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汶川8.0级地震强震动特征初步分析
汶川8.0级地震强震动特征初步分析
于海英*1) 王栋1) 杨永强1) 卢大伟2) 解全才1) 张明宇1) 周宝峰1) 江纹乡1) 程翔1) 杨剑1)
1)中国地震局工程力学研究所,哈尔滨150080
2)中国地震局地壳运动监测工程研究中心,北京100036
 [收稿日期]: 2008-11-20
摘要

本文对国家强震动台网中心收集的2008年5月12日14时28分04秒汶川8.0级地震中获取的420组三分量加速度记录进行了处理和初步分析。在这次地震中布设在龙门山断裂带及其周围地区的50多个台站获得了大于100gal的加速度记录,有46组三分量加速度记录的断层距小于100km,使中国大陆近断层区域所获得的强震动加速度记录的数量成倍增加。本文依据这批数据,对汶川大地震强震动特性进行了初步分析,给出了此次地震断层附近地区的PGA衰减规律,并利用此规律模拟了断层附近的加速度峰值,绘制了PGA分布图、竖向PGA与水平向PGA比值图;给出了汶川地震断层附近的加速度反应谱、上盘效应、竖向效应、速度大脉冲效应等地震动特征,这些特征可作为抗震设计规范修订的依据并供灾区重建时参考。


引言

2008年5月12日14点28分,在中国四川省汶川县发生了震级为Ms8.0的特大地震,震中位于北纬31.021。,东经103.367。,震源深度14km。汶川地震发生在龙门山逆冲断裂带上,该断裂带是活动强烈的青藏高原块体与活动较弱的四川盆地块体之间的交界线,沿着四川盆地西北缘底部切过,长约400km,宽达60km,是一个规模巨大的复合型构造带。龙门山断裂带由4条大断裂构成,自西向东分别为龙门山后山断裂(汶川-茂汶断裂)、中央断裂(北川-映秀断裂)、前山断裂(灌县-江油断裂)和山前隐伏断裂。控制本次强震发生的断裂是中央断裂,断层破裂以逆冲为主,兼有走滑分量,震源机制复杂(陈运泰等,2008)。整个破裂过程为单侧破裂,破裂始于汶川县映秀镇附近,向东北方向经北川县延伸了约300km。在中国除黑龙江、吉林、新疆以外,所有地区均有不同程度的震感,尤以四川、陕西、甘肃三省震灾最为严重(中国地震局震防御司,2008)。截至到2008年8月22日,共发生4.0级及以上余震261次,5.0级及以上余震39次,6.0级及以上余震8次,最大余震为6.4级。主震和余震分布如图1所示。

图 1汶川大地震主震和余震分布 Fig. 1Epicenter distribution of main shock and aftershock of Ms8.0 Wenchuan earthquake

在"5.12"汶川大地震中,国家数字强震动台网有420个台站(其中包括402个固定自由场合站、1个地形影响台阵和2个结构台阵)获得了震相完整的强震动加速度记录,尤其是布设在龙门山断裂带及其周围地区的50多个台站获得了大J-100gal的加速度记录,有46组三分量却速度记录的断层四小于100km,使中国大陆近断层区域所获得的强震动加速度记录的数量成倍增加,极大地丰富了我国强震动观测数据库。本文主要内容是对国家强震动台网中心收集到的强震加速度记录进行处理,并非J步分析这次地震的地震动特性。获得记录的固定自由场强震动观测台站分布如图2所示。获取到强震动加速度记录的台站所使用的仪器均为数字强震动仪,如GDQJ-II、GDQJ-1A、GSMA-24IP、Etna、K2,GSR-18、MR-2002等7种型号的数字强震仪,传感器大部分使用SLJ-100型力平衡式加速度计,只有少部分Etna内置传感器采用ES-T型力平衡式加速度计,频率范围在0-80Hz,采样率一般是200sps,事前预存储20s。汶川地震主震后,中国地震局组织调动了国家强震动台网中心、西北强震动分中心、西南分中心流动观测基地的人员和设备,赴四川地震现场进行余震流动观测。在地震重灾区范围内,迅速布设了由59个数字强震仪组成的流动观测台阵,同时根据余震分布和趋势预测情况,不断地调整流动观测台阵中台站的布设位置,以尽可能获得更多的强震动观测记录(李小军等,2008),截至2008年9月30日凌晨,国家强震动台网中心共汇集余震强震动事件2871组三分量。

