蘭州觀象臺存放臺陣汶川MS8.0強震動記錄與分析①

盧大偉，姚 凱，閔祥儀，王東彬

（1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 73000；3.地殼運動監(jiān)測工程研究中心，北京 100036）

0 引言

為了研究場地對地震動的影響，必須布設(shè)場地影響專用臺陣，以便在一次地震中獲取多條完整記錄，反映場地地震動的效應(yīng)?！笆濉逼陂g在蘭州觀象臺內(nèi)布設(shè)了10臺數(shù)字強震動儀組成存放臺陣。在汶川特大地震中該存放臺陣10個臺站全部獲得了這次地震事件的3分向數(shù)字化強震動記錄。本文依據(jù)這些實際觀測資料研究以該場地為代表的黃土場地在地震發(fā)生后的自由場地面運動加速度過程及其特征，探討在震源、場地和震中距基本相同的情況下，小范圍場地上加速度峰值及傅立葉幅值譜的差異，為工程建設(shè)的抗震設(shè)計提供參考。

1 蘭州觀象臺存放臺陣觀測系統(tǒng)

蘭州觀象臺存放臺陣屬于“中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)”單位工程之一，于2007年9月正式投入運行。蘭州觀象臺土地面積近80畝，位于蘭州市城關(guān)區(qū)內(nèi)，屬于黃河Ⅳ級階地，為典型的黃土地區(qū)。場地表面地形平坦，屬于IV類土層，無滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，其西3km有金城關(guān)活動斷層分布。

臺陣在蘭州觀象臺內(nèi)布設(shè)了10個觀測點，臺陣孔徑約為280m，各測點均位于黃土土層自由地表，臺陣測點分布如圖1所示。

表1 K2、Etna型數(shù)字強震動記錄器的主要技術(shù)指標

圖1 蘭州觀象臺存放臺陣測點分布圖Fig.1 Distribution of observation points of paking array in Lanzhou Earth Observatary.

臺陣各測點的主要儀器設(shè)備包括：數(shù)字強震加速度儀（第1、3測點為K2型，其余為Etna型）、GPS系統(tǒng)、供電及避雷設(shè)備、通訊設(shè)備等（圖2）。

配置的強震動加速度儀為美國Kinemetrics公司生產(chǎn)的K2型和Etna型數(shù)字強震動加速度儀，內(nèi)置力三分向平衡式加速度計，型號為EpiSensor。有關(guān)記錄器和加速度計等設(shè)備的詳細技術(shù)參數(shù)見表1及表2。加速度儀參數(shù)設(shè)置事前和事后記錄各為20s，三個通道觸發(fā)閾值都為4gal，通道極性設(shè)置見表3。

圖2 臺陣測點觀測系統(tǒng)框圖Fig.2 Observation system of observation points of the paking array.

表2 EpiSensor型力平衡式加速度計技術(shù)指標

表3 儀器各道極性設(shè)置

2 記錄處理與分析

2008年5月12日汶川MS8.0特大地震中，蘭州觀象臺存放臺陣獲得了10組三分量波形完整的數(shù)字加速度記錄。從儀器獲得的原始記錄為電信號數(shù)據(jù)，依據(jù)儀器靈敏度1.25V／g將電信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成加速度數(shù)據(jù)。為了消除儀器零位的影響，對原始加速度記錄進行了零階基線校正，具體處理步驟如下：（1）確定整個波長的加速度記錄平均值；（2）從原始加速度記錄減去記錄平均值。

處理后的所有測點的加速度時程曲線如圖3所示。圖中每組時程曲線從上至下依次是EW向、NS向和UD向。由各測點處理后的加速度記錄計算各測點峰值加速度，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表4。

表4顯示，10個臺站的峰值加速度均顯示EW向大于NS向，垂直向最小。雖然該臺陣的觀測孔徑較小，但各臺站峰值加速度仍有差異。由于使用相同型號的強震動儀器觀測，各臺站記錄的PGA則顯示出各觀測點的場地間差別：就EW向而言，位于蘭州觀象臺西部的場地的第2、3觀測點的測值明顯大于第1、8、7點測值，由圖1（b）可知是由于其西部存在較深陡坎，因此對于EW分向的地面自由場加速度具有明顯的放大作用；NS向也有類似趨勢，但場地整體在此方向相對平坦，故各測點PGA差異不很明顯。

表4 各測點記錄處理結(jié)果

各臺的垂直向峰值加速度均未顯示明顯差異。10組記錄的EW、NS、UD3個方向PGA分別進行平均計算，求得平均值及標準方差和離散系數(shù)（表5），可見兩個水平向的PGA離散程度較大，并且都要大于豎直向，主要原因在于水平向地震動受土層放大作用影響較豎向要明顯。圖4給出了每個記錄PGA的離散程度，可以發(fā)現(xiàn)除測點1的EW、NS方向及測點2的NS方向離散程度超過30%以外，其他各記錄PGA離散程度都在20%以內(nèi)。

分別計算這10組記錄的傅立葉幅值譜（FAS）。由于篇幅有限，本文只給出EW方向各記錄傅立葉幅值譜，見圖5。從中可以發(fā)現(xiàn)各方向各記錄的傅立葉幅值譜基本上一致。為了能更好的說明這種一致性，我們計算了這10組記錄的平均傅立葉幅值譜（圖6）。并且運用帕曾窗進行平滑，目的是為了能消除大量的“尖峰”，使各記錄的傅立葉幅值譜與平均譜進行比較更為清晰。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，各方向的平均傅立葉幅值譜在頻率低于1Hz時標準差非常小，尤其是NS及UD向，幾乎為0；在卓越頻率周圍，也就是水平向2Hz、豎向4Hz周圍標準差相對偏大；高于卓越頻率部分標準差又相對減小，并且始終維持在一個水平。EW、NS、UD向的平均FAS卓越頻率及標準方差和離散系數(shù)見表5。

圖3 臺陣各測點加速度時程曲線Fig.3 Acceleration records of observation points in the paking array.

圖4 各記錄PGA離散程度Fig.4 PGA discrete degree of the acceleration records.

表5 各方向PGA值及FAS卓越頻率離散性統(tǒng)計

3 結(jié)論

圖6 平均傅里葉幅值譜（已平滑）Fig.6 Smoothed average acceleration Fourier spectr in three directions.

通過峰值加速度和傅立葉譜初步分析，表明在震源、場地和震中距相同情況下局部小范圍場地上不同測點記錄的加速度峰值存在一定程度的差異，在EW方向較為明顯，較好地反映了場地地形對自由場加速度的放大作用。10個臺站的峰值加速度均顯示EW向大于NS向，而垂直向最小。傅立葉譜分析結(jié)果表明各測點傅立葉譜值的差異較小，尤其在小于1Hz頻段范圍內(nèi)，傅立葉幅值譜之間的差異極小。可以推斷，不同測點記錄的加速度峰值之間的差異主要是高頻成分不同造成的。

［1］閔祥儀，姚凱，何新社.2003年10月25日甘肅平樂—山丹MS6.1地震強震動近場記錄和分析［J］.西北地震學(xué)報，2003，25（4）：289－292.

［2］劉旭宙，姚凱，何新社，等.2008年5月12日汶川MS8.0地震強震動記錄與初步分析［J］.西北地震學(xué)報，2008，30（3）：266－269.

［3］盧壽德，李小軍主編.汶川8.0級地震未校正加速度記錄［M］.北京：地震出版社，2008.

［4］姚凱，盧大偉，劉旭宙，等.利用汶川余震流動觀測資料探討地形對峰值加速度的影響［J］.西北地震學(xué)報，2009，31（1）：46－50.