• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

2020年10月22日四川北川MS4.7地震强震动特征分析

江鹏 李萍萍 李同林 温瑞智

引用本文:
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2020年10月22日四川北川MS4.7地震强震动特征分析

    作者简介: 江鹏(1987-),男,工程师,主要从事强震动观测和工程地震研究. E-mail:jiangpeng@scdzj.gov.cn.
  • 中图分类号: P315

Strong-motion recordings in MS4.7 Beichuan, Sichuan earthquake on October 22, 2020

  • CLC number: P315

  • 摘要: 2020年10月22日11时03分37秒四川省绵阳市北川县发生MS4.7地震,四川强震动台网与预警烈度速报台网在震区建成较密集的台站,获取了532组三分量加速度记录,有助于开展区域地震动衰减和地震动特征研究. 本文对强震记录进行常规处理后计算出强震动记录的相关参数,利用克里金插值方法得到地震动峰值加速度PGA和峰值速度PGV的空间分布图,长轴呈北西—南东方向. 分析强震动记录PGA、PGV 随距离的衰减规律,与常用衰减关系预测值进行对比,此次地震 PGA 的衰减特性与俞言祥和汪素云(2006)提出的中国西部地区水平向基岩加速度衰减关系有较好的一致性. 北川MS4.7地震获得的密集强震动记录为建立区域衰减关系,以及开展基于经验格林函数方法(EGFM)再现大震强地震动场展布等研究提供了重要的数据支撑.
  • 图 1  北川MS4.7地震中获取记录的强震动台站分布图

    Figure 1.  Strong-motion stations recorded the Beichuan MS4.7 earthquake

    图 2  强震动记录数量与震中距统计图

    Figure 2.  Statistical chart of the number of strong motion records and epicenter distance

    图 3  51BCB台站和51BCQ台站加速度时程与5% 阻尼比拟加速度反应谱

    Figure 3.  Acceleration time histories and 5%-damped pseudospectral accelerations for the recorded at stations 51BCB and 51BCQ

    图 4  PGA和PGV空间分布图

    Figure 4.  Contours for PGA and PGV

    图 5  PGA和PGV随震中距衰减分布

    Figure 5.  PGAs and PGVs attenuated with epicentral distance

    表 1  地震动记录及相关参数表

    Table 1.  Seismic records and related parameters

    台站代码 纬度/(°)经度/(°)震中距/km峰值加速度/(cm·s−2峰值速度/(cm·s−1仪器烈度
    EWNSUDEWNSUD
    51BCB31.8104.2 2.9−277.53−250.72103.513.544.120.987.1
    B260331.9104.110.9158.11180.88142.52−3.85−4.281.666.7
    B057131.7104.312.5156.39152.2784.132.81−2.27−1.766.2
    U230231.8104.018.8−84.8958.35−113.25−1.050.46−1.515.7
    B260732.0104.221.530.6223.7421.001.111.110.684.7
    B050231.7104.424.823.8610.0619.62−1.620.490.674.5
    B260432.0104.026.540.2636.04−35.32−0.87−0.950.724.8
    51BCQ31.8104.526.711.817.346.590.360.220.193.1
    B260831.9104.527.371.0546.5920.26−1.730.89−0.425.5
    51BCY31.7104.429.164.2837.23−18.701.07−0.69−0.275.0
    U231031.8103.930.339.08−52.45−30.540.51−1.070.274.8
    F830331.6104.130.3−53.0957.1327.28−1.221.46−0.625.1
    B050131.6104.331.444.66−17.6243.600.50−0.40−0.514.4
    B260631.8104.636.4−59.36−35.0316.99−2.36−0.96−0.375.4
    B050331.6104.438.1−25.13−9.91−37.91−0.790.54−1.324.9
    B260131.9104.639.428.32−23.969.10−2.010.760.364.8
    B260232.0104.539.815.6713.63−12.76−0.14−0.16−0.173.0
    F830131.5104.241.1−15.99−15.52−6.070.53−0.550.293.7
    U230131.8103.742.121.8730.39−29.72−0.190.40−0.103.9
    B811231.7104.642.8−19.51−13.82−5.240.950.59−0.304.1
    B271332.2104.546.316.5317.998.34−0.23−0.320.143.4
    U230631.9103.746.624.6634.7835.83−0.30−0.370.173.9
    B270332.1104.547.646.7348.69−28.52−0.19−0.420.134.3
    51MZX31.4104.248.06.60−4.60−3.28−0.45−0.30−0.153.0
    B810631.7104.749.5−6.3211.61−2.670.480.28−0.133.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-16
  • 网络出版日期:  2020-12-04
  • 刊出日期:  2021-03-01