图 2汶川8.0级地震获得记录台站分布图 Fig. 2Distribution of thestations obtained records from the Ms8.0 Wenchuan earthquake
1 加速度记录的收集、整理与统计分析

中国数字强震动台网的420个台站在2008年5月12日14时28分04秒汶川I地震中获得了强震动记录,台站分布于四川、云南、甘肃、陕西、宁夏、青海、山西、山东、河南、河北、北京、天津、内蒙古、江苏、上海、福建、广东、湖北、安徽19个省市。其中四川台站131个,其它省市台站289个。初步分析统计结果如下:

(1)强震动事件420组,其中有7个台站单通道未获得记录,即共获取1253条加速度记录;峰值大于100gal加速度记录有118条。

(2)最大加速度记录峰值为957.7gal,是汶川卧龙台获得的;其次是绵竹清平台;再次之是什邡八角台。这3个主震记录加速度峰值见表1。

(3)断层距小于20km的有12个台站;断层距20-50km之间的有11个台站;断层距50-100km之间的有23个台站;离断层最近的强震动台站是四川绵竹清平台,距断层0.74km。

(4)断层附近的加速度记录峰值高,其中有一个自由场台站峰值加速度接近1个重力加速度;持续时间长,平均在160s;水平向加速度主要频率平均在6Hz以下;竖向加速度主要频率平均在6Hz以上。

(5)断层附近的计算速度和位移记录峰值较高,其中绵竹清平台东西向峰值速度和位移分别达到131cm/s和130cm,计算速度和位移曲线见图5,速度大脉冲效应明显。

本文选取断层附近21个台站的加速度记录波形绘于图3,这21个台站的场地条件等基本信息见表2,地震动峰值加速度分布统计如图4所示。


(a)EW向

(b)SN向

(c)UD向
图 3汶川8.0级地震加速度时程曲线 Fig. 3Accelerogram of the Ms8.0 Wenchuan earthquake
图 4地震动峰值加速度分布统计 Fig. 4The statistical distribution of peak ground acceleration
表1 三个主震加速度记录峰值和主频 Table 1 Peak ground acceleration and main frequency from three records
表2 21个台站的基本信息 Table 2 Basic parameters of 21 stations
2 加速度峰值的衰减规律

在统计衰减规律时,首先定义断层距为场地至断层破裂面的最短距离。破裂面采用美国USGS网站公布的汶川8.0级地震震源机制模型中的破裂面(Chen Ji等,2008)。根据收集的加速度记录峰值共计1253个,其中东西向419个、南北向420个、竖向414个。同时以这批数据为基础,统计回归了汶川8.0级地震加速度记录衰减规律,图6为自由场地峰值加速度与距离的关系。图6中的实线为统计回归后的衰减规律曲线,其方程式与参数如下:

log10(PGA)=a+blog10(Drup+c)

式中,PGA为峰值加速度,单位为gal;Drup为断层距,单位为km;abc为回归参数列于表3,其中σ为回归标准差。

图 5校正加速度、速度、位移时程曲线 Fig. 5Acceleration,velocity and displacement with time after correction
表3 回归参数表 Table 3 The list of regression parameters

在近断层获取的加速度记录中,有一个台站的PGA值接近1g,且由于映秀一北川断层是向东偏北走向的逆冲断层,上盘的加速运动方向是向东,下盘的加速运动方向是向西,如上盘的汶川卧龙台和下盘的绵竹清平台的东西分量PGA分别是957.7gal和一824.1gal;而南北分量PGA分别是652.9gal和802.7gal。由于汶川地震的破裂由南向北,由逆冲机制变为走滑机制,断层开始逆冲破裂阶段的东西分量PGA值较南北分量大。然而就整个区域的PGA分布来看,东西分量和南北分量的大小没有明显规律。

从竖向与水平向的比值图来看(如图7所示),比值随近断层距减小而增大,破裂分段的影响较为显著,逆冲段比值明显比走滑段大,近断层竖向与水平向的比值明显大于2/3,离断层约70--150km范围内竖向与水平向的比值在1/2—2/3之间,远离断层时水平向明显大于竖向。


(a)EW方向

(b)NS方向

(c)UD方向
图 6汶川8.0级地震自由场峰值加速度随断层距离的衰减曲线 Fig. 6Free-field PGA and distance attenuation curve of the Ms8.0 Wenchuan earthquake

