2022年9月5日四川瀘定6.8級地震強(qiáng)震記錄及典型強(qiáng)震動站點(diǎn)特征分析

摘要：

對2022年9月5日四川瀘定M6.8地震中獲取的205條強(qiáng)震動觀測記錄進(jìn)行計(jì)算處理，發(fā)現(xiàn)近場站點(diǎn)NS向的地震動參數(shù)高于EW向，呈現(xiàn)出顯著的方向性差異;根據(jù)計(jì)算的地震動參數(shù)結(jié)果，繪制峰值加速度（PGA）及峰值速度（PGV）等值線分布圖，并研究該地震的衰減規(guī)律;計(jì)算近場站點(diǎn)的加速度反應(yīng)譜峰值周期、90%重要持時(shí)及卓越周期，得出近場站點(diǎn)90%重要持時(shí)變化范圍為10～30 s、平均持時(shí)為20 s；分析臺站51LDJ及51LDL的加速度反應(yīng)譜、傅里葉譜譜比，發(fā)現(xiàn)在不同震級、類似震中距的情況下，同一臺站譜形主要受震源影響，震級越大，反應(yīng)譜衰減越慢；計(jì)算分析M6.8主震及余震中典型臺站的水平與豎向速度反應(yīng)譜譜比，51LDL臺在主余震中卓越頻率平移不明顯，而51LDJ臺在強(qiáng)震下出現(xiàn)卓越頻率向低頻（大周期）的大幅度移動，可能是站點(diǎn)的場地非線性反應(yīng)引起。

關(guān)鍵詞：

瀘定M6.8地震; PGA; 加速度反應(yīng)譜; 衰減關(guān)系; 加速度反應(yīng)譜譜比

中圖分類號： P315.9""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2024）05-1203-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230102003

Strong motion records from the Luding M6.8 earthquake

in Sichuan Province on September 5， 2022， and

characteristics of typical strong motion stations

PAN Zhangrong1， ZHOU Yang1， ZHU Yongli2， MIAO Zaipeng1， WANG Feng1， ZHANG Rong1

（1. Gansu Earthquake Agency，Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Sichuan Earthquake Agency， Chengdu 610041， Sichuan， China）

Abstract：

A total of 205 strong motion records from the Luding M6.8 earthquake in Sichuan Province on September 5， 2022， were processed and analyzed. According to the calculated ground motion parameters， contour maps of peak acceleration and peak velocity were created， and the attenuation law of the M6.8 earthquake was examined. The analysis revealed that the ground motion parameters in the NS direction were larger than those in the EW direction， indicating a significant directional difference. The peak period， 90% important duration， and predominant period of the acceleration response spectrum at near-field stations were calculated. The 90% important duration ranged from 10 to 30 s， with an average duration of 20 s. The acceleration response spectrum and Fourier spectrum ratio for the typical stations 51LDJ and 51LDL were analyzed. The results indicate that， for different magnitudes and similar epicentral distances， the spectral shape is mainly influenced by the source. Specifically， as the magnitude increases， the response spectrum exhibits slower attenuation. The ratio of the vertical and horizontal acceleration response spectra for the two stations during the M6.8 main shock and its aftershocks was calculated. The predominant frequency shift at the 51LDL station was not significant， while the predominant frequency at the 51LDJ station exhibited a notable shift to lower frequencies （longer periods） during the strong earthquake， which may be attributed to the nonlinear response of the site.

