0 引言

强震动观测记录是开展震害快速评估及地震动特性、震源机制、地震动衰减规律、结构地震破坏机理等研究的直接的、重要的基础资料（李山有，2004）。随着“十五”、“十一·五”、“十二·五”阶段建设，由强震固定台网、烈度速报台网、流动观测台网、专用台阵、国家及区域测震台网中心组成的中国数字强震动台网进一步扩大，捕获强震动记录的能力增强，为近场地震学和地震工程学研究积累了更多宝贵的强震动数据。近年来，强震动观测逐步向地震预警和地震烈度速报发展（卢大伟等, 2008, 2010）。

2020年5月18日21时47分59秒云南省巧家县发生M_S 5.0地震，震中位于（27.18°N，103.16°E），震源深度8 km，截至5月30日晚，共发生595次地震（含主震），其中3.0级以下地震593次，3.0—3.9级地震1次，5.0级以上地震1次。此次地震造成巧家县的5个乡镇和鲁甸县的1个乡镇不同程度受灾，多人受伤。国家数字强震动台网（NSMONS）（崔建文等，2006a）分布于昭通、曲靖区域的13个强震动台站和昭通地区的43个简易烈度计台站获取了此次地震的主震记录，震中附近的小河镇烈度计台站获取了最大加速度记录。

文中基于此次地震获取的强震动记录，从加速度峰值分布、衰减关系、频谱特性、地震动能量持时等方面，分析地震动记录的基本特征及加速度高峰值地区的震害现象。

1 地质构造背景

目前，昭通地区共发生10次5级以上破坏性地震，其中2014年鲁甸M_S 6.5地震与2012年彝良M_S 5.6、5.7地震震级最大，对当地造成严重破坏。

巧家县M_S 5.0地震微观震中位于包谷垴—小河断裂附近（图 1），震区地处扬子准地台（Ⅰ级）凉山—滇东台褶带（Ⅱ级）的滇东北台褶束（Ⅲ级）内，地质构造复杂，发育多条断裂（图 1），其中主体构造为NE向鲁甸—昭通断裂带，与NE向莲峰—昭通断裂组成挤压逆冲型区域性大断裂。鲁甸—昭通断裂带全长约160 km，莲峰断裂带全长约125 km，2条断裂均受到来自大凉山次级块体SE向运动的作用。NW向包谷垴—小河断裂位于2条断裂之间，总长约40 km，具有浅部活动特征（闻学泽等，2013；张彦琪等，2016）。

2 台站分布及观测记录获取 2.1 台站分布

“十三·五”计划期间，云南数字强震动台网基本建设完成，全省共建设280多个强震动固定台站，其中震中附近的昭通地区有19个，曲靖地区有6个。

2016年底，建设完成昭通市各县、曲靖市会泽县共计120个地震烈度计观测点，并形成具有地震预警能力和烈度速报能力的滇东北地震预警和烈度速报观测网络。其中：20个观测点使用GL-P2B烈度计（安装在强震台基墩上），100个观测点使用Palert Advance烈度计（在学校2层以下门卫室或食堂内采用挂壁式安装）。

此次巧家M_S 5.0主震活动共触发13个强震台、43个烈度计台，除巧家、昭通、拖布卡强震台为基岩台基，其余强震与烈度计台均为土层台基，台站分布见图 2。

2.2 观测记录获取 2.2.1 记录仪器

此次地震触发台站使用的强震仪有美国kinemetrics公司生产的数字固态存储强震记录器ETNA、K2和传感器ES-T（内置）以及国内的中国地震局工程力学研究所生产的外置型三分向力平衡式加速度计SLJ-100。强震仪及传感器主要技术指标见表 1。

此次地震触发台站使用的烈度计为北京港震仪器设备有限公司生产的GL-P2B和中国台湾生产的Palert Advance仪器，主要技术指标见表 2。

2.3 记录获取

此次巧家地震共触发56个台站，获取168条加速度记录。为降低台站背景噪声与仪器性能对记录的影响，对加速度记录进行零线漂移消除、滤波处理（Boore, 1999, 2005），所得加速度记录峰值列于表 3。

