林国良　张潜　崔建文　赵昆　杨黎薇

摘要：2014年鲁甸6.5级地震导致龙头山镇位于洪积扇上的大量房屋倒塌，而位于河流阶地上的房屋破坏相对较轻。为找出造成该震害差异的原因，在龙头山镇布设间距50～200 m的高密度观测台阵进行连续地脉动观测，采用HVSR谱比法来研究该地区的场地地震响应，确定场地的卓越频率和放大系数。结果表明：HVSR谱比结果与钻孔资料给出的结果较为一致，位于洪积扇上的场地HVSR峰值频率介于1.5～5.0 Hz，河流阶地上的峰值频率多介于6.0～10 Hz，卓越频率值相对较小（5 Hz以下）的场地与地震中破坏最严重的区域较为相符。

关键词：龙头山;地脉动;谱比法;场地效应;鲁甸地震

中图分类号：P315.914 文献标志码：A 文章编号：1000-0666（2019）04-0531-07

0 引言

地震波经过土层传播会引起砂土液化、地震波放大、能量衰减等现象，因而在地震波动态加载下的土层条件变化将很大程度上影响地震的破坏情况，导致相邻区域的地震破坏程度也会截然不同。国内外多次地震事件表明，松软土层场地比硬土或基岩场地在地震中的震害更为严重（魏勇等，2018）。2014年8月3日云南省昭通市鲁甸县（27.1°N，103.3°E）发生6.5级地震，震源深度为12 km。地震造成大量的房屋倒塌和人员伤亡。与云南其它地区同等级地震相比，该地震伤亡更重，而且在地震烈度为Ⅸ度极震区的龙头山镇镇政府所在地，呈现出2种截然不同的破坏现象，对此震害差异原因有必要进行深入研究。

研究局部场地效应的方法主要有传统谱比法（Borcherdt，1970）、HVSR（Horizontal to vertical spectral ratio）谱比法（Nakamura，1989）、数值解析法（Moya et al，2000）、广义反演法（任叶飞等，2013;Wang et al，2018）等，各种方法均有优缺点及其使用范围。HVSR谱比法因其能快速简单地获取场地和结构的动态特性而被广泛应用（Konno，Ohmachi，1998;Zaslavsky et al，2008）。本文对龙头山镇场地进行高密度地脉动观测，采用HVSR谱比法计算获取各个测点的卓越频率和振幅峰值，结合地震记录、场地内勘探钻孔资料将计算结果与场地条件、建筑破坏程度进行对比分析，探讨场地条件对地震震害的影响。

1 HVSR谱比法

HVSR谱比法是Nakamura建立在Borcherdt（1970）在参考基岩台传统谱比法的基础上提出来的一种单台场地效应评估方法，用记录到的环境噪声信号（0.005～2 s）能对场地土层特性的卓越频率（HVSR峰值频率或周期）及场地放大系数做出较好估计，该方法优点在于能消除震源、传播路径和仪器响应的影响。假设某一场地水平分量的经验传递函数可表示为：

经变换可得：

式中：TF为传递函数;H表示水平分量;V表示竖直分量;AXY（f）表示傅里叶幅值谱，X取S代表地表;B代表基岩;Y表示分量类型（垂直分量和水平分量）;HVR表示水平向与竖直向傅里叶幅值谱谱比。由Nakamura方法的基本假定，即井下基岩处加速度记录水平向和垂直向振幅谱一致，故HVRB=1，地表土层台站与井下基岩处垂直分量振幅谱相近，故TFV≈1，综上则有：

Nakamura曾利用日本井下微地震动观测实验证明以上2个假设成立;马淑芹等（2001）用唐山响堂强震观测台阵地面和井下加速度记录进行研究，也证明了这2个假设的真实性。Albarello（2001）、Mucciarelli等（2003）从试验和理论方面对该方法进行验证，证明HVSR谱比法在得到场地的卓越频率方面具有较好的稳定性，而峰值振幅对场地地震动放大系数具有参考意义。

2 龙头山镇地脉动观测与数据分析

2014年鲁甸地震后，云南省地震局利用TAG-33M三通道一体化力平衡加速度仪获取由龙头山镇极震区114个测点组成的高密度观测台阵观测到的场地响应数据（图1），其中龙头山测区测点间距约为50 m，地势较为平坦的骡马口测区测点间距约为100～200 m。以200 Hz采样率、0.005 s采样间隔，在无风无雨的环境条件下观测一昼夜。

