2020年1月19日伽師M_S6.4地震強地面運動特征分析

張振斌 王宏偉 也爾扎提?巴合提漢

摘要：2020年1月18—19日新疆喀什地區(qū)伽師縣連續(xù)發(fā)生3次M_S≥5.0地震，其中19日21時發(fā)生伽師縣M_S6.4地震。為更好地了解此次地震的強震動記錄特征，分析了此次地震序列的強震動記錄，從記錄波形上看，位于近場區(qū)西克爾強震臺獲取較大峰值加速度，特別是垂直向有明顯脈沖峰值，其水平向有明顯脈沖地震動，脈沖周期約為2.78 s，速度脈沖峰值分別為38.1 cm·s^-1和36.4 cm·s^-1，反應了斷層破裂的方向性效應。用譜比法分析場地的放大效應，在2 s左右有一個基本的共振周期。通過與喀什地區(qū)伽師縣設計反應譜對比，西克爾臺站的水平向地震動的反應譜遠高于喀什地區(qū)8度罕遇地震設計反應譜。

關鍵詞：伽師地震；反應譜；峰值；卓越周期

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.009

2020年1月19日21時27分，新疆喀什地區(qū)伽師縣（39.83°N，77.21°E）發(fā)生M_S6.4地震，震源深度16 km，喀什、阿圖什區(qū)域震感強烈，阿克蘇亦有震感。位于震中約13.8 km的伽師縣西克爾鎮(zhèn)、古勒魯克鄉(xiāng)一帶部分自建商鋪倒塌，房屋不同程度開裂。部分圍墻倒塌，國道314線伽師縣境內部分道路受損。震后發(fā)生多次余震，其中最大余震為1月19日22時23分發(fā)生的M_S5.2地震。另外，1月18日00時05分也發(fā)生1次M_S5.4地震，這3次地震發(fā)震間隔不超過2天，為前主余型。新疆強震動臺網(wǎng)獲取了3次地震大量強震動數(shù)據(jù)，從強震動記錄上判斷，西克爾強震動臺距震中最近，震中距13.8 km。垂直向獲取此次地震最大峰值加速度，記錄兩個水平分量表現(xiàn)出近場脈沖地震動特征。此次地震震中位于塔里木盆地邊緣，部分強震動記錄顯示出良好的長周期波形，這種現(xiàn)象可能是因盆地效應形成，盆地作為一種特殊的場地將入射到盆地內的部分體波轉化成面波，使長周期地震動產(chǎn)生放大作用。如1985年墨西哥地震，距離震中400 km的墨西哥城高層建筑發(fā)生嚴重破壞，震后研究發(fā)現(xiàn)盆地對長周期地震動的放大作用是造成震害加劇的主要原因。1999年集集地震中的臺北盆地、2008年5月12日汶川特大地震中位于渭河盆地的西安個別高塔出現(xiàn)破壞、位于渭河盆地邊緣的寶雞震害較為嚴重。西安和寶雞的烈度異常是汶川地震中盆地加重震害的典型例子。盆地相關的地面運動可以從地震學和工程學的角度進行研究，了解地震誘發(fā)的地面運動是如何被復雜的盆地幾何形狀所改變的。

本文收集2020年1月18—19日，伽師區(qū)域連續(xù)發(fā)生的3次M_S≥5.0中強地震的強震動記錄作為分析資料，采用 Shahi 等（2014）提出的脈沖地震動判斷方法進行脈沖地震動的識別^［1］，提取速度時程中的長周期脈沖信號，用譜比法分析區(qū)域土層場地的卓越頻率及放大倍數(shù)和近場強震動記錄反應譜等強震動特征。