2020年10月22日四川北川MS4.7地震强震动特征分析

    作者简介: 江鹏(1987-),男,工程师,主要从事强震动观测和工程地震研究. E-mail:jiangpeng@scdzj.gov.cn

摘要: 2020年10月22日11时03分37秒四川省绵阳市北川县发生MS4.7地震,四川强震动台网与预警烈度速报台网在震区建成较密集的台站,获取了532组三分量加速度记录,有助于开展区域地震动衰减和地震动特征研究. 本文对强震记录进行常规处理后计算出强震动记录的相关参数,利用克里金插值方法得到地震动峰值加速度PGA和峰值速度PGV的空间分布图,长轴呈北西—南东方向. 分析强震动记录PGA、PGV 随距离的衰减规律,与常用衰减关系预测值进行对比,此次地震 PGA 的衰减特性与俞言祥和汪素云(2006)提出的中国西部地区水平向基岩加速度衰减关系有较好的一致性. 北川MS4.7地震获得的密集强震动记录为建立区域衰减关系,以及开展基于经验格林函数方法(EGFM)再现大震强地震动场展布等研究提供了重要的数据支撑.

English Abstract

    • 2020年10月22日11时03分37秒四川省绵阳市北川县发生了MS4.7地震,震中位于北川县坝底乡(东经104.18°,北纬31.83°),距离北川县城36 km,距绵阳市区62 km,距成都市区132 km,震中20 km内有坝底乡、马槽乡、禹里镇、开坪乡、白什羌族藏族乡、白什乡、桃龙藏族乡等乡镇. 绵阳地区震感明显,广元、德阳、成都、资阳、雅安等地有震感. 地震发生后,四川省地震局对震中坝底乡及周边地区展开现场烈度调查,震中附近30 km范围16个烈度调查点,仅有个别房屋出现裂缝、缩瓦等现象,无房屋倒塌,最大烈度为Ⅵ度.

      北川县MS4.7地震发生在岷江断裂、虎牙断裂和龙门山断裂带的交汇区域,位于青藏高原东缘,属巴颜喀拉块体与扬子地块交界部位,历史上曾发生过多次中强震. 岷江断裂发生过1713年叠溪7级地震、1748年漳腊北6½级地震、1938年松潘6级地震、1960年漳腊6¾级地震和1933年叠溪7½级地震,虎牙断裂于1976年发生过两次7.2级地震,龙门山断裂带于2008年发生汶川8.0级地震. 根据四川地震台给出的震源机制解北川MS4.7地震为逆冲型地震,震源深度17 km. 2009年以来此区域发生了14次4级以上地震,北川MS4.7地震被认为是发生在龙门山断裂带汶川余震区的一组地震,为汶川余震区一次正常的起伏活动. 近年来,中国地震局开展了地震烈度速报台站等建设项目,地震活动性较高的区域强震动台网的密度得到了提升,如2020年7月2日唐山古冶MS5.1地震中共收集到363组三分量强震动数据,这些强震动记录对研究中小地震地震动的特征具有重要意义(温瑞智和王宏伟,2020). 本文简要介绍了北川MS4.7地震的强震动记录,并初步进行了区域地震动衰减特征和场地特性等方面的分析.

