田兆陽，李 平，劉承雨，李國一，劉方斌

(1．防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201;2．山東省地震局，山東 濟南 250014)

0 引言

地震動的頻譜特征與地震波傳播過程中所經(jīng)過的構(gòu)造環(huán)境有密切的聯(lián)系，隨著非發(fā)震斷裂周邊地震記錄的積累，目前已普遍認(rèn)識到斷層面可能會對強震記錄產(chǎn)生復(fù)雜的影響。國內(nèi)外的研究人員從實際斷層原位觀測、實驗室斷層模型的試驗和數(shù)值模擬三個方面就斷裂構(gòu)造場地對地震動的影響進(jìn)行了一定的研究。20 世紀(jì)60年代美國的研究者［1－2］基于地下核試驗研究了斷層場地對地震動的影響;胡聿賢［3］通過對地震震害的現(xiàn)場調(diào)查，得到了與斷層提高烈度觀點不同的結(jié)論。郭恩棟等［4］利用振動臺試驗研究了覆蓋土層模型在正斷層和走滑斷層位移作用下的反應(yīng);王尚旭等［5］利用斷層物理模型試驗研究了斷層對下伏地層地震響應(yīng)、側(cè)向地層地震反射特征和斷點散射特征的影響;溫瑞智等［6］根據(jù)地震的宏觀調(diào)查資料，建立具有代表性的斷層場地模型，并進(jìn)行了二維顯式有限元計算，得了到若干定性結(jié)論;李山有等［7］針對典型工程場地，利用有限元模型進(jìn)行了P 波和SV 波入射下的地震反應(yīng)，得到了有關(guān)斷層傾向、破碎帶寬度等對地震動影響的初步定量規(guī)律。

2008 年汶川8. 0 級地震中，中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)的臺站獲得了大量可用于科學(xué)研究的加速度記錄。在這些臺站中，有一部分位于非發(fā)震斷裂兩側(cè)，其記錄在峰值與頻譜特征中存在一定的差別，在一定程度上反映了斷裂構(gòu)造對地震動及震害的影響。劉必?zé)舻龋?－9］、王海云等［10］、李平等［11－12］利用汶川地震的強震觀測記錄，結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了斷陷盆地及斷裂破碎帶場地地震動效應(yīng)。本文以汶川地震中非發(fā)震斷裂塔藏斷裂周邊數(shù)字強震動臺站(永豐、勿角、郭元、白河)所獲得的加速度記錄為依據(jù)，基于研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，通過頻譜分析等手段來研究非發(fā)震斷裂對地震動的影響，分析非發(fā)震斷裂構(gòu)造對地震動影響的規(guī)律，以期為場地地震動效應(yīng)研究、地震烈度速報與預(yù)警、近場強地面運動模擬提供一定的參考。

1 研究方法及資料

1.1 研究方法

地震動特性主要受震源破裂效應(yīng)、地震波的傳播過程和場地條件的影響，強震動記錄中包含著這些效應(yīng)帶來的復(fù)雜信息，研究一種效應(yīng)的影響必須設(shè)法消除或減少其它因素的干擾。在強震動記錄的研究中，一般采用譜比法研究場地條件對地震動特性的影響。傳統(tǒng)譜比法選擇靠近土層的露頭基巖作為參考點，參考點和場地土層各點具有近似相同的震源效應(yīng)和路徑效應(yīng)，然后將土層各點觀測記錄的振幅譜與參考點相比，得到土層地表各點的卓越周期，以及相對基巖地表放大倍數(shù)隨頻率的變化，稱為場地譜比。

本文主要借鑒傳統(tǒng)譜比法的思路研究非發(fā)震斷裂在傳播路徑方面對地震動的影響?；痉椒?假設(shè)非發(fā)震斷裂對于地震動特性的影響主要體現(xiàn)在傳播路徑上，在遠(yuǎn)離震源并垂直于地震波傳播路徑的非發(fā)震斷裂兩側(cè)選擇場地條件類似的幾個臺站，沿地震波入射方向，將近震源側(cè)的臺站作為參考臺站，遠(yuǎn)震源側(cè)的臺站作為觀測臺站，參考臺站與觀測臺站受到近似相同的震源效應(yīng)和場地條件的影響，將觀測臺站強震記錄的振幅譜與參考點相比，得到其相對近震源側(cè)記錄放大倍數(shù)隨頻率的變化，這種譜比方便易用，可忽略震源和場地的影響，反應(yīng)非發(fā)震斷裂對地震動特性的影響。

