吉林松原M_S5.7、M_S5.1地震強震動記錄特征分析

徐欽　陳琳榮　張宇　王文才　石文兵

摘要：2018年5月28日和2019年5月18日在吉林省松原市先后發(fā)生MS5.7和MS5.1地震，對吉林省和黑龍江省強震動臺網(wǎng)收集的24組地表強震動記錄進行整理、基線校正和濾波等常規(guī)處理，分析2次地震記錄的幅值、加速度反應(yīng)譜特征，結(jié)果表明：①2次地震記錄多為中遠(yuǎn)場（100?km以外），近場記錄較少;②MS5.7地震事件中獲得的強震動記錄PGA范圍為2.25～192.30?gal，MS5.1地震事件中獲得的強震動記錄PGA范圍為1.08～176.92?gal，最大PGA均由風(fēng)華臺獲取;③將PGA觀測值與第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（中強地震區(qū)）地震動衰減關(guān)系進行了對比發(fā)現(xiàn)垂直向和預(yù)測值吻合度較高;④比較獲取記錄儀器烈度和地震調(diào)查烈度，達里巴臺與調(diào)查烈度值完全吻合;最后對典型臺站2次地震反應(yīng)譜和設(shè)計譜進行了分析發(fā)現(xiàn)，MS5.7長周期分量大于MS5.1;⑤同一臺站不同震級反應(yīng)譜形狀接近，且高頻優(yōu)于低頻。

關(guān)鍵詞：松原地震;強震動記錄;反應(yīng)譜;衰減關(guān)系;強震動觀測

中圖分類號：P315.914?文獻標(biāo)志碼：A?文章編號：1000-0666（2019）04-0627-08

0?引言

2018年5月28日1時50分，吉林省松原市寧江區(qū)（45.27°N，124.71°E）發(fā)生MS5.7地震，震源深度13?km。此次地震發(fā)生在松遼斷陷盆地中央沉降帶內(nèi)，位于NE向松原（扶余）—肇東斷裂帶和NW向第二松花江斷裂帶交匯部位。截至2018年6月13日共記錄到地震823次，最大余震為2018年5月29日14時36分ML4.2地震（盤曉東等，2018）。2019年5月18日6時24分吉林省松原市寧江區(qū)（45.30°N，124.75°E）發(fā)生MS5.1地震，震源深度10?km，本次地震震中距2018年5月28日MS5.7地震震中4.6?km，距松原市19?km，距長春市171?km。東北地區(qū)地震活動性較弱，對該區(qū)強震動記錄的分析可為我國東北地區(qū)地震動特征和工程震害調(diào)查提供參考資料。張仁鵬和雷煥珍（2017）、李永振（2011）曾對吉林省2013年和2009年地震獲得的強震動記錄進行了初步分析，從地震動特征角度解釋了松原地震地面運動較強烈而震害相對較輕的原因。本文在分析總結(jié)MS5.7和MS5.1地震加速度記錄特征的基礎(chǔ)上，對比研究2次地震儀器烈度與調(diào)查烈度、加速度幅值、衰減特性以及反應(yīng)譜特性，了解2次地震的異同。

1?強震動記錄的收集與處理

吉林省強震動臺網(wǎng)由15個強震動臺站組成，“十五”期間建設(shè)并投入使用的強震動臺有10個，主要沿“公主嶺—長春—德惠—榆樹”沿線分布;依托中國地震背景場探測項目建設(shè)完成的有5個強震動臺，主要沿“長春—松原”一線分布（張仁鵬，雷煥珍，2017）。黑龍江省強震動臺網(wǎng)由13個強震動臺站組成，其中“十五”期間建設(shè)有8個強震動臺，中國地震背景場探測項目建設(shè)有5個強震動臺。這兩次地震與上述強震臺震中距100～200?km，近場記錄較少，觸發(fā)臺站分布見圖1。其中吉林省強震動臺網(wǎng)獲取MS5.7地震11組33條記錄、MS5.1地震11組33條記錄;黑龍江省強震動臺網(wǎng)獲取MS5.7地震2組6條記錄。

