基于譜元法的玉田震害異常研究

李孝波

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

種新的表示場(chǎng)地至地震源（site-to-source）距離的形式——凹凸體距，并驗(yàn)證了其相比目前常用的破裂距、斷層距和震源距更能科學(xué)近似地表示大震中場(chǎng)地至地震源的距離，解決了廣義反演方法不適用于大地震的局限性。

（5）提出了將S變換應(yīng)用于場(chǎng)地地震反應(yīng)的非線性識(shí)別與分析的研究思路，與GIT法和HVSR法分別對(duì)33個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站在汶川地震主震中的場(chǎng)地地震反應(yīng)進(jìn)行非線性識(shí)別與分析。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)PGA＞300cm/s2或PGV＞20cm/s時(shí)，場(chǎng)地地震反應(yīng)出現(xiàn)明顯的非線性現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)臺(tái)站051AXT、051GYS、051GYZ、051JYC、051JYD、051JYH、051JZW、051MXN、051SFB和062WUD，在汶川地震主震中產(chǎn)生了顯著的場(chǎng)地非線性反應(yīng)。通過(guò)與GIT法和HVSR法的研究結(jié)果進(jìn)行比較，證實(shí)S變換在時(shí)域內(nèi)可有效地進(jìn)行場(chǎng)地反應(yīng)的非線性識(shí)別，并且較頻域方法具有能識(shí)別非線性發(fā)生的具體時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。

（6）在對(duì)汶川地震場(chǎng)地地震反應(yīng)進(jìn)行非線性識(shí)別過(guò)程中，分析了GIT法和HVSR法獲得的弱、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)作用下的場(chǎng)地卓越頻率之比RFp與地震動(dòng)水平PGA、PGV以及場(chǎng)地系數(shù)VS20、VS30之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示，RFp與PGA、PGV存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，卻與VS20、VS30弱相關(guān)。提出了一種新的定義場(chǎng)地反應(yīng)非線性程度的參數(shù)——ADNL，計(jì)算了各臺(tái)站的ADNL值以及其他類似參數(shù)fNL、DNL和PNL，并與地震動(dòng)參數(shù)PGA進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)回歸分析，結(jié)果顯示，各參數(shù)與PGA都存在強(qiáng)烈相關(guān)性。

關(guān)鍵詞強(qiáng)震動(dòng)記錄；汶川地震；場(chǎng)地效應(yīng)；場(chǎng)地分類；場(chǎng)地反應(yīng)；非線性；HVSR；廣義反演；S變換

中圖分類號(hào)：P315.9；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.04.009

（作者電子信箱，任葉飛：renyefei@iem.net.cn）

基于譜元法的玉田震害異常研究

李孝波

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

玉田低烈度異常區(qū)位于河北省玉田縣的中北部地區(qū)，該區(qū)在1679年三河—平谷8.0級(jí)特大地震和1976年唐山7.8級(jí)大地震中都表現(xiàn)出了明顯的低烈度異?，F(xiàn)象，是典型的低烈度異常區(qū)。唐山大地震以后，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其異常的原因進(jìn)行了較為深入的研究，取得了豐富的研究成果。作為一種探索，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用譜元法對(duì)異常原因進(jìn)行了更為深入的研究。譜元法屬于廣義有限元法，是一種新的地震動(dòng)數(shù)值模擬方法，具有計(jì)算精度高、收斂快以及易于實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)，用其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算能大大減少內(nèi)存需求和計(jì)算時(shí)間。近年來(lái)，該法取得了較快的發(fā)展，目前已成為進(jìn)行大尺度、復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型地震動(dòng)數(shù)值模擬分析的重要工具。破壞性地震震害異常機(jī)理的探索是進(jìn)行場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響研究的核心問(wèn)題之一。本文為震害異常機(jī)理的研究提供了一種新的方法，這一工作對(duì)促進(jìn)震害異常機(jī)理以及場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

本文在對(duì)震害異常產(chǎn)生原因和研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)玉田低烈度異常區(qū)已有研究成果和收集資料的分析，重點(diǎn)從基巖地形和土層特性兩個(gè)方面，對(duì)玉田地區(qū)3個(gè)計(jì)算剖面的地震動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行了譜元法模擬，研究了玉田低烈度異常區(qū)的異常機(jī)理，得到了若干有意義的結(jié)論。本文取得的主要研究成果如下：

