基于實測記錄分析場地因素對海底地震動特性影響

陳寶魁, 王博為, 田 欽, 胡思聰

(南昌大學 建筑工程學院, 江西 南昌 330031)

0 引言

隨著海洋工程的發展,自20世紀中期起對海底地震動特性的研究日益深入。鑒于地震動實測記錄分析是研究地震動特性最直接的方法,20世紀70年代開始,美國、日本等國相繼開展海底強震儀的布設與數據采集分析等工作[1]。1979年美國礦物資源管理處(MMS)在南加利福尼亞州近海安裝了海底地震觀測系統SEMS(Seafloor Earthquake Mea-suring System)[2]。1995年神戶大地震后,日本科學技術廳防災科學技術研究所在全國1 000多個地點布設了強震儀臺網(K-NET強震臺網),并于1996年在東京西南部50 km處的相模灣海域布設了6個深海強震臺站,用于監測地震與海嘯。

基于上述臺網已采集到的海底強震記錄,研究發現海底與陸地地震動特性區別明顯。1999年Boore等[3]對美國SEMS臺網8次地震中6個海底臺站采集到的海底強震數據的反應譜、豎向與水平反應比譜等進行對比分析,發現相對于陸地,海底地震動豎向分量的高頻成分更小,海水層對水平地震動分量的影響較小。在此基礎上,刁紅旗等[4]同樣利用SEMS臺網中海底強震記錄的分析,發現海水層對以P波為主的垂直地震動影響較大,但對SV波影響有限。陳寶魁等[5-7]利用日本K-NET與美國SEMS臺網的強震記錄對比海底與陸地地震動的彈性與彈塑性反應譜特征,發現相比于陸地強震記錄,海底地震動的豎向分量更小,水平向反應譜擁有比陸地地震動更長的峰值平臺,其長周期成分也更為豐富。Dhakal等[8]通過搜集K-NET臺網中海底臺站的海底地震動研究了非線性場地條件對地震動的影響,發現土層的非線性響應會造成地震動卓越頻率成分向低頻移動。

近年來,學者們通過數值模擬等方法逐漸認識到海底局部場地因素也可能對地震動造成顯著影響。胡進軍等[9]基于實際地震動分析俯沖帶特征,采用數值模擬的方法結合經驗地震動衰減關系模型,發現地質構造差異是造成地震動區域性差異的主要原因。李天男等[10]基于南海島礁場地鉆孔材料和日本房總半島沿海地區海底強震記錄建立了4類島礁工程場地的一維土層模型,討論其在淺源地震以及中深源海底地震動作用下的地震反應,結果表明鈣質砂密實程度不同的珊瑚礁場地對海底地震動的放大效應有較大差異。由于海底記錄的數量十分有限,且場地條件等地理參數難以獲得,一些學者輔以數值模擬和解析計算等方法進一步研究海底地震動的影響因素。Nakamura等[11]通過有限元差分法模擬了海底滑坡地震的海底地震波場,證明海水和海底地形對地震動有很大影響。李超等[12]基于水動力學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地海底地震動建模與仿真方法,得出海底地震動垂直運動會受到抑制。

由于海底地震動數量有限且各海底臺站的場地條件不確定,以往研究大多以震級、震中距、震源類型等作為海底強震記錄的分組依據,缺少對不同海底臺站間地震動特性的比較與分析。基于此,本文對比日本K-NET臺網中6個海底臺站強震記錄的時程曲線及相關的反應譜特性,進一步分析海底強震記錄與相鄰不同場地條件陸地臺站的地震動特性,初步判斷海底場地因素對地震動特性具有較大影響。研究內容可為今后深入了解海底地震動的特性與影響因素提供參考。

1 地震臺站與強震記錄的選取

本研究所用海底與陸地強震記錄選自日本K-NET強震臺網。該臺網由日本境內1 000多個陸地臺站組成,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了6個海底強震臺站,即KNG201～KNG206。以這6個海底強震臺站采集到的強震記錄為中心,研究不同海底臺站間地震動特性的區別。6個海底強震臺站的信息列于表1。

表1 海底臺站信息表

另外,與海底強震記錄對比的陸地記錄選自臨近海底臺站的18個陸地臺站。陸地臺站按照場地平均剪切波速小于180 m/s、180～360 m/s、大于360 m/s劃分為軟土場地(CHB008、CHB014、KNG001、KNG002、KNG004、KNG009)、中硬土場地(CHB004、CHB006、CHB007、CHB024、KNG003、KNG006)和硬土場地(CHB021、FKS027、FKS029、KNG005、KNG014、TKY008)3組。海底與陸地臺站信息與場地條件參見日本K-NET強震臺網網站(http://www.kyoshin.bosai.go.jp/)。

