引言

据中国地震台网测定,2014年8月3日16时30分云南省昭通市鲁甸县(北纬27.1度,东经103.3度)发生MS6.5级地震,震源深度仅12km,震中位于鲁甸县龙头山镇附近。根据云南省民政部门统计,截止2014年8月7日19时,此次地震已经造成615人死亡,114人失踪,3143人受伤,22.97万人紧急转移安置,108.84万人受灾。相比震级MS7.0的芦山地震,此次地震震中附近的人员伤亡与房屋损毁均更为严重。

鲁甸地震中我国数字强震动台网共有60余个台站被触发,这是我国继MS7.0级芦山地震之后又一次破坏性浅源地震(温瑞智等,2013a)并获得数量较多的强震动记录,其中震中附近的龙头山镇台站(053LLT)获得了峰值加速度超过900gal的强震记录。本文在对主震的强震记录进行处理后,分析了地震动的基本特征,从幅值特征、衰减关系等方面加以分析;整理了近场典型强震动台站附近建筑物的震害考察结果,并尝试从地震动特征的角度对震害现象加以解释。

1 强震动记录
1.1 强震记录分布与处理

截止2014年8月6日,根据强震动台网中心发布的数据,共获得3分量自由场地记录61组,包括四川省28组,云南省33组。图1给出了主震触发台站的地理位置分布,可以看出震中附近触发台站相对较稀疏,震中距50km内仅捕获7组主震记录。截止2014年8月11日,记录到余震总数为1335个,其中5.0—5.9级地震0个,4.0—4.9级地震4个,3.0—3.9级地震8个,其余余震均低于3级,余震序列触发的强震动台数量较少。在进行强震记录分析之前要对其进行必要的数据处理。本文采用Boore(2001)提出的方法对部分近场记录进行基线校正处理(任叶飞等,2011),消除基线漂移对位移、反应谱长周期部分的影响。

图 1 鲁甸6.5级地震中触发的强震台站分布 Fig. 1Strong motion stations triggered in Ludian MS6.5 earthquake
1.2 强震记录幅值特征

考虑到强震动台站密度对插值精度的影响,本文仅对台站分布相对集中的102°E—105°E,26°N—28°N区域绘制加速度峰值(PGA)等值线。为了清晰可靠地显示等值线结果,统计各主震记录的PGA后,将PGA取自然对数后再做克里金插值计算,等值线间隔为0.5,计算结果如图2所示,可见三分量的PGA等值线形状均较为平滑,长轴沿西北-东南方向展布,角度约为北偏西20°,见图2中的红色直线。对数等值线图与加速度的对应关系见表1。

表1 等值线加速度对应表 Table 1 The corresponding PGA for contour map
图 2 PGA自然对数等值线图(由左至右分别为记录东西、北南、竖直方向,红色直线表示等值线的主轴方向) Fig. 2Contour map of logarithm PGA

王卫民等反演得到的标量地震矩约为2.1×1018N•m,矩震级约为Mw 6.2级,与全球地震矩张量解(GCMT)一致,并认为破裂面走向、倾角以及滑动角为162º、86º、6º,范围40km×10km(http://www.igg.cas.cn/xwzx/kyjz/201408/t20140808_4172104.html)。鲁甸地震震中位于东北-西南向昭通-鲁甸断裂带附近,结合余震的空间展布,目前普遍认为北西向节面为破裂面,切割主断裂带的北西向包谷垴-小河断裂带为发震断层。

震中距小于50km的7个台站的强震记录参数PGA、PGV(峰值速度)计算结果如表2所示。此次地震中最大的加速度峰值记录在震中距不足10km的龙头山镇台站(053LLT)取得,东西、北南和竖直方向的PGA分别为949gal、-706gal和-504gal(1gal=1cm/s2)。其次在铅厂台站(053QQC)的三分量PGA分别为-146.0gal、-140.3gal和-52.8gal,该台站震中距仅比053LLT约远10km,但是PGA水平却显著低于053LLT。此外,震中距为43.1km的马树台站(053QJX)的水平分量PGA高达135gal,较震中距低于40km的053LDC与053HYC台站要高出很多。

表2 震中距50km内强震动记录相关参数 Table 2 Parameters of strong motion recordings within 50km from the epicenter
2 地震动衰减

本文选取了4组PGA的衰减关系,分别是俞言祥等(2006)的中国西部地区(YW06模型)、霍俊荣(1989)的中国西南地区(Huo89模型)、雷建成等(2007)的中国西南地区(Lei07模型)以及第五代区划图中的中强地震区(俞言祥等,2013);针对PGV的衰减关系选择了两组,分别是霍俊荣(1989)的中国西南地区和第五代区划图中的中强地震区(俞言祥等,2013)。图3将震中距200km内台站的水平向PGA与PGV参数的几何平均值与上述衰减关系的预测值进行了对比。

