2023年12月18日甘肅積石山6.2級地震強震動記錄特征分析

摘要：2023年12月18日，甘肅省臨夏回族自治州積石山縣發生6.2級地震。基于甘肅地震預警臺網獲取的此次地震強震動記錄，完成基線校正、濾波等基本數據處理后計算出地震動相關參數，分析此次地震震中200 km內的幅值、反應譜和持時等重要特征，并繪制峰值加速度等相關參數空間分布圖。結果表明：此次地震震中200 km內獲取到的峰值加速度范圍為1.2～1 511.6 cm/s2，峰值速度范圍為0.1～85.9 cm/s，由于地形和場地影響，地震動峰值隨著震中距的增大而衰減。將實際觀測值與常用的五種衰減模型預測值進行對比，表明YU模型對甘肅積石山6.2級的預測結果要明顯優于NGA-West2的四種模型，但五種衰減模型都明顯低估了實際觀測值的最大峰值。通過對比兩個鄰近震源臺站的5%阻尼比加速度反應譜與設計譜，發現三分向高頻成分加速度反應譜均遠超過7度罕遇地震的設計譜，且反應譜峰值周期均在0.5 s以內。通過計算5%～75%和5%～95%兩種重要持時，發現持時隨著震中距的增大而增大，且與Afshari amp; Stewart 16預測方程均基本吻合。

關鍵詞：積石山地震; 強震動記錄; 幅值衰減; 反應譜; 持時

中圖分類號： P319文獻標志碼：A文章編號： 1000-0844（2024）04-0888-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240305003

Characteristics of strong motion records of the Jishishan， Gansu，

MS6.2 earthquake on December 18， 2023ZHANG Weidong， JIA Lu， KANG Binlong， YUAN Jie， WANG Weiquan

（Gansu Earthquake Agency， Lanzhou 730000， Gansu， China）Abstract：

On December 18， 2023， an MS6.2 earthquake struck Jishishan County， Linxia Hui Autonomous Prefecture， Gansu Province， China. In this paper， the strong motion records of the earthquake obtained by the Gansu Earthquake Early Warning Network were analyzed. After the basic data processing， such as baseline correction and filtering， the related parameters of ground motion were then calculated. The amplitude， response spectrum， and important duration characteristics recorded within 200 km of the epicenter were examined， and the spatial distribution map of related parameters， such as peak acceleration， was illustrated. Results show that the peak acceleration within 200 km of the epicenter ranges from 1.2 to 1 511.6 cm/s2， and the peak velocity ranges from 0.1 to 85.9 cm/s. The peak value of ground motion decreases with the increase in epicentral distance due to the influence of topography and site. Comparison results of the observation and prediction values of five commonly used attenuation models reveal that the prediction result of the YU model for the Jishishan MS6.2 earthquake is better than the four models of NGA-West2. However， these models underestimate the maximum peak value of actual observation values. The acceleration response spectra of two near-source stations （5% damping ratio） in severely damaged areas were compared with the design spectrum. The results indicate that the acceleration response spectra of high-frequency components at the two stations far exceed the design spectrum of a rare earthquake with 7-degree， and the peak periods of the response spectra are within 0.5 s. Moreover， the durations of 5%-75% and 5%-95% increase with the epicentral distance， which is consistent with the prediction equation of AFShari amp; Stewart 16.

Keywords：Jishishan earthquake; strong motion records; amplitude attenuation; response spectrum; duration

0引言

根據中國地震臺網正式測定，北京時間2023年12月18日23時59分，在甘肅臨夏州積石山縣發生了6.2級地震，震中位于102.79°E，35.7°N，震源深度約為10 km［1］。震中距離積石山柳溝鄉8 km、臨夏回族自治州39 km。震中距離最近的斷層為距離震中1 km的拉脊山北緣斷裂。此次地震造成甘肅、青海兩省大量人員傷亡，部分水、電、交通、通訊等基礎設施受損。根據應急管理部中國地震局發布的《甘肅積石山6.2級地震烈度圖》（https：//www.mem.gov.cn/xw/yjglbgzdt/202312/t20231222_472849.shtml），該地震等震線長軸呈NNW走向，長軸約124 km，短軸約85 km，Ⅵ度（6度）區及以上面積8 364 km2，其中甘肅省5 232 km2，青海省3 132 km2。此次地震涉及甘肅省3個市（州）、9個縣（市、區）、88個鄉鎮（街道），以及太子山天然林保護區、蓋新坪林場，涉及青海省2個市（州）、4個縣（市）、30個鄉鎮。