(a)竖向/东西向

(b)竖向/南北向
图 7汶川8.0级地震竖向与水平向峰值加速度比值图 Fig. 7Distribution of ratio between vertical and horizontal acceleration of the Ms8.0 Wenchuan earthquake
3 加速度峰值分布

地面运动加速度大小和强震动持续时间长短直接决定了地震的破坏力。汶川地震获得的大量强震动数据可以用来更好的确定宏观震中,为震害评估和救灾提供依据。本文利用汶川8.0级地震加速度记录衰减规律,并参考场地周边20km内台站的峰值地表加速度值加以“平滑化”,即可模拟该场地峰值加速度(李政宽等,1999)。模拟的台站点包括四川、甘肃、陕西等场地共792个,峰值加速度估算公式如下:

log10(PGAj)=log10y(Distj,Sitej)+1 n
W(Dij)Resi
i=1
1+ n
W(Dij)
i=1

式中,y(Dist,Site)为某场地回归曲线上对应的地表峰值加速度;PGA为估算的地表峰值加速度;W为台站和场地之间距离决定的权重;Res为记录值和峰值之差。
其中:
W(D)= ì
í
î
1/(D+0.1)   D20km
0   D20km

图8是由上述计算方法求得的加速度分布图,其中(a)、(b)、(c)分别为东西、南北和竖向分量的峰值加速度分布图,它们能够较好地描绘震害的分布情况。从图8可看出,较大的加速度峰值沿发震断层分布,并集中在靠近断层的狭长区域;相同断层距的上盘峰值加速度值明显高于下盘值,且衰减缓慢;发震断层破裂前方的地震动加速度峰值较大,上、下盘效应和方向性效应较明显。


(a)EW向PGA分布

(b)NS向PGA分布

(c)UD向PGA分布
图 8汶川8.0级地震峰值加速度分布 Fig. 8PGA distribution of the Ms8.0 Wenchuan earthquake
4 加速度反应谱

根据汶川地震断层附近台站所获得的加速度记录,计算单自由度线弹性反应谱(阻尼为5%)。图9为断层附近21个台站东西向、南北向及竖向加速度反应谱。由图9中的反应谱形状可知,大部分台站加速度反应谱值在系统周期ls、2s时有较大数值,部分台站加速度反应谱值在系统周期3s、4s时仍有较大数值。本次地震近断层附近的加速度反应谱长周期分量并不明显,而在沿断层破裂方向,且离震中较远的陕西部分台站(如渭南、西安和咸阳台分别离震中卧龙691km、637km和621km)长周期分量却十分显著,加速度反应谱在9s左右仍有较大谱值。图10为西安附近3个台站加速度反应谱,这与该地区的场地条件有密切关系,渭南、西安、咸阳3个台址区分别位于渭河断裂北侧、渭河断陷盆地中部、渭河断裂带附近,且都是土层,依据中华人民共和国《岩土工程勘察规范(GB50021.2001)》,场地条件类型均为III类。这样的场地对地震动有放大作用,且地震动长周期分量明显,工程震害资料表明该地区有烟囱或高大建(构)筑物严重破坏。


(a)EW向

(b)SN向

(c)UD向
图 9汶川8.0级地震断层附近21个台站加速度反应谱曲线(阻尼比5%) Fig. 9Acceleration responses pectrum of the Ms8.0 Wenchuan earthquake
from 21 stations near fault (damping5%)
图中曲线颜色表示不同阻尼,黑色:0.0;蓝色:0.02;红色:0.05;紫色:0.1;绿色:0.2
图 10汶川8.0级地震西安附近3个台站加速度反应诺曲线 Fig. 10Acceleration respon se spectrum ofthe Ms8.0 Wenchuan earthquake
from 3 stations near Xi'an
5 结语

汶川大地震以前,由于我国强震动台站数量很少,缺乏自己的强震动观测记录尤其是大震近场记录。汶川大地震强震动记录群均为数字强震仪记录,震相完整、记录质量高,并且具有详细的台站场地资料,为研究我国强地震动的衰减规律、修改地震动参数区划图、重新确定抗震设计加速度和设计谱,提供了极其宝贵的资料。在此基础上修订各类建筑结构、核电站的抗震设计规范,将更加合理和符合中国国情。由本文的初步分析可以得到下列结论:

(1)断层附近的加速度记录峰值高,其中有一个自由场台站峰值加速度接近1个重力加速度,较大的地表加速度值分布在断层两侧及沿断层破裂方向;持续时间长,平均在160s;水平向加速度主要频率平均在6Hz以下;竖向加速度主要频率平均在6Hz以上。

