日本M W 9.0強震動觀測與記錄初步分析＊

溫瑞智 周寶峰 史大成 任葉飛

(中國地震局工程力學(xué)研究所強震動臺網(wǎng)中心,哈爾濱 150080)

日本MW9.0強震動觀測與記錄初步分析＊

溫瑞智 周寶峰 史大成 任葉飛

(中國地震局工程力學(xué)研究所強震動臺網(wǎng)中心,哈爾濱 150080)

2011年3月11日日本東太平洋海域發(fā)生MW9.0級地震,造成了嚴重的災(zāi)害損失,地震誘發(fā)了海嘯,海嘯災(zāi)害最終導(dǎo)致核泄漏事件。本文初步收集整理了日本強震動觀測網(wǎng)獲得的強震動記錄,簡要進行強震動記錄的特征分析,并完成典型記錄的頻譜特征計算,為進一步開展全面深入研究地震動特征提供參考。

日本MW9.0地震;強震動記錄;衰減;反應(yīng)譜

引言

日本當?shù)貢r間2011年3月11日14時46分(北京時間13時46分),日本本州島東外海發(fā)生大規(guī)模地震。日本氣象廳(JMA)將此次地震定名為“平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震”(The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake)。地震規(guī)模達到MW9.0,震中位于北緯38.1°、東經(jīng)142.9°,震源深度為24 km[1-2]。地震引發(fā)了海嘯,福島核電廠的應(yīng)急供電系統(tǒng)遭到海嘯襲擊被損毀,并導(dǎo)致核泄漏事故。

日本的強震觀測臺網(wǎng)密集,本次大地震獲得了大量的主震和余震強震動數(shù)據(jù),為強地面運動特征的分析和研究提供了豐富的資料。本文初步收集整理了主要強震動臺網(wǎng)數(shù)據(jù),簡要分析了該次地震強震動的特點。

1 日本強震觀測臺網(wǎng)

1995年阪神淡路大地震后,日本通過了《地震防災(zāi)對策特別措置法》,開始建設(shè)全國范圍內(nèi)的地震觀測臺網(wǎng),與此同時全國范圍的強震觀測臺網(wǎng)建設(shè)得到了迅速推進。目前,日本氣象廳是全國唯一官方進行地震信息發(fā)布的機構(gòu),在東京的氣象廳總部設(shè)有“地震海嘯監(jiān)視系統(tǒng)”,同時負責(zé)205個地震臺和600個烈度計的日本烈度速報臺網(wǎng)。日本防災(zāi)技術(shù)研究所(N IED)負責(zé)全國的強震和測震臺網(wǎng)管理。K-NET由1028個強震臺組成,平均臺間距20 km左右,為自由地表臺,觀測儀器由KNET95強震儀以及后期全部更新的K-NET02/02A儀器組成。KiKNET是為研究地下強震動傳到地表的變化而建設(shè)的井下強震觀測系統(tǒng),由700個觀測點組成,目前使用KiK-NET06儀器。另外,Hi-NET由864個高靈敏度測震臺站組成,主要用于確定局部地區(qū)震源位置以及發(fā)震機制。F-NET由83個寬頻帶地震臺組成,用于監(jiān)測大地震發(fā)生的前震。

日本建筑研究所(BRI)管轄3個強震動臺網(wǎng),即分布全國范圍內(nèi)的47個臺站組成的臺網(wǎng),11個臺站組成的仙臺密集臺陣和10個臺站組成的東京大城市地區(qū)臺陣。其它一些組織機構(gòu)如土木研究所(PWRI)、東京大學(xué)地震研究所(ERI)、港灣空港技術(shù)研究所(PHRI)以及若干私營公司,如東京煤氣公司等,也均開展了強震觀測工作。