从整体上来看,除近场的个别台站外,鲁甸地震中各台站的观测值均不同程度低于预测值。为了直观说明该问题,计算各个模型观测值与预测值之间残差随震中距的变化情况。各模型远场残差的散点分布明显高于零轴,说明出现了显著的系统性偏差,印证了鲁甸地震的破坏集中于近场,远场震害较轻的特点。计算各记录总残差的平均值来衡量各模型预测值的整体偏差,不同模型的计算结果见表3。各模型的残差平均值均在1.0左右,说明确实存在不可忽略的系统性高估。比较而言,Lei07模型对PGA结果的预测情况偏差最小,第五代区划图对PGV的预测结果偏差较小。

将053LLT、053QJX、053QQC三个台站的观测值标注于图3中,与各衰减关系对比后发现,053LLT台站的PGA与PGV水平均远远高于预测值。如果考虑到模型的整体偏差,则053LLT台站的差异将更为显著,其主要原因可能是由于震中位置确定的精度影响到了此台震中距的计算,该问题有待进一步研究。同样位于近场区域的053QQC与053QJX台站,观测值与预测值相比差异不大。

图 3 水平向PGA(左)与PGV(右)衰减特征 Fig. 3Attenuation of the horizontal PGA (left) and PGV (right)
表3 衰减关系总残差均值计算结果 Table 3 The average residuals of different attenuation relationships
3 宏观烈度与台站附近震害调查

地震发生后,中国地震局通过灾区震害调查、强震动观测记录分析、遥感震害解译等工作,确定了此次地震的宏观烈度分布。此次地震灾区最高烈度为Ⅸ度,等震线长轴总体呈北西走向,VI度区及以上总面积为10350km2,共造成云南省、四川省、贵州省的10个县(区)受灾。其中IX度区包括昭通市鲁甸县龙头山镇、火德红镇和巧家县包谷垴乡,面积为90km2。图4为地震烈度高于VI度区内的获取强震动记录的台站分布,可以看出VI度区以上区域内的台站仅有7个:IX度区内仅有台站053LLT(949gal),VIII度区内无台站分布,VII度区内仅台站053QQC(146gal),其余5个台站均在VI度区内分布。

图 4 宏观烈度分布图及台站分布 Fig. 4Macro intensity contour map and strong motion stations

在鲁甸地震主震发生后数日,笔者即赶往现场对震中附近不同烈度区内的典型台站做了实地考察,详细调研了各台站所处环境与附近建筑物的震害情况。下面将给出本次地震中捕获记录超过100gal的053LLT、053QQC、053QJX三个台站周围的震害调查结果,并从强震记录特征角度加以解释。

3.1 龙头山镇台站(053LLT)震害调查

053LLT台站位于鲁甸县龙头山镇财政所院内,海拔1557m。台站距离震中仅8.3km,所在区域宏观烈度为IX度,房屋损毁严重。

图5为053LLT台站附近主要建筑物位置示意图。图6为台站观测周围环境图,强震观测仪置于钢罩观测室内,虽然后方墙体出现坍塌,但在此次地震中台站本身完好,室内仪器运转正常。台站附近的②号与③号建筑均为县财政所办公楼,结构为三层砖混结构,地震后的破坏情况如图7所示。③号建筑的底层完全垮塌,房屋严重破坏且无法继续使用。这种由于底层刚度不足,地震动强度大,加上局部受力集中而导致的底层严重破坏现象在台站附近其余建筑也有发现。②号建筑虽然底层没有倒塌,但在底层窗间墙部位出现了典型的“短柱”破坏,窗体之间的柱体出现剪切脆性破坏,房屋严重受损无法继续使用。与县财政所毗邻的④号砌体结构的墙体出现了“X”形与“一”形贯通裂缝,门窗变形严重,由于破坏严重无法继续使用,见图8。

图 5 053LLT台站附近建筑物示意图 Fig. 5Location of buildings around 053LLT station
图 6 053LLT台站观测环境 Fig. 6The environment condition around 053LLT station
图 7 台站附近②、③号建筑严重破坏 Fig. 7The heavily damaged buildings (② and ③) near station
图 8 ④号建筑内外墙体贯通裂缝 Fig. 8Cracks on the #④ building wall
3.2 053LLT强震记录特征分析

