基于HVSR 的DONET1 海底地震動場地效應研究1

周旭彤 胡進軍 譚景陽 崔 鑫

1）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

2）中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080

引言

近年來，全球海域地震頻發，特別是2010 年智利Mw8.8 級特大地震、新西蘭Mw7.2 級地震及2011 年日本Mw9.0 級特大地震等，造成了巨大的經濟損失，引起了嚴重的次生災害。海域地震對海域工程結構具有巨大威脅，海域工程結構類型眾多，包括跨海橋梁、海底隧道、人工島、石油平臺、海底電纜等，在歷史地震中遭受了嚴重破壞，其中跨海橋梁是近海和海域地震中遭受破壞較多的結構。1995 年，日本Mw6.9 級神戶地震使得人工島上部回填土發生大規模液化。另外，海洋石油平臺一旦遭受地震破壞，將產生嚴重的次生災害，特別是造成海洋環境污染。因此，對于近海和海洋工程逐漸增多的現狀，應充分考慮海域地震動的影響（陳蘇等，2018；李小軍等，2020）。

目前，全球多個海底地震臺網已建成并投入使用（胡進軍等，2013），Boore 等（1999）利用美國海底觀測臺網（Seafloor Earthquake Measurement System，SEMS）8 次海底地震動記錄得到豎向與水平方向譜比，發現海水對水平分量地震動的影響較??；Diao 等（2014）基于SEMS 地震動數據進行理論和統計分析，發現當周期＞5 s 時，海底豎向與水平方向譜比低于陸地；Hu 等（2020）、譚景陽等（2020、2021）利用日本K-NET 臺網中日本相模灣地區6 個海底臺站數據，研究了不同臺站海底地震動的不確定性，給出了海域臺站地震動衰減關系，并對比了海底與陸地臺站場地放大的差異，給出相模灣地區豎向與水平方向譜比預測模型（Tan 等，2021）；Dhakal 等（2017）統計了K-NET 記錄到的315 次地震，評估了海底臺站場地效應，發現當峰值加速度PGA＞50 Gal 時，部分海底臺站出現場地非線性反應。國內外針對場地效應的研究多基于Nakamura（1989）在研究場地地震放大效應時提出的方法，Nakamura 方法假設可通過同一場地上的水平與豎向地脈動傅里葉譜比（HVSR）評估場地效應。Nakamura（2019）對其提出的HVSR 方法及應用進行了評述，并對HVSR 方法在瑞利波概念上的誤解進行了解釋。Nakamura 方法提出后，Field 等（1993，1995）對傳統譜比法、傳遞函數法、HVSR 方法等進行了對比分析，結果如圖1 所示，研究結果表明HVSR 方法對于共振頻率的識別與傳統譜比法、傳遞函數法具有較好的一致性。HVSR 方法為全球多個地區發生的大震非線性反應提供了證據，如1994 年Mw6.7 級Northridge 地震（Field 等，1997）、1999 年Mw7.6 級集集地震（Wen等，2006a）、2008 年Ms8.0 級汶川地震（Ren 等，2017）和2013 年Ms7.0 級蘆山地震等（溫瑞智等，2017）。

圖1 共振頻率識別方法的對比Fig. 1 Comparison of resonance frequency identification methods

HVSR 方法具有簡便性和實用性，與經典譜比、數值模擬、反演法相比，HVSR 方法在評價場地反應方面具有較大的優越性。任葉飛等（2013）在研究汶川地震引發的場地效應時，將廣義反演法與HVSR 方法進行了對比，得出HVSR 方法可用于估計場地卓越周期的結論。Wen 等（2006a）利用地表和井下地震動數據，驗證在缺乏井下地震動數據的情況，對于單個臺站來說，HVSR 方法可較好地評價不同場地類別的場地反應。榮棉水等（2016）利用GVDA 臺陣強震記錄，探討了HVSR 方法與傳遞函數法的差異，指出在場地豎向放大可忽略的頻率段，HVSR 可作為傳遞函數研究場地效應。