    • “十五”期间,四川建成了由224个数字强震台组成的数字强震动观测台网,其中自由场固定数字强震动观测台站216个、地形影响台阵1个。观测台站分布于鲜水河—安宁河—则木河断裂带以及龙门山断裂带周边,台站以自由场地表观测为主,安装内置力平衡式加速度计的强震仪,采用阈值触发模式存储强震动记录,在汶川地震和芦山地震中获取到大量近场强震动记录,为我国开展工程地震学研究提供了重要基础. 地震烈度速报与预警工程在四川地区建成了1013个简易强震动台站(一般站、烈度速报台站),采用MEMS芯片传感器的烈度仪,选择乡镇政府内自由地表、通信铁塔站点的机房作为观测场地,部分台站烈度仪固定在不高于地面30 cm的墙体上,观测数据通过网络实时传输至数据中心.

      北川MS4.7地震震中附近台站分布密集,震中距200 km内有369个台站. 截止2020年10月23日,北川MS4.7地震有547个台站触发,扣除个别台站垂直分量未获取有效记录和远距离台站信噪比过低的情况,共获取三分向强震动记录532组. 图1给出了北川MS4.7地震中有效获取记录的强震动台站分布情况,图2给出了强震动记录数量与震中距关系的统计情况,其中震中距50 km内获取三分向记录25组,200 km内获取三分向记录306组. 10月21日此区域还发生了一次MS4.6地震,获取到489组三分向强震动记录. 这两次地震观测到丰富的近场强震动观测记录,明显改善了此区域地震动记录匮乏的现状.

      图  1  北川MS4.7地震中获取记录的强震动台站分布图

      Figure 1.  Strong-motion stations recorded the Beichuan MS4.7 earthquake

      图  2  强震动记录数量与震中距统计图

      Figure 2.  Statistical chart of the number of strong motion records and epicenter distance

    • 开展地震动特征分析前需对记录数据进行必要的处理,本文利用均值法对获取的强震动记录进行了基线调整(于海英等,2009),在仿真速度和频谱分析之前进行了巴特沃思带通滤波处理(金星等,2004),滤波范围0.1~20 Hz. 为更好地解读北川MS4.7地震的特点,本文选取了震中距50 km范围内的记录计算了相关参数,见表1. 本次地震的最大峰值地面加速度(PGA)记录由距离较近的51BCB台站获得,震中距仅2.9 km,东西、南北和垂直向PGA分别为−277.53 cm/s2、−250.72 cm/s2、103.51 cm/s2,峰值速度(PGV)分别为3.54 cm/s、4.12 cm/s、0.98 cm/s,计算仪器烈度7.1度. 该台址场地所处地貌单元为山区坡脚沟谷部位,地形起伏不大,但地层较复杂,地勘钻孔所揭露的地层主要为第四系全新统残坡积层和志留系中上统茂县群千枚岩,覆盖层厚度10.2 m,其中松散土以第四系全新统杂填土、第四系残坡积含碎石粉质粘土等构成,覆盖层等效剪切波速为215 m/s,属Ⅱ类场地. 51BCQ台站为距离震中最近的基岩场地台站,震中距26.7 km. 图3给出了51BCB和51BCQ记录的三分向加速度时程和5%阻尼比拟加速度反应谱(PSA). 相比51BCQ的基岩强震动记录,51BCB的土层记录水平向地震动明显强于垂直向,记录相对持时较短,有明显尖锐脉冲现象,与近场地震动高频成分丰富的特点相一致,同时表明覆盖层对水平向地震动的放大作用. 根据建筑抗震设计规范(GB50011—2010),51BCB场址所在区域为第二组,设计地震基本加速度0.2g,特征周期值取0.40 s,我国中小城市和城镇主要建筑物的结构自振周期约为0.3~1 s(任叶飞等,2014),此范围内51BCB的PSA明显小于设计谱值,在实际震害调查中发现,台站周边房屋仅有少量裂缝,未造成严重破坏,也与反应谱特征基本吻合.

