2021年5月22日瑪多MS 7.4地震地震動(dòng)特征

萬(wàn)秀紅 吳 哲 李智敏 屠泓為 李 鑫

（中國(guó)西寧 810001 青海省地震局）

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心正式測(cè)定，2021年5月22日2時(shí)4分，青海省果洛州瑪多縣發(fā)生MS7.4地震，震中為34.59°N、98.34°E，震源深度17 km，最大震級(jí)余震為同日10時(shí)29分發(fā)生的5.1級(jí)地震。此次地震是繼2001年昆侖山8.1級(jí)地震、2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震之后青海地區(qū)發(fā)生的又一次破壞性較強(qiáng)的地震。地震造成多處橋梁坍塌，道路嚴(yán)重變形和開(kāi)裂，民房倒塌或嚴(yán)重受損。

強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)研究是由于抗震設(shè)計(jì)的需求而發(fā)展起來(lái)的，強(qiáng)震觀測(cè)是其基礎(chǔ)。通過(guò)強(qiáng)震觀測(cè)記錄研究可以認(rèn)識(shí)地震動(dòng)特性，了解工程結(jié)構(gòu)在地震中的破壞情況。不同強(qiáng)度的地震動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞程度明顯不同，因此，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)日益受到重視。一些研究者利用不同地震的強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，從厚覆蓋土層與長(zhǎng)周期地震動(dòng)間的關(guān)系、豎向與水平向峰值加速度之比、反應(yīng)譜比、水平向PGA等值線與烈度圖間的關(guān)系、衰減關(guān)系、PGA與地震烈度間的關(guān)系、地震斷層破裂的方向性效應(yīng)等方面對(duì)強(qiáng)震動(dòng)記錄特征進(jìn)行了研究（徐揚(yáng)等，2008；施偉華等，2010；李英成等，2012；宋晉東等，2017；呂國(guó)軍等，2018；徐欽等，2018；王文才等，2019；趙昆等，2020；安昭，2020；江鵬等，2021），強(qiáng)震動(dòng)特征研究對(duì)于災(zāi)害損失評(píng)估、工程抗震設(shè)防、工程抗震研究等具有重要意義?，敹郙S7.4地震后，已有研究者對(duì)此次地震的震害特點(diǎn)、深部環(huán)境、地震發(fā)震構(gòu)造等進(jìn)行了研究（詹艷等，2021；李智敏等，2021）。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，收集瑪多MS7.4地震強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)，從地震峰值加速度、反應(yīng)譜變化特征等方面對(duì)此次地震進(jìn)行初步分析，以期為青海地區(qū)場(chǎng)地效應(yīng)、工程抗震研究提供參考。

1 強(qiáng)震記錄及分布

瑪多MS7.4地震震中位于青海省南部區(qū)域的瑪多縣，該區(qū)域分布有瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯(cuò)斷裂、達(dá)日斷裂，此次地震的主震、余震震中主要分布在昆侖山口—江錯(cuò)斷裂及附近（圖1）?，F(xiàn)場(chǎng)科考人員經(jīng)地表破裂調(diào)查后認(rèn)為，昆侖山口—江錯(cuò)斷裂為此次地震的發(fā)震斷裂，地表破裂長(zhǎng)度約160 km（李智敏等，2021）。

圖1 青海強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站位置及瑪多MS 7.4地震序列震中分布 Fig.1 Station location of Qinghai strong motion network and epicentral distribution of the Maduo MS 7.4 earthquake sequence

青海強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)經(jīng)過(guò)2003年“中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目、2011年“中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)工程”項(xiàng)目的建設(shè)，已基本形成了覆蓋青海全省且技術(shù)先進(jìn)的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)。青海監(jiān)視區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生4級(jí)以上地震后，強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)可迅速給出各臺(tái)站的強(qiáng)震觀測(cè)結(jié)果，進(jìn)而定量地給出監(jiān)視地區(qū)的地震動(dòng)強(qiáng)度并確定宏觀震中，為及時(shí)有效地組織抗震救災(zāi)，乃至為建立大震預(yù)警系統(tǒng)和地震應(yīng)急控制系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。這對(duì)提高防御地震災(zāi)害能力、減輕地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失、保障社會(huì)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)筑地震安全提供了有力支撐。本文收集了16個(gè)臺(tái)站（圖1）記到的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，這些臺(tái)分別為西寧地震臺(tái)、湟源地震臺(tái)、民和地震臺(tái)、循化地震臺(tái)、平安地震臺(tái)、共和地震臺(tái)、同仁地震臺(tái)、德令哈地震臺(tái)、都蘭地震臺(tái)、諾木洪地震臺(tái)、大格勒地震臺(tái)、塘格木地震臺(tái)、貴德地震臺(tái)、興海地震臺(tái)、大武地震臺(tái)、河南地震臺(tái)，除了同仁地震臺(tái)和德令哈地震臺(tái)為基巖臺(tái)，其他14個(gè)臺(tái)均為土層臺(tái)。其中，震中距小于200 km的有3個(gè)臺(tái)，200—400 km的有11個(gè)臺(tái)，大于400 km的有2個(gè)臺(tái)。各臺(tái)站的場(chǎng)地條件、震中距及峰值加速度如表1所示。

