是針對不同類別的場地，采用不同的理論計算模型來分析場地的地震動特性，但由于各種計算模型的理論基礎不同，其對于場地的地震動特性的認識也不相同。另1種方法是利用不同場地類別場地的強震觀測記錄，對場地的地震動特性進行統(tǒng)計分析，這種方法與理論計算的分析方法相比更具有客觀性。自1932年美國在加州長灘地震中獲得第1條地震加速度記錄以來，美國、日本、中國和歐洲等許多國家在不同的場地上獲得了大量的強震觀測資料，并針對場地的地震動特性進行了大量的研究。研究結果表明，場地條件對地震動的影響不僅表現(xiàn)在地震動幅值的變化上[1]，也表現(xiàn)在地震動頻譜特性的變化方面[2]。隨著研究的深入，人們開始利用強震觀測資料對場地分類方法進行研究并給出不同場地上地震動參數(shù)變化的經(jīng)驗公式[3-4]。

新疆強震動觀測的起點為1985年烏恰7.1級地震，觀測歷史不長，直到“十五”末期才建立了由97個強震臺和50個烈度速報臺組成的強震動觀測網(wǎng)。雖然新疆地震頻繁，也有不少可以研究的強震觀測記錄，但是針對新疆地區(qū)地震動特性研究開展的較少。新疆南天山地區(qū)隨著國家投入的增大已經(jīng)成為了新疆經(jīng)濟社會發(fā)展的核心區(qū)域，同時，南天山地區(qū)是新疆破壞性地震頻發(fā)區(qū)域[5]，2010年以來先后發(fā)生幾次6級以上破壞性地震，造成了房屋建筑與基礎設施的大量破壞。南天山地區(qū)活動構造發(fā)育，場地條件復雜，許多城市或基礎設施距離活動斷層很近或穿越斷層，顯然，如何提高工程設施的抗震能力、減輕地震災害風險是南天山地區(qū)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。因此，研究和分析為抗震設防服務的南天山地區(qū)不同類別場地的地震動特性具有重要意義。

1 南天山地區(qū)地質概況

南天山地處塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊交界處，為烏拉爾—南天山造山帶在中國境內的延伸，為一典型的古生代造山帶，是在塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊之間的一個開闊洋盆演化而來的古生代碰撞帶，由南北兩條蛇綠巖及其周圍的陸緣巖系及古老結晶基底組成[6]。印度板塊和歐亞板塊的強烈碰撞，不但主導著青藏地區(qū)的現(xiàn)今地殼運動，同時也是數(shù)千千米之外的天山地區(qū)構造運動的一個主要力源。南天山及山前地帶發(fā)育多條近東西至北東向全新世逆沖活動斷層，局部具有左旋走滑性質。這些斷層大體呈平行展布，間距20～30 km[7]。

2 強震臺及強震記錄概況

新疆地區(qū)強震動固定臺建設始于1986年，為加強重點監(jiān)視區(qū)地震監(jiān)測能力，“十五”期間技術人員在南天山西段、南天山中段和北天山中段強震監(jiān)視區(qū)新建97個強震動數(shù)字化固定觀測臺，分布在全疆9個地、州、市，并在烏魯木齊市及周邊地區(qū)新建50個烈度速報臺，此時新疆維吾爾自治區(qū)地震局建立強震動臺網(wǎng)部，強震動觀測步入數(shù)字化階段。

其中71個固定強震臺站架設在南天山西段和南天山中段(圖1)，主要分布在南疆5個地、州、市， 71個強震動臺站，全部配置ETNA型一體化數(shù)字強震動記錄儀。圖1為新疆強震動臺網(wǎng)臺站分布圖。

新疆強震動臺網(wǎng)自2006年開始運行，已記錄到1 800多組強震動記錄。本文選取南天山地區(qū)4級及以上地震113次和南天山71個強震動臺站的732組強震動記錄，每組記錄包括東西向(EW分量)、南北向(NS分量)和垂直向(UD分量)的加速度記錄，共2 196條加速度記錄，來研究不同場地類別條件下南天山地區(qū)的地震動特性。

圖1 新疆南天山地區(qū)固定強震動臺網(wǎng)臺站分布圖

為了較好的研究不同震級、場地類別及震中距對南天山地區(qū)地震特性的影響，將這732組強震動記錄按照震級、場地類別和震中距進行分組，數(shù)據(jù)分組以及分布見表1。臺站場地的分類按照《建筑抗震設計規(guī)范》第4.1.6條及場地測試結果確定。

