2020年1月19日伽師6.4級地震強(qiáng)震動記錄特征分析

張振斌 王宏偉

1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

2)中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

0 引言

2020年1月19日21時27分新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生6.4級地震，震中位于39.83°N、77.21°E，震源深度16km。震中距伽師縣57km，距巴楚縣113km，距阿圖什市區(qū)90km，距喀什市113km。此次地震發(fā)生區(qū)域?qū)傩陆貐^(qū)南天山地震帶西段，為極其活躍的地震帶，地震頻度高、強(qiáng)度大，是新疆6級以上地震活動最頻繁的地區(qū)(李錳，2006)。2000年以來伽師區(qū)域發(fā)生5級以上地震4次，分別為2000年3月27日伽師5.3級、2003年1月4日伽師5.4級、2003年2月24日巴楚6.8級和2018年9月4日伽師5.5級地震(宋春燕等，2019)。此次6.4級地震是新疆強(qiáng)震動臺網(wǎng)建成以來發(fā)生在伽師區(qū)域的最大震級地震，地震發(fā)生時喀什、阿圖什區(qū)域震感強(qiáng)烈，阿克蘇亦有震感。距震中最近的西克爾強(qiáng)震動臺(震中距13.7km)EW、SN和垂直向加速度峰值分別為432.6cm/s2、-484.9cm/s2和633.3cm/s2，速度峰值分別為-65.9cm/s、58.6cm/s和-50.8cm/s，計算儀器地震烈度為Ⅸ度，根據(jù)儀器烈度，此次地震最高烈度為Ⅸ度。地震宏觀震中在伽師縣西克爾鎮(zhèn)、古勒魯克鄉(xiāng)一帶，等震線長軸方向總體呈EW向。此次地震造成部分自建商鋪倒塌，房屋不同程度開裂，部分圍墻倒塌開裂，國道314線伽師縣境內(nèi)部分道路受損。依據(jù)中國地震局地質(zhì)研究所給出的結(jié)果，本次地震為北傾逆沖兼少量走滑型地震，傾角約28°，最大地表形變量0.066m，最大滑動量0.35m，位于地下6.8km處，初步推斷此次地震發(fā)震構(gòu)造處于柯坪塔格推覆體最南緣的褶皺-逆斷裂帶內(nèi)。

本文對強(qiáng)震動記錄進(jìn)行處理后，對地震動的幅值、衰減、反應(yīng)譜等方面進(jìn)行分析討論，整理了近場典型強(qiáng)震動臺獲取的強(qiáng)震動記錄特征，為進(jìn)一步研究伽師區(qū)域強(qiáng)震動記錄特征提供參考。

1 加速度記錄收集與分析

新疆強(qiáng)震動臺網(wǎng)共獲取到42個臺站的126條數(shù)字強(qiáng)震記錄，其中41個土層臺、1個基巖臺。此次地震獲取強(qiáng)震動數(shù)據(jù)的44個強(qiáng)震動臺站的位置分布見圖1。

圖1 震中臺站分布

獲取記錄臺站數(shù)量與震中距之間的關(guān)系，如圖2 所示。其中，震中距小于60km的臺站6個，震中距60～80km的臺站8個，其余大多數(shù)臺站的震中距大于80km，距震中最近的為西克爾強(qiáng)震動臺(震中距13.7km)。為了更深入地了解本次地震的強(qiáng)震動記錄特征，對獲取的42條強(qiáng)震動記錄進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，采用Boore(2001)提出的方法對記錄進(jìn)行基線校正處理，并進(jìn)行速度積分及頻譜計算。依據(jù)《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》(1)中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2015.《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》. 內(nèi)部資料.，利用此次地震強(qiáng)震記錄的加速度峰值(PGA)及積分后的速度峰值(PGV)，計算出每個臺站所對應(yīng)的儀器地震烈度等，記錄分析基本情況見表1。

圖2 記錄臺站數(shù)量與震中距關(guān)系

表1 記錄分析基本情況

2 幅值特征

圖3(a)～(d)分別為此次地震最近4個臺站的加速度記錄時程。由圖1 可以看出4個臺站均分布在震中以南，從EW向來看，西克爾臺(65XKR)和古勒魯克臺(65GLK)基本在一條線上，臥里托乎拉格臺(65WLG)和伽師總場臺(65JZC)基本也在一條線上。西克爾臺(65XKR)和古勒魯克臺(65GLK)的震中距分別為13.8km和21.1km； 臥里托乎拉格臺(65WLG)和伽師總場臺(65JZC)的震中距分別為16.8km和36.7km。上述4個臺站相對于震中兩兩在SN向上呈條帶分布。

圖3 4個臺站的加速度時程

分析4個臺站的記錄時程，其初動不明顯，65XKR臺垂直向有一個明顯的正向脈沖，水平向記錄最大幅值的周期較大，65GLK臺記錄時程出現(xiàn)2次較大幅值，2次幅值間持續(xù)6s左右，65WLG和65JZC臺記錄的波形呈紡錘形。

在強(qiáng)地震作用下，場地呈現(xiàn)強(qiáng)非線性響應(yīng)，特別是軟弱土層更是如此，因此地震波的不對稱性對軟弱場地的影響應(yīng)更為強(qiáng)烈(冀昆等，2014)。伽師區(qū)域覆蓋層較厚，為了更好地了解場地影響程度，圖4 給出了此次地震42個臺站的峰值加速度和峰值速度兩水平向與垂直向的峰值比。從圖4 的加速度峰值比來看，在震中距200km以內(nèi)，兩水平向與垂直向峰值比在1～3之間，相對集中，震中距大于200km的加速度峰值比明顯增大，由于此次地震震中距大于200km的數(shù)據(jù)較少，峰值比比較分散； 從速度峰值比來看，兩水平向與垂直向主要峰值比在0～4之間，相對比較集中，有個別臺站比值較大，可能與數(shù)據(jù)處理及臺站場地有一定關(guān)系，需要進(jìn)一步分析。