1.2 研究區(qū)域構(gòu)造特征

本文選取了汶川地震中阿壩州九寨縣附近，分布于塔藏斷裂兩側(cè)的勿角、郭元、白河、永豐等4 個臺站的遠(yuǎn)場強震動記錄進(jìn)行分析。該區(qū)域在汶川地震中處于Ⅶ度區(qū)與Ⅷ度區(qū)交界處，地震活動性主要受塔藏斷裂的控制，主要研究區(qū)域位于塔藏斷裂馬家磨段。馬家磨段西起唐州西北，向東經(jīng)唐州，苗寨，馬家磨，向東南穿越埡口，經(jīng)英格村，下勿角，向東南延伸到沙尕里東南，全長約32km，走向125°，傾角大于60°，傾向北東。沿斷裂自西向東表現(xiàn)為以純左旋走滑運動，向東以傾滑運動占比例越來越大的轉(zhuǎn)換，區(qū)域構(gòu)造情況如圖1 所示［13］。馬家磨段活動影響的沖洪積物形成的不良破碎場地在斷裂附近堆積，寬度達(dá)數(shù)千米［13］。塔藏斷裂歷史上儀器沒有記錄到M≥5.0的地震，由于斷裂多沿深切谷地展布，交通不便，迄今為止對塔藏晚更世以來活動性質(zhì)的研究甚少。2017年8月8日，四川省阿壩州九寨溝縣附近(33.20°N，103.82°E)發(fā)生7.0 級地震，震源深度20km。地震震中位于岷江斷裂、塔藏斷裂和虎牙斷裂交界處，發(fā)震構(gòu)造推測為塔藏斷裂南側(cè)分支和虎牙斷裂北段。

圖1 區(qū)域構(gòu)造展布［13］Fig．1 Tectonic map of the study area［13］

1.3 臺站分布及場地條件

本文選擇的4 個強震臺位于四川省阿壩州九寨縣附近，分布于塔藏斷裂兩側(cè)，勿角臺位于塔藏斷裂下盤，屬于近震源側(cè)，作為參考臺站;郭元臺、永豐臺、白河臺位于塔藏斷裂北側(cè)，屬于遠(yuǎn)震源側(cè)，作為觀測臺站;位置如圖2。各臺站距斷裂大致距離如表1 所示。

圖2 臺站位置分布圖Fig．2 Distribution of the location of the observation stations

根據(jù)強震臺建臺報告，臺站勘選過程中對臺站場地進(jìn)行了鉆探，鉆孔深度22m，并進(jìn)行了鉆孔波速測試等工作。各臺站所處地形較為平緩，鉆探資料表明，場地均為土層場地，以第四系坡積或沖洪積物為主。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2010)》中利用覆蓋層厚度和剪切波速雙指標(biāo)的判定方法，4 個臺站場地類別均為Ⅱ類，如表2 所示。觀測儀器均于2006年12月安裝，并于2007年7月投入試運行，采用美國Etna數(shù)字強震記錄儀以及哈爾濱產(chǎn)SLJ－100 型力平衡式加速度計。

表1 臺站經(jīng)緯度及斷層距Tab．1 Distance between each station and the Tazang fault，and the epicentral distance

表2 臺站基本情況Tab．2 Basic information of observation stations

1.4 臺站強震記錄數(shù)據(jù)

汶川地震對于研究區(qū)的臺站屬于遠(yuǎn)場大震。地震中，研究區(qū)的4 個臺站都獲取到了相應(yīng)的主震加速度時程記錄(圖3)。

圖3 臺站加速度記錄Fig．3 Acceleration records of the observation stations

2 計算結(jié)果與分析

2.1 加速度峰值差異

各臺站加速度的峰值及相對于勿角臺加速度峰值的比值如表3 所示。其中，位于塔藏斷裂北部的白河臺與永豐臺各方向的加速度峰值均小于位于斷裂南部勿角臺，比值約在0.6～0.9，一定程度上體現(xiàn)了斷層的隔震效應(yīng)。但是，郭元臺在各方向的加速度峰值均大于勿角臺，比值均在1.3左右，可能與郭元臺距離斷裂較近，由斷裂破碎帶引起的放大效應(yīng)有關(guān)。

