2014年8月3日魯?shù)榈卣饠?shù)據(jù)特征提取與分析

2014年8月3日魯?shù)榈卣饠?shù)據(jù)特征提取與分析

魯巖大震后地面公震地震的基本特征根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的測(cè)定，2014年8月3日16時(shí)30分，云南省昭通魯?shù)榭h（北緯27.1，東經(jīng)103.3）發(fā)生了m6.5級(jí)地震，震源深度僅為12km。中心位于魯?shù)榭h豪山市附近。根據(jù)云南省民政部門統(tǒng)計(jì),截止2014年8月7日19時(shí),此次地震已經(jīng)造成615人死亡,114人失蹤,3143人受傷,22.97萬(wàn)人緊急轉(zhuǎn)移安置,108.84萬(wàn)人受災(zāi)。相比震級(jí)MS7.0的蘆山地震,此次地震震中附近的人員傷亡與房屋損毀均更為嚴(yán)重。魯?shù)榈卣鹬形覈?guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)共有60余個(gè)臺(tái)站被觸發(fā),這是我國(guó)繼MS7.0級(jí)蘆山地震之后又一次破壞性淺源地震(溫瑞智等,2013a)并獲得數(shù)量較多的強(qiáng)震動(dòng)記錄,其中震中附近的龍頭山鎮(zhèn)臺(tái)站(053LLT)獲得了峰值加速度超過(guò)900gal的強(qiáng)震記錄。本文在對(duì)主震的強(qiáng)震記錄進(jìn)行處理后,分析了地震動(dòng)的基本特征,從幅值特征、衰減關(guān)系等方面加以分析;整理了近場(chǎng)典型強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站附近建筑物的震害考察結(jié)果,并嘗試從地震動(dòng)特征的角度對(duì)震害現(xiàn)象加以解釋。1振動(dòng)記錄1.1震震記錄分析截止2014年8月6日,根據(jù)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的數(shù)據(jù),共獲得3分量自由場(chǎng)地記錄61組,包括四川省28組,云南省33組。圖1給出了主震觸發(fā)臺(tái)站的地理位置分布,可以看出震中附近觸發(fā)臺(tái)站相對(duì)較稀疏,震中距50km內(nèi)僅捕獲7組主震記錄。截止2014年8月1日,記錄到余震總數(shù)為1335個(gè),其中5.0—5.9級(jí)地震0個(gè),4.0—4.9級(jí)地震4個(gè),3.0—3.9級(jí)地震8個(gè),其余余震均低于3級(jí),余震序列觸發(fā)的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)數(shù)量較少。在進(jìn)行強(qiáng)震記錄分析之前要對(duì)其進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。本文采用Boore(2001)提出的方法對(duì)部分近場(chǎng)記錄進(jìn)行基線校正處理(任葉飛等,2011),消除基線漂移對(duì)位移、反應(yīng)譜長(zhǎng)周期部分的影響。1.2最大加速度分析考慮到強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站密度對(duì)插值精度的影響,本文僅對(duì)臺(tái)站分布相對(duì)集中的102°E—105°E,26°N—28°N區(qū)域繪制加速度峰值(PGA)等值線。為了清晰可靠地顯示等值線結(jié)果,統(tǒng)計(jì)各主震記錄的PGA后,將PGA取自然對(duì)數(shù)后再做克里金插值計(jì)算,等值線間隔為0.5,計(jì)算結(jié)果如圖2所示,可見(jiàn)三分量的PGA等值線形狀均較為平滑,長(zhǎng)軸沿西北-東南方向展布,角度約為北偏西20°,見(jiàn)圖2中的紅色直線。對(duì)數(shù)等值線圖與加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。王衛(wèi)民等反演得到的標(biāo)量地震矩約為2.1×1018N·m,矩震級(jí)約為MW震中距小于50km的7個(gè)臺(tái)站的強(qiáng)震記錄參數(shù)PGA、PGV(峰值速度)計(jì)算結(jié)果如表2所示。