利用地脈動(dòng)HVSR研究2014年魯?shù)?.5級(jí)地震場地效應(yīng)

林國良　張潛　崔建文　趙昆　楊黎薇

摘要：2014年魯?shù)?.5級(jí)地震導(dǎo)致龍頭山鎮(zhèn)位于洪積扇上的大量房屋倒塌，而位于河流階地上的房屋破壞相對(duì)較輕。為找出造成該震害差異的原因，在龍頭山鎮(zhèn)布設(shè)間距50～200?m的高密度觀測臺(tái)陣進(jìn)行連續(xù)地脈動(dòng)觀測，采用HVSR譜比法來研究該地區(qū)的場地地震響應(yīng)，確定場地的卓越頻率和放大系數(shù)。結(jié)果表明：HVSR譜比結(jié)果與鉆孔資料給出的結(jié)果較為一致，位于洪積扇上的場地HVSR峰值頻率介于1.5～5.0?Hz，河流階地上的峰值頻率多介于6.0～10?Hz，卓越頻率值相對(duì)較?。??Hz以下）的場地與地震中破壞最嚴(yán)重的區(qū)域較為相符。

關(guān)鍵詞：龍頭山;地脈動(dòng);譜比法;場地效應(yīng);魯?shù)榈卣?/p>

中圖分類號(hào)：P315.914?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1000-0666（2019）04-0531-07

0?引言

地震波經(jīng)過土層傳播會(huì)引起砂土液化、地震波放大、能量衰減等現(xiàn)象，因而在地震波動(dòng)態(tài)加載下的土層條件變化將很大程度上影響地震的破壞情況，導(dǎo)致相鄰區(qū)域的地震破壞程度也會(huì)截然不同。國內(nèi)外多次地震事件表明，松軟土層場地比硬土或基巖場地在地震中的震害更為嚴(yán)重（魏勇等，2018）。2014年8月3日云南省昭通市魯?shù)榭h（27.1°N，103.3°E）發(fā)生6.5級(jí)地震，震源深度為12?km。地震造成大量的房屋倒塌和人員傷亡。與云南其它地區(qū)同等級(jí)地震相比，該地震傷亡更重，而且在地震烈度為Ⅸ度極震區(qū)的龍頭山鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府所在地，呈現(xiàn)出2種截然不同的破壞現(xiàn)象，對(duì)此震害差異原因有必要進(jìn)行深入研究。

研究局部場地效應(yīng)的方法主要有傳統(tǒng)譜比法（Borcherdt，1970）、HVSR（Horizontal?to?vertical?spectral?ratio）譜比法（Nakamura，1989）、數(shù)值解析法（Moya?et?al，2000）、廣義反演法（任葉飛等，2013;Wang?et?al，2018）等，各種方法均有優(yōu)缺點(diǎn)及其使用范圍。HVSR譜比法因其能快速簡單地獲取場地和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性而被廣泛應(yīng)用（Konno，Ohmachi，1998;Zaslavsky?et?al，2008）。本文對(duì)龍頭山鎮(zhèn)場地進(jìn)行高密度地脈動(dòng)觀測，采用HVSR譜比法計(jì)算獲取各個(gè)測點(diǎn)的卓越頻率和振幅峰值，結(jié)合地震記錄、場地內(nèi)勘探鉆孔資料將計(jì)算結(jié)果與場地條件、建筑破壞程度進(jìn)行對(duì)比分析，探討場地條件對(duì)地震震害的影響。

1?HVSR譜比法

HVSR譜比法是Nakamura建立在Borcherdt（1970）在參考基巖臺(tái)傳統(tǒng)譜比法的基礎(chǔ)上提出來的一種單臺(tái)場地效應(yīng)評(píng)估方法，用記錄到的環(huán)境噪聲信號(hào)（0.005～2?s）能對(duì)場地土層特性的卓越頻率（HVSR峰值頻率或周期）及場地放大系數(shù)做出較好估計(jì)，該方法優(yōu)點(diǎn)在于能消除震源、傳播路徑和儀器響應(yīng)的影響。假設(shè)某一場地水平分量的經(jīng)驗(yàn)傳遞函數(shù)可表示為：

經(jīng)變換可得：

式中：TF為傳遞函數(shù);H表示水平分量;V表示豎直分量;AXY（f）表示傅里葉幅值譜，X取S代表地表;B代表基巖;Y表示分量類型（垂直分量和水平分量）;HVR表示水平向與豎直向傅里葉幅值譜譜比。由Nakamura方法的基本假定，即井下基巖處加速度記錄水平向和垂直向振幅譜一致，故HVRB=1，地表土層臺(tái)站與井下基巖處垂直分量振幅譜相近，故TFV≈1，綜上則有：