本次地震K-NET和KiK-NET獲得大量的強震動觀測數(shù)據(jù),且可以通過N IED的主頁網(wǎng)上公開下載,本文主要收集整理了K-NET公布的273組數(shù)據(jù)和KiK-NET公布的73組數(shù)據(jù),分布特征見圖1[3-4]。BRI也在地震后公布了若干強震動記錄,但其強震觀測主要服務(wù)于結(jié)構(gòu)監(jiān)測,非針對自由地表,觀測方位角不統(tǒng)一,因此本文未采用。

圖1 本文采用的K-NET和KiK-NET臺站分布

從NIED下載的記錄可以看出,位于MYG004臺站NS方向記錄的峰值為2699 gal,為本次地震最大峰值加速度值,同樣其豎向地震動峰值1879 gal也為最大,其積分計算的速度最大值超過100 cm/s,三向合成地震動峰值達2933 gal,JMA烈度達到6.6,成為日本歷史上為數(shù)不多的高烈度記錄之一,如圖2所示。其次,MYG012臺站EW方向為1969 gal,三向合成地震動峰值達2019 gal,JMA烈度達到6.0[3]。

在1940年5月18日美國Imperial Valley地震中獲得的ElCentro記錄,東西向最大加速度值0.33 g,該值一直持續(xù)了20年后才被超越。關(guān)于本次地震產(chǎn)生的高峰值強震記錄除了由于本次地震震級較大原因之外,還要得益于K-NET和KiK-NET安裝的±4 G的高分辨率強震動觀測儀器。2008年的平成20年巖手宮城內(nèi)陸地震中KiKNET的A KTH04在地表的東西向獲得的最大峰值為2.50 g,IW TH25的豎向地震動最大峰值為3.94 g[5]。

近期的一些特大地震記錄中還常常表現(xiàn)出多次破裂過程。圖2中可以清晰地看出本次地震的2次破裂過程,與N IED震源機制解以及破裂過程的解析相吻合[2]。這與2008年我國汶川地震中的臥龍記錄有相似之處,如圖3所示[6]。2010年2月27日智利8.8級地震中獲得較大的強震記錄,如圖4所示,在20 s附近為2次破裂的分界點,同時位于震中北部地區(qū)的一些峰值較小的記錄則有明顯的2次破裂特征[7]。

2 強震動記錄特征分析

圖3 2008年5月12日汶川M 8.0級地震臥龍臺站記錄

圖4 2010年2月27日智利M 8.8級地震CCSP臺站記錄

本次地震發(fā)生后,日本和美國科研機構(gòu)迅速推斷主震震源機制解,確認地震為太平洋板塊向西俯沖到歐亞板塊的巨型低角度逆斷層,發(fā)震斷層走向195°,傾向西15°。本文采用美國地質(zhì)調(diào)查局公布的破裂范圍來計算斷層距[8],斷層距定義為距離圖1中斷層面最短距離,并通過地理信息系統(tǒng)Map Info工具實現(xiàn)震中距和斷層距的計算。強震動記錄數(shù)據(jù)處理程序采用了David Boore的TSPP程序[9]。

圖5為K-NET和KiK-NET的原始記錄的峰值隨斷層距變化的關(guān)系,可以明顯看出近場加速度峰值在小于40 km時有趨于平穩(wěn)的趨勢,在中場和遠場地震動離散性較小,指數(shù)衰減現(xiàn)象明顯。圖中曲線為Kanno等(2006)水平向加速度峰值衰減公式[10]:

圖5 峰值加速度與斷層距

其中A H為計算的基巖場地水平向PGA,單位為cm/s2,R為到斷層面最短距離,單位為km,H為震源深度。本文將其推廣計算MW9.0地震,考慮上述回歸公式(1)所采用的數(shù)據(jù)的局限性和本文斷層距的計算方法的不確定性,以及所有數(shù)據(jù)沒有考慮場地條件等因素,該衰減關(guān)系僅供數(shù)據(jù)對比參考。

A rias在進行地震動強度研究時提出了地震強度指標,稱之為A rias強度[11]:

其中,a(t)為強震動記錄時程,T d為持續(xù)時間。本文依據(jù)上述公式計算了水平向A rias強度,取兩個正交水平向NS和EW的算術(shù)平均值:

INS為NS方向的A rias強度,IEW為EW方向的A rias強度。圖6為本次地震A rias強度與斷層距的關(guān)系,圖中曲線為Travasarou等統(tǒng)計的在D類場地下A rias強度衰減關(guān)系[12]。同樣,由于Travasarou等的衰減關(guān)系適用范圍為4.7≤MW≤7.6,以及0.1 km≤斷層距≤250 km,以上曲線僅供參考。鑒于A rias強度與地震的結(jié)構(gòu)破壞、地震滑坡等災(zāi)害在空間上表現(xiàn)出非常好的相關(guān)性,可為震害分析提供有益信息。

根據(jù)A rias強度,定義90%能量持時作為強震記錄有效持時:其中,T0.95和T0.05分別為95%和5%強震記錄總持時的A rias強度對應(yīng)時刻。從圖7中可以看出,本次有效持時在200 km至330 km之間達到最大,同時應(yīng)注意到在此范圍內(nèi)具有近似相同震中距的臺站表現(xiàn)出明顯差異,如臺站A KT005與IBR013臺站的震中距分別為290 km和292 km,但有效持時為164 s和38 s。YM T004與IBR003震中距分別為244 km和245 km,持時為146 s和30 s。震中距為487 km的GIF004臺站的有效持時僅為6 s。其持時大小差異性應(yīng)該結(jié)合地震破裂過程,結(jié)合臺站的空間分布以及場地條件合理解釋。

圖6 Arias強度與斷層距

圖7 有效持時與震中距

圖8給出了KiK-NET自由地表臺站和井下臺站峰值加速度比值隨震中距的變化情況,可以看出地表的地震動峰值被明顯放大,且隨著震中距的增加似有減小的趨勢。合理的峰值比值分析應(yīng)進一步結(jié)合觀測井的深度、巖性條件等多方面因素。

本文另選距離發(fā)生核泄漏的福島第一核電站較近的臺站FKSH19的NS向記錄分析。從圖9中可以看出地表的強震動相比井下記錄明顯放大。從圖10反應(yīng)譜也可以看出小于0.6 s的成分放大明顯,對于大于0.6 s的成分放大較小,兩者基本趨于一致,這樣也導(dǎo)致了通過積分得到的位移時程的相似性較高。

圖8 地表和井下峰值加速度比值與震中距

圖9 FKSH19臺站地表和井下NS向記錄加速度時程

圖10 FKSH19臺站地表和井下NS向加速度記錄反應(yīng)譜

3 典型記錄頻譜分析

為了比較震動傳播過程和分析衰減特征,本文選取M YG002、M YG003、M YG004、M YG005、YM T017、YM T016、YM T003和YM T004共計8個臺站記錄,其所在的空間位置基本位于垂直于地震破裂面的一條直線上。根據(jù)各個臺的南北向和東西向分量計算出垂直于斷層破裂面(FN)和平行斷層破裂面(FP)的分量,見表1。

表1 各臺站FN和FP方向的峰值加速度

以距震中最近的M YG002臺的記錄開始時間作為統(tǒng)一初始時刻,繪制各記錄加速度時程圖,如圖11和圖12。從圖中可以看出,M YG002、M YG003、M YG004和M YG005的記錄中包含二次破裂過程,平行于斷層破裂方向的加速度峰值最大達到2733 gal。隨著震中距的增加,強震記錄峰值衰減較快,當震中距超過100 km時,二次破裂波形越來越不顯著。觀察其反應(yīng)譜,如圖13、14,可以看出對于斷層距小于100 km的M YG002、M YG003、M YG004和M YG005在無論是FP還是FN小于0.5 s的高頻段譜值均放大明顯,且1 s至4 s之間又有增大趨勢。對于YM T003臺站,覆蓋層20 m以內(nèi)的平均剪切波速為320 m/s左右,與其它幾個臺站相比剪切波速較小,在0.5 s到2 s之間的頻段有明顯的放大作用。