2012 年，日本在Nankai 海槽建立了用于地震和海嘯預警的觀測網絡（The Dense Ocean Floor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET），地震計多布設在海底，其受復雜的海底地質條件、海水壓力、臺站布設等因素的影響（Kawaguchi 等，2015；Kaneda 等，2015）。由于缺乏海底基巖臺站記錄，因此利用HVSR 方法評估海底場地特性成為重要且可行的手段。本文使用DONET1 臺網中20 個海底臺站記錄的地震數據，基于HVSR 方法探討海底臺站場地效應特征。

1 DONET1 臺網和地震動數據

DONET1 臺網由20 個寬頻帶地震計組成，其中每4 個臺站為1 個節點，布設于日本Nankai 海槽不同水深處（Nakano 等，2012），5 個臺站節點分別命名為KMA、KMB、KMC、KMD、KME，臺站信息如表1所示，臺站布設方式如圖2（a）所示，DONET1 臺網中20 個臺站和選取的2014-2021 年地震事件分布如圖3（a）所示，矩震級和震中距分布情況如圖3（b）所示。

圖3 海底臺站及地震事件分布Fig. 3 Distribution of offshore stations and earthquake events

表1 DONET1 臺網海底臺站信息（Kaneda 等，2015）Table 1 The information of DONET1 offshore sites（Kaneda et al，2015）

受海底復雜地質條件影響，DONET1 臺網海底臺站布設方式分為掩埋沉箱（沉箱放入海底，地震儀置入其中，中心管固定）、裝沙沉底（沉箱放入海底并填滿沙，地震儀置入其中，中心管固定）和未埋（將較短的中心管打入海底，用于固定沉箱），如圖2（b）所示。為減少復雜地質環境導致的海底地震動不確定性和對海底臺站背景噪聲的影響（Araki 等，2013），DONET1 臺網中大部分臺站采用掩埋沉箱的方式布設在海底，受臺站布設位置下土層條件的限制，部分臺站采取了其他布設方式。KMC10 和KMC11 臺站由于受海底堅硬沉積物的影響，難以將沉箱鉆入海底，因此將其直接放置在海底，由中心管固定。

圖2 海底臺站布設Fig. 2 Embedment condition of offshore stations

考慮海底地震動信號噪聲對HVSR 譜比的影響，需對2014-2021 年地震數據進行篩選，原則如下：（1）0.1 gal＜峰值加速度PGA＜20 gal；（2）信噪比＞3；（3）每個海底臺站可用記錄數不低于10 組（三分量）。據此得到本文使用的數據庫，包含20 個海底臺站1 634 組地震動記錄，各臺站記錄數量如表1 所示。

對篩選后的數據進行基線校正和濾波處理，采用4 階butterworth 濾波器進行濾波，頻段為0.1～35 Hz（Boore 等，2002，2005）。處理前記錄在位移時程上出現了一定程度的漂移，位移時程曲線不合理，如圖4（a）所示。處理后記錄速度和位移時程均在合理范圍，如圖4（b）所示。

圖4 海底地震動數據處理Fig. 4 Processing of records of offshore ground motion

2 海底地震動譜比曲線特征

為更好地利用HVSR 方法研究譜比特征，本文對海底地震動記錄S 波到時前2 秒進行手動截斷，將截取的S 波部分前后各10%進行taper 處理（Kubo 等，2019；姚鑫鑫等，2019），如圖5 所示。

圖5 海底地震動S 波數據處理Fig. 5 Processing S wave for offshore ground motion

將處理后的S 波數據進行快速傅里葉變換，并使用K-O 平滑方法（Konno 等，1998）進行平滑，兩水平方向取向量和，傅里葉振幅譜平滑處理結果如圖6 所示（以KMC11 臺站為例），選取平滑窗口寬度b=30 和b=40 時平滑效果較差，選取平滑窗口寬度b=10 時在2～3 Hz 處平滑失真較明顯，因此本文選取平滑窗口寬度b=20 進行平滑處理。

圖6 平滑效果對比Fig. 6 Smoothing effect comparison of different smooth windows for KMC11 stations

