基于實(shí)測(cè)記錄分析場(chǎng)地因素對(duì)海底地震動(dòng)特性影響

陳寶魁, 王博為, 田 欽, 胡思聰

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 江西 南昌 330031)

0 引言

隨著海洋工程的發(fā)展,自20世紀(jì)中期起對(duì)海底地震動(dòng)特性的研究日益深入。鑒于地震動(dòng)實(shí)測(cè)記錄分析是研究地震動(dòng)特性最直接的方法,20世紀(jì)70年代開(kāi)始,美國(guó)、日本等國(guó)相繼開(kāi)展海底強(qiáng)震儀的布設(shè)與數(shù)據(jù)采集分析等工作[1]。1979年美國(guó)礦物資源管理處(MMS)在南加利福尼亞州近海安裝了海底地震觀測(cè)系統(tǒng)SEMS(Seafloor Earthquake Mea-suring System)[2]。1995年神戶(hù)大地震后,日本科學(xué)技術(shù)廳防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所在全國(guó)1 000多個(gè)地點(diǎn)布設(shè)了強(qiáng)震儀臺(tái)網(wǎng)(K-NET強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)),并于1996年在東京西南部50 km處的相模灣海域布設(shè)了6個(gè)深海強(qiáng)震臺(tái)站,用于監(jiān)測(cè)地震與海嘯。

基于上述臺(tái)網(wǎng)已采集到的海底強(qiáng)震記錄,研究發(fā)現(xiàn)海底與陸地地震動(dòng)特性區(qū)別明顯。1999年Boore等[3]對(duì)美國(guó)SEMS臺(tái)網(wǎng)8次地震中6個(gè)海底臺(tái)站采集到的海底強(qiáng)震數(shù)據(jù)的反應(yīng)譜、豎向與水平反應(yīng)比譜等進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于陸地,海底地震動(dòng)豎向分量的高頻成分更小,海水層對(duì)水平地震動(dòng)分量的影響較小。在此基礎(chǔ)上,刁紅旗等[4]同樣利用SEMS臺(tái)網(wǎng)中海底強(qiáng)震記錄的分析,發(fā)現(xiàn)海水層對(duì)以P波為主的垂直地震動(dòng)影響較大,但對(duì)SV波影響有限。陳寶魁等[5-7]利用日本K-NET與美國(guó)SEMS臺(tái)網(wǎng)的強(qiáng)震記錄對(duì)比海底與陸地地震動(dòng)的彈性與彈塑性反應(yīng)譜特征,發(fā)現(xiàn)相比于陸地強(qiáng)震記錄,海底地震動(dòng)的豎向分量更小,水平向反應(yīng)譜擁有比陸地地震動(dòng)更長(zhǎng)的峰值平臺(tái),其長(zhǎng)周期成分也更為豐富。Dhakal等[8]通過(guò)搜集K-NET臺(tái)網(wǎng)中海底臺(tái)站的海底地震動(dòng)研究了非線(xiàn)性場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的影響,發(fā)現(xiàn)土層的非線(xiàn)性響應(yīng)會(huì)造成地震動(dòng)卓越頻率成分向低頻移動(dòng)。

近年來(lái),學(xué)者們通過(guò)數(shù)值模擬等方法逐漸認(rèn)識(shí)到海底局部場(chǎng)地因素也可能對(duì)地震動(dòng)造成顯著影響。胡進(jìn)軍等[9]基于實(shí)際地震動(dòng)分析俯沖帶特征,采用數(shù)值模擬的方法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)地震動(dòng)衰減關(guān)系模型,發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造差異是造成地震動(dòng)區(qū)域性差異的主要原因。李天男等[10]基于南海島礁場(chǎng)地鉆孔材料和日本房總半島沿海地區(qū)海底強(qiáng)震記錄建立了4類(lèi)島礁工程場(chǎng)地的一維土層模型,討論其在淺源地震以及中深源海底地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng),結(jié)果表明鈣質(zhì)砂密實(shí)程度不同的珊瑚礁場(chǎng)地對(duì)海底地震動(dòng)的放大效應(yīng)有較大差異。由于海底記錄的數(shù)量十分有限,且場(chǎng)地條件等地理參數(shù)難以獲得,一些學(xué)者輔以數(shù)值模擬和解析計(jì)算等方法進(jìn)一步研究海底地震動(dòng)的影響因素。Nakamura等[11]通過(guò)有限元差分法模擬了海底滑坡地震的海底地震波場(chǎng),證明海水和海底地形對(duì)地震動(dòng)有很大影響。李超等[12]基于水動(dòng)力學(xué)方程等理論提出了一種由基巖、多孔土層和海水層組成的近海場(chǎng)地海底地震動(dòng)建模與仿真方法,得出海底地震動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng)會(huì)受到抑制。