表1 青海強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站及強(qiáng)震動(dòng)相關(guān)參數(shù)Table 1 The parameters of strong ground motion stations

2 峰值加速度PGA隨震中距的變化及其衰減特征

收集到了16個(gè)地震臺(tái)的強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)，這些臺(tái)站距瑪多MS7.4地震震中均較遠(yuǎn)，其中，最近的為大武地震臺(tái)，震中距約為175 km，該臺(tái)獲取到了此次地震PGA的最大值；距震中最遠(yuǎn)的為民和地震臺(tái)，震中距約為450 km（表1）。圖2為收集到的16個(gè)強(qiáng)震臺(tái)三分量（EW、NS、UD）PGA隨震中距的變化。由圖2可見(jiàn)，除德令哈地震臺(tái)、西寧地震臺(tái)之外，其他臺(tái)站PGA隨震中距的增大呈現(xiàn)平穩(wěn)下降過(guò)程。

圖2 峰值加速度隨震中距的變化Fig.2 Variation of PGA with epicentral distance

選取《GB18306—2015〈中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖〉宣貫教材》（高孟潭，2015）給出的中國(guó)分區(qū)地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系中青藏地區(qū)衰減關(guān)系來(lái)研究瑪多MS7.4地震的衰減特征。該衰減關(guān)系為6.5級(jí)以下和6.5級(jí)以上兩段式，之所以采用以震級(jí)6.5級(jí)為界進(jìn)行震級(jí)分段的兩段式衰減關(guān)系，是因?yàn)樵谶M(jìn)行地震動(dòng)參數(shù)分布回歸時(shí)，對(duì)震級(jí)項(xiàng)系數(shù)的擬合具有明顯的以6.5級(jí)為界的分段線性特征。針對(duì)瑪多MS7.4地震，選取 6.5級(jí)以上衰減關(guān)系。圖3為以青藏地區(qū)長(zhǎng)軸（實(shí)線）、短軸（虛線）衰減關(guān)系，繪制的 7.0級(jí)、7.4級(jí)、8.0級(jí)地震的衰減曲線。從圖3可見(jiàn)，總體上，EW向PGA值最大，UD向基本小于EW向、NS向；地震動(dòng)PGA的衰減特征與青藏地區(qū)衰減關(guān)系間有較好的一致性；三分量PGA值均隨著震中距的增大而減??；距震中較近的臺(tái)站三分量PGA值差別較大，尤其是UD向與EW向、NS向之間，隨著震中距的增大，三分量PGA值逐漸接近，水平向與UD向基本持平。三分量PGA值隨震中距增大而減小的過(guò)程中，貴德地震臺(tái)EW向、NS向PGA值和西寧臺(tái)NS向、UD向PGA值稍變大。

