瀘定磨西臺地場地地震效應(yīng)研究

李孝波，常晁瑜，蔡曉光，吳義文，周興浩

（1.防災(zāi)科技學院，河北 三河 065201；2.河北省地震災(zāi)害防御與風險評價重點實驗室，河北 三河 065201）

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)資料，2022年9月5日12時52分在四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生MS6.8地震，震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)海螺溝冰川森林公園內(nèi)（102.08°E，29.59°N），震源深度16km。地震震中距瀘定縣39km，距康定市47km，距石棉縣48km，距漢源縣62km，距滎經(jīng)縣78km，距成都市226km。地震誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡以及滾石等地質(zhì)災(zāi)害，造成了嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡［1-2］。從圖1可知：瀘定6.8級地震最高烈度為Ⅸ度（9度），等震線長軸總體呈北西走向，長軸195km，短軸112km，Ⅵ度（6度）區(qū)及以上面積19 089km2，主要涉及四川省3個市州12個縣（市），82個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）。其中，Ⅸ度（9度）區(qū)面積280km2，主要包含甘孜州瀘定縣磨西鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)、燕子溝鎮(zhèn)、德威鎮(zhèn)；雅安市石棉縣王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)、草科藏族鄉(xiāng)、新民藏族彝族鄉(xiāng)，共計7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

圖1 四川瀘定6.8級地震烈度圖［4］Fig.1 Earthquake intensity map of Luding，Sichuan M S6.8 earthquake in 2022［4］

為更加全面地了解震害現(xiàn)象，深入探究震害機理，防災(zāi)科技學院瀘定6.8級地震科考隊于9月24日抵達震害現(xiàn)場，深入磨西鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)、王崗坪鄉(xiāng)以及草科鄉(xiāng)等震害較重鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了12天的震害調(diào)查與現(xiàn)場測試工作，取得了大量的第一手震害資料。位于磨西臺地之上的磨西鎮(zhèn)，距震中7km 左右，地震動強度大，房屋破壞嚴重（圖2），臺地兩側(cè)邊緣崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。圖3給出了瀘定6.8級地震作用下磨西臺地邊緣發(fā)育的滑坡、崩塌災(zāi)害，整體呈現(xiàn)了分布面積較大、順坡向發(fā)育和群發(fā)性明顯的特征。然而，由于滑動面埋深較淺，滑體厚度不大，滑坡規(guī)模整體以中小型為主。結(jié)合范宣梅等［1］、鐵永波等［3］的研究成果，我們認為磨西臺地震害之所以嚴重，除與地形地貌、地震動強度相關(guān)以外，特殊的地層巖性也是一個不可忽視的影響因素。

圖2 磨西鎮(zhèn)的房屋震害Fig.2 Photos of earthquake damage of buildings in Moxi town

圖3 磨西臺地邊緣的滑坡災(zāi)害Fig.3 Photos of landslides on the edge of the Moxi Platform

磨西臺地長約10km、寬1～2km，主要由燕子溝、磨子溝和海螺溝的冰川、冰水和洪積泥石流沉積而成，形成演化歷史較為復雜［5］。臺地屬于典型的冰川地貌，主體地層為倒數(shù)第二次冰期的冰川堆積物，其次為沖洪積物和老泥石流堆積物，厚120m左右，臺地前緣有較為明顯的層理現(xiàn)象（圖4）［1，5，6］。冰川堆積物的礫石成分主要為花崗巖、花崗閃長巖等，磨圓度和分選性均較差，粒徑一般20～80cm，隨高程變化而有所差異［6，7］。長期的河流地質(zhì)作用，使臺地邊緣逐漸被切割成高陡斜坡（圖4），在磨西臺地以東的雅家梗流域形成4級階地，沉積物包含礫石層、含礫石層、淤泥層等13層，新興鄉(xiāng)東側(cè)的堆積物分別高出河床5～10m、35m、65m和85m；磨西臺地以西燕子溝的多級河流階地主要保存在藥王廟和蔡陽坪附近，藥王廟附近發(fā)育的4級階地分別高出河床5～10m、30m、50m和100m［7，8］?，F(xiàn)有研究成果表明：磨西臺地巖土體的膠結(jié)性良好，但在強烈的地震作用下仍然容易產(chǎn)生破壞，特別是臺地兩側(cè)的臨空邊坡極易發(fā)生垮塌，產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害［3］。