1 地震背景及強震動臺站分布

伽師M_S6.4地震宏觀震中位于伽師縣西克爾鎮(zhèn)、古勒魯克鄉(xiāng)一帶，處于塔里木沉積盆地西北角，南天山地震帶和西昆侖山地震帶交匯的夾角區(qū)內，是印度與歐亞板塊喜馬拉雅碰撞帶的西端、帕米爾東北側，地質地貌復雜，地質構造縱橫交錯，活動斷裂極為發(fā)育。伽師北部是柯坪斷裂，它東起柯坪，西至八盤水磨，主斷裂帶總體北傾，上陡下緩呈鏟式;北東有色里布亞斷裂—普昌北北西向斷裂帶，該斷裂為巴楚隆起和麥蓋提斜坡帶的分界斷裂，東部為巴什托普斷裂，東南面有麥蓋提斷裂（為推測斷裂），西南有羊達曼斷裂（隱伏斷裂）^［2-7］。圖1為“十五”數(shù)字強震動臺網(wǎng)建成以來伽師區(qū)域發(fā)生的M_S≥3.0地震及強震動臺站分布。新疆數(shù)字強震動臺網(wǎng)于2006年建成，2006年以前在該區(qū)域周圍發(fā)生過數(shù)次中強地震，如1902年阿圖什M_S8.2地震，1997-01—1998-08 伽師共發(fā)生 9 次M_S≥6.0強震，2003 年伽師發(fā)生M_S6.8地震。本次M_S6.4地震是2006年以后伽師區(qū)域發(fā)生的最大地震，2018年9月伽師發(fā)生M_S5.5地震，在此之前同一地方發(fā)生1次M_S4.7地震，伽師縣M_S6.4地震前也在相同地方發(fā)生1次M_S5.4地震。本次地震前主余地震震中主要沿主斷層東西向分布，臺站主要分布在震中的西南方向，近年來M_S≥3.0地震主要分布在此次地震西南方向（圖1）。圖2此次地震主前余3次地震記錄臺站數(shù)量與震中距關系，3次地震獲取數(shù)據(jù)臺站主要在60～100 km范圍內。

2 強震動記錄分析

伽師M_S6.4地震獲取強震動記錄有幾個明顯記錄特征：距震中較近臺站獲取主震加速度記錄在水平向出現(xiàn)較強的脈沖峰值，而遠場靠近盆地腹地臺站記錄到持續(xù)長周期面波。距此次地震震中最近臺站為西克爾強震臺，震中距13.8 km，獲取東西、南北、垂直向加速度峰值分別為432.2 cm·s^-2、-484.4 cm·s^-2、633.3 cm·s^-2，速度峰值分別為-65.9 cm·s^-2、58.6 cm·s^-2、-50.8 cm·s^-2，計算儀器地震烈度9.2度。圖3給出西克爾臺獲取主震的三分向加速度和速度時程及相應的反應譜。從記錄反應譜看水平向卓越周期在1 Hz左右，垂直向在0.2 Hz左右。

2.1 速度脈沖

西克爾臺記錄的兩個水平分量表現(xiàn)出近場脈沖地震動的特征（圖4），而記錄水平分量的峰值地面加速度（PGA）并不高，但速度時程卻富含了長周期成分，兩個水平分量均有明顯的雙向長周期大脈沖，EW和NS方向峰值地面速度（PGV）與 PGA 的比值分別為0.15和0.12。采用 Shahi 等（2014）提出的脈沖地震動判斷方法進行識別，利用小波變換方法提取速度時程。提取的 EW 和NS 方向的速度脈沖信號的脈沖周期（T）分別為2.78 s和2.73 s，速度脈沖峰值分別為38.1 cm/s和36.4 cm/s，記錄兩個水平分量的脈沖指標均為1.0，因此可以判斷記錄水平分量為典型的脈沖地震動記錄。