由于海底地震動(dòng)數(shù)量有限且各海底臺(tái)站的場(chǎng)地條件不確定,以往研究大多以震級(jí)、震中距、震源類(lèi)型等作為海底強(qiáng)震記錄的分組依據(jù),缺少對(duì)不同海底臺(tái)站間地震動(dòng)特性的比較與分析?；诖?本文對(duì)比日本K-NET臺(tái)網(wǎng)中6個(gè)海底臺(tái)站強(qiáng)震記錄的時(shí)程曲線(xiàn)及相關(guān)的反應(yīng)譜特性,進(jìn)一步分析海底強(qiáng)震記錄與相鄰不同場(chǎng)地條件陸地臺(tái)站的地震動(dòng)特性,初步判斷海底場(chǎng)地因素對(duì)地震動(dòng)特性具有較大影響。研究?jī)?nèi)容可為今后深入了解海底地震動(dòng)的特性與影響因素提供參考。

1 地震臺(tái)站與強(qiáng)震記錄的選取

本研究所用海底與陸地強(qiáng)震記錄選自日本K-NET強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)。該臺(tái)網(wǎng)由日本境內(nèi)1 000多個(gè)陸地臺(tái)站組成,并在日本東京西南部50 km三浦半島與伊豆半島之間的半圓型相模灣海域布設(shè)了6個(gè)海底強(qiáng)震臺(tái)站,即KNG201～KNG206。以這6個(gè)海底強(qiáng)震臺(tái)站采集到的強(qiáng)震記錄為中心,研究不同海底臺(tái)站間地震動(dòng)特性的區(qū)別。6個(gè)海底強(qiáng)震臺(tái)站的信息列于表1。

表1 海底臺(tái)站信息表

另外,與海底強(qiáng)震記錄對(duì)比的陸地記錄選自臨近海底臺(tái)站的18個(gè)陸地臺(tái)站。陸地臺(tái)站按照?qǐng)龅仄骄羟胁ㄋ傩∮?80 m/s、180～360 m/s、大于360 m/s劃分為軟土場(chǎng)地(CHB008、CHB014、KNG001、KNG002、KNG004、KNG009)、中硬土場(chǎng)地(CHB004、CHB006、CHB007、CHB024、KNG003、KNG006)和硬土場(chǎng)地(CHB021、FKS027、FKS029、KNG005、KNG014、TKY008)3組。海底與陸地臺(tái)站信息與場(chǎng)地條件參見(jiàn)日本K-NET強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)網(wǎng)站(http://www.kyoshin.bosai.go.jp/)。

在保證地震中海底與陸地臺(tái)站均采集到有效強(qiáng)震記錄的條件下,共選取2006—2020年間的8次地震事件,震級(jí)在MW4.9～6.0范圍內(nèi),震源深度在53～156 km間(表2)。每個(gè)臺(tái)站的強(qiáng)震記錄均包含2條水平向和1條豎向加速度時(shí)程,總計(jì)576條。研究利用4階Butterworth濾波法對(duì)收錄的地震實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,濾波頻率范圍為0.1～25 Hz,并對(duì)時(shí)程曲線(xiàn)做基線(xiàn)調(diào)整處理。

表2 地震事件信息

2 豎向與水平峰值加速度比

豎向與水平(V/H)峰值加速度比有利于觀察地震動(dòng)豎向與水平分量的關(guān)系:

(1)

式中:V/H為豎向與水平峰值加速度比;av和ah分別為豎向和水平方向加速度時(shí)程的峰值。

2.1 海底與陸地地震動(dòng)V/H峰值加速度比分析

以往基于實(shí)測(cè)記錄對(duì)比海底與陸地地震動(dòng)特性的研究中缺乏對(duì)場(chǎng)地因素的考慮。雖然K-NET臺(tái)網(wǎng)中海底臺(tái)站的場(chǎng)地因素不能確定,但陸地臺(tái)站的場(chǎng)地條件等信息非常全面。因此按照?qǐng)龅貤l件給陸地臺(tái)站分組,并與海底地震動(dòng)進(jìn)行比較。圖1列出了8次地震中不同場(chǎng)地條件陸地臺(tái)站與海底臺(tái)站的平均V/H峰值加速度比,可知8次事件中6個(gè)海底臺(tái)站的平均峰值加速度比僅為0.15～0.25,明顯小于陸地臺(tái)站(基本大于0.4)。此外,陸地硬土場(chǎng)地地震動(dòng)的V/H峰值加速度比最小,軟土場(chǎng)地的V/H峰值加速度比最大。其中海底場(chǎng)地平均V/H峰值加速度比為0.2,3組陸地場(chǎng)地總的平均峰值加速度比為0.53;海底地震動(dòng)的V/H峰值加速度比僅為陸地地震動(dòng)的1/2左右。研究結(jié)果與以往研究結(jié)論一致[13]。由于P波與海水層的共振頻率范圍受到壓制,海水層對(duì)海底地震動(dòng)豎向分量的影響較大。