此次地震發生在祁連地塊內部，位于青藏高原東部地區南北地震帶上。地震發生后，甘肅地震預警臺網獲取了豐富的地震動速度記錄和加速度記錄。本文對這些記錄進行處理，分析了此次地震的強震動觀測記錄三要素特征，為地震災害評估、宏觀烈度評定以及后續強地面運動特征分析等提供了重要的參考價值。

1強震動觀測臺網和觀測記錄

甘肅省地質構造復雜，地震災害嚴重，地震預警區大部分地區屬于南北帶，是國家地震烈度速報與預警工程項目設計的四大重點區域之一。甘肅子項目共建設臺站1 269個，其中新建基準站107個，改建基準站57個，改建基本站105個，新建基本站100個，新建一般站900個。2022年青海門源地震后提出的青藏高原東北緣地震監測預警能力提升工程，在甘肅省境內西氣東輸管道和中歐班列車站沿線共新建92個地震監測站點。以上所有臺站的觀測數據均通過網絡實時傳輸至甘肅省地震預警中心。

此次地震發生后，剔除個別受到干擾的數據，甘肅地震預警站網獲取了1 819組加速度記錄，其中基準站206組，基本站293組，一般站1 320組。記錄的數量相比以往強地震有很大的量級提升，僅震中距200 km內就有582個臺站記錄到強震動數據。圖1為此次地震獲取到記錄的臺站位置分布圖。

由于臺站觀測儀器本身受到環境干擾影響及絕對位移等原因，觀測臺網獲取到的原始地震數據會產生零線偏移。本文首先對獲取到的強震動記錄進行基線校正處理，在時域上對加速度進行積分得到峰值速度，并在計算儀器烈度和頻譜分析之前對數據進行有效頻帶為0.01～25 Hz的4階Butterworth因果濾波處理［2-3］。

2幅值特征分析

峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）、峰值速度（Peak Ground Velocity，PGV）作為體現地震影響程度的重要指標，其空間分布直觀地展示了地震對地表和地表附著物的影響程度，為評估地震烈度和確定能量傳播的優勢方向提供了重要依據［4-6］。采用克里金插值法，選用插值精度為0.01°。由于原始數據存在偏態性，取對數可以減少數據的波動性，因此，本文對PGA、PGV取對數后再進行插值，繪制其空間分布圖（圖2）。表1為震中50 km內觀測數據強震動記錄及相關參數表。圖2為本次地震震中200 km內獲取到的所有強震記錄峰值加速度空間分布圖和峰值速度空間分布圖。從圖2中可以看出，PGA和PGV值隨著震中距的增大而衰減，較大值都分布在震中附近且靠近斷層處。此外，在靠近榆中縣東北部、靖遠縣南部、定西市安定區北部及會寧縣西部范圍內PGA和PGV分布均出現密集的較大異常值，初步判斷為該區域范圍內屬于山區，海拔較高，黃土覆蓋層較厚，受地形、土層結構等多種因素影響，在相同的地震動輸入條件下會對地震動參數有放大作用［7］。

為更直觀地體現此次積石山地震的衰減特性，研究該地區的地震動衰減規律，本文選用已有的NGA-West2四個地震動衰減模型，與中國第五代地震動參數區劃圖中M≤6.5的青藏區長軸衰減關系的地震動預測方程，相對于震中距的變化進行比較分析［8］。NGA-West2中的四個衰減模型包括ASK14、BSS14、CB14、CY14［9-12］。圖3為此次地震震中200 km內基準站、基本站及一般站的峰值加速度和峰值速度隨震中距變化的衰減特征。從圖3可以看出，YU模型對甘肅積石山6.2級的預測結果要明顯優于NGA-West2的四種模型。雖然作為全球化地震動衰減模型，NGA-West2模型考慮了斷層破裂、發震類型、震源深度及覆蓋層厚度等眾多因素，但根據我國不同的區域劃分，地震動衰減

特性也會隨之發生變化，需要更加明確地考慮當地地形特征及發震類型等情況，因此NGA-West2模型無法對局部區域的地震動衰減特征進行有效分析。

為滿足臺網的整體性能需求，基本站和基準站在選址時需避開不利的地形環境和各類干擾源，在專用的觀測基墩上安裝儀器，且對地質構造有著嚴格的要求，因此，此次地震所記錄的峰值加速度和峰值速度離散程度較為穩定，衰減特性一致性較好。但由于基準站主要布設在潛在危險地區堅硬、完整、未風化的基巖巖體上，基本站布設在人口聚集地區（縣城）、經濟發達地區、生命線工程地區、代表性場地的土層或基巖上，受地形效應的影響，基準站的峰值相較于基本站偏小，整體低于預測值。