此次地震中最大的加速度峰值記錄在震中距不足10km的龍頭山鎮(zhèn)臺(tái)站(053LLT)取得,東西、北南和豎直方向的PGA分別為949gal、-706gal和-504gal(1gal=1cm/s2)。其次在鉛廠臺(tái)站(053QQC)的三分量PGA分別為-146.0gal、-140.3gal和-52.8gal,該臺(tái)站震中距僅比053LLT約遠(yuǎn)10km,但是PGA水平卻顯著低于053LLT。此外,震中距為43.1km的馬樹(shù)臺(tái)站(053QJX)的水平分量PGA高達(dá)135gal,較震中距低于40km的053LDC與053HYC臺(tái)站要高出很多。2中強(qiáng)地震區(qū)的對(duì)比本文選取了4組PGA的衰減關(guān)系,分別是俞言祥等(2006)的中國(guó)西部地區(qū)(YW06模型)、霍俊榮(1989)的中國(guó)西南地區(qū)(Huo89模型)、雷建成等(2007)的中國(guó)西南地區(qū)(Lei07模型)以及第五代區(qū)劃圖中的中強(qiáng)地震區(qū)(俞言祥等,2013);針對(duì)PGV的衰減關(guān)系選擇了兩組,分別是霍俊榮(1989)的中國(guó)西南地區(qū)和第五代區(qū)劃圖中的中強(qiáng)地震區(qū)(俞言祥等,2013)。圖3將震中距200km內(nèi)臺(tái)站的水平向PGA與PGV參數(shù)的幾何平均值與上述衰減關(guān)系的預(yù)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。從整體上來(lái)看,除近場(chǎng)的個(gè)別臺(tái)站外,魯?shù)榈卣鹬懈髋_(tái)站的觀測(cè)值均不同程度低于預(yù)測(cè)值。為了直觀說(shuō)明該問(wèn)題,計(jì)算各個(gè)模型觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間殘差隨震中距的變化情況。各模型遠(yuǎn)場(chǎng)殘差的散點(diǎn)分布明顯高于零軸,說(shuō)明出現(xiàn)了顯著的系統(tǒng)性偏差,印證了魯?shù)榈卣鸬钠茐募杏诮鼒?chǎng),遠(yuǎn)場(chǎng)震害較輕的特點(diǎn)。計(jì)算各記錄總殘差的平均值來(lái)衡量各模型預(yù)測(cè)值的整體偏差,不同模型的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。各模型的殘差平均值均在1.0左右,說(shuō)明確實(shí)存在不可忽略的系統(tǒng)性高估。比較而言,Lei07模型對(duì)PGA結(jié)果的預(yù)測(cè)情況偏差最小,第五代區(qū)劃圖對(duì)PGV的預(yù)測(cè)結(jié)果偏差較小。將053LLT、053QJX、053QQC三個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)值標(biāo)注于圖3中,與各衰減關(guān)系對(duì)比后發(fā)現(xiàn),053LLT臺(tái)站的PGA與PGV水平均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)測(cè)值。如果考慮到模型的整體偏差,則053LLT臺(tái)站的差異將更為顯著,其主要原因可能是由于震中位置確定的精度影響到了此臺(tái)震中距的計(jì)算,該問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。同樣位于近場(chǎng)區(qū)域的053QQC與053QJX臺(tái)站,觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值相比差異不大。3魯深度統(tǒng)計(jì)與主要?dú)庀笳痉植嫉卣鸢l(fā)生后,中國(guó)地震局通過(guò)災(zāi)區(qū)震害調(diào)查、強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)記錄分析、遙感震害解譯等工作,確定了此次地震的宏觀烈度分布。此次地震災(zāi)區(qū)最高烈度為Ⅸ度,等震線長(zhǎng)軸總體呈北西走向,VI度區(qū)及以上總面積為10350km2,共造成云南省、四川省、貴州省的10個(gè)縣(區(qū))受災(zāi)。