Keywords：

Luding M6.8 earthquake; PGA; acceleration response spectrum; attenuation relationship; ratio of acceleration response spectra

0 引言

2022年9月5日12時(shí)52分，四川省瀘定縣（29.59°N，102.08°E）發(fā)生M6.8地震，震源深度16 km，地震發(fā)生在鮮水河斷裂帶附近，矩震級MW6.6，雙力偶成分占88%，是一次近純走滑的地震事件。發(fā)震斷層走向163°、傾角77°（傾向SW），滑動角為-5°［1］。張喆等［1］研究結(jié)果表明：本次地震主震破裂區(qū)主要由兩部分構(gòu)成：一破裂區(qū)為破裂起始點(diǎn)及其周圍，而另一破裂區(qū)位于其東南方，總體表現(xiàn)為從NW向SE的單側(cè)破裂，最大滑動量約1.4 m，位于起始破裂點(diǎn)附近。從矩心、矩張量反演和有限斷層反演得到的震源時(shí)間函數(shù)均表明地震持續(xù)時(shí)間約20 s。

中國數(shù)字強(qiáng)震動觀測臺網(wǎng)（不含國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程建設(shè)站點(diǎn)）在本次地震中共獲得89組三分向地震動加速度記錄，其中51MNC的UD向及51DYB的NS向因數(shù)據(jù)異常未采用。本次瀘定M6.8地震中共獲取波形完整、震相清晰的加速度記錄205條。

首先，對獲得的這205條強(qiáng)震動記錄進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、基線校正、濾波等常規(guī)處理，計(jì)算得到臺站加速度記錄三分向最大值（PGA）及速度三分向最大值（PGV），并繪制PGA、PGV等值線分布圖;然后，計(jì)算、分析近場（震中距l(xiāng)t;100 km）地震記錄的卓越周期、持續(xù)時(shí)間及加速度反應(yīng)譜峰值周期等地震動參數(shù)，結(jié)果表明：本次地震強(qiáng)震動記錄特征與震源機(jī)制緊密相關(guān);其次，分析本次地震典型臺站加速度反應(yīng)譜、傅里葉譜譜比，以及典型站點(diǎn)的強(qiáng)震與余震的速度反應(yīng)譜譜比，認(rèn)為51LDJ臺可能由于場地的非線性反應(yīng)引起卓越周期平移;最后，將臺站實(shí)測PGA與四組常見地震動衰減關(guān)系進(jìn)行對比分析，研究了本次地震的衰減規(guī)律。

1 強(qiáng)震動記錄收集及處理

1.1 臺站分布

M6.8瀘定地震震中位于青藏高原東南緣的鮮水河斷裂帶南東段的磨西斷裂附近。鮮水河斷裂帶北起甘孜東谷附近，大體呈NW—SE向展布，經(jīng)爐霍、道孚、乾寧（八美）、康定延伸至瀘定的磨西以南，并在石棉附近與龍門山斷裂帶和安寧河斷裂帶交匯，構(gòu)成了川西地區(qū)著名的“Ｙ字形”斷裂帶，全長約350 km，是一條活動強(qiáng)烈的大型左旋走滑斷裂帶，地震發(fā)育、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高［2-3］。1900年以來，此次地震震中附近200 km范圍內(nèi)共發(fā)生6級以上地震19次，震級最大的為1955年4月14日四川甘孜州康定縣7.5級地震（距離本次地震震中約53 km），時(shí)間最近的為2022年6月1日四川雅安市蘆山縣6.1級地震（距離本次地震震中約120 km）。

中國數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)（不含國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程建設(shè)的預(yù)警站點(diǎn)）在主震中獲取的89組、205條自由場地加速度記錄，觸發(fā)臺站分布見圖1;臺站分布在距震中16.3～335.9 km的范圍內(nèi)，其中震中距在50 km以內(nèi)的有5組，50～100 km以內(nèi)的有6組，其余均大于100 km。