由表 3可见，震中距最近的强震台和烈度计台分别为龙头山台、新店台，震中距分别为22.2 km、12.7 km；最远的强震台和烈度计台分别为水竹台、伍寨台，震中距为98.1 km、59.3 km；最大加速度记录由小河镇烈度计台获取，加速度峰值为315.6 Gal。文中仅给出3个有代表性台站的加速度时程曲线，见图 3、图 4、图 5，其中：新店台为震中距最近的烈度计台，小河镇台为加速度记录最大的烈度计台，铅厂台为加速度记录峰值最大的强震动固定台。

3 特征分析 3.1 幅值特性

在此次巧家M_S 5.0地震中，距震中29.9 km的小河镇烈度计台获取最大加速度记录，其EW、NS和UD向PGA分别为186.7 Gal、282 Gal、-315.6 Gal，比震中距最小的新店台记录的三分向PGA均大100多Gal（表 3，图 3，图 4），造成这种差距的主要原因是两地地形地貌不同，地形对地震动产生了影响，其中小河镇坐落于山间河谷地带，四面山坡陡峭，而新店镇地处平坦的开阔地带。该现象与宏观烈度调查结果基本一致，小河镇土木房屋少数破坏，砖混房屋个别轻微破坏，属Ⅵ度烈度区，而新店镇房屋基本完好，处Ⅵ度区外。

利用表 3中台站记录的水平向PGA值进行几何平均，采用克里金插值法，得到此次M_S 5.0地震水平向PGA等值线，见图 6，可见PGA等值线较为平滑，呈NW—SE向展布，峰值加速度整体变化趋势为随震中距的增加而递减，与云南省地震局调查的地震宏观烈度图走向有较强相似性。

3.2 衰减关系

地震波传播时，在震源、传播介质、场地的影响下，地震动参数会出现不同的衰减特性，从历史观测记录分析可知，这种特性与震级和距离存在固有联系。目前，国内外提出多种衰减关系，综合考虑本次地震所属区域的地形地貌概况，选用崔建文等（2006）统计的昭通地区衰减关系作为预测方程，与本次地震中获取的近场加速度记录进行对比，验证该衰减关系的适用性。

崔建文等（2006）在计算衰减关系时将云南划分为3个区，并结合云南历史地震资料，通过衰减速率与震级相关的关系模型，计算得到3个分区的地震动衰减关系式，其中昭通区域地面加速度峰值衰减关系为

$ \begin{array}{l} \lg \alpha(\text { 坚向 })=3.9091+0.0933 M-(2.9491-0.1814 M) \times \lg (R+12) \end{array} $

(1)

$ \begin{array}{l} \lg \alpha(\text { 水平 })=2.5263+0.2021 M-(1.7466-0.0524 M) \times \lg (R+7) \end{array} $

(2)

将实际观测值与衰减关系进行对比（图 7），可以看出：在Δ＞30 km时，竖向观测值与预测值能较好的吻合；在0＜Δ＜30 km内，水平向观测值基本在预测曲线上方；多数竖向观测值在预测曲线上方，造成该现象的原因可能是，在统计分析时，该地区台站稀疏，缺少0＜Δ＜30 km的历史地震动观测记录。此外，通过大量地震数据回归计算衰减关系，单一地震的观测数据规律性不强，与预测方程肯定存在一定的离散性，但整体的衰减趋势与预测值方程是一致的。

利用本次地震丰富的观测数据，通过以下地震动衰减模型进行拟合，更能反映此次主震加速度峰值记录的实际衰减特性关系曲线，公式如下

$ \lg \alpha=A+B M+C \lg (R+12) $

(3)

式中：R为震中距，A、B、C为回归系数。此次地震动衰减关系拟合结果见图 7。

由图 7可见，在拟合衰减关系中，水平向衰减曲线在竖向曲线下方，且其加速度衰减明显较快，而在近场区（震中距＜10 km），由于数据缺乏，拟合结果有待验证。

3.3 频谱分析

在地震中，建筑物的破坏程度主要取决于地震动的幅值、频谱、持时，通过历史震害现象可知，地震动频谱对结构破坏起到决定性影响。对于一次地震动过程，其频谱可以表示为振幅与频率的关系曲线，这种曲线随距离、场地变化而变化。在一定条件下，不同的地震动频谱会对不同自震周期的建筑物产生不同程度的影响（胡聿贤，2006）。在计算巧家地震加速度记录傅里叶幅值谱时，挑选PGA≥50 Gal的记录，计算结果见表 4，可见4个台站记录的加速度峰值主频集中在1—5 Hz。文中给出小河镇台记录的傅里叶幅值谱及加速度反应谱，见图 8、图 9。