圖4 磨西臺地前緣高陡斜坡與地層層理現(xiàn)象Fig.4 High steep slope and str atigraphic bedding in the front edge of the Moxi Platform

為進一步探究磨西臺地巖土體動力響應(yīng)規(guī)律，填補磨西臺地場地地震效應(yīng)研究空白，本文基于瀘定6.8級地震科考獲取的地脈動數(shù)據(jù)，采用水平與垂直譜比法（Horizontal to Vertical Spectral Ratio，簡稱HVSR法）［9］，分析磨西臺地巖土體的頻譜、方向性特征，探究磨西臺地場地地震效應(yīng)規(guī)律，以期為磨西臺地所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)災(zāi)后的規(guī)劃與重建提供參考。

1 數(shù)據(jù)獲取

地脈動是地面的一種連續(xù)的非重復性的隨機波動，主要由氣象、海洋、地殼構(gòu)造活動的自然力和交通等人為因素所引起的地球表面固有的微 弱 振 動［10］。 依 據(jù) SESAME（Site EffectS assessment using AMbient Excitations）使 用 指南［11］和 地 基 動 力 特 性 測 試 規(guī) 范（GB／T 50269-2015）［10］，我們于9月29日至10月1日在磨西臺地先后開展了3次地脈動測試工作，測試時間主要集中于晚上10點至次日早上8點。測試儀器采用Tromino數(shù)字式地脈動儀（具體參數(shù)詳 見https：／／moho.world／en／tromino／），采 樣頻率128Hz，采集時間20min。

圖5給出了21個地脈動測點的空間分布位置，可以看出測點的展布方向近似平行于磨西臺地的延伸方向，測點間距500m左右，測試總長度近10km。表1列出了各點的具體地理位置，從M01至M21各點的高程逐漸增加，前后高差累積640m。M01位于磨西臺地最前端（龔家河電站后面），高程1310m，上覆土層很薄，其后各點均有一定厚度的土層覆蓋。為保證地脈動數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性，數(shù)據(jù)采集前先平整場地，保證測試儀器與地面接觸良好，以同時獲取東西（EW）、南北（NS）和豎直（UD）3個方向的地脈動數(shù)據(jù)。

表1 地脈動測點信息Tab.1 Information of microtremor measuring points

圖5 地脈動測點的空間分布Fig.5 Spatial distribution of microtr emor measuring points

2 研究方法

Kanai等［12］最早將地脈動用于場地地震效應(yīng)研究，Nakamura［9］提出HVSR法后則更加廣泛應(yīng)用于場地地震反應(yīng)分析領(lǐng)域。HVSR法是一種非參考場地法，其最大的優(yōu)點是在使用過程中不受參考基巖臺站的限制。HVSR法的提出主要基于兩點假設(shè)［9，13］：（1）基巖或堅硬土層上，震動水平分量與垂直分量傅氏譜的比值近似為1；（2）震動垂直分量受局部場地條件的影響不大。一般認為，HVSR法能較準確地估計場地卓越頻率，但對場地放大效應(yīng)有所低估［11，13］。

地脈動數(shù)據(jù)獲取后，基于HVSR法，采用開源軟件Geopsy（http：／／www.geopsy.org）對其進行處理與分析，主要包括數(shù)據(jù)選取、帶通濾波、傅里葉譜計算、平滑處理以及H／V值計算等5個步驟［11］。