1.2 地震記錄分析

對主震中獲得的205條強(qiáng)震動記錄進(jìn)行了格式轉(zhuǎn)換、基線校正、濾波等常規(guī)處理［4-6］，近場（震中距l(xiāng)t;100 km）觸發(fā)強(qiáng)震動臺站基本信息及獲取記錄的地震動參數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表1。由表1可知，本次地震強(qiáng)震動記錄單分向峰值加速度由51SMM臺的NS向獲取，震中距為48.2 km，其三分向（EW、NS、UD向）加速度峰值分別為：316.7 cm/s2、394.3 cm/s2、116.7 cm/s2;本次地震單分向峰值速度由震中距最近的51LDJ臺NS向獲取，震中距為16.30 km，其三分向（EW、NS、UD向）速度峰值分別為：12.34 cm/s、41.00 cm/s、7.74 cm/s。此次地震的PGA（加速度記錄三分向最大值）和PGV（速度記錄三分向最大值）值整體上隨震中距增加呈遞減趨勢。圖2為51SMM、51LDJ及51LDL三個典型強(qiáng)震動臺站的加速度及速度時(shí)程記錄。

由圖2和表1可知，近場50 km范圍內(nèi)多數(shù)臺站NS向記錄峰值加速度高于EW向，最大相差2.76倍，呈現(xiàn)出顯著的方向性差異，與震源機(jī)制直接相關(guān)。圖2顯示，近場的51SMM、51LDJ及51LDL三個站點(diǎn)水平向速度記錄呈現(xiàn)雙向脈沖，特別是NS方向速度記錄時(shí)程雙向脈沖明顯，而垂直向無明顯脈沖，且水平向峰值速度明顯大于垂直向，是高角度純走滑地震事件的典型表現(xiàn)。

2 地震動持時(shí)及反應(yīng)譜分析

2.1 地震動持時(shí)

計(jì)算三分向強(qiáng)震動記錄的傅里葉譜，得到地震記錄三分向的卓越周期;計(jì)算三分向記錄5%阻尼比的加速度反應(yīng)譜，得到地震記錄三分向的反應(yīng)譜峰值周期;計(jì)算三分向90%重要持續(xù)時(shí)間，得到三分向地震動持時(shí)。其中90%重要持續(xù)時(shí)間定義為：

Td=T2-T1 （1）

式中：T2和T1分別為I（t）為0.95和0.05時(shí)對應(yīng)的時(shí)間，I（t）定義為：

I（t）=∫t0a2（t）∫T0a2（t） （2）

式中：a（t）為地震動加速度。

表2給出了近場強(qiáng)震動臺站（震中距＜100 km）三分向地震動90%重要持續(xù)時(shí)間、卓越周期及反應(yīng)譜峰值周期。圖3為典型強(qiáng)震動臺站的地震動持時(shí)計(jì)算結(jié)果，紅色區(qū)域?yàn)榈卣饎?0%重要持續(xù)時(shí)間。

從表2中可以看出：

（1） 近場站點(diǎn)的加速度記錄90%重要持時(shí)變化范圍為10～30 s，在EW、NS和UD三分向均值分別為：20.26 s、19.11 s、18.89 s。張喆等［1］通過矩心矩張量反演和有限斷層反演得到的震源時(shí)間函數(shù)，得到地震持續(xù)時(shí)間約20 s，與本文計(jì)算結(jié)果基本吻合?？梢娀诘卣鹉芰坷鄯e過程定義的90%重要持時(shí)（顯著持時(shí)），可為計(jì)算地震持時(shí)提供參考依據(jù)。

（2） 近場站點(diǎn)的 90% 重要持時(shí)隨震中距增加持續(xù)時(shí)間增大，主要由于地震波在非均勻介質(zhì)傳播過程中經(jīng)歷多次反射與折射，地震波長度隨著傳播距離的增大而增長;土層介質(zhì)的非彈性導(dǎo)致地震波能量在傳播過程中被吸收，使地震動幅值減?。?］。