對獲取的記錄進行基線校正、濾波等常規(guī)數(shù)據(jù)處理（于海英等，2009）：①先計算原始加速度記錄前時間記錄的平均值，然后將原始加速度記錄數(shù)據(jù)減去事前記錄平均值，對個別有零線漂移的加速度記錄作調(diào)整，消除對時程的影響。②對于零線進行調(diào)整之后的加速度記錄，利用Butterworth數(shù)字濾波器進行雙向高通濾波，低頻截止頻率的下限取該記錄時長倒數(shù)的2倍，根據(jù)謝禮立等（1983）和周寶峰（2012）的研究，高頻截止頻率對強震動記錄位移時程基線偏移的影響很小，考慮到抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中比較感興趣的頻帶范圍，本文高頻截止頻率取35?Hz。③對于濾波之后加速度記錄作積分，求出速度與位移時程，對于后者運用最小二乘法調(diào)整零線來消除線性趨勢，通過分析計算出MS5.7，MS5.1地震典型強震記錄的基本信息及相關(guān)參數(shù)，見表1，2，采用式（1）計算合成水平向加速度記錄，采用式（3）計算水平向加速度峰值。利用式（2）計算合成水平方向速度記錄，利用式（4）計算水平方向速度峰值，具體計算公式如下：

2?儀器烈度

根據(jù)《吉林松原5.7級地震烈度圖》（吉林省地震局，2018），MS5.7地震的最大烈度為Ⅶ度，Ⅵ度和Ⅶ度烈度區(qū)呈橢圓型分布，橢圓長軸總體呈NE走向，Ⅵ度及以上區(qū)域總面積為1?037?km2。Ⅶ度區(qū)主要涉及吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)、伯都鄉(xiāng)、新城鄉(xiāng)和前郭縣平鳳鄉(xiāng)，面積為157?km2。Ⅵ度區(qū)主要涉及吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)、伯都鄉(xiāng)、新城鄉(xiāng)、大洼鎮(zhèn)、興原鄉(xiāng)和前郭縣平鳳鄉(xiāng)、長山鎮(zhèn)、達里巴鄉(xiāng)，以及黑龍江省大慶市肇源縣極少部分無居民點地區(qū)，面積為880?km2。此外，位于Ⅵ度區(qū)之外的部分地區(qū)也受到波及，部分老舊房屋出現(xiàn)破壞受損現(xiàn)象。根據(jù)《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2015）計算此次地震的儀器烈度，并與《吉林松原5.7級地震烈度圖》進行對比可見，22DLB臺位于Ⅵ度區(qū)，儀器烈度與調(diào)查烈度值完全吻合，除22FHT臺為Ⅵ度，其余臺站儀器烈度均為IV度及以下，未進入公布的烈度圈內(nèi)。

根據(jù)《吉林松原5.1級地震烈度圖》（吉林省地震局，2019），MS5.1地震最大烈度Ⅵ度，Ⅵ度區(qū)等震線長軸總體呈NE走向，長軸半徑約11?km，短軸半徑約7?km，總面積237?km2。Ⅵ度區(qū)主要涉及吉林省松原市寧江區(qū)毛都站鎮(zhèn)、伯都鄉(xiāng)、新城鄉(xiāng)和前郭縣平鳳鄉(xiāng)。根據(jù)中國地震局儀器烈度計算暫行規(guī)程（中國地震局，2015）計算此次地震的儀器烈度，并與《吉林松原5.1級地震烈度圖》對比，觸發(fā)臺站均未進入公布的烈度圈內(nèi)。該烈度圖只繪制了Ⅵ度區(qū)域，強震動記錄22FHT臺儀器烈度為Ⅵ度并未包含在烈度區(qū)內(nèi)，因為震后烈度調(diào)查資料是一定區(qū)域內(nèi)平均或延伸，而強震數(shù)據(jù)只是個別點上的數(shù)據(jù)，二者具有差異性（馬強等，2014），若進一步針對該強震動臺站場地等周邊環(huán)境進行調(diào)查，可降低統(tǒng)計關(guān)系的離散性。

3?幅值特征

3.1?加速度幅值特征

MS5.7地震獲得的強震動記錄?PGA為2.25～192.30?gal，震中距為15.46～195.83?km。最大PGA由22FHT臺EW向獲取，震中距為24.97?km，其次是22DLB臺垂直向（165.97?gal），震中距為15.46?km。MS5.7地震觸發(fā)臺站在NW向第二松花江斷裂帶EN方向的臺站相似震中距PGA整體大于EW向，該特性與《吉林松原5.7級地震烈度圖》的烈度圈分布走向一致，是否與場地效應(yīng)有關(guān)需要根據(jù)臺站鉆孔資料等做進一步分析。