（1）數(shù)據(jù)選取：設(shè)定數(shù)據(jù)窗時長20s，同時截取EW、NS、UD 3個方向的地脈動數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)窗內(nèi)信號平穩(wěn)，每個時窗內(nèi)3個方向的數(shù)據(jù)均需滿足 0.5＜STA／LTA＜2.0的判別條件（STA／LTA，Short-Term Average and Long-Term Average ratio，數(shù)據(jù)長短時比值），本文取STA＝1.00s，LTA＝20.00s，各20s時窗內(nèi)的數(shù)據(jù)允許5%的重疊。

（2）帶通濾波：為保證分析結(jié)果的可靠性，選用4階Butterworth帶通濾波函數(shù)對每個數(shù)據(jù)時窗內(nèi)的原始地脈動數(shù)據(jù)進行濾波處理，濾波帶寬0.05～20.00Hz，濾波后的數(shù)據(jù)再次進行0.5＜STA／LTA＜2.0條件的檢驗。

（3）傅里葉譜計算：濾波處理完成后，對每個數(shù)據(jù)時窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換（FFT），得出EW、NS、UD 3個方向的傅里葉譜值，完成地脈動數(shù)據(jù)從時域到頻域的轉(zhuǎn)換。

（4）平滑處理：采用Konno和Ohmachi函數(shù)［14，15］，對每個傅里葉譜窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進行平滑處理，帶寬系數(shù)b取為40。

（5）H／V值計算：基于HVSR法分別計算每個傅里葉譜窗的H／V值，得出HVSR曲線，其中水平方向（H向）的數(shù)值取EW、NS向數(shù)值的均方根值，每個測點的HVSR曲線取各傅里葉譜窗HVSR曲線的平均值。

HVSR曲線的形狀與場地條件相關(guān)，常有單峰、雙峰以及多峰等多種形式。不同形狀的HVSR曲線，擁有不同的峰值頻率f0和峰值放大系數(shù)A0。各測點峰值頻率f0能否作為該點土層的卓越頻率fd，常需進行如下5個條件的驗證［11］：（1）A0＞2；（2）在［f0／4，f0］頻率范圍內(nèi)，至少存在一個H／V值（AH／V）小于A0／2；（3）在［f0，4f0］頻率范圍內(nèi)，同樣至少存在一個H／V值（AH／V）小于A0／2；（4）在峰值頻率f0所處的頻率范圍內(nèi)，峰值頻率f0的標準差σf應(yīng)小于表2中規(guī)定的閾值ε（f0）；（5）在峰值頻率f0所處的頻率范圍內(nèi)，峰值放大系數(shù)A0的標準差σA同樣應(yīng)小于表2中規(guī)定的閾值θ（f0）。

表2 穩(wěn)定性條件的閾值［11］Tab.2 Threshold values for stability conditions［11］

一般而言，如果一個測點的HVSR曲線能滿足上述5個條件中的4個，就可將該測點的f0值作為該處土層卓越頻率fd值的可靠估計。

HVSR法除能較準確地估計場地卓越頻率外，還能進行場地地震效應(yīng)優(yōu)勢方向的研究。意大利學者Del Gaudio教授最早基于HVSR法開展地脈動方向性特征研究，并通過與實際強震觀測數(shù)據(jù)結(jié)果的對比，認為根據(jù)場地地脈動的HVSR分析可以很好地辨識出場地地震效應(yīng)的優(yōu)勢方向［16］。此后，眾多學者的研究成果也都證實了這個結(jié)論［17-22］。

基于地脈動開展場地地震效應(yīng)方向性研究的流程，除在水平方向（H向）數(shù)值的計算上有所差別外，其余均與前述步驟相同。依據(jù)SESAME使用指南［11］，方向性研究中水平方向（H向）的數(shù)值取EW、NS向在不同方位角上的分量之和，方位角范圍常取0°～180°（與180°～360°呈對稱關(guān)系），計算時以10°間隔逐級取值。每個測點的方向性由H／V值與頻率、方位角的相互關(guān)系來體現(xiàn)。顯著的方向性特征常需滿足以下兩條標準［16，23］：（1）H／V值的最大值大于2；（2）同一頻率下，H／V值最大值與最小值（通常在近似正交的方向上?。┑谋戎荡笥?.5。