在保證地震中海底與陸地臺站均采集到有效強震記錄的條件下,共選取2006—2020年間的8次地震事件,震級在MW4.9～6.0范圍內,震源深度在53～156 km間(表2)。每個臺站的強震記錄均包含2條水平向和1條豎向加速度時程,總計576條。研究利用4階Butterworth濾波法對收錄的地震實測數據進行濾波,濾波頻率范圍為0.1～25 Hz,并對時程曲線做基線調整處理。

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豎向與水平分量的關系:

(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程的峰值。

2.1 海底與陸地地震動V/H峰值加速度比分析

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

圖1 8次地震事件中海底臺站與3組陸地臺站 強震記錄的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 不同海底臺站V/H峰值加速度比分析

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

圖2 8次地震事件中6個海底臺站的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譜的比譜

為進一步了解海底豎向地震動的特性,本節不但對比了海底與陸地地震動平均豎向與水平反應譜的比譜(V/H比譜),還比較了不同海底臺站的平均V/H比譜,并按周期繪制成譜曲線。V/H比譜是豎向加速度反應譜值與兩個水平分量的平均加速度反應譜值的比值。V/H比譜可以消除場地條件以外其他因素對分析結果的影響,因此其有利于消除震中距、震級等震源機制因素的影響[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類陸地臺站的平均V/H比譜。由圖3可見,海底與陸地地震動的V/H比譜差異極為明顯。在T<0.7 s周期段,海底地震動的V/H比譜基本小于0.2,明顯小于陸地地震動;在短周期范圍陸地軟土場地的比譜譜值更高,可達0.6以上,在T>0.3 s時其下降趨勢明顯。當T>0.7 s時,海底地震動的V/H比譜逐漸升高,但始終小于陸地硬土場地地震動,更接近于陸地中硬土場地。

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 不同海底臺站V/H比譜分析

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

圖4 8次地震中6個海底臺站的V/H比譜Fig.4 V/H spectral ratio from 6 offshore stations during 8 earthquake events

4 水平向反應譜

4.1 陸地與海底水平向放大系數譜分析

圖5列出了8次地震中3組不同場地條件陸地臺站與海底臺站的平均(水平向)放大系數譜。放大系數譜為加速度反應譜與對應峰值加速度之比,水平向放大系數譜分析有利于消除地震動強度對譜值的影響。如圖5所示,海底與陸地地震動水平向反應譜的差異較小,海底地震動的譜值在周期T≤0.2 s時基本與陸地中硬土場地地震動一致,在T>0.2 s時明顯大于陸地硬土場地譜值,介于陸地中硬土場地與軟土場地之間。

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

4.2 不同海底臺站水平向放大系數譜分析

圖6列出了6個海底臺站在8次地震中的水平向平均放大系數譜。由圖可知,不同海底臺站水平向反應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個海底臺站8次地震事件水平向平均 放大系數譜Fig.6 Average horizontal amplification coefficient spectra of 6 offshore stations during 8 earthquake events

綜上研究,雖然海底臺站KNG201與KNG202所處場地水深相近,但兩個臺站的V/H峰值加速度比與V/H反應譜比譜的差別明顯,考慮到以上分析已消除了震源因素的影響,因此通過分析結果判斷海底場地因素對海底地震動影響較大。由于本研究中6個海底臺站所在海床的局部場地條件與地形尚未公布,難以通過實測海底強震記錄分析場地條件和地形等場地因素對海底地震動特性的具體影響。

此外,目前一些專家的數值分析成果發現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[12-13],這可能是導致海底水平向地震動長周期成分較大的原因。研究同樣發現海底地形與海底淤泥軟土層均會對P波產生較大影響[13],這也進一步說明場地條件與地形等場地因素可能導致不同海底臺站間豎向地震動產生較大差異。

5 結論與展望

對比分析日本K-NET強震臺網中海底臺站與3類不同場地條件陸地臺站的強震記錄,發現海底與陸地震動特性差異較大,不同海底臺站間豎向地震動的特性也存在明顯差異。主要結論如下:

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

(2) 不同海底臺站間豎向地震動差異明顯且在不同地震中表現出相同的規律性。基于本文海底實測強震記錄的分析與以往數值分析結果,判斷海底場地條件、地形等場地因素對海底地震動特性影響較大。

(3) 海底地震動水平向反應譜在T>0.2 s的中長周期段明顯高于陸地硬土場地地震動,介于陸地中硬土場地與軟土場地之間,因此建議在自振周期較大的海洋結構物的抗震分析中謹慎使用陸地硬土場地強震記錄。

此外,限于海底臺站的場地信息無法獲得,場地因素對海底地震動的具體影響程度難以由準確把握。但伴隨海底臺站數據的增加與場地信息的完善,研究結果將進一步補充完善。