為實現通信網絡資源共享，一般站儀器通常安裝在鐵塔基站的機房內部，其安裝方式包括壁掛式和地面式兩種。在觀測過程中，儀器在一定程度上會受到機房墻體和鐵塔結構的影響，尤其是鐵塔基站通常分布在海拔較高的山頂、斜坡等地形，其周圍地形的局部變化可能會對觀測結果產生嚴重影響。由此可見，不同臺站場地的覆蓋層也會表現出顯著差異性，導致其衰減分布具有較大的離散性，且實測值較衰減預測值偏高，震中距相同的地震動幅值差異可高達10倍。

3儀器地震烈度

地震烈度是地震工程學中至關重要的指標之一，綜合反映了地面運動地震能量對建筑物造成的破壞程度，標定了地震引起地震動及其影響的強弱程度。通過綜合評定人類感知、器物反應、建筑結構損壞情況及地表破壞程度，地震烈度可作為衡量一定地區范圍內地震平均水平的重要指標。而儀器烈度實際反映了地震動的強度，可以在地震發生后的幾分鐘至幾十分鐘內，利用實時回傳的地震記錄數據，通過一定的計算流程迅速獲取。這種方法具有快速、直觀、簡便的特點，能夠為震后災情的快速評估和應急救援決策提供重要依據。

根據《中國地震烈度表（GB/T 17742—2020）》［13］中儀器烈度的計算方法，計算得到本次地震臺站儀器烈度值，由于個別臺站受地形、土層結構、通信鐵塔結構等多種因素影響，其PGA、PGV值與地震烈度的對應關系具有較大離散值，因此，在繪制其儀器烈度空間分布圖過程中，對個別地震動參數異常值采用加權最小二乘擬合法，計算其擬合烈度，更好地體現與地震破壞程度的相關性［14］。儀器烈度空間分布如圖4所示。

4反應譜特征分析

加速度反應譜為國內、外制定地區的抗震設防標準提供了科學依據，對工程設計、地震響應分析、地震風險評估以及抗震設防標準的制定有著重要的意義。通過計算和分析加速度反應譜，能更深入地了解強震動記錄的頻域特征。加速度反應譜作為工程設計的重要依據，提供了不同結構周期下的最大加速度響應，有助于更好地評估結構在地震作用下的響應特性。結合反應譜進行地震響應分析，可以評估結構的動態響應情況，確定結構的強度、剛度和阻尼等參數，還能幫助評估地震對結構和人員安全的影響程度，從而評估地震風險，并采取相應的預防和應對措施。

本文選用距震中較近、峰值加速度和峰值速度值較大的GS.N002B和GS.N0028兩個臺站的強震動記錄，計算其觀測反應譜值與設計譜作比較。根據我國《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》［15］，為兩個臺站所在的甘肅積石山縣抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震動分組為第三組，選用阻尼比數為5%，設計譜的特征周期值為0.45 s，根據上述系數計算Ⅱ類場地的設計譜。

本次地震中，距離震中12.3 km的臺站GS.N002B（位于臨夏州積石山縣石塬鄉石塬村）獲取到此次地震最大的峰值加速度。在對數據進行分段調零后三分向的峰值加速度分別為1 022.0 cm/s2、805.0 cm/s2、769.8 cm/s2，峰值速度分別為64.2 cm/s、30.4 cm/s、43.7 cm/s，計算的儀器烈度為9.1度。距離震中13.6 km的臺站GS.N0028（位于臨夏州積石山縣大河家鄉甘溝灘村）獲取到較大的峰值加速度，在對數據進行分段調零后三分向的峰值加速度分別為887.9 cm/s2、759.7 cm/s2、630.5 cm/s2，峰值速度分別為60.1 cm/s、57.2 cm/s、22.3 cm/s，計算的儀器烈度為9.4度。臺站GS.N002B和臺站GS.N0028所在位置當地建筑受損情況及加速度時程如圖5、6所示。

