2021年5月22日瑪多MS 7.4地震地震動特征

萬秀紅 吳 哲 李智敏 屠泓為 李 鑫

（中國西寧 810001 青海省地震局）

0 引言

據中國地震臺網中心正式測定，2021年5月22日2時4分，青海省果洛州瑪多縣發生MS7.4地震，震中為34.59°N、98.34°E，震源深度17 km，最大震級余震為同日10時29分發生的5.1級地震。此次地震是繼2001年昆侖山8.1級地震、2010年玉樹7.1級地震之后青海地區發生的又一次破壞性較強的地震。地震造成多處橋梁坍塌，道路嚴重變形和開裂，民房倒塌或嚴重受損。

強震地面運動研究是由于抗震設計的需求而發展起來的，強震觀測是其基礎。通過強震觀測記錄研究可以認識地震動特性，了解工程結構在地震中的破壞情況。不同強度的地震動對工程結構的破壞程度明顯不同，因此，強震動觀測日益受到重視。一些研究者利用不同地震的強震動記錄數據，從厚覆蓋土層與長周期地震動間的關系、豎向與水平向峰值加速度之比、反應譜比、水平向PGA等值線與烈度圖間的關系、衰減關系、PGA與地震烈度間的關系、地震斷層破裂的方向性效應等方面對強震動記錄特征進行了研究（徐揚等，2008；施偉華等，2010；李英成等，2012；宋晉東等，2017；呂國軍等，2018；徐欽等，2018；王文才等，2019；趙昆等，2020；安昭，2020；江鵬等，2021），強震動特征研究對于災害損失評估、工程抗震設防、工程抗震研究等具有重要意義。瑪多MS7.4地震后，已有研究者對此次地震的震害特點、深部環境、地震發震構造等進行了研究（詹艷等，2021；李智敏等，2021）。本文在前人研究的基礎上，收集瑪多MS7.4地震強震記錄數據，從地震峰值加速度、反應譜變化特征等方面對此次地震進行初步分析，以期為青海地區場地效應、工程抗震研究提供參考。

1 強震記錄及分布

瑪多MS7.4地震震中位于青海省南部區域的瑪多縣，該區域分布有瑪多—甘德斷裂、昆侖山口—江錯斷裂、達日斷裂，此次地震的主震、余震震中主要分布在昆侖山口—江錯斷裂及附近（圖1）。現場科考人員經地表破裂調查后認為，昆侖山口—江錯斷裂為此次地震的發震斷裂，地表破裂長度約160 km（李智敏等，2021）。

圖1 青海強震動臺網臺站位置及瑪多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

青海強震動臺網經過2003年“中國數字強震動觀測網絡”項目、2011年“中國地震背景場探測工程”項目的建設，已基本形成了覆蓋青海全省且技術先進的強震動觀測臺網。青海監視區范圍內發生4級以上地震后，強震動臺網可迅速給出各臺站的強震觀測結果，進而定量地給出監視地區的地震動強度并確定宏觀震中，為及時有效地組織抗震救災，乃至為建立大震預警系統和地震應急控制系統提供科學依據。這對提高防御地震災害能力、減輕地震造成的人員傷亡和經濟損失、保障社會穩定和可持續發展，構筑地震安全提供了有力支撐。本文收集了16個臺站（圖1）記到的強震數據，這些臺分別為西寧地震臺、湟源地震臺、民和地震臺、循化地震臺、平安地震臺、共和地震臺、同仁地震臺、德令哈地震臺、都蘭地震臺、諾木洪地震臺、大格勒地震臺、塘格木地震臺、貴德地震臺、興海地震臺、大武地震臺、河南地震臺，除了同仁地震臺和德令哈地震臺為基巖臺，其他14個臺均為土層臺。其中，震中距小于200 km的有3個臺，200—400 km的有11個臺，大于400 km的有2個臺。各臺站的場地條件、震中距及峰值加速度如表1所示。

表1 青海強震動臺網臺站及強震動相關參數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個地震臺的強震記錄數據，這些臺站距瑪多MS7.4地震震中均較遠，其中，最近的為大武地震臺，震中距約為175 km，該臺獲取到了此次地震PGA的最大值；距震中最遠的為民和地震臺，震中距約為450 km（表1）。圖2為收集到的16個強震臺三分量（EW、NS、UD）PGA隨震中距的變化。由圖2可見，除德令哈地震臺、西寧地震臺之外，其他臺站PGA隨震中距的增大呈現平穩下降過程。