2013年4月20日,在MS7.0级芦山地震中,震中附近的051BXD台站捕获了PGA超过1g的记录,但研究人员现场调查后发现该区域震害并不严重,宏观烈度仅为VII度(温瑞智,2013b)。位于此次鲁甸地震震中区域的053LLT台站同样捕获了接近1g的记录,但从上文计算的谱烈度以及震害调查的结果可以看出,其附近建筑破坏十分严重,所在区域宏观烈度高达IX度,因此有必要对比二者的强震记录特征来分析其附近震害的显著差异。

图 9 053LLT(鲁甸地震)与051BXD(芦山地震)加速度,速度时程曲线 Fig. 9Acceleration and velocity time histories of 053LLT (Ludian earthquake)and 051BXD (Lushan earthquake)

对比051LLT与051BXD台站的加速度与速度时程曲线(图9)发现,053LLT台站的峰值加速度PGA略低于051BXD,但对建筑物破坏影响更大的指标PGV却远远高于051BXD。051BXD的水平PGV分量均低于25cm/s,但是051LLT的水平PGV分量均超过了75cm/s,超过051BXD的两倍。若以5%到95%的Arias强度之间的时间间隔计算相对持时,053LLT的EW、NS方向持时仅为4.2s和2.4s;051BXD的EW、NS方向持时要比053LLT略长,分别为5.7s和3.37s。053LLT台站一直被认为是基岩台站,但通过现场考察,笔者认为此台并非严格意义上的基岩站,同时计算的水平与垂直向谱比也证明了这一点。由于此次地震余震较少,无法从统计意义上分析其是否还存在着场地非线性问题(冀昆等,2014)。

虽然二者记录的PGA与持时水平均相仿,但对其加速度记录分别做时频分析后还是发现了显著的差异,对比结果见图10。整体来看,053LLT记录的低频成分更为突出,卓越频率在2.5Hz左右,这也解释了其PGV水平要显著高于051BXD。051BXD台站记录的卓越频率整体要比053LLT高很多,约在10Hz左右。另外关注PGA所在时刻附近的频率变化发现,053LLT记录在该处出现了明显的低频脉冲现象。该脉冲在速度时程曲线中也有明显体现,这种短时间内的大速度脉冲可能是造成053LLT台站周围建筑损毁严重的重要原因之一。

图 10 加速度记录时频分析图(左)053LLT(右)051BXD Fig. 10Time-frequency diagram of acceleration recordings of 053LLT and 051BXD
图 11 053LLT与051BXD水平向5%阻尼比加速度反应谱与设计反应谱对比 Fig. 11Comparison of horizontal 5% damping-ratio spectral acceleration with code design spectra

将053LLT与051BXD记录水平向5%阻尼比的加速度反应谱与所处地区设计反应谱进行对比,结果如图11所示。053LLT所在昭通地区的抗震设防烈度为Ⅶ度,设计地震动分组为第三组(中华人民共和国城乡建设部,2010)。053LLT的加速度反应谱在1.5s之前远远大于设计反应谱,其卓越周期平台段极宽,超过了0.5s。051BXD所在宝兴地区抗震设防烈度为Ⅷ度,设计地震动分组为第一组。051BXD加速度反应谱的峰值周期在0.1s—0.2s之间远远高于其设计反应谱,其卓越周期平台段很窄,在设计谱特征周期(0.35s)之后迅速下降至设计谱曲线以下。

我国中小城市和城镇主要建筑物的结构自振周期范围约在0.3s—1.0s内,在芦山地震中包括051BXD在内台站的加速度反应谱在该周期段均低于设计反应谱(温瑞智,2013b),震害程度较轻。从设防烈度来看,地震记录远超昭通其抗震最大设防Ⅶ度,053LLT台站在我们关心的0.3s—1.0s周期段内远远超过了其对应的设计反应谱,对相应结构造成了严重影响。现场震害调查中也印证了这一点,龙头山镇台站附近区域的砌体以及木结构房屋等各种建筑均出现了不同程度的破坏。

除此之外,053LLT台站所处震中地质复杂,山高谷深,加之雨季降水影响,地震造成严重崩塌、滑坡及大量次生地质灾害,同时灾区人口密度大,贫困面积广,房屋多为抗震能力弱的砌体结构和木结构,相当部分的自建房并未依照抗震设防标准设计,这也是造成这次地震震中区域震害极其严重的原因之一。

3.3 铅厂台站(053QQC)震害调查

053QQC台站位于巧家县老店镇铅厂小学院内,海拔约为2544m。台站距离震中18.7km,所在区域宏观烈度为VII度。地震发生后,建筑物内人员有明显震感,出逃至户外操场。