分別計算GS.N002B和GS.N0028兩個臺站的三分向加速度記錄，得到加速度反應譜。圖7為這兩個臺站的觀測加速度反應譜與抗震設計譜對比圖。通過對比兩個臺站的觀測加速度反應譜與設計譜，可看出：兩臺站三分向高頻成分加速度反應譜均遠遠超過7度罕遇地震的設計譜值，且反應譜峰值周期均在0.5 s以內，并在此之后迅速降低到較低水平。臺站GS.N002B的EW向地震動明顯高于SN向，且在0～1.5 s周期段，加速度反應譜幅值高于設計譜；大于1.5 s的中長周期部分與設計譜基本一致。而臺站GS.N0028的SN向地震動明顯高于垂直向，且在0～1.2 s周期段，加速度反應譜幅值高于設計譜；大于1.2 s的中長周期部分與設計譜基本一致。由于一般站選址受局部地形影響，不同臺站的

地形差異較大。由此可看出，由于臺站的觀測反應譜值遠遠大于設計譜值，此次地震對積石山地區的主要建筑物造成了嚴重的破壞。

5持時特征分析

地震動持時是指地震釋放能量的時間長度，主要取決于地震斷層破裂所需的時間，即地震源釋放能量的持續時間。持時反映了地震能量的釋放過程，為建筑物的抗震設防提供重要科學依據，對于地震工程和地震危險性評估具有重要意義。本文選用重要持時特征來分析本次地震的地震動持時特征。

根據捕獲的強震動記錄數據，計算了工程實踐中應用較為廣泛的5%～75%和5%～95%重要持時。5%～75%重要持時EW向為1.28～35.77 s，主要集中在1.28～10 s內;SN向為1.21～37.75 s，主要集中在1.2～10 s內;UD向為2.13～58.24 s，主要集中在10～20 s內。5%～95%重要持時EW向為3.06～69.13 s，SN向為3.15～74.96 s，UD向為3.41～87.31 s，持時時間均集中在20～30 s內，持時分布如圖8、圖9所示。

基于以上重要持時計算結果，本文設定場地剪切波速vS30為510 m/s，選用Afshari（2016）持時預測方程與ES向重要持時與SN向重要持時的幾何平均值進行比較［16］，由圖10可知，其觀測值整體趨勢與預測值結果均比較吻合，隨著震中距的增大而增大［17-19］。

6結論

基于甘肅地震預警臺網在2023年甘肅積石山6.2級地震中獲取的1 819組加速度記錄，首先對數據進行預處理，再從幅值特征、儀器地震烈度、反應譜特征以及持時特征等幾個方面研究了此次地震的強震動記錄特征，得到以下結論：

（1） 此次地震震中200 km內獲取到的峰值加速度范圍為1.2～1 511.6 cm/s2，峰值速度范圍為0.1～85.9 cm/s。由于地形、場地受限，地震動峰值隨著震中距的增大而衰減。計算儀器地震烈度范圍為1.0～9.4度，距離震中13.6 km的臺站GS.N0028獲取到儀器地震烈度最大值。將實際觀測值與常見的幾種衰減關系模型分析對比發現，衰減模型都明顯低估了實際觀測值的最大峰值，一般站的衰減分布較基準站和基本站而言具有較大的離散性，且實測值較衰減預測值偏大，表明不同臺站場地的覆蓋層也會有較大的差異。

（2） 震害較為嚴重的地區兩個近震源臺站的三分向高頻成分，加速度反應譜均遠遠超過7度罕遇地震的設計譜值，且兩臺站反應譜峰值周期均在0.5 s以內。臺站GS.N002B的EW向地震動明顯高于SN向，而臺站GS.N0028的SN向地震動明顯高于UD向。由于一般站選址受局部地形影響，不同臺站的地形差異較大。由此可看出，由于臺站的觀測反應譜值遠遠大于設計譜值，此次地震對積石山地區的主要建筑物造成嚴重破壞。

（3） 計算得到了5%～75%和5%～95%重要持時，并與Afshari amp; Stewart 16預測方程進行對比分析，其整體趨勢與預測值基本吻合。

由于此次地震所在區域屬于青藏高原和黃土高原的交界地帶，人口相對密集，其建筑以磚木類和磚混類為主，抗震設防水平較低;其次震源深度為10 km，屬于淺源地震，進一步加劇了地震的破壞性。該地區在今后需要提高抗震設防能力，以確保安全性等級。

此次地震獲取的大量強震動記錄，對于地震動特征分析提供了重要的數據支撐。在今后的數據分析中，基準站、基本站以及一般站與地形效應的關系以及黃土高原地區對地震動參數的影響還值得我們進行更深入的研究。

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（本文編輯：任棟）