南天山71個強震動臺站里沒有在Ⅳ類場地上建造的臺站。在表1分類的基礎上，將用SeismoSignal軟件對強震動加速度記錄基線校正和濾波處理。

表1 強震數(shù)據(jù)分組

3 地震動峰值加速度統(tǒng)計特性分析

地震動的強度或振幅可以是泛指地震動加速度、速度、位移幅值或其中的任何一個峰值(最大值)或某種意義的有效值。峰值加速度PGA很早就被看作是表示地震動強弱的物理量，相應的研究也最多[10]。

本文中針對挑選的732組強震動記錄的三分量繪制了PGA隨場地條件變化的特征。圖2為在3種震級條件下，I類、II類及III類場地的三分量PGA均值及均方差隨震中距分布圖。由圖2可知，由于I類場地強震動加速度記錄不是很豐富，因此看不出PGA隨震中距的變化而變化的明顯規(guī)律；II類、III類場地的強震動加速度記錄比較豐富，因此，觀察圖3～4可發(fā)現(xiàn)，II類、III類場地的PGA都具有隨距離一致衰減的特點。

進一步觀察圖2～4，當震中距為0～20 km時，同類震級下，NS分量的PGA均值及均方差普遍比EW分量的大。由于南天山活動構造大多以EW向或NEE向展布，主壓應力場以近NS向為主，這表明場地條件和構造環(huán)境對水平向不同分量的影響有不同的特點或規(guī)律差異影響顯著。

圖2 I類場地PGA隨震中距變化圖

圖3 II類場地PGA隨震中距變化圖

圖4 III類場地PGA隨震中距變化圖

4 地震動加速度反應譜統(tǒng)計特性分析

隨著強震記錄的增多，統(tǒng)計研究結果已經(jīng)表明[11]，垂直向與水平向分量加速度的譜比值在反應譜不同周期范圍內不是簡單的常數(shù)，而是與震級、震中距、場地類別等因素相關的。由于本文中所采用的數(shù)據(jù)來源于不同地震，因此，在分別計算每組強震動加速度記錄三個分量反應譜的基礎上，為了讓其結果具有可比性，對其進行歸一化處理，來考慮震級、震中距和場地類別對三分量反應譜的影響。具體的歸一化方法是，將地震波的反應譜除以最大加速度值，所得結果為放大倍數(shù)譜，稱之為β譜。

圖5～13為3種場地類別條件下的加速度譜隨震級和震中距的變化。由圖5～13可見，三分量頻譜曲線呈現(xiàn)出上升、平穩(wěn)、下降3個頻段。β譜平穩(wěn)段對應的周期在本文中稱之為特征周期，下文用Ts來表示。研究表明，地震動的主要能量集中于其反應譜的平穩(wěn)段，因此，Ts作為本文譜分析的一種指標來分析南天山地區(qū)強震動加速度記錄β譜的特性。

觀察同類場地和震級條件下的β譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)，I類場地小、中、大震的記錄及II、III類場地小、中震的記錄，其EW分量與NS分量頻譜形狀上大致是一樣的，而其UD分量頻譜形狀與EW、NS分量有比較明顯的差異。具體來說，豎向分量Ts總體上小于水平分量Ts，因為豎向地面運動中縱波含量要比水平向運動多，而縱波都含有比較多的高頻分量。進一步觀察EW分量與NS分量頻譜，可以發(fā)現(xiàn)EW分量與NS分量之間也有較明顯的差異。這種差異與斷層機制、臺站與發(fā)震斷層的相對位置、斷層距等因素可能都有一定的關系?？v向比較I、II 、III類場地三分量Ts，可發(fā)現(xiàn)，隨場地依次變軟，水平向分量Ts逐漸增大；而垂直向分量Ts隨場地類別的變化規(guī)律不明顯，與場地類別的相關性與相比水平向Ts要小。橫向比較同類場地下的β譜曲線，隨震級的增大，Ts也逐漸增大。對此結論可以解釋為：震級越大，地面運動長周期的分量就越多。比較同類場地同類震級下的β譜曲線，可發(fā)現(xiàn)，Ts也隨震中距的變化而變化。普遍來說，Ts隨震中距的增大而增大。由于I類場地小震和大震數(shù)據(jù)量較小，因此，從β譜曲線出發(fā)分析震級和震中距對β譜的影響具有局限性。然而，I類場地中震數(shù)據(jù)相對較多，從圖5～13可以看出，同類震中距下，震級的大小會影響Ts的長短。這也能印證上述分析的可靠性。