Nakamura曾利用日本井下微地震動(dòng)觀測實(shí)驗(yàn)證明以上2個(gè)假設(shè)成立;馬淑芹等（2001）用唐山響堂強(qiáng)震觀測臺(tái)陣地面和井下加速度記錄進(jìn)行研究，也證明了這2個(gè)假設(shè)的真實(shí)性。Albarello（2001）、Mucciarelli等（2003）從試驗(yàn)和理論方面對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明HVSR譜比法在得到場地的卓越頻率方面具有較好的穩(wěn)定性，而峰值振幅對(duì)場地地震動(dòng)放大系數(shù)具有參考意義。

2?龍頭山鎮(zhèn)地脈動(dòng)觀測與數(shù)據(jù)分析

2014年魯?shù)榈卣鸷?，云南省地震局利用TAG-33M三通道一體化力平衡加速度儀獲取由龍頭山鎮(zhèn)極震區(qū)114個(gè)測點(diǎn)組成的高密度觀測臺(tái)陣觀測到的場地響應(yīng)數(shù)據(jù)（圖1），其中龍頭山測區(qū)測點(diǎn)間距約為50?m，地勢較為平坦的騾馬口測區(qū)測點(diǎn)間距約為100～200?m。以200?Hz采樣率、0.005?s采樣間隔，在無風(fēng)無雨的環(huán)境條件下觀測一晝夜。

每個(gè)測點(diǎn)獲得一晝夜數(shù)據(jù)，選擇人為干擾較少時(shí)段（30?min～1?h），進(jìn)行基線校正去除異常趨勢，再經(jīng)過巴特沃斯帶通濾波器濾波（0.1?～10?Hz）得到預(yù)處理數(shù)據(jù)。然后采取與傳統(tǒng)地震事件觸發(fā)長短時(shí)窗平均算法（STA/LTA）相反的方法剔除異常信號(hào)，得到較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，其中短時(shí)窗STA窗長取1?s、長時(shí)窗LTA窗長取25?s、STA/LTA比值范圍為0.2～2.5。最后數(shù)據(jù)被25?s的時(shí)窗截取為多段（圖2a中不同顏色矩形窗），分別計(jì)算每個(gè)時(shí)窗的水平向和垂直向傅里葉譜，得到HVSR譜比結(jié)果，最后用5%余弦邊瓣和平滑系數(shù)為40的Konno-Ohmachi平滑方法進(jìn)行平滑（陳棋福等，2008）。所有時(shí)窗的HVSR譜比結(jié)果的平均值構(gòu)成測點(diǎn)的HVSR譜比曲線，曲線的峰值振幅及所對(duì)應(yīng)頻率即為測點(diǎn)場地的放大系數(shù)和卓越頻率（圖2b～e中黑色實(shí)線為HVSR平均值，彩色實(shí)線為每個(gè)波窗的HVSR曲線，上下黑色虛線為所有波窗HVSR結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差）。

3?結(jié)果與討論

3.1?卓越頻率與放大系數(shù)

圖3a為2014年魯?shù)榈卣饦O震區(qū)龍頭山鎮(zhèn)的114個(gè)測點(diǎn)的HVSR譜比曲線得出的卓越頻率分布圖。由圖可見，卓越頻率主要分布在1.5～12.2?Hz，其中3?Hz以下測點(diǎn)5個(gè)，3～5?Hz測點(diǎn)21個(gè)，5～8?Hz測點(diǎn)47個(gè)，8?Hz以上測點(diǎn)41個(gè)。因測試使用儀器類型一致且測試時(shí)間段相同，數(shù)據(jù)處理程序化，HVSR譜比結(jié)果（圖2）多數(shù)具有單一明顯峰值，卓越頻率在龍頭山地區(qū)亦呈現(xiàn)出規(guī)律性分布特征，故一定程度上能較有效地估計(jì)出場地卓越頻率。卓越頻率最高出現(xiàn)于騾馬口山邊基巖出露的地方，卓越頻率較低地區(qū)集中分布于龍頭山鎮(zhèn)鎮(zhèn)府所在地及騾馬口緩坡地帶。震后建筑物震害調(diào)查顯示，龍頭山鎮(zhèn)政府所在地，是此次地震造成房屋損毀最嚴(yán)重、人員傷亡最多的地方，此外房屋損毀最為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在洪積扇上，而建在龍泉河河流階地上的建筑物破壞程度相對(duì)較輕，故李西等（2014）認(rèn)為場地條件在此次地震破壞中起到了放大效應(yīng)。龍頭山鎮(zhèn)政府所在區(qū)域位于洪積扇上，HVSR峰值頻率為1.5～5.0?Hz，而河流一級(jí)階地區(qū)域的峰值頻率為6.0～10?Hz;騾馬口廣場附近HVSR峰值頻率為1.5～5.0?Hz，隨著逐漸靠近山體，卓越頻率逐漸增大。該地區(qū)場地卓越頻率分布較為規(guī)律，成條帶狀分布，卓越頻率相對(duì)較?。??Hz以下）的區(qū)域與地震中破壞最嚴(yán)重的地區(qū)較吻合。