每个测点获得一昼夜数据，选择人为干扰较少时段（30 min～1 h），进行基线校正去除异常趋势，再经过巴特沃斯带通滤波器滤波（0.1 ～10 Hz）得到预处理数据。然后采取与传统地震事件触发长短时窗平均算法（STA/LTA）相反的方法剔除异常信号，得到较为稳定的数据，其中短时窗STA窗长取1 s、长时窗LTA窗长取25 s、STA/LTA比值范围为0.2～2.5。最后数据被25 s的时窗截取为多段（图2a中不同颜色矩形窗），分别计算每个时窗的水平向和垂直向傅里叶谱，得到HVSR谱比结果，最后用5%余弦边瓣和平滑系数为40的Konno-Ohmachi平滑方法进行平滑（陈棋福等，2008）。所有时窗的HVSR谱比结果的平均值构成测点的HVSR谱比曲线，曲线的峰值振幅及所对应频率即为测点场地的放大系数和卓越频率（图2b～e中黑色实线为HVSR平均值，彩色实线为每个波窗的HVSR曲线，上下黑色虛线为所有波窗HVSR结果的标准差）。

3 结果与讨论

3.1 卓越频率与放大系数

图3a为2014年鲁甸地震极震区龙头山镇的114个测点的HVSR谱比曲线得出的卓越频率分布图。由图可见，卓越频率主要分布在1.5～12.2 Hz，其中3 Hz以下测点5个，3～5 Hz测点21个，5～8 Hz测点47个，8 Hz以上测点41个。因测试使用仪器类型一致且测试时间段相同，数据处理程序化，HVSR谱比结果（图2）多数具有单一明显峰值，卓越频率在龙头山地区亦呈现出规律性分布特征，故一定程度上能较有效地估计出场地卓越频率。卓越频率最高出现于骡马口山边基岩出露的地方，卓越频率较低地区集中分布于龙头山镇镇府所在地及骡马口缓坡地带。震后建筑物震害调查显示，龙头山镇政府所在地，是此次地震造成房屋损毁最严重、人员伤亡最多的地方，此外房屋损毁最为严重的区域主要集中在洪积扇上，而建在龙泉河河流阶地上的建筑物破坏程度相对较轻，故李西等（2014）认为场地条件在此次地震破坏中起到了放大效应。龙头山镇政府所在区域位于洪积扇上，HVSR峰值频率为1.5～5.0 Hz，而河流一级阶地区域的峰值频率为6.0～10 Hz;骡马口广场附近HVSR峰值频率为1.5～5.0 Hz，随着逐渐靠近山体，卓越频率逐渐增大。该地区场地卓越频率分布较为规律，成条带状分布，卓越频率相对较小（5 Hz以下）的区域与地震中破坏最严重的地区较吻合。

HVSR谱比法获取的峰值频率，与在龙头山开展的地震科学考察钻探工作获取的钻孔资料所推测结果较为一致，说明地脉动谱比法在场地卓越频率、场地类别划分甚至高分辨率的三维结构探测方面具有一定的可行性。

地震中建筑所处的场地条件直接影响建筑结构的破坏程度，因而在抗震设计中应充分考虑土层的动力特性對建筑结构的影响。

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Determining the Site Effects of the 2014 Ludian MS6.5 EarthquakeUsing HVSR Microtremor Method

LIN Guoliang，ZHANG Qian，CUI Jianwen，ZHAO Kun，YANG Liwei

（Yunnan Earthquake Agenoy，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

The MS6.5 earthquake occurred in Ludian County of Yunnan Province，2014 caused severe damage to a large number of buildings on the pluvial fan，resulting in seriously personnel casualty and the economic loss.However，the damage of buildings on the river terrace was relatively lightly.Therefore，to find out the reason for this differences of damage level，we deployed high density observation array with the interval of 50-200m in the Longtoushan Town to measure microtremor continuously，and used the HVSR（Horizontal to vertical spectral ratio）method to get the predominant frequency and amplification factor of the site to study the site earthquake effect.We found out that the result of HVSR method was consistent with the outcomes from drill data.The HVSR predominant frequencies on the pluvial fan were between 1.5～5.0 Hz，while the ones on the river terrace were between 6.0～10 Hz，and the sites with relatively small predominant frequencies（less than 5 Hz）were highly consistent with the worst damaged area.

Keywords：Longtoushan;microtremor;spectral ratio;site effect;Ludian earthquake