2.2 場地效應

水平垂直譜比法（HVSR），是一種基于同一地表觀測點的地脈動水平分量與豎向分量傅里葉幅值譜比估計場地特征的方法，也稱為Nakamura方法。Yamazaki等（2008）將這種方法擴展到利用強震加速度記錄來評估場地特征^［7-11］。首先選出震中距較近、記錄幅值較大的4個臺站（65XKR、65GLK、65WLG、65JZC）結合已有的臺站工程場地資料進行分析。西克爾臺（65XKR）位于塔里木盆地西北緣的南天山西段南麓坡積裙與喀什噶爾河沖積平原的交匯處，地形平坦，臺址以北地勢由北向南傾斜，自然坡度為4.29°。臺站以南地形基本呈水平狀，臺址海拔高程1 171 m，場地覆蓋層厚度大于100 m，等效剪切波速246 cm·s^-1。由于覆蓋層較厚，屬于較軟場地，據(jù)此判定場地類別為II類^［12-14］。根據(jù)場地卓越周期近似計算公式T=4d/V_S，使用該臺前主余3次地震事件平均H/V譜比曲線得到的卓越周期為1.78 s，計算65XKR臺覆蓋層厚度為109 m，與鉆孔資料計算得到覆蓋層厚度基本一樣，譜比曲線見圖5，平均譜比曲線最大幅值為3.3。

古勒魯克（65GLK）位于塔里木盆地西北緣的南天山西段南麓喀什噶爾河沖積平原的下部，地形平坦，地勢基本呈水平狀，無傾斜。臺址海拔高程1 186 m。場地周邊喀什噶爾河下游辨狀支流較發(fā)育，呈近東西走向，切割深度一般小于2 m。場地覆蓋層厚度大于100 m，等效剪切波速210 m·s^-1，由于覆蓋層較厚，屬于較軟場地，據(jù)此判定場地類別為II類。使用該臺前主余3次地震事件平均H/V譜比曲線得到的卓越周期為0.61 s，計算65GLK臺覆蓋層厚度為32 m，與鉆孔資料覆蓋層厚度有一定差別，譜比曲線見圖5（b），平均譜比曲線最大幅值為8.1左右。臥里托乎拉格（65WLG）位于塔里木盆地西北緣的喀什噶爾河沖積中下游平原上，地形平坦開闊，地勢由西微微向東傾斜，自然坡度僅為0.07°。場地周邊喀什噶爾河支流河床淺窄，古河道和牛軛湖較為發(fā)育，但切割深度小于3 m。臺址海拔高程1 169 m，場地覆蓋層厚度大于100 m，等效剪切波速199 m·s^-1，使用該臺前主余3次地震事件平均H/V譜比曲線得到的卓越周期為1.29 s，計算65WLG臺覆蓋層厚度為64 m，與鉆孔資料覆蓋層厚度有一定差別，譜比曲線見圖5（c），平均譜比曲線最大幅值為5.1左右。伽師總場（65JZC）位于塔里木盆地西北緣的喀什噶爾河沖積中下游平原上，地形平坦開闊，地勢由西略微向東傾斜，自然坡度僅為0.06°。場地周邊喀什噶爾河支流河床淺窄，古河道和牛軛湖較為發(fā)育，但切割深度小于3 m。 臺址海拔高程1 151 m，場地覆蓋層厚度大于100 m，等效剪切波速242 m/s，使用該臺前主余3次地震事件平均H/V譜比曲線得到的卓越周期為1.81 s，計算65JZC臺覆蓋層厚度為109 m，與鉆孔資料覆蓋層厚度基本一樣，譜比曲線見圖5（d），平均譜比曲線最大幅值為8.1左右。

2.3 峰值比

圖6給出此次地震主前余3次地震100 km內臺站獲取地震動記錄兩水平向與垂直向峰值比。從圖4的加速度峰值（PGA）比看，此次伽師 M_S6.4地震主前余三次地震在100 km以內兩水平向與垂直向峰值比在0.5～3之間，相對集中，有一兩個臺比值較大，這與數(shù)據(jù)處理及臺站場地有一定關系，需要進一步分析。

3 反應譜

利用距本次地震最近的4個強震動臺獲取4組強震動記錄，計算合成水平向與垂直向加速度記錄阻尼比為5%，周期為0～4 s加速度度反應譜，水平向加速度反應譜卓越周期主要集中在0～0.5 s，垂直向集中在0～0.2 s（圖6）。分布在震中東南邊65XKR和65JZC臺獲取水平向加速度記錄反應譜卓越周期在0.4 s左右，分布在震中西南邊65GLK和65WLG臺獲取水平向加速度反應譜卓越周期在0.1 s左右；65XKR臺水平向反應譜最大值接近1 300 cm·s^-2，垂直向接近1 500 cm·s^-2，其他3個臺水平向在350～600 cm·s^-2左右，垂直向在200～300 cm·s^-2左右。