MS5.1地震獲得的強震動記錄?PGA為1.08～176.92?gal，震中距為20.57～199.08?km。最大PGA由22FHT臺SN向獲取，震中距為20.57?km，其次是22BDT臺EW向（41.02?gal），震中距為47.09?km。當(dāng)震中距約為50?km時，PGA衰減到大約41?gal，衰減約76%，震中距大于50?km，隨震中距增大PGA逐步衰減直至降為零，基本不再會對人和建筑物造成危險和破壞。此外，MS5.1地震基巖場地22JYT臺的PGA明顯低于相似震中距的臺站，同樣特性在九寨溝MS7.0地震中也有所表現(xiàn)（徐欽等，2018），由此可見局部場地條件對PGA有相當(dāng)大的影響。

2次地震獲得的強震動記錄PGA整體隨震中距的增大而快速衰減，同一震中距（或震中距基本相等）的22SHJ臺PGA均大于22DHT臺、22DSJ臺，且遞減規(guī)律一致，該特性可能與當(dāng)?shù)氐膱龅貤l件和地震傳播特性有關(guān)，需作進一步研究。典型臺站時程曲線如圖2，3所示。

3.2?幅值衰減特征

選用《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB?18306—2015）（聞滿華，2017）中強地震區(qū)（包含東北地震區(qū)、鄂爾多斯帶、長江中游帶、右江帶）分區(qū)衰減關(guān)系（俞言祥等，2013）對比研究此次地震的PGA幅值衰減特征，衰減關(guān)系模型為：

lgY=A+BM+Clg（R+DeEM）（5）

式中：Y為地震動參數(shù)（加速度峰值）;M為面波震級;R為震中距;A，B，C，D和E為回歸系數(shù)。圖4，5是2次地震PGA觀測值和和預(yù)測衰減關(guān)系對比。

2次地震均表現(xiàn)出UD向觀測值和預(yù)測值吻合度高，100?km內(nèi)全部在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，MS5.7地震的UD向觀測值比MS5.1地震衰減要緩慢一些;水平向二者觀測值和預(yù)測值差值較大，MS5.7地震在近場與預(yù)測值吻合較好，MS5.1地震觀測值與預(yù)測值相差較大，整體大于預(yù)測值。

4?加速度反應(yīng)譜特征

4.1?與設(shè)計反應(yīng)譜比較

選取MS5.7地震震中距最小的22DLB臺和MS5.1震中距最小的22FHT臺加速度反應(yīng)譜與該臺站所在地設(shè)計反應(yīng)譜（建筑設(shè)計抗震規(guī)范，GB?50011—2010）進行比較，如圖6，7所示：MS5.7的NS，EW向加速度反應(yīng)譜高于Ⅷ度多遇地震，EW向反應(yīng)譜高于Ⅶ度罕遇，MS5.1地震的NS，EW向加速度反應(yīng)譜超過Ⅷ度多遇地震小于Ⅷ度罕遇地震，NS向反應(yīng)譜超過Ⅶ度罕遇。

MS5.7和MS5.1地震的反應(yīng)譜形狀相近，反應(yīng)譜峰值周期均在0.3?s以內(nèi)，卓越平臺窄，EW向反應(yīng)譜在對應(yīng)設(shè)計譜特征周期（Tg=0.45?s）之前衰減迅速。對比2次地震的反應(yīng)譜發(fā)現(xiàn)，MS5.7低頻分量大于MS5.1，MS5.7地震反應(yīng)譜平臺值更大。2次地震發(fā)生1?s后反應(yīng)譜峰值達到1?m/s2以下甚至接近于0，因此不會對自振較長的大壩、橋梁、高層及超高層建筑造成嚴(yán)重破壞，對該地區(qū)非設(shè)防結(jié)構(gòu)，低矮短周期結(jié)構(gòu)破壞較大（張?zhí)K平等，2017）。

4.2?同一臺站不同震級對比

選取22FHT和22BDT這2個臺站，分別對其2次地震加速度反應(yīng)譜進行對比分析，由于震級接近，2臺站2次地2次地震反應(yīng)譜曲線形狀基本相似，高頻分量優(yōu)于低頻。22FHT臺的反應(yīng)譜峰值MS5.7地震在0.1?s以后高于MS5.1地震，但22BDT臺NS?向MS5.7地震的反應(yīng)譜整體低于MS5.1地震。

本節(jié)所涉及到的加速度反應(yīng)譜均為阻尼比為5%的單自由度彈性反應(yīng)譜（Sa）。

5?結(jié)論

本文對吉林松原寧江區(qū)2018年5月28日發(fā)生的MS5.7地震和2019年5月18日MS5.1地震獲取的強震動觀測記錄進行整理、基線校正和濾波等常規(guī)處理，在分析加速度記錄特征的基礎(chǔ)上，對比研究2次地震儀器烈度與調(diào)查烈度、加速度幅值以及衰減特性、加速度反應(yīng)譜特性。得到以下主要結(jié)論：