圖1 8次地震事件中海底臺(tái)站與3組陸地臺(tái)站 強(qiáng)震記錄的V/H峰值加速度比Fig.1 V/H PGA ratio of strong motion records from offshore and 3 groups of onshore stations during 8 earthquakes

2.2 不同海底臺(tái)站V/H峰值加速度比分析

圖2為6個(gè)海底臺(tái)站在8次地震事件中的V/H峰值加速度比。由圖2可知,6個(gè)海底臺(tái)站的V/H峰值加速度比值一般為0.1～0.4,并且呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。如KNG202臺(tái)站在每一次地震事件中的V/H峰值加速度比基本大于0.4,高于其他臺(tái)站,而KNG201臺(tái)站的峰值加速度比均小于0.2,在每次地震中基本最小;其他臺(tái)站的峰值加速度比在每次地震中同樣存在規(guī)律性。因?yàn)?個(gè)海底臺(tái)站的距離較近,可以忽略震中距和傳播路徑對(duì)同次地震中不同海底臺(tái)站強(qiáng)震記錄的影響,且考慮到同次地震中強(qiáng)震記錄的震源條件(震級(jí)和震源深度)相同,初步判斷海底局部場(chǎng)地因素是引起不同海底臺(tái)站間V/H峰值加速度比差異的原因。

圖2 8次地震事件中6個(gè)海底臺(tái)站的V/H峰值 加速度比Fig.2 V/H PGA ratio of 6 offshore stations during 8 earthquake events

3 豎向與水平加速度反應(yīng)譜的比譜

為進(jìn)一步了解海底豎向地震動(dòng)的特性,本節(jié)不但對(duì)比了海底與陸地地震動(dòng)平均豎向與水平反應(yīng)譜的比譜(V/H比譜),還比較了不同海底臺(tái)站的平均V/H比譜,并按周期繪制成譜曲線(xiàn)。V/H比譜是豎向加速度反應(yīng)譜值與兩個(gè)水平分量的平均加速度反應(yīng)譜值的比值。V/H比譜可以消除場(chǎng)地條件以外其他因素對(duì)分析結(jié)果的影響,因此其有利于消除震中距、震級(jí)等震源機(jī)制因素的影響[14]。

3.1 海底與陸地V/H比譜分析

圖3列出了8次地震中海底與3類(lèi)陸地臺(tái)站的平均V/H比譜。由圖3可見(jiàn),海底與陸地地震動(dòng)的V/H比譜差異極為明顯。在T<0.7 s周期段,海底地震動(dòng)的V/H比譜基本小于0.2,明顯小于陸地地震動(dòng);在短周期范圍陸地軟土場(chǎng)地的比譜譜值更高,可達(dá)0.6以上,在T>0.3 s時(shí)其下降趨勢(shì)明顯。當(dāng)T>0.7 s時(shí),海底地震動(dòng)的V/H比譜逐漸升高,但始終小于陸地硬土場(chǎng)地地震動(dòng),更接近于陸地中硬土場(chǎng)地。

圖3 8次地震事件平均V/H比譜Fig.3 Average V/H spectral ratio of 8 earthquake events

3.2 不同海底臺(tái)站V/H比譜分析

圖4為6個(gè)海底臺(tái)站在8次地震中的平均V/H比譜。圖中相同海底臺(tái)站在不同地震中的譜值趨勢(shì)與峰值位置基本一致,可見(jiàn)各海底臺(tái)站的譜特性與海水層以及海底場(chǎng)地因素相關(guān)聯(lián)。此外,雖然這些海底臺(tái)站的比譜大多體現(xiàn)出不同于陸地地震動(dòng)的特性,但各個(gè)臺(tái)站之間仍存在差別,特別是KNG202臺(tái)站的比譜在全部周期段內(nèi)約在0.4～0.8范圍波動(dòng),不同于其他海底臺(tái)站,與陸地硬土場(chǎng)地的比譜更為接近。另外,由于2020-02-01地震中KNG201臺(tái)站的豎向與水平分量PGA過(guò)小,比譜失真,未在圖中列出。

圖4 8次地震中6個(gè)海底臺(tái)站的V/H比譜Fig.4 V/H spectral ratio from 6 offshore stations during 8 earthquake events