將4個臺（65XKR、65GLK、65WLG、65JZC）反應譜計算結果與中國《建筑抗震設計規(guī)范》的設計反應譜進行比較^［15］，可判定為II類場地，因此設計反應譜場地條件取II類場地（圖7）。65XKR臺水平向反應譜高于8度罕遇地震設計反應譜，峰值卓越周期為0.48 s；垂直向反應譜高于8度罕遇地震設計反應譜，峰值位于高頻段；65GLK臺水平向反應譜高于7度罕遇地震設計反應譜，低于8度罕遇地震設計反應譜，峰值位于高頻段，其他兩個水平向反應譜均低于7度罕遇地震設計反應譜。此外在大于1 s中長周期部分，65XKR臺水平向反應譜大于8度罕遇地震設計反應譜，其余3個臺均小于8度罕遇地震設計反應譜（圖8）。

4 結 論

以2020年1月19日21時伽師 M_S6.4地震獲取原始強震動記錄為依據(jù)，統(tǒng)計此次地震前余2次地震強震動數(shù)據(jù)，對比討論典型臺站譜比和卓越周期，反應譜和地震動衰減關系：

（1） 此次地震位于新疆中強地震多發(fā)區(qū)，強震動臺站分布較密，主要分布在震中西南方向，PGA值最大為633.3 cm·s^-2，儀器地震烈度高達9度。

（2） 分析距震中較近的4個臺記錄時程，記錄初動不明顯，65XKR臺水平向記錄最大幅值的周期較大，65GLK臺記錄時程出現(xiàn)兩次較大幅值，兩次幅值間持續(xù)6 s左右，65WLG和65JZC記錄波形呈紡錘形。

（3） 伽師M_S6.4地震主前余3次地震獲取數(shù)據(jù)臺站主要在60～100 km，在100 km以內兩水平向與垂直向峰值比在0.5～3之間，相對集中。

（4） 4個距震中較近臺站水平向加速度反應譜卓越周期主要集中在0～0.5 s，垂直向集中在0～0.2 s；65XKR臺水平向反應譜高于8度罕遇地震設計反應譜，峰值卓越周期為0.48 s；垂直向反應譜高于8度罕遇地震設計反應譜，峰值位于高頻段。

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OF JIASHI M_S6.4 EARTHQUAKE

ON JANUARY 19， 2020

ZHANG Zhen-bin¹， WANG Hong-wei²， Yeerzhati Bahetihan¹

（1.Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011，Xinjiang， China;

2. Institute of Engineering Mechanics， Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，

CEA， Harbin 150080，Heilongjiang， China）

Abstract： On January 18 and 19， 2020， three earthquakes with M_S≥5.0 occurred in Payzawat County， Kashgar Prefecture， Xinjiang， including M_S6.4 earthquake in Payzawat County at 21：00 on January 19. In order to better understand the characteristics of the strong motion records of this earthquake， this article analyzed the strong motion records of this earthquake sequence. From the waveform of the records， the Sikker strong motion station located in the near field area obtained larger peak accelerations， especially with obvious pulse peaks in the vertical direction and obvious pulse ground motions in the horizontal direction. The pulse period was about 2.78 seconds， and the peak velocity pulses were 38.1 cm·s^-1and 36.4 cm·s^-1respectively， which reflected the directional effect of fault rupture. Using the spectral ratio method to analyze the amplification of the site， there is a basic resonance period around 2 seconds; By comparing with the design response spectrum of Payzawat County in Kashgar Prefecture， the response spectrum of horizontal ground motion of Xikel station is much higher than that of 8 degree rare earthquake in Kashgar Prefecture.

Key words： Jiashi earthquake; Response spectrum; Peak value; Predominant period