3 研究結(jié)果

3.1 峰值頻率與放大系數(shù)

M01～M21的HVSR曲線如圖6所示?？梢钥闯?，在0.2～15Hz的頻率范圍內(nèi)，各測點的HVSR曲線以單峰、雙峰型為主，少量為多峰或近似平坦型。各測點都具有較為明顯的峰值頻帶，絕大部分測點的峰值放大系數(shù)大于2，土層或地形放大效應(yīng)較為顯著。

圖6 M 01～M 21的HVSR曲線（黑色粗實線為平均的HVSR曲線，黑色細虛線為HVSR曲線乘以或除以1倍標準差）Fig.6 HVSR curves for microtremor measuring points M 01～M 21（The thick black solid line is the average HVSR curve，the thin black dashed line is the HVSR curve multiplied or divided by 1-time standard deviation）

表3統(tǒng)計出了M01～M21的峰值頻率f0，除M01、M11和M13的峰值頻率較高外，其余各測點的峰值頻率都在1Hz左右，集中于中頻段（0.80～1.34Hz），受地層巖性和覆蓋層厚度的共同控制作用明顯。M01測點由于位于基巖表面，上覆土層很薄，峰值頻率最高達到了7.21Hz；M11測點的HVSR曲線較為平緩，峰值頻率不明顯，顯示下伏地層的結(jié)構(gòu)較為均勻；M13測點的HVSR曲線為多峰型，峰值頻率3.11Hz在第二個峰值點取得，第一個峰值點對應(yīng)的頻率為1.19Hz，介于0.80～1.34Hz。依據(jù)SESAME使用指南［11］判定土層卓越頻率，結(jié)果表明：M01～M05、M10、M14、M16～M18以及M21等11個測點的峰值頻率可作為測點處地層卓越頻率的可靠估計，若不考慮基巖場地測點M01，則可得出磨西臺地場地土層卓越頻率的范圍為0.80～1.34Hz。

放大系數(shù)方面，除M11的峰值放大系數(shù)小于2以外，其余各測點的峰值放大系數(shù)都大于2。放大系數(shù)與測點分布位置的相關(guān)性不強，再次體現(xiàn)了各測點場地地震效應(yīng)受地層巖性和覆蓋層厚度共同控制的特點。表3的統(tǒng)計結(jié)果表明：M03、M05～M10、M13、M15、M17以及M19～M21等13個測點的峰值放大系數(shù)位于2.25～4.00；M01、M04、M12、M14、M16以及M18等6個測點的峰值放大系數(shù)位于4.30～7.00；M02測點的峰值放大系數(shù)最大，達到了14.49。需要說明的是，M02測點的峰值放大系數(shù)之所以超過10，主要是由距測點50m左右的電機振動造成的。為保障災(zāi)區(qū)應(yīng)急信號塔的正常運行，地脈動測試時該電機一直處于工作狀態(tài)，從而導致M02測點的峰值放大系數(shù)較其他測點都明顯偏大。此外，M01測點的峰值放大系數(shù)5.76，體現(xiàn)出了明顯的地形放大效應(yīng)；M11測點的HVSR曲線近似平坦，0.2～15Hz頻率范圍內(nèi)的H／V值都小于2，峰值放大系數(shù)只有1.34，推測與該測點處的地層結(jié)構(gòu)相關(guān)，但具體原因還需進一步深入研究。總得來說，磨西臺地場地放大效應(yīng)較為明顯，與場地土層卓越頻率范圍相對應(yīng)的峰值放大系數(shù)為2.69～6.97。

表3 各測點峰值頻率f 0、峰值放大系數(shù)A 0以及地層卓越頻率f d 的估計Tab.3 The peak frequency f 0，the peak amplification factor A 0 and the predominant frequency of formation f d for each microtr emor measuring point