HVSR譜比法獲取的峰值頻率，與在龍頭山開展的地震科學(xué)考察鉆探工作獲取的鉆孔資料所推測結(jié)果較為一致，說明地脈動(dòng)譜比法在場地卓越頻率、場地類別劃分甚至高分辨率的三維結(jié)構(gòu)探測方面具有一定的可行性。

地震中建筑所處的場地條件直接影響建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度，因而在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮土層的動(dòng)力特性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。

參考文獻(xiàn)：

陳棋福，劉瀾波，王偉君，等.2008.利用地脈動(dòng)探測北京城區(qū)的地震動(dòng)場地響應(yīng)[J].科學(xué)通報(bào)，53（18）：2229-2235.

崔建文，劉瓊仙，段建新，等.2014.2014年云南魯?shù)?.5級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)觀測記錄及初步分析[J].地震研究，37（4）：542-548.

李西，張建國，謝英情，等.2014.魯?shù)镸S6.5地震地表破壞及其構(gòu)造的關(guān)系[J].地震地質(zhì)，36（4）：1280-1291.

金井清.1987.工程地震學(xué)[M].北京：地震出版社，83-84.

馬淑芹，龔紹京，栗連弟，等.2001.使用地面單臺(tái)三分向地震記錄資料評(píng)估場地效應(yīng)方法的研究[J].西北地震學(xué)報(bào)，23（3）：269-273.

任葉飛，溫瑞智，山中浩明，等.2013.運(yùn)用廣義反演法研究汶川地震場地效應(yīng)[J].土木工程學(xué)報(bào)，46（增刊2）：146-151.

王偉君，劉瀾波，陳棋福，等.2009.應(yīng)用微動(dòng)H/V譜比法和臺(tái)陣技術(shù)探測場地響應(yīng)和淺層速度結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)報(bào)，52（6）：1515-1525.

魏勇，崔建文，王秋良，等.2018.基于合成地震動(dòng)的2014年魯?shù)镸S6.5地震場地效應(yīng)分析[J].地震研究，41（1）：32-37.

Albarello?D.2001.Detection?of?spurious?maxima?in?the?site?amplification?characteristics?estimated?by?the?HVSR?technique[J].Bulletin?of?the?Seismological?Society?of?America，91（4）：718-724.

Borcherdt?R?D.1970.Effects?of?local?geology?on?ground?motion?near?San?Francisco?bay[J].Bulletin?of?the?Seismological?Society?of?America，60（1）：29-61.

Konno?K，Ohmachi?T.1988.Ground-motion?characteristics?estimated?from?specral?ratio?between?horizontal?and?vertical?components?of?microtremor[J].Bulletin?of?the?Seismological?Society?of?America，88（1）：228-241.

Moya?A，Aguirre?J，Irikura?K.2000.Inversion?of?source?parameters?and?site?effects?from?strong?ground?motion?records?using?genetic?algorithms[J].Bulletin?of?the?Seismological?Society?of?America，90（4）：977-992.

Mucciarelli?M，Gallipoli?M?R，Arcieri?M.2003.The?stability?of?the?horizontal-to-vertical?spectral?ratio?of?triggered?noise?and?earthquake?recordings[J].Bulletin?of?the?Seismological?Society?of?America，93（3）：1407-1412.

Nakamura，Y.1989.A?Method?for?Dynamic?Characteristics?Estimation?of?Subsurface?Using?Microtremor?on?the?Ground?Surface[J].Quarterly?Report?of?Railway?Technical?Institute（RTRI），30（1）：25-33.

Parolai?S，Bormann?P，Milkereit?C.2002.New?relationship?between?Vs，thickness?of?sediments，and?resonance?frequency?calculated?by?the?H/V?ratio?of?seismic?noise?for?the?Cologne?area（Germany）[J].Bulletin?of?the?Seismological?Society?of?America，92（6）：2521-2527.

Wang?H?W，Ren?Y?F，Wen?R?Z.2018.Source?parameters，path?attenuation?and?site?effects?from?strong-motion?recordings?of?the?Wenchuan?aftershocks（2008-2013）using?a?non-parametric?generalized?inversion?technique[J].Geophysical?Journal?International，212（2）：872-890.

Zaslowsky?Y，Ataev?G，Gorstein?M，et?al.2008.Assessment?of?site?specific?earthquake?hazards?in?Urban?areas.A?case?study：the?two?of?afula，israel?and?neighbouring?settlements[J].Bollettino?di?Geofisica?Teorica?ed?Applicata，49（1）：93-108.

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