4 水平向反應(yīng)譜

4.1 陸地與海底水平向放大系數(shù)譜分析

圖5列出了8次地震中3組不同場(chǎng)地條件陸地臺(tái)站與海底臺(tái)站的平均(水平向)放大系數(shù)譜。放大系數(shù)譜為加速度反應(yīng)譜與對(duì)應(yīng)峰值加速度之比,水平向放大系數(shù)譜分析有利于消除地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)譜值的影響。如圖5所示,海底與陸地地震動(dòng)水平向反應(yīng)譜的差異較小,海底地震動(dòng)的譜值在周期T≤0.2 s時(shí)基本與陸地中硬土場(chǎng)地地震動(dòng)一致,在T>0.2 s時(shí)明顯大于陸地硬土場(chǎng)地譜值,介于陸地中硬土場(chǎng)地與軟土場(chǎng)地之間。

圖5 不同場(chǎng)地條件下8次地震事件平均水平 放大系數(shù)譜Fig.5 Average horizontal amplification coefficient spectra of 8 earthquakes under different site conditions

4.2 不同海底臺(tái)站水平向放大系數(shù)譜分析

圖6列出了6個(gè)海底臺(tái)站在8次地震中的水平向平均放大系數(shù)譜。由圖可知,不同海底臺(tái)站水平向反應(yīng)譜的譜特征總體上比較相似,特征周期在0.1～0.3間。

圖6 6個(gè)海底臺(tái)站8次地震事件水平向平均 放大系數(shù)譜Fig.6 Average horizontal amplification coefficient spectra of 6 offshore stations during 8 earthquake events

綜上研究,雖然海底臺(tái)站KNG201與KNG202所處場(chǎng)地水深相近,但兩個(gè)臺(tái)站的V/H峰值加速度比與V/H反應(yīng)譜比譜的差別明顯,考慮到以上分析已消除了震源因素的影響,因此通過(guò)分析結(jié)果判斷海底場(chǎng)地因素對(duì)海底地震動(dòng)影響較大。由于本研究中6個(gè)海底臺(tái)站所在海床的局部場(chǎng)地條件與地形尚未公布,難以通過(guò)實(shí)測(cè)海底強(qiáng)震記錄分析場(chǎng)地條件和地形等場(chǎng)地因素對(duì)海底地震動(dòng)特性的具體影響。

此外,目前一些專(zhuān)家的數(shù)值分析成果發(fā)現(xiàn)海底普遍存在的淤泥軟土層可以放大SV波的水平向地震反應(yīng)[12-13],這可能是導(dǎo)致海底水平向地震動(dòng)長(zhǎng)周期成分較大的原因。研究同樣發(fā)現(xiàn)海底地形與海底淤泥軟土層均會(huì)對(duì)P波產(chǎn)生較大影響[13],這也進(jìn)一步說(shuō)明場(chǎng)地條件與地形等場(chǎng)地因素可能導(dǎo)致不同海底臺(tái)站間豎向地震動(dòng)產(chǎn)生較大差異。

5 結(jié)論與展望

對(duì)比分析日本K-NET強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中海底臺(tái)站與3類(lèi)不同場(chǎng)地條件陸地臺(tái)站的強(qiáng)震記錄,發(fā)現(xiàn)海底與陸地震動(dòng)特性差異較大,不同海底臺(tái)站間豎向地震動(dòng)的特性也存在明顯差異。主要結(jié)論如下:

(1) 海底與陸地地震動(dòng)豎向分量差異較大,海底地震動(dòng)豎向與水平峰值加速度比明顯低于陸地地震動(dòng)。海底地震動(dòng)的V/H比譜在短周期范圍內(nèi)明顯小于陸地地震動(dòng),在長(zhǎng)周期范圍接近陸地中硬土場(chǎng)地地震動(dòng)。

(2) 不同海底臺(tái)站間豎向地震動(dòng)差異明顯且在不同地震中表現(xiàn)出相同的規(guī)律性?；诒疚暮５讓?shí)測(cè)強(qiáng)震記錄的分析與以往數(shù)值分析結(jié)果,判斷海底場(chǎng)地條件、地形等場(chǎng)地因素對(duì)海底地震動(dòng)特性影響較大。

(3) 海底地震動(dòng)水平向反應(yīng)譜在T>0.2 s的中長(zhǎng)周期段明顯高于陸地硬土場(chǎng)地地震動(dòng),介于陸地中硬土場(chǎng)地與軟土場(chǎng)地之間,因此建議在自振周期較大的海洋結(jié)構(gòu)物的抗震分析中謹(jǐn)慎使用陸地硬土場(chǎng)地強(qiáng)震記錄。

此外,限于海底臺(tái)站的場(chǎng)地信息無(wú)法獲得,場(chǎng)地因素對(duì)海底地震動(dòng)的具體影響程度難以由準(zhǔn)確把握。但伴隨海底臺(tái)站數(shù)據(jù)的增加與場(chǎng)地信息的完善,研究結(jié)果將進(jìn)一步補(bǔ)充完善。