5 地震動加速度持時統(tǒng)計特性分析

在表1分類的基礎上，將用SeismoSignal得到的強震動加速度記錄70%能量持時。70%能量持時主要代表了能量集中釋放的持續(xù)時，即地震動能量達到總能量10%開始至達到總能量的80%結束所經(jīng)歷的時間[12]，來分別計算水平向和垂直向分量的均值與方差。圖14～16得出了持時在同類震級和場地條件下的，隨震中距變化的趨勢。由圖14～16可知，在II，III類場地條件下，場地類別對地震動三分量的影響比較明顯。具體說就是在同類震中距范圍內，隨著場地依次變軟，水平向分量的平均持時會有些增大，與水平向分量平均持時相對應的均方差也有增大的趨勢。垂直向分量的平均持時從總體來說也是增大的，但不像水平向分量那樣有規(guī)律，其對應的均方差在不同震中距范圍內的變化規(guī)律也有明顯的不同。由于I類場地條件下的強震動記錄較少，可能在同類震中距范圍內，會出現(xiàn)I類場地的地震動持時大于II類場地的情況。再仔細觀察由圖14～16可知，震中距對地震動三分量持時的影響很明顯。在同類震級和場地條件下，地震動三分量的平均持時隨震中距的增大而增大；隨著震中距的繼續(xù)增大，反而，地震動三分量的平均持時有減小的趨勢。具體說，當震中距小于150 km時，在同類震級和場地條件下，隨著震中距的增大地震動三分量的平均持時會持續(xù)增大；在小震條件下，當震中距大于150 km時，III類場地的地震動平均持時開始減?。辉谥姓饤l件下，當震中距大于150 km時，II類場地的地震動平均持時開始減小。然而，III類場地的地震動平均持時，當震中距大于200 km時才開始減小；在大震條件下，當震中距達到200 km以上時，II類場地與III類場地的地震動平均持時才有變小的趨勢。

圖5 I類場地不同震級和震中距條件下地震動EW分量β譜

圖6 I類場地不同震級和震中距條件下地震動NS分量β譜

圖7 I類場地不同震級和震中距條件下地震動UD分量β譜

圖8 II類場地不同震級和震中距條件下地震動EW分量β譜

圖9 II類場地不同震級和震中距條件下地震動NS分量β譜

圖10 II類場地不同震級和震中距條件下地震動UD分量β譜

圖11 III類場地不同震級和震中距條件下地震動EW分量反應譜β譜變化

圖12 III類場地不同震級和震中距條件下地震動NS分量反應譜β譜變化

圖13 III類場地不同震級和震中距條件下地震動UD分量反應譜β譜變化

圖16 III類場地持時隨震中距變化圖

6 結論

本文中依據(jù)南天山地區(qū)強震動臺站記錄到的不同震中距和不同場地條件下的地震記錄，研究了地震動三分量的PGA、β譜和持時的某些統(tǒng)計特性，結果表明：

(1) 南天山地區(qū)地震動三分量PGA大體上隨震中距的變化而變化有著明顯規(guī)律，即大致符合已有的衰減關系。同類震級條件下同類別場地的PGA大小差距較大，這可能與地震波的傳播規(guī)律和特殊的地殼構造有關。同類震級下，兩個水平向分量的PGA有著明顯的差別，說明場地條件對水平向不同分量的PGA的影響有不同的特點或規(guī)律。

(2) 南天山地區(qū)的地震動垂直向分量β譜Ts總體上小于水平向分量β譜Ts，因為垂直向地面運動中縱波含量要比水平向運動多，而縱波都含有比較多的高頻分量。斷層機制、臺站與發(fā)震斷層的相對位置、斷層距等因素會導致兩個水平向分量地震動β譜之間的明顯差異。隨場地依次變軟，水平向分量β譜Ts逐漸增大；而垂直向分量β譜Ts隨場地類別的變化規(guī)律不明顯。隨震級和震中距的增大，β譜Ts有逐漸增大的趨勢。

(3) 南天山地區(qū)場地類別對地震動水平向分量的持時有一定的影響，隨著場地依次變軟，持時會有些增大，對于垂直向分量，則沒有明顯的規(guī)律。