（1）2次地震記錄多為中遠(yuǎn)場（100?km以外），近場記錄較少。MS5.7地震事件中獲得的強震動記錄?PGA范圍為2.25～192.30?gal，震中距15.46～195.83?km。最大PGA由22FHT臺EW向獲取，震中距為24.97?km。MS5.1地震事件中獲得的強震動記錄PGA范圍為1.08～176.92?gal，震中距20.57～199.08?km。最大PGA由22FHT臺NS向獲取，震中距為20.57?km。

（2）與第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的分區(qū)（中強地震區(qū)）地震動衰減關(guān)系對比發(fā)現(xiàn)，2次地震均表現(xiàn)出UD向和預(yù)測值吻合度高，水平向整體觀測值和預(yù)測值差值較大的特點，MS5.7地震在近場與預(yù)測值吻合較好。

（3）對比分析了2次地震的儀器烈度和調(diào)查烈度發(fā)現(xiàn)，MS5.7地震中22DLB臺位于Ⅵ度區(qū)，儀器烈度與調(diào)查烈度值完全吻合，其余臺站均未進入公布的烈度圈內(nèi)。

（4）對比2次地震震中距最近的臺站反應(yīng)譜與抗震設(shè)計譜發(fā)現(xiàn)，MS5.7地震的長周期分量大于MS5.1地震，反應(yīng)譜寬度較MS5.1增大更加明顯。2次地震1?s之后反應(yīng)譜峰值降到1?m/s2以下甚至接近于0，因此不會對自振較長的大壩、橋梁、高層及超高層建筑造成嚴(yán)重破壞，但對該地區(qū)非設(shè)防結(jié)構(gòu)，低矮短周期結(jié)構(gòu)破壞較大;同一臺站不同震級反應(yīng)譜形狀接近，臺站反應(yīng)譜曲線形狀基本相似，高頻分量優(yōu)于低頻。

感謝吉林省地震局強震動觀測人員在此次地震觀測、記錄收集工作中的辛勤勞動。感謝中國地震局工程力學(xué)研究所“國家強震動臺網(wǎng)中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持。

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The?Characteristics?of?Strong?Motion?Records?of?the?SongyuanMS5.7?and?MS5.1?Earthquakes，Jilin?Province

XU?Qin1，CHEN?Linrong2，ZHANG?Yu2，WANG?Wencai1，SHI?Wenbing1

（1.?Lanzhou?National?Geophysical?Observation?and?Research?Station，Lanzhou?730000，Gansu，China）

（2.?Jilin?Earthquake?Agency，Changchun1?30022，Jilin，China）

Abstract

On?May?28，2018?and?May?18，2019，two?MS5.7?and?MS5.1?earthquakes?occurred?successively?in?Ningjiang?district，Songyuan?city，Jilin?province.The?24?groups?of?strong?ground?motion?records?collected?by?the?strong?motion?networks?in?Jilin?province?and?Heilongjiang?province?were?routinely?processed，including?classification，baseline?correction?and?filtering.The?amplitude?and?acceleration?response?spectrum?characteristics?of?the?two?seismic?records?were?analyzed.Most?of?the?two?seismic?records?were?from?the?far?and?medium?field（100km?away），while?few?were?from?the?near?field.The?MS5.7?PGA?ranges?from?2.25?to?192.30?gal，the?MS5.1?PGA?ranges?from?1.08?to?176.92?gal，and?the?maximum?PGA?value?was?obtained?by?22FHT.The?observed?PGA?values?were?compared?with?the?attenuation?relationship?of?the?fifth?generation?seismic?zoning?map（medium?and?strong?seismic?zones）in?China，and?the?vertical?direction（UD）was?consistent?with?the?predicted?values.The?instrumental?intensity?obtained?was?compared?with?the?seismic?investigation?intensity，and?the?22DLB?station?was?completely?consistent?with?the?investigation?intensity?value.Finally，the?response?spectrum?and?design?spectrum?of?two?typical?stations?are?analyzed，among?which?the?long-period?component?of?the?MS5.7?event?is?larger?than?that?of?the?MS5.1?event.The?response?spectra?of?different?magnitudes?of?the?same?station?are?similar?in?morphology，and?the?high?frequency?response?is?better?than?the?low?frequency?response.

Keywords：Songyuan?earthquake;strong?motion?records;acceleration?response?spectrum;attenuation?relationships;strong?motion?observation