2.2 頻譜特性差異

各臺站記錄的加速度反應(yīng)譜卓越周期和傅里葉譜卓越頻率如表4 所示。相比于斷裂北側(cè)的3個臺站，勿角臺的長周期成分更加明顯，在各方向的卓越周期均大于其它3 個臺站，傅里葉譜的卓越頻率均小于其它3 個臺站(白河臺豎向分量除外)。

表3 各臺站加速度記錄峰值及相對于勿角臺比值Tab．3 PGA of each station and their ratios to PGA of Wujiao Station

表4 各臺站加速度反應(yīng)譜卓越周期及傅里葉譜卓越頻率Tab．4 Predominant period of acceleration response spectrum and predominant frequency of Fourier spectrum of each station

為分析各臺站加速度記錄的頻譜特性差異，圖4 給出了4 個臺站不同方向加速度反應(yīng)譜的對比情況，從圖中可以看出，郭元臺相比于其它3 個臺站，頻帶更寬、各周期段的譜值也更大，最大譜值可以達(dá)到勿角臺的2 倍;斷裂北部的白河臺、永豐臺相比斷裂南部的勿角臺，反應(yīng)譜值較小，卓越成分向短周期移動，在0.1 ～0.2s 周期下譜值相對最大。

將斷裂北側(cè)3 個臺站的加速度記錄的傅里葉幅值譜(圖5)相對于勿角臺的最大、最小比值按0.1～1Hz、1～10Hz、10 ～20Hz 來統(tǒng)計，表5 給出了郭元、白河、永豐臺不同頻率傅里葉譜分段譜比。最大值反映了3 個臺站相對于勿角臺的地震動放大作用，最小值反映了相應(yīng)的衰減作用。在0.1～1Hz 頻段內(nèi)，EW、NS、UD 最大譜比在0.7 ～1.3、0.9～1.4、1.2～2.1 范圍內(nèi);1 ～10Hz 頻段內(nèi)，EW、NS、UD 最大譜比在0.7 ～1.3、0.9 ～1.4、1.2 ～2.1范圍內(nèi);10～20Hz 頻段內(nèi)，EW、NS、UD 最大譜比在2.5～4.4、1.9 ～3.1、1.6 ～2.8 范圍內(nèi)。在最小譜比上，0.1～1Hz 頻段內(nèi)，EW、NS、UD 最小譜比在0.3～0.6、0.2～0.4、0.4 ～0.6 范圍內(nèi);1 ～10Hz頻段內(nèi)，EW、NS、UD 最小譜比在0.2 ～0.6、0.2 ～0.3、0.2～0.5 范圍內(nèi);10 ～20Hz 頻段內(nèi)，EW、NS、UD 最小譜比在0.3 ～0.6、0.2 ～0.5、0.2 ～0.4 范圍內(nèi)。

2.3 計算結(jié)果分析

本文所選擇的4 個臺站場地情況相近、監(jiān)測儀器相同，區(qū)別在于勿角臺位于塔藏斷裂南側(cè)，相對于汶川地震屬于近震源側(cè);郭元、永豐、白河臺位于塔藏斷裂北側(cè)，相對于汶川地震屬于遠(yuǎn)震源側(cè)，其中郭元臺距斷裂距離較近，考慮位于斷裂破碎帶上。從各臺站強震記錄的分析對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，位于同一斷裂附近的場地加速度記錄在峰值和頻譜特性上表現(xiàn)出了較大的差別。分析認(rèn)為，造成差別的原因在于斷裂構(gòu)造對場地地震動的影響，影響特點主要體現(xiàn)在以下兩個方面:

圖4 各臺站加速度反應(yīng)譜Fig．4 Comparison of acceleration response spectrums of each station