圖4 加速度和速度峰值比

選用第五代《中國地震動參選區(qū)劃圖》(GB18306-2015)中的分區(qū)地震動衰減關(guān)系(簡稱為Yu13)(俞言祥等，2013； 汪素云等)和新疆南天山西段土層的衰減關(guān)系(簡稱為Zhang)(張振斌等，2010)，對比分析此次地震的地震動記錄幅值衰減特征。圖5 為此次地震三分向加速度峰值PGA-EW、PGA-NS、PGA-UD與各衰減關(guān)系的對比，其中短橫線表示Yu13長軸，虛線表示標(biāo)準(zhǔn)差為±0.236，實線為Zhang預(yù)測值。由圖5 可見，震中距0～50km處的PGA-EW、PGA-NS、PGA-UD觀測值基本在Yu13長軸誤差范圍之內(nèi)，高于Zhang預(yù)測值； 震中距大于50km的PGA-EW、PGA-NS、PGA-UD觀測值部分低于Yu13長軸誤差值，但三分向觀測值與Zhang預(yù)測值上、下分布相對均勻。需要說明的是，此次地震獲取到數(shù)據(jù)的臺站基本均為土層臺，僅有一個為基巖臺。在對比分析中發(fā)現(xiàn)，此次地震整體強(qiáng)震動記錄觀測值與Yu13長軸預(yù)測值衰減特性一致，新疆西部土層衰減關(guān)系在近場低于實際觀察值，故建議在對新疆土層衰減關(guān)系的研究中補(bǔ)充近場數(shù)據(jù)，可完善新疆區(qū)域土層地震動的衰減關(guān)系。

圖5 加速度峰值與衰減關(guān)系

3 反應(yīng)譜

利用上述4個強(qiáng)震動臺獲取的4組強(qiáng)震動記錄，分別對合成水平向與垂直向加速度記錄計算加速度反應(yīng)譜，由圖6 可見4個距震中較近臺站的水平向加速度反應(yīng)譜卓越周期主要集中在0～0.5s，垂直向集中在0～0.2s； 從4個臺站的分布來看，分布在震中東南的65XKR和65JZC臺獲取水平向加速度記錄反應(yīng)譜卓越周期在0.4s左右，分布在震中西南的65GLK和65WLG臺獲取水平向加速度反應(yīng)譜卓越周期在0.1s左右； 65XKR臺加速度反應(yīng)譜值最大，其水平向接近1300cm/s2左右，垂直向接近1500cm/s2左右，其他3個臺站的加速度反應(yīng)譜水平向在350～600cm/s2左右，垂直向在200～300cm/s2左右。

圖6 4個臺站水平向(a)與垂直向(b)加速度反應(yīng)譜

將65XKR、65GLK、65WLG和65JZC臺的反應(yīng)譜計算結(jié)果與我國《GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010)的設(shè)計反應(yīng)譜進(jìn)行比較(圖7)，在本次地震中4個臺站所在場地均為Ⅱ類場地，因此設(shè)計反應(yīng)譜場地條件取 Ⅱ 類場地。

圖7 4個臺站加速度反應(yīng)譜與抗震設(shè)計譜對比

由圖7 可見，65XKR臺水平向反應(yīng)譜高于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，峰值卓越周期為0.48s； 垂直向反應(yīng)譜高于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，峰值位于高頻段； 65GLK臺水平向反應(yīng)譜高于Ⅶ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，低于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，峰值位于高頻段，其他2個臺站水平向反應(yīng)譜均低于Ⅶ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜。此外，對于大于1s的中長周期部分，65XKR臺水平向反應(yīng)譜高于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，其余3個臺站水平向反應(yīng)譜均低于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜。

4 結(jié)論

本文分析了2020年1月19日新疆伽師6.4級地震所獲取的強(qiáng)震動記錄，從地震動記錄時程、幅值、頻譜三方面分析此次地震的強(qiáng)震動記錄特征，分析結(jié)果如下：

(1)此次地震位于新疆中強(qiáng)地震多發(fā)區(qū)，強(qiáng)震動臺站分布較密，共獲取42組126條加速度記錄，主要分布在震中西南方向，PGA值最大為633.3cm/s2，儀器地震烈度Ⅸ度。

(2)分析距震中較近的4個臺站的記錄時程，4個臺站記錄的初動不明顯； 65XKR臺垂直向有一個明顯正向脈沖，水平向記錄最大幅值的周期較大； 65GLK臺記錄時程出現(xiàn)2次較大幅值，2次幅值間持續(xù)6s左右； 65WLG和65JZC臺記錄的波形呈紡錘形。

(3)分析42個臺站的峰值加速度和峰值速度兩水平向與垂直向峰值比，在震中距200km以內(nèi)兩水平向與垂直向加速度峰值比在1～3之間，兩水平向與垂直向速度峰值比在0～4之間。

(4)與分區(qū)地震動衰減關(guān)系(Yu13)和南天山西段土層的衰減關(guān)系(Zhang)對比發(fā)現(xiàn)，此次地震三分向加速度峰值在0～50km，基本在Yu13長軸誤差范圍之內(nèi)，高于Zhang預(yù)測值。

(5)4個距震中較近臺站的水平向加速度反應(yīng)譜卓越周期主要集中在0～0.5s，垂直向集中在0～0.2s。65XKR臺水平向反應(yīng)譜高于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，峰值卓越周期為0.48s； 垂直向反應(yīng)譜高于Ⅷ度罕遇地震設(shè)計反應(yīng)譜，峰值位于高頻段。