其中IX度區(qū)包括昭通市魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)、火德紅鎮(zhèn)和巧家縣包谷垴鄉(xiāng),面積為90km2。圖4為地震烈度高于VI度區(qū)內(nèi)的獲取強(qiáng)震動(dòng)記錄的臺(tái)站分布,可以看出VI度區(qū)以上區(qū)域內(nèi)的臺(tái)站僅有7個(gè):IX度區(qū)內(nèi)僅有臺(tái)站053LLT(949gal),VIII度區(qū)內(nèi)無(wú)臺(tái)站分布,VII度區(qū)內(nèi)僅臺(tái)站053QQC(146gal),其余5個(gè)臺(tái)站均在VI度區(qū)內(nèi)分布。在魯?shù)榈卣鹬髡鸢l(fā)生后數(shù)日,筆者即趕往現(xiàn)場(chǎng)對(duì)震中附近不同烈度區(qū)內(nèi)的典型臺(tái)站做了實(shí)地考察,詳細(xì)調(diào)研了各臺(tái)站所處環(huán)境與附近建筑物的震害情況。下面將給出本次地震中捕獲記錄超過(guò)100gal的053LLT、053QQC、053QJX三個(gè)臺(tái)站周圍的震害調(diào)查結(jié)果,并從強(qiáng)震記錄特征角度加以解釋。3.1地震后的破壞情況053LLT臺(tái)站位于魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)財(cái)政所院內(nèi),海拔1557m。臺(tái)站距離震中僅8.3km,所在區(qū)域宏觀烈度為IX度,房屋損毀嚴(yán)重。圖5為053LLT臺(tái)站附近主要建筑物位置示意圖。圖6為臺(tái)站觀測(cè)周圍環(huán)境圖,強(qiáng)震觀測(cè)儀置于鋼罩觀測(cè)室內(nèi),雖然后方墻體出現(xiàn)坍塌,但在此次地震中臺(tái)站本身完好,室內(nèi)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)正常。臺(tái)站附近的(2)號(hào)與(3)號(hào)建筑均為縣財(cái)政所辦公樓,結(jié)構(gòu)為三層磚混結(jié)構(gòu),地震后的破壞情況如圖7所示。(3)號(hào)建筑的底層完全垮塌,房屋嚴(yán)重破壞且無(wú)法繼續(xù)使用。這種由于底層剛度不足,地震動(dòng)強(qiáng)度大,加上局部受力集中而導(dǎo)致的底層嚴(yán)重破壞現(xiàn)象在臺(tái)站附近其余建筑也有發(fā)現(xiàn)。(2)號(hào)建筑雖然底層沒(méi)有倒塌,但在底層窗間墻部位出現(xiàn)了典型的“短柱”破壞,窗體之間的柱體出現(xiàn)剪切脆性破壞,房屋嚴(yán)重受損無(wú)法繼續(xù)使用。與縣財(cái)政所毗鄰的(4)號(hào)砌體結(jié)構(gòu)的墻體出現(xiàn)了“X”形與“一”形貫通裂縫,門窗變形嚴(yán)重,由于破壞嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用,見(jiàn)圖8。3.20加速度反應(yīng)譜對(duì)比2013年4月20日,在MS7.0級(jí)蘆山地震中,震中附近的051BXD臺(tái)站捕獲了PGA超過(guò)1g的記錄,但研究人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域震害并不嚴(yán)重,宏觀烈度僅為VII度(溫瑞智,2013b)。位于此次魯?shù)榈卣鹫鹬袇^(qū)域的053LLT臺(tái)站同樣捕獲了接近1g的記錄,但從上文計(jì)算的譜烈度以及震害調(diào)查的結(jié)果可以看出,其附近建筑破壞十分嚴(yán)重,所在區(qū)域宏觀烈度高達(dá)IX度,因此有必要對(duì)比二者的強(qiáng)震記錄特征來(lái)分析其附近震害的顯著差異。對(duì)比051LLT與051BXD臺(tái)站的加速度與速度時(shí)程曲線(圖9)發(fā)現(xiàn),053LLT臺(tái)站的峰值加速度PGA略低于051BXD,但對(duì)建筑物破壞影響更大的指標(biāo)PGV卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于051BXD。051BXD的水平PGV分量均低于25cm/s,但是051LLT的水平PGV分量均超過(guò)了75cm/s,超過(guò)051BXD的兩倍。