圖3 峰值加速度衰減變化Fig.3 The variation of PGA attenuation

3 加速度時(shí)程分析

收集了大武地震臺(tái)、興海地震臺(tái)、塘格木地震臺(tái)、貴德地震臺(tái)、都蘭地震臺(tái)、諾木洪地震臺(tái)、大格勒地震臺(tái)、河南地震臺(tái)、德令哈地震等9個(gè)臺(tái)站的強(qiáng)震記錄波形數(shù)據(jù)，這9個(gè)臺(tái)中8個(gè)為土層臺(tái)，1個(gè)為基巖臺(tái)（德令哈地震臺(tái)）。雖然瑪多MS7.4地震震級(jí)較大，但因震中附近強(qiáng)震臺(tái)較少，且這些臺(tái)站距震中較遠(yuǎn)，PGA值較小。距震中最近的大武地震臺(tái)記錄到了最大PGA，EW向45.5 Gal、NS向40.6 Gal、UD向-19.1 Gal。除了個(gè)別臺(tái)，一般都是EW向PGA值最大，其次為NS向，UD向值最小。距震中較近的4個(gè)臺(tái)加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 加速度時(shí)程數(shù)據(jù)（a）大武地震臺(tái)；（b）興海地震臺(tái)；（c）塘格木地震臺(tái)；（d）貴德地震臺(tái)Fig.4 Acceleration time history data of DAW(a)，XIH(b)，TGM(c) and GUD(d)

4 加速度反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜關(guān)系到設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，是抗震設(shè)計(jì)的前提和依據(jù)。規(guī)范中所使用的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜通常是根據(jù)對(duì)大量實(shí)際地震記錄的反應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷加以規(guī)定的（周錫元等，1990），因此研究實(shí)際地震記錄的反應(yīng)譜具有理論和實(shí)踐意義。

圖5為上述9個(gè)臺(tái)站的EW向、NS向、UD向PGA反應(yīng)譜，從圖5見(jiàn)，除大武地震臺(tái)PGA值較大之外，其他臺(tái)的PGA值都較小，這種情況是PGA隨震中距的增大而衰減的結(jié)果。大武地震臺(tái)PGA反應(yīng)譜特征周期為0.6 s左右，其他臺(tái)站震中距較大，PGA值較小，特征周期沒(méi)有那么明顯，但總體上EW向、NS向PGA反應(yīng)譜特征周期均為0.6—1.0 s。

圖5 9個(gè)臺(tái)站三分量PGA反應(yīng)譜Fig.5 Three components PGA response spectra of 9 stations

對(duì)上述9個(gè)臺(tái)的反應(yīng)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析（圖6），由圖6可見(jiàn)，大武地震臺(tái)反應(yīng)譜最大峰值為200 Gal左右，其他臺(tái)最大反應(yīng)譜峰值均小于40 Gal。另外，大武地震臺(tái)與河南地震臺(tái)反應(yīng)譜曲線偏窄，其他臺(tái)反應(yīng)譜曲線均偏寬。大武地震臺(tái)、貴德地震臺(tái)、河南地震臺(tái)三分量（EW、NS、UD）PGA反應(yīng)譜只有1個(gè)譜峰，塘格木地震臺(tái)、興海地震臺(tái)、都蘭地震臺(tái)、諾木洪地震臺(tái)PGA反應(yīng)譜出現(xiàn)了2個(gè)譜峰和1個(gè)低谷。德令哈地震臺(tái)為基巖臺(tái)，其他臺(tái)均為土層臺(tái)，土層臺(tái)與基巖臺(tái)PGA反應(yīng)譜明顯不同。8個(gè)土層臺(tái)中，除了都蘭地震臺(tái)UD向PGA反應(yīng)譜大于EW向、NS向之外，其他臺(tái)均為EW向、NS向PGA反應(yīng)譜大于UD向。震中距越小，短周期高頻成分越多，衰減越快；震中距越大，長(zhǎng)周期高頻成分越少，衰減越慢。上述現(xiàn)象可能與震中距、觀測(cè)臺(tái)站的場(chǎng)地條件、地震波傳播介質(zhì)、傳播途徑等因素有關(guān)。

圖6 9個(gè)臺(tái)站的三分量PGA反應(yīng)譜（a）DAW；（b）TGM；（c）XIH；（d）GUD；（e）DUL；（f）HEN；（g）NMH；（h）DGL；（i）DLHFig.6 Three components PGA response spectra of 9 stations

5 加速度反應(yīng)譜（UD向與EW、NS向）比值分析

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)》（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）中規(guī)定，一般情況下，應(yīng)至少在建筑結(jié)構(gòu)的2個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用，8度、9度時(shí)的大跨度、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)及9度時(shí)的高層建筑，應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。隨著社會(huì)的發(fā)展，各類(lèi)高聳結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，在地震作用下，工程結(jié)構(gòu)受到的破壞可能由水平向地震動(dòng)引起，也可能與豎向地震動(dòng)密切相關(guān)（徐龍軍等，2007）。因此，對(duì)水平向加速度反應(yīng)譜與豎向加速度反應(yīng)譜的比值進(jìn)行研究具有重要意義。