(1)各臺站加速度記錄峰值對比顯示:位于斷裂北側(cè)的永豐臺、白河臺各分向加速度峰值明顯小于位于斷裂南側(cè)的勿角臺，比值在0.6 ～0.8之間，這在一定程度上說明了斷裂構(gòu)造對于地震動的阻隔作用。位于斷裂破碎帶上的郭元臺，在峰值上明顯大于位于斷裂兩側(cè)的其他臺站，各通道相對于勿角臺的比值在1.3 ～1.4，體現(xiàn)了斷裂破碎帶對于場地地震動的放大作用。

圖5 勿角臺傅里葉幅值譜(a)及其它各臺站相對于勿角臺傅氏譜比值(b，c，d)Fig．5 Fourier amplitude spectrum of Wujiao station(a)and Fourier spectrum ratio of other station to Wujiao station (b，c，d)

(2)各臺站加速度記錄頻譜特征對比顯示:位于斷裂北部的白河臺、永豐臺相比斷裂南部的勿角臺，各周期段反應(yīng)譜值相對較小，卓越成分向短周期移動，說明斷層在一定程度上過濾了對應(yīng)頻率在3 ～4Hz 的地震動成分，保留了4 ～7Hz 的地震動成分;位于斷層破碎帶上的郭元臺，在頻帶寬度和譜值上明顯大于其它3 臺站，放大頻率主要集中在3 ～10Hz，說明位于非發(fā)震斷層破碎帶上的場地震害會有所增大。

表5 各臺站傅里葉幅值譜分段譜比(相對于勿角臺)Tab．5 Spectral ratio of Fourier amplitude spectrum of each station in different frequency (relative to Wujiao station)

3 結(jié)論與討論

2008年汶川地震中，四川省境內(nèi)的強震臺站獲取了高質(zhì)量的強震觀測數(shù)據(jù)。其中位于四川省阿壩州境內(nèi)的非發(fā)震斷裂塔藏斷裂兩側(cè)的4 個強震臺(勿角、郭元、永豐、白河)的記錄有明顯差異，顯示出了非發(fā)震斷裂對地震動的影響。利用4 個臺站在汶川地震中所獲取的強震記錄，借鑒傳統(tǒng)譜比分析的方法研究非發(fā)震斷裂對地震動的影響，并結(jié)合場地鉆探、波速測試和震害調(diào)查資料，具體分析了各頻段地震動對斷裂的響應(yīng)特性，研究結(jié)果表明:

(1)非發(fā)震斷裂構(gòu)造對于地震動具有一定的阻隔作用，即減小加速度峰值，又會對地震動起到濾波效果，塔藏斷裂的通頻帶大致在4～7Hz。

(2)斷裂破碎帶場地會放大場地地震動，即增加加速度峰值，又會在各個頻段增加地震動強度，本研究中主要體現(xiàn)了塔藏斷裂破碎帶場地在3～10Hz 頻段對地震動的放大作用。

綜上所述，非發(fā)震斷裂對于地震動具有一定的隔震作用，斷層破碎帶場地對地震動具有一定的放大作用。在靠近非發(fā)震斷裂場地的建筑物抗震設(shè)防中，雖然遠(yuǎn)震源側(cè)的震害可能會有所減輕，但要重視其破碎帶對于地震動的放大效應(yīng)。同時，該研究成果可為地震動場地效應(yīng)研究、地震烈度速報與預(yù)警、近場強地面運動模擬提供一定的參考。

由于非發(fā)震斷裂對于場地地震動的影響比較復(fù)雜。本文僅基于強震觀測記錄對其規(guī)律進(jìn)行了初步的探索，還有大量問題有待于進(jìn)一步的研究。例如，由于鉆探深度限制，部分臺址未能揭露基巖面深度，后續(xù)研究中需對臺站地形地貌以及土層條件進(jìn)行更加細(xì)致的了解。后續(xù)更深入的研究中，可以在詳細(xì)了解場地資料的基礎(chǔ)上，建立斷層場地模型，采用實際觀測地震動和人工合成地震動進(jìn)行輸入，對斷層場地地震動特性進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析，將結(jié)果與地震現(xiàn)場調(diào)查情況進(jìn)行對比，從而更加深入的探究非發(fā)震斷層構(gòu)造對地震動影響的規(guī)律。

致謝 感謝國家強震動臺網(wǎng)中心提供汶川地震主震加速度時程。