若以5%到95%的Arias強(qiáng)度之間的時(shí)間間隔計(jì)算相對(duì)持時(shí),053LLT的EW、NS方向持時(shí)僅為4.2s和2.4s;051BXD的EW、NS方向持時(shí)要比053LLT略長(zhǎng),分別為5.7s和3.37s。053LLT臺(tái)站一直被認(rèn)為是基巖臺(tái)站,但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察,筆者認(rèn)為此臺(tái)并非嚴(yán)格意義上的基巖站,同時(shí)計(jì)算的水平與垂直向譜比也證明了這一點(diǎn)。由于此次地震余震較少,無(wú)法從統(tǒng)計(jì)意義上分析其是否還存在著場(chǎng)地非線性問(wèn)題(冀昆等,2014)。雖然二者記錄的PGA與持時(shí)水平均相仿,但對(duì)其加速度記錄分別做時(shí)頻分析后還是發(fā)現(xiàn)了顯著的差異,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖10。整體來(lái)看,053LLT記錄的低頻成分更為突出,卓越頻率在2.5Hz左右,這也解釋了其PGV水平要顯著高于051BXD。051BXD臺(tái)站記錄的卓越頻率整體要比053LLT高很多,約在10Hz左右。另外關(guān)注PGA所在時(shí)刻附近的頻率變化發(fā)現(xiàn),053LLT記錄在該處出現(xiàn)了明顯的低頻脈沖現(xiàn)象。該脈沖在速度時(shí)程曲線中也有明顯體現(xiàn),這種短時(shí)間內(nèi)的大速度脈沖可能是造成053LLT臺(tái)站周圍建筑損毀嚴(yán)重的重要原因之一。將053LLT與051BXD記錄水平向5%阻尼比的加速度反應(yīng)譜與所處地區(qū)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖11所示。053LLT所在昭通地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,設(shè)計(jì)地震動(dòng)分組為第三組(中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)部,2010)。053LLT的加速度反應(yīng)譜在1.5s之前遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,其卓越周期平臺(tái)段極寬,超過(guò)了0.5s。051BXD所在寶興地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,設(shè)計(jì)地震動(dòng)分組為第一組。051BXD加速度反應(yīng)譜的峰值周期在0.1s—0.2s之間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,其卓越周期平臺(tái)段很窄,在設(shè)計(jì)譜特征周期(0.35s)之后迅速下降至設(shè)計(jì)譜曲線以下。我國(guó)中小城市和城鎮(zhèn)主要建筑物的結(jié)構(gòu)自振周期范圍約在0.3s—1.0s內(nèi),在蘆山地震中包括051BXD在內(nèi)臺(tái)站的加速度反應(yīng)譜在該周期段均低于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜(溫瑞智,2013b),震害程度較輕。從設(shè)防烈度來(lái)看,地震記錄遠(yuǎn)超昭通其抗震最大設(shè)防Ⅶ度,053LLT臺(tái)站在我們關(guān)心的0.3s—1.0s周期段內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重影響?，F(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查中也印證了這一點(diǎn),龍頭山鎮(zhèn)臺(tái)站附近區(qū)域的砌體以及木結(jié)構(gòu)房屋等各種建筑均出現(xiàn)了不同程度的破壞。除此之外,053LLT臺(tái)站所處震中地質(zhì)復(fù)雜,山高谷深,加之雨季降水影響,地震造成嚴(yán)重崩塌、滑坡及大量次生地質(zhì)災(zāi)害,同時(shí)災(zāi)區(qū)人口密度大,貧困面積廣,房屋多為抗震能力弱的砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu),相當(dāng)部分的自建房并未依照抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),這也是造成這次地震震中區(qū)域震害極其嚴(yán)重的原因之一。