（3） 本次地震中51SMX臺（震中距39.9 km）記錄的持時(shí)最小，三分向（EW、NS、UD向）持續(xù)時(shí)間分別為10.11 s、11.86 s、11.29 s，明顯小于其他站點(diǎn)，此現(xiàn)象與震源運(yùn)動特性相關(guān)。據(jù)圖1顯示，51SMX臺位于震源破裂前方，地震中多普勒效應(yīng)致使破裂前方的地震動高于破裂后方，導(dǎo)致斷層面輻射的能量幾乎同時(shí)到達(dá)前方觀測點(diǎn)，使得傳播前方觀測點(diǎn)的地震動較之后方地震動持時(shí)更短［8］。其他近場站點(diǎn)持續(xù)時(shí)間存在明顯的離散性且分布范圍較寬，可能與斷層破裂過程、震源運(yùn)動特性有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究。

（4） 近場站點(diǎn)記錄（除51HYQ站點(diǎn)外）的EW、NS和UD三分向的加速度反應(yīng)譜峰值周期范圍為0.1～0.5 s，對自震頻率為2～10 Hz的建筑物存在較大的破壞力。

（5） 本次地震記錄到的地震動卓越頻率范圍較寬，長周期成分豐富，PGV/PGA值較大，對結(jié)構(gòu)的破壞力較強(qiáng)，造成了震中區(qū)的房屋破壞嚴(yán)重。

2.2 典型臺站譜分析

為進(jìn)一步分析同一站點(diǎn)對不同震級的反應(yīng)，本文選取51LDJ（瀘定加郡）、51LDL（瀘定冷磧）臺記錄的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。兩個臺站在2022年11月18日四川瀘定M4.3地震、2022年10月22日四川瀘定M5.0地震、2022年9月5日四川瀘定M6.8地震中都記錄到了完整的強(qiáng)震動波形。3次地震中，51LDJ及51LDL臺強(qiáng)震動記錄的EW向、NS向及UD向加速度反應(yīng)譜（阻尼比為5%）見圖4。3次地震中51LDJ臺的EW向/UD向、NS向/UD向加速度傅里葉譜譜比（Parzen：0.2 Hz）見圖5。具體分析為：

（1） 圖4（a）～（b）顯示，51LDJ及51LDL臺在M6.8主震中獲取的地震記錄在大于1 s的中長周期部分，反應(yīng)譜值仍為50～150 gal，因此，M6.8主震對結(jié)構(gòu)自振周期較長的大壩、橋梁、輸電塔、超高建筑等可能造成影響。

（2） 圖4（c）～（d）展示了不同地震震級在類似震中距的情況下對同一臺站反應(yīng)譜的影響，震中距類似，同一臺站譜形主要受震源影響，震級越大，反應(yīng)譜衰減越慢。

（3） 圖5對比了51LDJ及51LDL臺在不同震級的加速度傅里葉譜譜比?？芍?，同一個臺站、同一場地條件、相近震中距的情況下，對不同震級的地震的放大效應(yīng)不一樣。51LDJ臺在M4.3地震中，NS向放大9～10倍，EW向放大4～5倍，放大頻率均在3.8 Hz，頻譜曲線成單峰;在M5.0地震中，EW、NS均放大4～5倍，放大頻率均在2～3 Hz內(nèi)，頻譜曲線成多峰;在M6.8地震中，NS向放大9～10倍，放大頻率在1.5 Hz，EW向放大4～5倍，放大頻率在2.5 Hz。51LDL臺在M4.3地震中，NS向放大13～14倍，EW向放大6～7倍，峰值放大頻率在2～3 Hz，譜比曲線成多峰;在M5.0地震中，NS向放大11～12倍，EW向放大6～7倍，峰值放大頻率在2.5 Hz，譜比曲線成單峰;在M6.8地震中，NS向放大9～10倍，EW向放大4～5倍，峰值放大頻率在3.5 Hz。整體上看，兩個臺站在NS方向的放大效應(yīng)大于EW方向。