图12为053QQC台站附近主要建筑物位置示意图。图13为台站观测环境图,强震仪器置于钢罩观测室内,经监测室内仪器运转正常。台站旁边的①号建筑为学校宿舍楼,建筑类别为三层砖混结构,建设年代较久,但在此次地震中并无明显破坏现象。台站周围②、③、④号建筑震后图片整理于图14。位于台站后方高坡上的②、③、④号建筑分别为小学办公楼、食堂、以及新建宿舍楼,结构类别均为砖混结构,在此次地震中没有明显的破坏现象,仅个别局部存在极轻微裂缝,不需要修理可继续使用。

图 12 053QQC台站附近建筑物示意图 Fig. 12Location of building around 053QQC station
图 13 053QQC台站观测环境(左下方钢罩为台站) Fig. 13The environment condition around 053QQC station
图 14 053QQC台站附近②、③、④号建筑完好 Fig. 14The intact buildings (#②,③ and ④) near 053QQC station

053QQC台站的加速度、速度时程如图15所示。加速度反应谱与设计反应谱的对比结果见图16。所处巧家县抗震设防烈度为Ⅷ度,设计地震分组为第二组。加速度反应谱卓越周期在0.25s附近,幅值约为0.7,低于设计反应谱给出的0.9g。此外在各周期段,加速度反应谱值均低于设计反应谱。

图 15 053QQC加速度,速度时程曲线 Fig. 15Acceleration and velocity time histories of 053QQC
图 16 053QQC与053QJX水平向5%阻尼比加速度反应谱与设计反应谱对比 Fig. 16Comparison of horizontal 5% damping-ratio spectral acceleration with code design spectra
3.4 马树台站(053QJX)震害调查

053QJX台站位于巧家县马树镇委员会院内,海拔约2424m,台站距离震中38.6km,所在区域宏观烈度为VI度。

图17为053QJX台站附近主要建筑物位置示意图。图18为台站观测环境图,强震仪器置于钢罩观测室内,经检测室内仪器运转正常。台站一旁的①号建筑为一层砌体结构,此次地震中无明显破坏现象,不影响继续使用。位于台站旁边的②、③、④号建筑均为砖混结构,在此次地震中无破坏现象,可以继续使用,见图19。台站周围的个别民居由于是砖石、木结构或者年代久远,在此次地震中出现了局部轻微裂缝。

台站记录加速度、速度时程曲线如图20所示。加速度反应谱与设计反应谱的对比结果见图16。对比结果与053QQC相仿,卓越周期约为0.3s,在各个周期点均低于设计反应谱。另外值得注意的是,该台站修建于山坡陡坎上,所在平面较下层建筑约高15m。该台站PGA水平远超VI度区内其余台站,是否该现象由其特殊地形导致有待进一步研究。

图 17 053QJX台站附近建筑物示意图 Fig. 17Location of buildings around 053QJX station
图 18 053QJX台站观测环境 Fig. 18The environment condition around 053QJX station
图 19 台站附近①、②、③号建筑完好 Fig. 19The intact buildings (#①,② and ③) near station
图 20 053QJX加速度、速度时程曲线 Fig. 20Acceleration and velocity time histories of 053QJX
4 结论

本文处理了云南鲁甸地震中我国数字强震动观测台网获得的主震强震动记录,结合震害调查结果,从不同角度对地震特征加以分析:

(1)统计了加速度幅值分布情况,并分析震中附近区域主震记录的PGA的幅值特征,绘制的PGA等值线长轴方向沿西北-东南方向展布。

(2)与国内西部地区常用衰减关系对比发现,除近场的个别台站外,鲁甸地震各台站的观测值均不同程度低于预测值,验证了此次地震震源浅,震中强度大,造成的破坏集中于近场,远场震害轻的特点。对比总残差均值发现,Lei07模型对PGA结果的预测情况偏差相对最小,第五代区划图对PGV的预测结果偏差相对较小。

(3)调查了本次地震中捕获记录超过100gal的053LLT、053QJX、053QQC三个台站周围的建筑震害情况。通过对比053LLT台站与芦山地震051BXD台站的强震记录特征发现,虽然二者PGA与持时相仿,但053LLT的水平向PGV是051BXD的三倍以上。时频分析结果表明,053LLT台站的低频成分更为卓越,加速度反应谱卓越周期平台段很宽,且远远超过了该地区的设计反应谱。加之次生地质灾害、人口密度大等多方面原因,导致了053LLT台站附近区域的严重震害。

(4)053QQC与053QJX台站加速度反应谱均低于设计反应谱,周围房屋震害较轻,仅从震害调查很难开展宏观烈度评定。目前我国正在开展仪器烈度速报的研究,鲁甸地震表明,强震记录可以对低烈度无破坏的宏观烈度的标定提供一定参考。

致谢:感谢中国地震局工程力学研究所强震动台网中心、云南省地震局提供了主震观测数据。

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