3.3監(jiān)測(cè)站相關(guān)情況053QQC臺(tái)站位于巧家縣老店鎮(zhèn)鉛廠小學(xué)院內(nèi),海拔約為2544m。臺(tái)站距離震中18.7km,所在區(qū)域宏觀烈度為VII度。地震發(fā)生后,建筑物內(nèi)人員有明顯震感,出逃至戶外操場(chǎng)。圖12為053QQC臺(tái)站附近主要建筑物位置示意圖。圖13為臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境圖,強(qiáng)震儀器置于鋼罩觀測(cè)室內(nèi),經(jīng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)正常。臺(tái)站旁邊的(1)號(hào)建筑為學(xué)校宿舍樓,建筑類別為三層磚混結(jié)構(gòu),建設(shè)年代較久,但在此次地震中并無(wú)明顯破壞現(xiàn)象。臺(tái)站周圍(2)、(3)、(4)號(hào)建筑震后圖片整理于圖14。位于臺(tái)站后方高坡上的(2)、(3)、(4)號(hào)建筑分別為小學(xué)辦公樓、食堂、以及新建宿舍樓,結(jié)構(gòu)類別均為磚混結(jié)構(gòu),在此次地震中沒(méi)有明顯的破壞現(xiàn)象,僅個(gè)別局部存在極輕微裂縫,不需要修理可繼續(xù)使用。053QQC臺(tái)站的加速度、速度時(shí)程如圖15所示。加速度反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖16。所處巧家縣抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。加速度反應(yīng)譜卓越周期在0.25s附近,幅值約為0.7,低于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜給出的0.9g。此外在各周期段,加速度反應(yīng)譜值均低于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。3.4監(jiān)測(cè)站的加速度、速度時(shí)程設(shè)計(jì)053QJX臺(tái)站位于巧家縣馬樹(shù)鎮(zhèn)委員會(huì)院內(nèi),海拔約2424m,臺(tái)站距離震中38.6km,所在區(qū)域宏觀烈度為VI度。圖17為053QJX臺(tái)站附近主要建筑物位置示意圖。圖18為臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境圖,強(qiáng)震儀器置于鋼罩觀測(cè)室內(nèi),經(jīng)檢測(cè)室內(nèi)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)正常。臺(tái)站一旁的(1)號(hào)建筑為一層砌體結(jié)構(gòu),此次地震中無(wú)明顯破壞現(xiàn)象,不影響繼續(xù)使用。位于臺(tái)站旁邊的(2)、(3)、(4)號(hào)建筑均為磚混結(jié)構(gòu),在此次地震中無(wú)破壞現(xiàn)象,可以繼續(xù)使用,見(jiàn)圖19。臺(tái)站周圍的個(gè)別民居由于是磚石、木結(jié)構(gòu)或者年代久遠(yuǎn),在此次地震中出現(xiàn)了局部輕微裂縫。臺(tái)站記錄加速度、速度時(shí)程曲線如圖20所示。加速度反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖16。對(duì)比結(jié)果與053QQC相仿,卓越周期約為0.3s,在各個(gè)周期點(diǎn)均低于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。另外值得注意的是,該臺(tái)站修建于山坡陡坎上,所在平面較下層建筑約高15m。該臺(tái)站PGA水平遠(yuǎn)超VI度區(qū)內(nèi)其余臺(tái)站,是否該現(xiàn)象由其特殊地形導(dǎo)致有待進(jìn)一步研究。4魯深度統(tǒng)計(jì)與分析本文處理了云南魯?shù)榈卣鹬形覈?guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)觀