（4） 從圖4（c）與圖5（c）中可以看出，51LDJ臺在NS向數(shù)據(jù)記錄與其他分向存在較為明顯的區(qū)別。根據(jù)文獻(xiàn)［9］的建議方法，計(jì)算了51LDJ及51LDL站點(diǎn)在M6.8主震及余震的阻尼比為 5% 的水平與豎向速度反應(yīng)譜譜比，譜比曲線見圖6。由圖可知，51LDL臺卓越頻率稍有平移，但平移不明顯，而51LDJ臺強(qiáng)震下出現(xiàn)了卓越頻率向低頻（大周期）的大幅度移動。51LDJ臺在水平方向卓越頻率的明顯移動可能是強(qiáng)震作用下土體在大應(yīng)變下動剪切模量發(fā)生降低，導(dǎo)致卓越頻率出現(xiàn)偏移的現(xiàn)象，這是場地非線性反應(yīng)的重要特征［9］。

3 地震動峰值分布圖

地震動峰值參數(shù)主要為峰值加速度及峰值速度。采用克里格插值法，以每個觀測點(diǎn)的加速度及速度三分向最大值為基礎(chǔ)繪制峰值加速度（PGA）及速度峰值（PGV）等值線分布圖（圖7）。

由圖7（a）、（b）可知，四川瀘定M6.8地震PGA等值線圖整體上呈NW—SE方向展布，但最大值未位于震中，與最大PGA并非是震中最近站點(diǎn)獲取有關(guān);PGV等值線圖整體上呈NWW展布，最大速度值位于震中附近。由于宏觀地震烈度的主觀性和綜合性特征，儀器烈度和宏觀烈度很難做到完全一致。但圖7顯示儀器烈度值基本符合宏觀調(diào)查烈度值，儀器烈度可為地震烈度提供參考依據(jù)，特別是前期震區(qū)烈度信息較少的情況下通過觀測儀器快速計(jì)算烈度，為快速評估震害損失提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 幅值衰減特征

地震動能量隨震中距增加而不斷損耗，受震源和傳播路徑介質(zhì)的影響，地震動在傳播過程中會呈現(xiàn)出不同的衰減特性。而地震動衰減關(guān)系表征了地震動參數(shù)隨震級、距離、場地等因素變化的規(guī)律，具有一定的物理意義。

圖8（a）～（c）展示了我國常用四種土層場地的地震動預(yù)測方程：青藏區(qū)（包括川滇地區(qū)）地震動衰減關(guān)系［10］、汪素云等［11］提出的中國西部地震動衰減關(guān)系、霍俊榮等［12］提出的土層模型Ⅲ衰減關(guān)系、喻畑等［13］提出的川滇地區(qū)中小震地震動衰減關(guān)系。通過計(jì)算預(yù)測方程不同震中距下的預(yù)測PGA值，與本次地震獲得的加速度記錄實(shí)際觀測值（EW向、NS向及UD向）進(jìn)行對比;圖8（d）對比了霍俊榮等［12］和汪素云等［11］所提出衰減關(guān)系的中位值±1倍為標(biāo)準(zhǔn)差曲線與本次地震水平向?qū)崪yPGA值，以探討預(yù)測方程的適用性和驗(yàn)證地震衰減關(guān)系的合理性。

由圖8可見，M6.8瀘定地震的PGA在EW、NS方向的水平觀測值均分布于預(yù)測值兩側(cè)，與衰減關(guān)系的預(yù)測值均吻合較好;而在UD方向上觀測值整體位于預(yù)測值下側(cè)，即觀測值均小于兩組衰減關(guān)系預(yù)測值。造成這種現(xiàn)場的可能原因與場地條件對三分向的影響程度不一樣有關(guān)。

圖8（a）～（c）表明：在0～200 km距離內(nèi)，瀘定地震水平向記錄較符合汪素云等［11］和霍俊榮等［12］所提出的衰減關(guān)系;對俞言祥等［10］所提方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)瀘定地震水平向觀測值多位于預(yù)測曲線之下，預(yù)測方程顯然高估了本次地震;對喻畑等［13］所提方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)地震水平向觀測值多位于預(yù)測曲線之上，預(yù)測方程明顯低估了本次地震。圖8（d）對比結(jié)果顯示，文獻(xiàn)［11］中衰減關(guān)系的中位值±1倍標(biāo)準(zhǔn)差曲線更符合本地地震PGA觀測值。