將DONET1 海底臺網中的20 個臺站記錄地震數據進行處理后，按臺站分組（KMA、KMB、KMC、KMD、KME）的HVSR 譜比結果如圖7 所示。由圖7 可知，KMA 節點中的4 個臺站譜比曲線在＞10 Hz 高頻率段差異性較??；KME 節點中的4 個臺站譜比曲線在頻率＞10 Hz 高頻段差異性較小，頻率為1～5 Hz 時譜比差異較大，其中KME18 臺站的HVSR 幅值明顯高于其他海底臺站；KMB 節點中KMB06、KMB07、KMB08 與KMC 節點中KMC09、KMC12 及KMD 節點中KMD13、KMD14、KMD15 臺站譜比曲線類似；KMB 節點中KMB05 與KMD 節點中KMD16 臺站譜比曲線類似，KMD 節點中的KMD16 臺站與KMB 節點中其他臺站的譜比曲線差異性較大；KMC 節點中HVSR 幅值低于其他分組，具有明顯峰值的KMC11 臺站主頻高于其他海底臺站；部分海底臺站（KMB07、KMC09、KMC12、KMD13、KMD14、KMD15）譜比曲線無明顯峰值或出現多峰值現象，利用HVSR 方法識別這些臺站主頻的誤差較大（識別的主頻和主頻變異系數見圖8），因此，利用HVSR 方法對這些臺站進行場地非線性反應評估時，應優先考慮將基于HVSR的DNL、PNL 等（Régnier 等，2013）場地非線性識別參數作為評估非線性反應的標準，而不是主頻下降。除HVSR 峰值不明顯的海底臺站外，主頻變異系數較大的KMB05、KMB06 臺站也應參考該標準。

圖8 海底臺站主頻和變異系數分布Fig. 8 Distribution of dominant frequency and variable coefficient for offshore stations

HVSR 方法能消除震源和傳播路徑的影響，直接描述臺站所處位置的場地信息，所有臺站譜比曲線和每個節點的平均曲線如圖9 所示。由圖7、9 可知，KMA 與KME 節點譜比曲線較接近，其節點中的臺站可能具有相似的場地特征；KMB 與KMD 節點譜比曲線差異較大，其節點中的臺站可能具有不同的場地特征，KMC 節點譜比曲線與其他節點不同，表明其節點中的臺站不同于上述場地條件，此結論與Kubo 等（2018）對該區域的長期地質調查結果相似。

圖7 HVSR 譜比結果Fig. 7 The results of HVSR at offshore stations in DONET1

圖9 海底臺站HVSR 幅值Fig. 9 HVSR amplitude for offshore stations

3 地形效應和臺站布設方式對譜比的影響

日本海洋數據中心海上安全局提供DONET1 臺網附近500 m 網格水深數據集，根據地理信息起伏數據的分布和前文HVSR 結果進行分組，將DONET1 區域分成3 個分區域，如圖10 所示，按區域分組的臺站譜比曲線如圖11 所示。

圖10 DONET1 海底臺站按地形分組分布Fig. 10 The DONET1offshore stations grouped by topography

按地形效應分組后，不同區域內譜比曲線差異較大。由圖11 可知，區域1 臺站譜比曲線具有明顯峰值；區域2 臺站譜比曲線無明顯峰值，且譜比曲線相似；區域3 臺站譜比曲線無明顯相似特征。因此，根據地形分類的某些區域譜比曲線較接近，但不確定性仍較高，需進一步分類。由于不同臺站布設方式在一定程度上表示場地堅硬程度，因此，在區域內進一步根據表1 信息進行不同臺站布設方式分類。