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〈中國地震動參數區劃圖〉宣貫教材》（高孟潭，2015）給出的中國分區地震動參數衰減關系中青藏地區衰減關系來研究瑪多MS7.4地震的衰減特征。該衰減關系為6.5級以下和6.5級以上兩段式，之所以采用以震級6.5級為界進行震級分段的兩段式衰減關系，是因為在進行地震動參數分布回歸時，對震級項系數的擬合具有明顯的以6.5級為界的分段線性特征。針對瑪多MS7.4地震，選取 6.5級以上衰減關系。圖3為以青藏地區長軸（實線）、短軸（虛線）衰減關系，繪制的 7.0級、7.4級、8.0級地震的衰減曲線。從圖3可見，總體上，EW向PGA值最大，UD向基本小于EW向、NS向；地震動PGA的衰減特征與青藏地區衰減關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小；距震中較近的臺站三分量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程中，貴德地震臺EW向、NS向PGA值和西寧臺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 加速度時程分析

收集了大武地震臺、興海地震臺、塘格木地震臺、貴德地震臺、都蘭地震臺、諾木洪地震臺、大格勒地震臺、河南地震臺、德令哈地震等9個臺站的強震記錄波形數據，這9個臺中8個為土層臺，1個為基巖臺（德令哈地震臺）。雖然瑪多MS7.4地震震級較大，但因震中附近強震臺較少，且這些臺站距震中較遠，PGA值較小。距震中最近的大武地震臺記錄到了最大PGA，EW向45.5 Gal、NS向40.6 Gal、UD向-19.1 Gal。除了個別臺，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個臺加速度時程曲線如圖4所示。

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

4 加速度反應譜分析

反應譜關系到設防標準和結構的動力特性，是抗震設計的前提和依據。規范中所使用的設計反應譜通常是根據對大量實際地震記錄的反應譜進行統計分析并結合經驗判斷加以規定的（周錫元等，1990），因此研究實際地震記錄的反應譜具有理論和實踐意義。

圖5為上述9個臺站的EW向、NS向、UD向PGA反應譜，從圖5見，除大武地震臺PGA值較大之外，其他臺的PGA值都較小，這種情況是PGA隨震中距的增大而衰減的結果。大武地震臺PGA反應譜特征周期為0.6 s左右，其他臺站震中距較大，PGA值較小，特征周期沒有那么明顯，但總體上EW向、NS向PGA反應譜特征周期均為0.6—1.0 s。

圖5 9個臺站三分量PGA反應譜Fig.5 Three components PGA response spectra of 9 stations

對上述9個臺的反應譜數據進行了分析（圖6），由圖6可見，大武地震臺反應譜最大峰值為200 Gal左右，其他臺最大反應譜峰值均小于40 Gal。另外，大武地震臺與河南地震臺反應譜曲線偏窄，其他臺反應譜曲線均偏寬。大武地震臺、貴德地震臺、河南地震臺三分量（EW、NS、UD）PGA反應譜只有1個譜峰，塘格木地震臺、興海地震臺、都蘭地震臺、諾木洪地震臺PGA反應譜出現了2個譜峰和1個低谷。德令哈地震臺為基巖臺，其他臺均為土層臺，土層臺與基巖臺PGA反應譜明顯不同。8個土層臺中，除了都蘭地震臺UD向PGA反應譜大于EW向、NS向之外，其他臺均為EW向、NS向PGA反應譜大于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，長周期高頻成分越少，衰減越慢。上述現象可能與震中距、觀測臺站的場地條件、地震波傳播介質、傳播途徑等因素有關。

圖6 9個臺站的三分量PGA反應譜（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 加速度反應譜（UD向與EW、NS向）比值分析

GB 50011—2010《建筑抗震設計》（中華人民共和國住房和城鄉建設部，2010）中規定，一般情況下，應至少在建筑結構的2個主軸方向分別計算水平地震作用，8度、9度時的大跨度、長懸臂結構及9度時的高層建筑，應計算豎向地震作用。隨著社會的發展，各類高聳結構、大跨結構等復雜結構越來越多，在地震作用下，工程結構受到的破壞可能由水平向地震動引起，也可能與豎向地震動密切相關（徐龍軍等，2007）。因此，對水平向加速度反應譜與豎向加速度反應譜的比值進行研究具有重要意義。