需要說明的是，地震動衰減關(guān)系本身是利用大量強(qiáng)震動記錄回歸得到的，具有擬合特性，而單次地震觀測值本身存在較大的隨機(jī)性。因此，雖然本次地震的PGA存在離散型，且UD向整體值小于預(yù)測值，但整體上觀測值與兩組衰減關(guān)系的衰減特性基本一致。

5 結(jié)論

本文處理和分析了四川瀘定M6.8地震的205次強(qiáng)震動觀測記錄（不含國家預(yù)警工程建設(shè)站點(diǎn)），計(jì)算了強(qiáng)震動記錄的相關(guān)參數(shù)，對比了幅值衰減特性，并對典型臺站的加速度反應(yīng)譜進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

（1） 近場50 km范圍內(nèi)大部分臺站NS向的PGA高于EW向，最大相差2.76倍，呈現(xiàn)顯著的方向性差異，且近場的51SMM、51LDJ及51LDL三個站點(diǎn)的速度水平向呈現(xiàn)雙向脈沖，特別是NS方向速度時(shí)程上雙向脈沖明顯，而垂直向無明顯脈沖，且水平向峰值速度明顯大于垂直向，是高角度純走滑的地震事件的典型表現(xiàn)。

（2） 繪制了本次地震的PGA和PGV等值線分布圖。PGA等值線圖整體上均呈NW—SE方向展布，但最大值未位于震中;PGV等值線圖呈NWW展布，最大速度值位于震中附近。儀器測定的地震烈度值基本符合宏觀調(diào)查的地震烈度值，測量值可提供定量依據(jù)，以供測定地震烈度時(shí)參考使用。

（3） 近場站點(diǎn)的加速度記錄90%重要持時(shí)變化范圍為10～30 s，在EW、NS和UD三分向均值分別為：20.26 s、19.11 s、18.89 s，與文獻(xiàn)［1］結(jié)論吻合?？梢娀诘卣鹉芰坷鄯e過程定義的90%重要持時(shí)（顯著持時(shí)），可為地震持時(shí)計(jì)算提供參考依據(jù)。

（4） 本次地震51SMX臺的持時(shí)最小，三分向（EW、NS、UD向）持續(xù)時(shí)間分別為10.11 s、11.86 s、11.29 s。該站點(diǎn)位于震源破裂前方，地震動持時(shí)明顯小于其他站點(diǎn)，與地震中多普勒效應(yīng)有關(guān)，體現(xiàn)了走滑地震的明顯特征。

（5） PGA觀測值與四組衰減關(guān)系對比顯示，本次地震水平向記錄與文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］兩個衰減關(guān)系較符合;對于文獻(xiàn)［10］方法而言，預(yù)測方程顯然高估了本次地震;而文獻(xiàn)［13］所提出的預(yù)測方程顯然低估了本次地震。

（6） 計(jì)算典型臺站的加速度反應(yīng)譜及加速度傅里葉譜譜比，分析不同地震震級在類似震中距的情況下對同一臺站反應(yīng)譜的影響，震中距類似，同一臺站譜形主要受震源影響，震級越大，反應(yīng)譜衰減越慢。

（7） 分析了51LDJ及51LDL臺在M6.8主震及余震阻尼比為5%的水平與豎向速度反應(yīng)譜譜比，51LDL臺站卓越頻率平移不明顯，而51LDJ在強(qiáng)震下出現(xiàn)了卓越頻率向低頻（大周期）的大幅度移動，可能是由站點(diǎn)的場地非線性反應(yīng)引起的。

致謝：感謝國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心提供的原始強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)，感謝四川強(qiáng)震動觀測人員在此次地震觀測、記錄收集工作中的辛勤付出！

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（本文編輯：任 棟）