（1）建立了玉田地區(qū)105m深度內(nèi)的土層波速結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)收集的68個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，從鉆孔深度、覆蓋層厚度、土層剪切波速以及場(chǎng)地類別4個(gè)方面對(duì)玉田地區(qū)土層的波速特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，擬合得到了黏性土、砂土和碎石土剪切波速隨深度變化的經(jīng)驗(yàn)公式，再結(jié)合不同土層的波速特征，以平均剪切波速作為分類指標(biāo)對(duì)玉田地區(qū)的土體進(jìn)行了分層統(tǒng)計(jì)，建立了該區(qū)105m深度內(nèi)的土體波速結(jié)構(gòu)模型。

（2）研究了基巖地形特征對(duì)地表地震動(dòng)強(qiáng)度的影響。在對(duì)簡(jiǎn)單基巖凸起模型理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單基巖地形模型的譜元法分析，從多個(gè)方面探討了基巖凹陷或凸起地形對(duì)地表地震動(dòng)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，基巖凹陷或凸起地形的存在改變了地震波的入射角度，在使其出現(xiàn)多次折射與反射現(xiàn)象的同時(shí)，也使傳播至凹凸變化區(qū)域的地震波向內(nèi)匯聚或向外發(fā)散，從而導(dǎo)致與該區(qū)域相對(duì)應(yīng)地表處的地震動(dòng)強(qiáng)度整體得到加強(qiáng)或減弱，形成地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)區(qū)或減弱區(qū)。地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)區(qū)的范圍較基巖凹陷區(qū)小，兩者的比值隨著基巖凹陷地形陡度和覆蓋層厚度的增大而逐漸減小。地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)減弱區(qū)的范圍較基巖凸起區(qū)大，兩者的比值隨著基巖凸起地形陡度和覆蓋層厚度的增大而逐漸增大。

（3）研究了玉田地區(qū)基巖地形對(duì)震害異常的影響。通過(guò)對(duì)玉田地區(qū)3個(gè)剖面6個(gè)基巖地形模型的譜元法分析，探討了各剖面中基巖地形的變化對(duì)地表地震動(dòng)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，玉田地區(qū)地表地震動(dòng)的強(qiáng)度受基巖地形凹凸變化的影響，且這種影響在玉田地區(qū)的南北方向上表現(xiàn)得較為明顯。玉田縣城下基巖凸起地形的存在，降低了城區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域的地震動(dòng)強(qiáng)度，形成了地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)減弱區(qū)；而縣城以北區(qū)域下基巖槽形洼地的存在，則增大了該區(qū)的地震動(dòng)強(qiáng)度，形成了地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)區(qū)。相對(duì)增強(qiáng)區(qū)內(nèi)的地震動(dòng)強(qiáng)度為相對(duì)減弱區(qū)的2倍左右。地震動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)減弱區(qū)與震害異常區(qū)相對(duì)應(yīng)，且其范圍較基巖凸起區(qū)大。

（4）研究了玉田地區(qū)土體對(duì)震害異常的影響。通過(guò)對(duì)玉田低烈度異常區(qū)內(nèi)外土體模型的譜元法分析，從地震動(dòng)強(qiáng)度和頻譜特性兩個(gè)方面，探討了同一地震作用下異常區(qū)內(nèi)外土體地震動(dòng)反應(yīng)的異同。結(jié)果表明，在0～105m的深度范圍內(nèi)，玉田異常區(qū)內(nèi)外土體的地震動(dòng)強(qiáng)度相差不大，且都具有大致相同的頻譜特性。異常區(qū)內(nèi)外土體對(duì)較低頻段（異常區(qū)內(nèi)為0.67～3.17Hz，異常區(qū)外為0.67～2.94Hz）地震波都具有明顯的放大作用，而對(duì)高頻段（6 Hz左右）地震波則都具有一定的吸收作用，并且這種放大、吸收作用在水平方向上表現(xiàn)得尤為明顯。

（5）研究了玉田地區(qū)基巖地形和土體對(duì)震害異常的共同影響。通過(guò)對(duì)玉田地區(qū)3個(gè)實(shí)際剖面的譜元法分析，綜合分析了基巖地形和土體對(duì)震害異常的影響。結(jié)果表明，基巖地形與土體的共同作用，在增大地表地震動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，更顯著地加強(qiáng)了基巖凸起（凹陷）地形對(duì)地震波的發(fā)散（匯聚）作用，表現(xiàn)出了明顯的低烈度異?，F(xiàn)象。低烈度異常區(qū)的范圍較基巖凸起區(qū)大，但與震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得出的0.2等震害指數(shù)包線相比，其在南北向的范圍較小，東西向則相差不大。

綜上所述，在合理考慮介質(zhì)各向異性、地質(zhì)構(gòu)造背景以及場(chǎng)地條件等多種影響因素的前提下，建立正確的計(jì)算模型，利用譜元法進(jìn)行震害異常機(jī)理研究是可行、有效的。玉田低烈