一般認為，譜比值受震中距、周期、場地等因素的影響，PGA的UD向與EW、NS向反應譜的比值（V/H）平均為1/2—2/3。在短周期和近場范圍內，比值遠大于2/3；在中長周期內，比值基本上小于2/3（周錫元等，2006）。由于收集到的強震記錄PGA值較小，所以選取3個PGA值較大臺站（大武地震臺、興海地震臺、塘格木地震臺）的波形數據的三分量反應譜進行分析（圖7）。從圖7可見，3個臺PGA反應譜的UD/EW、UD/NS均出現了2個譜峰、1個低谷，兩峰一谷這種現象與李恒等（2010）、耿淑偉等（2004）的研究結果基本一致；出現譜峰的地方UD向值大于EW、NS向值，出現低谷的地方UD向值小于EW、NS向值；大武地震臺在約2.4 s之前PGA反應譜UD/EW小于1.0，之后大于1.0，到8 s后，開始小于1.0，UD/NS均小于1.0；興海地震臺與塘格木地震臺的PGA反應譜的UD/EW、UD/NS，除了幾個譜峰比值大于1.0外，其余比值均小于1.0；這3個臺中，除了2個譜峰處的比值較大外，其他比值與周錫元等（2006）給出結果基本一致。

圖7 3個臺的PGA反應譜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向地震動加速度反應譜時，給出了收集到的所有記錄的平均譜比曲線，發現總平均譜比曲線在短周期處呈現1個峰值，繼而迅速下降，并出現1個低谷，然后上升，從2.5 s開始譜比進入了相對穩定期，穩定在0.55左右。本文與高杰（2009）研究結果基本一致，都出現了兩峰一谷，不同的是高杰（2009）給出的是平均譜比，本文為個別臺的譜比，在譜比值上有所差異。

6 討論

6.1 水平向、豎向地震動與工程結構破壞間的關系

地震作用是相當復雜的自然現象，它既導致結構物水平方向的運動，同時結構物還有豎向的響應。一般建筑物在多遇地震下主要表現為水平響應，其受到的破壞主要源于地震水平作用（高杰，2009）；而在強震時，則需要考慮長周期豎向地震動作用的影響。瑪多MS7.4地震造成共玉高速瑪多境內的野馬灘1號大橋坍塌。根據現場科考，SN向的野馬灘1號大橋位于震中西北方向，距發震斷裂很近，與此次地震的發震斷裂（NWW向左旋走滑的昆侖山口—江錯斷裂）呈夾角狀，在極震區范圍內，該區域受到的破壞最嚴重。野馬灘1號大橋橋梁板塌落，橋墩也受到不同程度的損壞，均為南側落于地面，北側支撐于橋墩，出現朝同一個方向的整齊落梁，這種現象可能是由近斷層方向效應所致（安昭，2020）。根據大武地震臺強震記錄，大武臺EW向、NS向峰值加速度大于UD向，EW向、NS向加速度反應譜也大于UD向（圖6），初步認為，野馬灘1號大橋受到的破壞及水泥路面的明顯錯斷[圖8（a）、8（b）]受EW向、NS向地震動作用的影響更大，這種破壞現象與文中所得結果基本相符。

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

6.2 強震臺站的分布

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

7 結論

通過收集到的瑪多MS7.4地震時16個臺的PGA和9個臺的強震波形數據，對此次地震PGA隨震中距的變化及衰減特征、反應譜變化特征及幾個較近臺站的PGA反應譜及譜比進行了初步分析，得到如下結論。

（1）除德令哈地震臺和西寧地震臺以外，其他臺站三分量PGA隨震中距的增大呈平穩下降；PGA的衰減特征與青藏地區衰減關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）除個別臺以外，一般地震動波形數據都是EW向PGA值最大，其次為NS向，UD向值最小；由于收集到的臺站震中距較大，PGA值較小，所以特征周期不明顯，總體上EW向、NS向PGA反應譜特征周期均為0.6—1.0 s。

（3）對9個臺的PGA反應譜數據進行分析發現，大武地震臺、河南地震臺反應譜曲線偏窄，其他臺反應譜曲線均偏寬；土層臺與基巖臺反應譜明顯不同；震中距越小，短周期高頻成分越多，衰減越快，震中距越大，長周期高頻成分越少，衰減越慢。

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

（5）根據大武地震臺強震記錄，EW向、NS向PGA大于UD向，加速度反應譜也大于UD 向，初步認為，野馬灘1號大橋受到的破壞及水泥路面的明顯錯斷受EW向、NS向地震動作用的影響更大，這種破壞現象與文中所得結果基本相符。

本文采用了青海省地震局強震動數據及科考人員提供的現場圖片，同時審稿老師提出很多寶貴的修改建議，在此一并致以謝意。