3.2 優(yōu)勢方向

圖7給出了M01～M21的H／V值與頻率、方位角的變化關(guān)系。為能更好地體現(xiàn)方向性特征，圖中M11測點的頻率范圍為0.3～15Hz，M19測點的頻率范圍為0.4～15Hz，其余各測點的頻率范圍均為0.2～15Hz?？梢钥闯?，各圖顏色的變化規(guī)律與圖6各點HVSR曲線的變化趨勢大體一致，顏色越紅H／V的數(shù)值越大，對應(yīng)的頻率越接近峰值頻率，對應(yīng)的方位角越接近場地地震效應(yīng)的優(yōu)勢方向。整體來看，M01～M05、M07～M10、M12～M16以及M18～M21等18個測點都表現(xiàn)出了良好的方向性特征，優(yōu)勢方向范圍較易識別，而M06、M11以及M17等3個測點由于在0°～180°范圍內(nèi)全部或多處放大，方向性特征表現(xiàn)不突出，難以確定場地地震效應(yīng)的優(yōu)勢方向。

圖7 M 01～M 21的H／V值與頻率、方位角的變化關(guān)系Fig.7 The relationship between H／V val ues wit h f r equency and azim uth for m icrotrem or m easuring points M 01～M 21

依據(jù)Del Gaudio等［16，23］提出的判定標準，18個測點優(yōu)勢方向的判定結(jié)果列于表4。判定結(jié)果表明：除M07、M08、M12、M14、M16以及M18等6個測點以外，其余12個測點都具有顯著的方向性特征，優(yōu)勢方位角主要集中于100°～150°和140°～210°兩個區(qū)間，整體具有隨高程增加而逐漸增大的趨勢，體現(xiàn)出了地層巖性差異對場地地震效應(yīng)優(yōu)勢方向的影響。結(jié)合表3的結(jié)論，表4中M01～M05、M10以及M21等7個測點都是地層卓越頻率的可靠估計點，M01～M05、M10的優(yōu)勢方位角為100°～150°，M21的優(yōu)勢方位角為150°～190°。因此，可以得出與磨西臺地場地土層卓越頻率相對應(yīng)的優(yōu)勢方向范圍為100°～150°和150°～190°。

表4 12個測點的優(yōu)勢方向Tab.4 The dom inant direction of 12 microt rem or m easuring points

4 結(jié)論

本文基于瀘定磨西臺地的地脈動數(shù)據(jù)，采用水平與垂直譜比法，從峰值頻率、放大系數(shù)以及優(yōu)勢方向等3個方面，探究了磨西臺地場地地震效應(yīng)特征，得出了一些初步的規(guī)律性認識?？偟脕碚f，磨西臺地場地地震效應(yīng)特征較為明顯，土層的卓越頻率集中于0.80～1.34Hz，與卓越頻率相對應(yīng)的峰值放大系數(shù)為2.69～6.97，100°～150°和150°～190°是磨西臺地場地地震效應(yīng)優(yōu)勢方向的兩個區(qū)間。磨西臺地場地地震效應(yīng)特征參數(shù)的確定，填補了磨西臺地場地地震效應(yīng)研究的空白，為深入開展冰川堆積物地層動力響應(yīng)研究奠定了基礎(chǔ)，也可為磨西臺地所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)災(zāi)后的規(guī)劃與重建提供技術(shù)支撐。

然而，囿于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的缺乏，本文的研究工作還有待進一步完善。例如，現(xiàn)有工作只沿著磨西臺地的中軸線開展了地脈動測試，且各點測試間距較大，接下來應(yīng)開展更大范圍、更小間距的地脈動測試工作，進行整個磨西臺地的地震效應(yīng)分析，深入探究冰川堆積物地層的動力響應(yīng)規(guī)律，更加科學合理的指導同類型場地城鎮(zhèn)的防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃與工程建設(shè)。此外，磨西臺地作為一個高120m左右的臺地，臺地邊緣高陡斜坡的地形效應(yīng)也不能忽視，后續(xù)還應(yīng)在臺地兩側(cè)沖溝場地開展地脈動測試，進一步探究臺地的地形效應(yīng)，加深對臺地地震響應(yīng)規(guī)律的認識，更好地服務(wù)防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。