一般認(rèn)為，譜比值受震中距、周期、場(chǎng)地等因素的影響，PGA的UD向與EW、NS向反應(yīng)譜的比值（V/H）平均為1/2—2/3。在短周期和近場(chǎng)范圍內(nèi)，比值遠(yuǎn)大于2/3；在中長(zhǎng)周期內(nèi)，比值基本上小于2/3（周錫元等，2006）。由于收集到的強(qiáng)震記錄PGA值較小，所以選取3個(gè)PGA值較大臺(tái)站（大武地震臺(tái)、興海地震臺(tái)、塘格木地震臺(tái)）的波形數(shù)據(jù)的三分量反應(yīng)譜進(jìn)行分析（圖7）。從圖7可見(jiàn)，3個(gè)臺(tái)PGA反應(yīng)譜的UD/EW、UD/NS均出現(xiàn)了2個(gè)譜峰、1個(gè)低谷，兩峰一谷這種現(xiàn)象與李恒等（2010）、耿淑偉等（2004）的研究結(jié)果基本一致；出現(xiàn)譜峰的地方UD向值大于EW、NS向值，出現(xiàn)低谷的地方UD向值小于EW、NS向值；大武地震臺(tái)在約2.4 s之前PGA反應(yīng)譜UD/EW小于1.0，之后大于1.0，到8 s后，開(kāi)始小于1.0，UD/NS均小于1.0；興海地震臺(tái)與塘格木地震臺(tái)的PGA反應(yīng)譜的UD/EW、UD/NS，除了幾個(gè)譜峰比值大于1.0外，其余比值均小于1.0；這3個(gè)臺(tái)中，除了2個(gè)譜峰處的比值較大外，其他比值與周錫元等（2006）給出結(jié)果基本一致。

圖7 3個(gè)臺(tái)的PGA反應(yīng)譜UD/EW（a）、UD/NS（b）Fig.7 The PGA response spectrum ratio of UD/EW and UD/NS of 3 stations

高杰（2009）在研究UD向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜時(shí)，給出了收集到的所有記錄的平均譜比曲線，發(fā)現(xiàn)總平均譜比曲線在短周期處呈現(xiàn)1個(gè)峰值，繼而迅速下降，并出現(xiàn)1個(gè)低谷，然后上升，從2.5 s開(kāi)始譜比進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定期，穩(wěn)定在0.55左右。本文與高杰（2009）研究結(jié)果基本一致，都出現(xiàn)了兩峰一谷，不同的是高杰（2009）給出的是平均譜比，本文為個(gè)別臺(tái)的譜比，在譜比值上有所差異。

6 討論

6.1 水平向、豎向地震動(dòng)與工程結(jié)構(gòu)破壞間的關(guān)系

地震作用是相當(dāng)復(fù)雜的自然現(xiàn)象，它既導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物水平方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)物還有豎向的響應(yīng)。一般建筑物在多遇地震下主要表現(xiàn)為水平響應(yīng)，其受到的破壞主要源于地震水平作用（高杰，2009）；而在強(qiáng)震時(shí)，則需要考慮長(zhǎng)周期豎向地震動(dòng)作用的影響。瑪多MS7.4地震造成共玉高速瑪多境內(nèi)的野馬灘1號(hào)大橋坍塌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)科考，SN向的野馬灘1號(hào)大橋位于震中西北方向，距發(fā)震斷裂很近，與此次地震的發(fā)震斷裂（NWW向左旋走滑的昆侖山口—江錯(cuò)斷裂）呈夾角狀，在極震區(qū)范圍內(nèi)，該區(qū)域受到的破壞最嚴(yán)重。野馬灘1號(hào)大橋橋梁板塌落，橋墩也受到不同程度的損壞，均為南側(cè)落于地面，北側(cè)支撐于橋墩，出現(xiàn)朝同一個(gè)方向的整齊落梁，這種現(xiàn)象可能是由近斷層方向效應(yīng)所致（安昭，2020）。根據(jù)大武地震臺(tái)強(qiáng)震記錄，大武臺(tái)EW向、NS向峰值加速度大于UD向，EW向、NS向加速度反應(yīng)譜也大于UD向（圖6），初步認(rèn)為，野馬灘1號(hào)大橋受到的破壞及水泥路面的明顯錯(cuò)斷[圖8（a）、8（b）]受EW向、NS向地震動(dòng)作用的影響更大，這種破壞現(xiàn)象與文中所得結(jié)果基本相符。