(2)断层附近的计算速度和位移记录峰值较高,其中有一个自由场台站东西向峰值速度和位移分别达到13lcm/s和130cm,速度大脉冲效应较明显。

(3)较大的加速度峰值沿发震断层分布,集中在靠近断层的狭长区域;相同断层距的上盘峰值加速度值明显高于下盘值,且衰减缓慢;发震断层破裂前方的地震动加速度峰值较大,上盘效应和方向性效应较明显。

(4)近断层竖向与水平向的比值随近断层距减小而增大,破裂分段的影响较为显著,逆冲段比值明显比走滑段大,近断层比值明显大于2/3,加速度记录竖向分量的最大值接近水平向分量的2.5倍。

(5)由近断层加速度反应谱可得本次地震近断层附近的加速度反应谱长周期分量并不明显,而在沿断层破裂方向,受场地条件和地质环境的影响,离震中较远的部分台站(如渭南、西安、咸阳台)长周期分量却十分显著。

(6)在如此大范围的台站获得特大地震主震加速度记录,极大地丰富了我国的强震动记录数据库,填补了我国获取强地震近场加速度记录的空白。

致谢

感谢中国地震局震害防御司领导在汶川地震后对数据回收处理工作的大力支持;感谢强震动首席专家周雍年、李小军对本项工作提出的宝贵意见;感谢四川、云南、甘肃、陕西、宁夏、青海、山西、山东、河南、河北、北京、天津、内蒙古、工力所、江苏、上海、福建、广东、湖北、安徽各省地震局或单位的所有强震动观测人员在汶川地震观测、记录收集工作中的牺牲精神和辛勤劳动。

参考文献
1.陈运泰,许力生等,2008.2008年5月12日汶川特大地震震源特性分析报告,汶川8.0级地震抗震救灾科技专题报道.中国地震局地球物理研究所网站.
2.李小军,周正华,于海英,温瑞智,2008.汶川8.0级地震强震动观测及记录初步分析.见:汶川地震建筑震害分析与重建研讨会论文集?出版,28—29.
3.李政宽,罗俊雄,辛在勤,1999.集集地震之地震观测及强地动分析.结构工程,14(3):5—28.
4.中国地震局震害防御司,2008.汶川8.0级地震未校正加速度记录.中国强震记录汇报,第十二集,第一卷北京:地震出版社.
5.Chen Ji and Gavin Hayes,2008.Finite Fault Model—Preliminary Result of the May12,2008 MW7.9Eastern Sichuan,China Earthquake.The Web of National Earthquake Information Center(NEIC)of United States Geological Survey.


The Preliminary Analysis of Strong Ground Motion Characteristics from the M_S8.0 Wenchuan Earthquake,China
Yu Haiying*1), Wang Dong1), Yang Yongqiang1), Lu Dawei2), Xie Quancai1), Zhang Mingyu1), Zhou Baofeng1), Jiang Wenxiang1), Cheng Xiang1) and Yang Jian1)
1) Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,China
2) Research Center of CMONOC,China Earthquake Administration,Beijing 100036,China
Abstract

In this paper,a total of 420 three-component acceleration records obtained from the MS8.0 Wenchuan earthquake which struck Sichuan,China on May 12th,2008 at 14:28:04 were processed and analyzed preliminarily.All records were collected by China Strong Motion Net Center(CSMNC).There are more than 50 stations set up along Longmenshan mountain fault zone and acceleration record is as high as over 100 gals,in which 46 three-component acceleration records were collected within in the distance of less than 100 km from the fault.Amount of near-fault strong motion records in Mainland China greatly increase.Based on the collected data,the basic characteristics of the strong ground motion of Wenchuan earthquake were analyzed.Based on the statistical analysis of PGA,the specific attenuation of Wenchuan earthquake is obtained,and this attenuation relationship is then applied to simulate near-fault PGA of the region.The spatial distributions of PGA and the ratio between the vertical and horizontal acceleration are plotted.The basic characteristics of near-fault ground motion of this earthquake,such as acceleration response spectrum,the hanging wall effect,the vertical effect,the rupture directivity effect,the fling step effect can be used as reference in the seismic design code recension and disaster area reconstruction.



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汶川8.0级地震强震动特征初步分析
于海英*1) 王栋1) 杨永强1) 卢大伟2) 解全才1) 张明宇1) 周宝峰1) 江纹乡1) 程翔1) 杨剑1)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20080401