      表 1  地震动记录及相关参数表

      Table 1.  Seismic records and related parameters

      台站代码 纬度/(°)经度/(°)震中距/km峰值加速度/(cm·s−2峰值速度/(cm·s−1仪器烈度
      EWNSUDEWNSUD
      51BCB31.8104.2 2.9−277.53−250.72103.513.544.120.987.1
      B260331.9104.110.9158.11180.88142.52−3.85−4.281.666.7
      B057131.7104.312.5156.39152.2784.132.81−2.27−1.766.2
      U230231.8104.018.8−84.8958.35−113.25−1.050.46−1.515.7
      B260732.0104.221.530.6223.7421.001.111.110.684.7
      B050231.7104.424.823.8610.0619.62−1.620.490.674.5
      B260432.0104.026.540.2636.04−35.32−0.87−0.950.724.8
      51BCQ31.8104.526.711.817.346.590.360.220.193.1
      B260831.9104.527.371.0546.5920.26−1.730.89−0.425.5
      51BCY31.7104.429.164.2837.23−18.701.07−0.69−0.275.0
      U231031.8103.930.339.08−52.45−30.540.51−1.070.274.8
      F830331.6104.130.3−53.0957.1327.28−1.221.46−0.625.1
      B050131.6104.331.444.66−17.6243.600.50−0.40−0.514.4
      B260631.8104.636.4−59.36−35.0316.99−2.36−0.96−0.375.4
      B050331.6104.438.1−25.13−9.91−37.91−0.790.54−1.324.9
      B260131.9104.639.428.32−23.969.10−2.010.760.364.8
      B260232.0104.539.815.6713.63−12.76−0.14−0.16−0.173.0
      F830131.5104.241.1−15.99−15.52−6.070.53−0.550.293.7
      U230131.8103.742.121.8730.39−29.72−0.190.40−0.103.9
      B811231.7104.642.8−19.51−13.82−5.240.950.59−0.304.1
      B271332.2104.546.316.5317.998.34−0.23−0.320.143.4
      U230631.9103.746.624.6634.7835.83−0.30−0.370.173.9
      B270332.1104.547.646.7348.69−28.52−0.19−0.420.134.3
      51MZX31.4104.248.06.60−4.60−3.28−0.45−0.30−0.153.0
      B810631.7104.749.5−6.3211.61−2.670.480.28−0.133.2

      图  3  51BCB台站和51BCQ台站加速度时程与5% 阻尼比拟加速度反应谱

      Figure 3.  Acceleration time histories and 5%-damped pseudospectral accelerations for the recorded at stations 51BCB and 51BCQ

      PGA和PGV的空间分布特性是反映地震动特征的重要参数,能够为地震烈度评估和判断能量传播优势方向提供直观认识,见图4. 本文计算得到了532组记录的PGA和PGV参数,采用克里金方法对台站空区进行插值,图4给出了东西、南北和垂直3个方向的PGA和PGV等值线,为了便于更清晰显示等值线,将PGA和PGV取对数后再作插值. 从图中可以看出,地震动较强的记录主要集中在震中附近区域,PGA和PGV等值线长轴呈北西—南东方向,其中受场地影响较弱的垂直分量长轴方向展布更加明显,体现出地震动场在空间上的分布特征. 在震中外围区域PGA和PGV等值线均出现零散的异常增大区域,考虑是因布设简易强震动台的通信站点基本位于山坡和山顶位置,受到局部地形和场地的影响导致.

      图  4  PGA和PGV空间分布图

      Figure 4.  Contours for PGA and PGV

      图  5  PGA和PGV随震中距衰减分布

      Figure 5.  PGAs and PGVs attenuated with epicentral distance

      地震波在传播过程中受震源和传播介质的影响,地震动随距离的增加可表现出不同的衰减特性(王文才等,2017). 虽然近年来我国强震观测数据得到了快速积累,但全国大部分地区仍不足以用强震数据直接回归得到衰减关系(俞言祥等,2013),主要采用转换方法(胡聿贤和张敏政,1984)选择美国西部、日本和我国台湾地区为参考,建立该地区的地震动衰减关系,并利用我国强震观测数据加以控制,通过转换得到我国各分区地震动参数衰减关系.