圖11 不同區域譜比曲線對比Fig. 11 Comparison of H/V curves in different regions

按布設方式分組后，圖11（a）中臺站峰值頻率具有較好的規律性，區域1 中的裝沙沉底臺站峰值頻率集中在2.1 Hz 左右，掩埋沉箱臺站峰值頻率集中在3.2 Hz 左右，表明布設方式可作為相同區域內海底場地條件分組依據。圖11（b）中區域2 進行分組后基本為掩埋沉箱臺站，按起伏數據分類與布設方式對應，譜比曲線相似，且無明顯峰值，進一步說明布設方式可作為海底場地條件分組依據。由于未埋臺站譜比曲線無明顯特征，且未埋臺站數量較少，因此需對更多的海底未埋臺站數據進行分析。圖11（c）中KMC11 臺站峰值頻率＞5 Hz，具有明顯峰值的譜比曲線主頻經驗關系（Ghofrani 等，2014）表明，未埋臺站處于地質較堅硬的場地。對于相同區域的臺站，布設方式與峰值頻率相關性較好，布設方式是影響峰值頻率的重要因素；對于不同區域的臺站，相同布設方式下，譜比曲線無明顯規律，除場地條件外，地形對海底臺站譜比特征具有一定影響。因此，應用HVSR 方法研究海域場地效應分組時，建議考慮地形和布設方式的綜合影響。

為進一步了解海底臺站譜比特征，給出圖12 所示不同布設方式下譜比對比結果。由圖12（a）、12（b）可知，對于裝沙沉底、掩埋沉箱臺站，除個別臺站外，譜比曲線均具有較好的一致性；裝沙沉底臺站譜比曲線具有較明顯的峰值，受沉箱填沙的影響，識別的主頻均＜5 Hz。由圖12（c）可知，掩埋沉箱臺站在＜5 Hz頻率段主頻變異性較高，裝沙沉底臺站在5-10 Hz 頻率段主頻變異性較高。由圖12（d）可知，未埋入海底的臺站KMC10 和KMC11 在5-10 Hz 頻率段主頻變異性較高。地震動場地放大主要受淺地表土層的影響，由于受堅硬海底地質土層的影響，臺站KMC10 和KMC11 未能埋入海底，根據場地條件及經驗關系（Ghofrani 等，2014），這2 個臺站譜比曲線識別的主頻應＞5 Hz，而臺站KMC10 主頻＜5 Hz，表明未埋入海底的臺站易受海底復雜條件耦合和背景噪聲的影響，這與Araki 等（2013）的研究結果相似。

圖12 布設方式對HVSR 幅值的影響Fig. 12 The effect of embedment condition on the amplitude of HVSR

4 結論

本文選取DONET1 臺網中20 個海底臺站1 634 組海底地震動記錄，利用HVSR 方法分析了譜比特征，主要結論如下：

(1) KMA 與KME 節點中的臺站具有相似的場地特征，KMB 與KMD 節點中的臺站處于相似海底場地地質條件下，KMC 節點中的臺站場地地質條件不同于上述節點。

(2) 海底地震動譜比曲線存在無明顯峰值或多峰值現象，KMB、KMD、KMC 節點中的臺站利用HVSR方法識別到的主頻不確定性較大，KMA、KME 節點中的臺站主頻較穩定，且主頻變異系數較小。

(3) 考慮地形效應和臺站布設的影響，對于相同區域的臺站，布設方式與峰值頻率相關性較好，布設方式是影響峰值頻率的重要因素；對于不同區域的臺站，相同布設方式下，譜比曲線無明顯規律，除場地條件外，地形對海底臺站譜比特征具有一定影響。因此，應用HVSR 方法研究海域場地效應分組時，建議考慮地形和布設方式的綜合影響。

布設方式（裝沙沉底或掩埋沉箱）相同的海底臺站譜比曲線在不同頻率段的分布相似，裝沙沉底臺站譜比曲線具有較明顯的峰值，識別到的主頻均＜5 Hz。掩埋沉箱臺站在＜5 Hz 頻率段主頻變異性較大，裝沙沉底臺站在5～10 Hz 頻率段主頻變異性較大。未埋入海底的臺站譜比曲線在5～10 Hz 頻率段差異較大，易受海底復雜條件耦合和背景噪聲的影響。

致謝 感謝日本強震動臺網HI-NET 提供數據支持，感謝JMA 提供地震記錄信息，感謝日本海洋數據中心海上安全局提供500 m 網格水深數據集(http://www.jodc.go.jp)，感謝審稿人提出的寶貴意見和建議。