4 結(jié)論

本文對日本MW9.0地震的強震記錄進行了初步處理與分析,處理的強震動數(shù)據(jù)可以為進一步的深入研究使用。有關(guān)強震動的特征,如方向性效應(yīng)、上下盤效應(yīng)、局部場地效應(yīng)、速度脈沖等需要建立在對強震動數(shù)據(jù)的理解與分析之上進一步完善。

圖11 平行于斷層方向記錄加速度時程

圖12 垂直于斷層方向記錄加速度時程

圖13 平行于斷層方向加速度反應(yīng)譜

我國強震動觀測在經(jīng)歷了2008年的汶川地震的考驗之后[13],已經(jīng)正在逐步走向成熟,日本大地震給我們提供一次反思的良機,無論是從強震臺站的管理,到強震數(shù)據(jù)的處理、發(fā)布,以及大震后的強震動資料的快速分析,希望能以此為鑒,總結(jié)我國強震觀測中的不足,擴展強震觀測技術(shù)的應(yīng)用范圍,推動我國強震動觀測的發(fā)展。

圖14 垂直于斷層方向加速度反應(yīng)譜

[1] http:∥www.jma.go.jp/jma/en/2011_Earthquake.htm l

[2] http:∥outreach.eri.u-tokyo.ac.jp/eqvolc/201103_tohoku/

[3] http:∥www.k-net.bosai.go.jp/

[4] http:∥www.kik.bosai.go.jp/

[5] Strasser F,Bomme J.Review:Strong ground motions—Have we seen the wo rst?Bulletin of the Seismological Society of America,2009,99(5):2613-2637

[6] 中國地震局震害防御司.汶川8.0級地震未校正加速度記錄.北京:地震出版社,2008

[7] Boroschek R,Soto P,Leon R.Repo rt Maule Region Earthquake February 27,2010 MW=8.8,University of Chile,2010

[8] http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/recenteqsww/Quakes/usc0001xgp.php

[9] Boo re D.TSPP——A Collection of FORTRAN Program s fo r Processing and M anipulating Time Series,U.S.Geological Survey Open-File Report 2008-1111,2008

[10] Kanno T,et al.A new attenuation relation fo r strong ground motion in Japan based on recorded data.Bulletin of the Seismological Society of America,2006,96(3):879-897

[11] A rias A.A Measure of Earthquake Intensity:Seismic Design for Nuclear Power Plants.Cambridge,Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology Press,1970

[12] Travasarou T,Bray J,Abraham son N.Empirical attenuation relationship fo r A rias Intensity.Earthquake Engineering&Structural Dynamics 2003,32(7):1133-1155

[13] 盧大偉,李小軍.中國大陸強震動觀測發(fā)展研究.國際地震動態(tài),2010(10):35-42

The strong ground motion observation and data analysis for off the Pacific coast of Tohoku earthquake MW9.0

Wen Ruizhi,Zhou Baofeng,ShiDacheng,Ren Yefei
(Insititute of Engineering M echanics,CEA,Harbin 150080,China)

The 9.0-magnitude undersea mega-thrust earthquake off the coast of Japan occurred at 14:46 JST on March 11,2011.The earthquake caused the great casualty and p roperty loss,it also triggered extremely destructive tsunami,w hich later led to the worst nuclear catastrophe.In this paper,the strong ground motion observation network in Japan is briefly introduced and the strong motion data are p reliminarily p rocessed and some statistical characteristics for those data are given and typical response spectrum is calculated.All those processed data could serve the further research.

off the Pacific coast of Tohoku earthquake;strong ground motion attenuation;response spectrum

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.04.005

2011-04-08;

2011-04-11。

中國地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項(2010C01)、國家科技支撐計劃項目(2009BA K55B05)、公益性行業(yè)科研專項(201108003)資助。

(作者電子信箱,溫瑞智:ruizhi@iem.net.cn)