      本文统计了北川MS4.7地震水平分量 PGA、PGV 随震中距R的衰减特征,并与常用衰减关系预测值进行初步对比. 考虑震中位置和震级区间因素,选用第五代区划图中M≤6.5的青藏区长轴方向衰减关系作为对比预测值之一,另外选用了俞言祥和汪素云(2006)提出的中国西部地区水平向长轴基岩加速度衰减关系和雷建成等(2007)提出的西南地区衰减关系进行对比. 由于建立地震动参数衰减关系过程中所使用的强震记录多分布于中等震级和中等距离,俞言祥和汪素云(2006)以及雷建成等(2007)两种衰减关系主要适用于中强震级、震中距200 km以内的范围.

      图5可看出此次地震PGA实测值随距离的衰减趋势与俞言祥和汪素云(2006)衰减关系的预测值一致性较好,PGA实测值相比3种衰减关系给出的预测值有一定程度偏大,主要是由于衰减关系给出的预测值为基岩地震动峰值,强震动台站基本布设在土层或结构物底层,受场地影响PGA会出现放大效应. 值得注意的是,大部分观测值较雷建成等(2007)和区划图衰减关系给出的预测值偏大,并且随着距离的增加,偏大趋势愈加明显. 这一现象表明,在此次地震中所体现的高频地震动衰减要慢于这两个衰减关系所采用的路径定标关系. 当然地震动具有较大随机性,受震源、路径和场地的综合作用影响,验证衰减关系预测结果合理性还需要更多次地震的观测记录. 图5还给出了实测PGV值与五代图青藏区PGV衰减关系(M≤6.5,长轴)预测值的对比情况,可以看出在80 km以内衰减关系预测效果较好,观测值基本分布在预测中位值加减一倍标准差范围内. 但在80~200 km范围内观测值分布较为离散,整体上要大于预测值,甚至出现了一个量级的偏差. 这是由于受场地放大效应影响,同时也与区域内非弹性衰减的横向不均匀性有关,具体原因还需要下一步工作深入分析.

    • 本文简要介绍了北川MS4.7获取的532组地震强震动记录,从幅值、空间分布特征及衰减情况分析了地震动特征. 从地震动强度上看,表现出了震级小、仪器烈度高和震害轻的特点,震中附近2个台站仪器烈度相比震害调查烈度基本偏高1°左右. 51BCB的土层强震动记录和51BCQ的基岩记录在反应谱的对比结果体现了基岩场地下垂直向地震动记录放大效果有限,有助于基于垂直向基岩地震动不放大条件假设的谱比法(荣棉水等,2016)在分析地震动特征上的应用. 地震动幅值的空间分布长轴呈北西—南东方向,但在多个区域出现异常增大现象,目前分析主要受到局部场地影响,由此也建议台站场址勘选应避开局部不利地形条件.

      北川MS4.7地震获取了大量强震动记录,其衰减特性与俞言祥和汪素云(2006)提出的中国西部地区水平向基岩加速度衰减关系一致性较好,相比第五代区划图建立的青藏区地震动衰减关系和雷建成等(2007)提出的西南地区衰减关系偏大,主要原因为衰减关系预测值为基岩地震动,实测值受场地影响导致,同时也为后期建立四川地区区域衰减关系提供了较好数据基础. 同时,北川MS4.7地震所获得的密集的、高质量的强震动记录,也可为以小震作为子震的经验格林函数方法(EGFM)再现大地震的强地震动场展布提供重要的数据支撑.

      致谢

      四川地震台苏金蓉研究员及其团队为本研究提供了北川MS4.7地震震源机制解和历史地震数据,四川省地震应急服务中心毛利工程师为本研究提供了调查资料,中国地震局工程力学研究所王宏伟助理研究员为本文部分图件的绘制提供了技术指导,在此一并感谢.

参考文献 (10)

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