圖8 野馬灘1號(hào)大橋受到的破壞（a）和公路錯(cuò)斷（b）Fig.8 Damaged Yematan No.1 bridge (a) and the highway (b)

6.2 強(qiáng)震臺(tái)站的分布

強(qiáng)震臺(tái)站分布的疏密對(duì)強(qiáng)震數(shù)據(jù)的獲取極為重要。由于強(qiáng)震臺(tái)站較少，對(duì)于瑪多MS7.4地震沒(méi)有獲取到震中附近的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，記錄到強(qiáng)震數(shù)據(jù)的最近臺(tái)站為大武地震臺(tái)，震中距約為175 km，該臺(tái)記錄到了此次地震PGA最大值（45.5 Gal），而2013年4月20日蘆山MS7.0地震時(shí)距震中最近臺(tái)站記錄到的PGA值超過(guò)了1 000 Gal。2次地震相比，雖然瑪多MS7.4地震震級(jí)較大，破裂尺度也較大，但因強(qiáng)震臺(tái)站均距震中較遠(yuǎn)，故未獲得近距離的強(qiáng)震記錄，各臺(tái)站記錄到的PGA值均較小。如果瑪多MS7.4地震震中附近強(qiáng)震臺(tái)站密集，就可能記錄到更多反映瑪多地震強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，從而更好地分析此次地震。

7 結(jié)論

通過(guò)收集到的瑪多MS7.4地震時(shí)16個(gè)臺(tái)的PGA和9個(gè)臺(tái)的強(qiáng)震波形數(shù)據(jù)，對(duì)此次地震PGA隨震中距的變化及衰減特征、反應(yīng)譜變化特征及幾個(gè)較近臺(tái)站的PGA反應(yīng)譜及譜比進(jìn)行了初步分析，得到如下結(jié)論。

（1）除德令哈地震臺(tái)和西寧地震臺(tái)以外，其他臺(tái)站三分量PGA隨震中距的增大呈平穩(wěn)下降；PGA的衰減特征與青藏地區(qū)衰減關(guān)系間有較好的一致性；EW向PGA值最大，UD向PGA值基本小于EW向、NS向PGA值；距震中較近的臺(tái)站三分量PGA值差別較大，且隨震中距的增大三分量PGA值逐漸接近。

（2）除個(gè)別臺(tái)以外，一般地震動(dòng)波形數(shù)據(jù)都是EW向PGA值最大，其次為NS向，UD向值最??；由于收集到的臺(tái)站震中距較大，PGA值較小，所以特征周期不明顯，總體上EW向、NS向PGA反應(yīng)譜特征周期均為0.6—1.0 s。

（3）對(duì)9個(gè)臺(tái)的PGA反應(yīng)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大武地震臺(tái)、河南地震臺(tái)反應(yīng)譜曲線偏窄，其他臺(tái)反應(yīng)譜曲線均偏寬；土層臺(tái)與基巖臺(tái)反應(yīng)譜明顯不同；震中距越小，短周期高頻成分越多，衰減越快，震中距越大，長(zhǎng)周期高頻成分越少，衰減越慢。

（4）PGA反應(yīng)譜UD/EW與UD/NS均出現(xiàn)了兩峰一谷現(xiàn)象；出現(xiàn)譜峰的地方UD向PGA值大于EW向、NS向，出現(xiàn)低谷的地方UD向PGA值小于EW向、NS向；本文結(jié)果與高杰（2009）研究結(jié)果基本一致，都出現(xiàn)了兩峰一谷，不同的是高杰（2009）給出的是平均譜比，本文為個(gè)別臺(tái)的譜比，在譜比值上有所差異。

（5）根據(jù)大武地震臺(tái)強(qiáng)震記錄，EW向、NS向PGA大于UD向，加速度反應(yīng)譜也大于UD 向，初步認(rèn)為，野馬灘1號(hào)大橋受到的破壞及水泥路面的明顯錯(cuò)斷受EW向、NS向地震動(dòng)作用的影響更大，這種破壞現(xiàn)象與文中所得結(jié)果基本相符。

本文采用了青海省地震局強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)及科考人員提供的現(xiàn)場(chǎng)圖片，同時(shí)審稿老師提出很多寶貴的修改建議，在此一并致以謝意。