由图 8可见，加速度峰值主频在1—2 Hz。由图 9可见，周期在0.01—0.1 s，EW、SN向具有近500 Gal的加速度平台。因此，在此次地震中，小河台站附近的建筑物，特别是卓越周期小于0.1 s的土木结构、1层砖混结构建筑物的震害现象严重。

3.4 地震动持时分析

我国现行的抗震设计规范忽略了地震动持时对结构地震响应的影响，只考虑了地震动的峰值参数及反应谱因素。姚安地震后，流动观测捕获4.7级余震的最大加速度记录为684 Gal（EW），但周围建筑震害未加重，究其原因是，地震动相对持时短（李世成等，2009）。由此可见，地震动持时对结构地震响应是不可忽略的。

选取几个加速度峰值较大的台站，利用Trifunac（1975）提出的地震动能量比值关系式，计算能量持时，公式如下

$ \begin{array}{c} T_{\mathrm{d}}=T_{2}-T_{1} \end{array} $

(4)

$ I(t)=\frac{\int_{0}^{t} a(t)^{2} \mathrm{d} t}{\int_{0}^{T} a(t)^{2} \mathrm{d} t} $

(5)

式中：T为记录总时长，T_d为能量持时，a(t)为t时刻加速度幅值，I(t)为t时刻能量占总能量比值。当I(T₁) = 0.5且I(T₂) = 0.95时，计算所得T_d称为90%能量持时；当I(T₁) = 0.15且I(T₂) =0.85时，计算所得T_d称为70%能量持时。90%、80%、70%能量持时计算结果统计见表 5。由表 5可见，各台站三分向记录的3种能量持时均较短，主要受此次地震断裂面断裂时间长短影响。此外，若采用新版《仪器地震烈度计算暂行规程》中规定的流程计算小河镇仪器烈度，可得仪器烈度达7.1度，与周围建筑物宏观调查的破坏现象不符。从能量持时角度分析，三分向记录的90%能量持时与其他台站相差不大，但70%能量持时却较短，其中：NS向持时为1.4 s，EW向持时为2.76 s，UD向持时为3 s，远小于其他台站，说明小河镇波形记录积累的能量衰减快，属脉冲型加速度记录，在该波形加速度记录作用下，不会对台站周围建筑物造成较大破坏。

4 结论

结合此次巧家M_S 5.0地震获取的强震动记录，分析地震动的幅值、衰减关系、频谱、地震动持时等特征，得出以下结论。

（1）震中附近区域PGA等值线形状较为平滑，呈NW—SE向，与宏观调查结果吻合。

（2）此次地震的观测数据与以往常用地震动衰减规律存在较大偏离，究其原因是，回归分析时缺乏历史地震数据，且单一地震数据规律性低。利用此次地震动数据拟合实际衰减特性关系曲线，更能反映主震加速度峰值记录特性，其中曲线水平向衰减速率快，可能与此次地震震源浅、震区附近地形起伏急剧有关。

（3）对几个较大加速度记录进行频谱分析，可知加速度峰值主频集中在1—5 Hz。对获取最大峰值加速度记录的小河镇进行反应谱分析，结果表明，在周期0.01—0.1 s内，其EW、SN两个水平向上具有近500 Gal的加速度平台。

（4）近年来，获取加速度高峰值记录的中小地震较多，宏观调查后发现，造成高峰值低地震烈度相悖现象的原因是，地震动有效持时短。因此，在中小地震活动中发现这种相悖现象，应从地震动有效持时分析仪器烈度的可靠性。同时，建议在现行抗震设计规范中适当考虑地震动有效持时，提高规范的适用性。