2023年2月6日土耳其7.8級地震液化震害宏觀特征初探

汪云龍,馬佳鈞,王維銘,陳龍偉,袁曉銘

(1. 中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150080; 2. 地震災害防治應急管理部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150080; 3. 黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

2008年的汶川地震[1-2]、2011年新西蘭地震及2018年印度尼西亞蘇拉威西島地震等近期大地震引發的土壤液化震害被廣泛報道[3-4],經震害調查發現并在后續深入研究中確認的礫性土液化、深層土液化及液化誘發大規模流滑等新液化現象與災害[5-7],使得場地液化在地震中的附加破壞作用再次引起研究者的重視。震害調查是液化研究的基礎性工作,獲取某次地震下液化震害的宏觀特征在研究中的作用得到凸顯。

2023年2月6日,在土耳其卡赫拉曼馬拉斯-帕扎爾克發生了7.8級地震,震源深度8.6 km,發生于東安納托利亞斷層區。該斷層帶長約450 km,位于卡爾洛瓦和哈塔伊之間,呈東北走向的左側沖擊滑動斷層系統。此次震源機制為左旋走滑型破裂,始于南部較小的Narl(土耳其語,無標準翻譯)斷層,并向北跳躍,使Pazarck-Erkenek(土耳其語,無標準翻譯)斷層段向東北方向破裂,Amanos(土耳其語,無標準翻譯)段向西南方向破裂[8]。卡赫拉曼馬拉斯至哈塔伊一線是此次地震的主要受災地區,該區域是典型的地中海氣候降水充沛,地下水位較高,第四系沉積豐富并多有湖河水系分布,是土耳其國家棉花、煙草、橄欖與水果等主要經濟作用產區。從地震動條件和場地條件分析,該區域皆存在較大的地震液化風險,美國地質勘探局(United States Geological Survey,USGS)對該區域的液化發生風險進行了先驗評估[9]。

大量的場地液化現象在前期應急震害調查中被發現,由于目前不具備詳細勘察條件,研究以宏觀特征為主[8]。土耳其是我國“一帶一路”戰略沿線國家中的重要區域大國,雙方在安全和經濟領域廣泛聯系,在中國工程建設走出去的背景下,中國抗震規范與方法的國際接軌顯得尤為重要。此次地震的液化震害宏觀特征調查及后續詳細勘察調查工作將為我國液化防治方法的進一步完善和國際化推廣構建事實基礎。

宏觀液化等級與宏觀液化指數的評估方法由王維銘[10]基于歷史地震,特別是2008年汶川地震的液化調查結果提出,是基于宏觀震害現象評估液化發生情況與危害程度的定量化方法。在地震動特征相對明確的情況下,結合宏觀液化指數方法能有效的表達液化震害的宏觀分布特征。本文基于此方法與GIS技術對液化震害的區域分布及其與地震動關系等宏觀特征開展研究。

1 液化點的分布特征

針對液化的震后調查共發現18個液化點[8],將液化點與地震動峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)等值線、MMI烈度等值線及中國規范儀器烈度等值線繪制于圖1[9,11],其中PGA等值線與MMI烈度等值線數據由USGS提供,中國規范儀器烈度由中國地震局工程力學研究所強震動觀測中心提供基礎數據。

圖1 地震液化點與地震動強度特征關系Fig. 1 Relationship between seismic liquefaction site and ground motion intensity characteristics

從圖1可見:液化點的分布與MMI烈度等值線及PGA等值線的主軸方向具有高相關性,基本沿破裂帶走向分布,分布區域與震中基本呈對稱,但液化點多集中于南部。從烈度角度,液化點主要位于MMI烈度的7(VII)～8(VIII)度之間,小于7(VII)度的地區未見明顯的液化現象發生;而液化點附近的儀器烈度則從7(VII)度到10(X)度都有分布。從地震動強度角度,液化點分布于0.15 g≤PGA≤0.25 g以上的區域,少數達到0.4 g以上,沒有低于0.15 g的分布。這與我國抗震設計規范關于地震液化的設防基本烈度要求大致相當。

FUKUSHIMA等[12]根據日本發生的44次地震及液化現象總結了液化場地的最大震中距滿足公式(1):

log10Rmax=0.77M-3.6

(1)

式中:地震液化場地的最大震中距離用Rmax表示,單位km,M為里氏震級。在我國,該方法也經過了1975年海城地震、1976年唐山地震至2021年瑪多地震的液化點分布特征的驗證。由式(1)可得:此次地震液化場的震中距上限約為254 km,實際計算此次地震陸地液化點的距震中最遠距離(伊斯肯德倫港)約為105 km,在該方程范圍內。

從以上分析可知:此次地震中液化現象發展的地震動激勵特征無論從烈度分布、震動強度及空間分布方面都沒有超出以往的認知,但液化點及附近區域的MMI烈度與儀器烈度評估范圍存在較大差異,這與以往對儀器烈度與烈度的關系的認識不相吻合[10,13]。

2 宏觀液化等級與指數方法對液化震害的評估

2.1 宏觀液化等級與指數

宏觀液化等級主要依據地震液化所造成的場地地表破壞情況對液化程度分為六個級別,其中:0級為無液化現象,V級為非常嚴重。宏觀液化指數是根據“宏觀”現象即地震后現場調查中場地的液化情況對液化震害程度進行定量描述,以1表示嚴重液化,0表示無液化,一定范圍的宏觀液化指數對應一定的宏觀液化級別。這一等級與指數規則可以直觀、快捷的評定震后場地液化的情況,作為液化程度初步評判的標準,為液化震害程度評估提高提出定量的依據。具體的宏觀液化等級及其指數見表1。

表1 宏觀液化指數及等級劃分標準[10]Table 1 Macro liquefaction index and grade classification standards[10]

應用表1的劃分標準,對2008年的汶川地震和2021年瑪多地震的總體和典型液化震害進行宏觀液化等級與宏觀液化指數評估[10],如圖2所示。一方面,對表1的劃分標準進行定性的展示;另一方面,通過以往研究的對比深化對后續分析此次土耳其地震的液化宏觀特征的認識。

圖2 歷史地震液化震害的宏觀液化等級與宏觀液化指數評估

2.2 此次液化點宏觀液化等級及宏觀液化指數

此次地震中液化點發生了噴水冒砂、地裂縫和地表沉陷等典型的宏觀液化現象,造成了結構物傾倒、破壞及港口區場地側向位移等工程與結構破壞。相關調查為宏觀液化等級及液化指數的評定提供了豐富的基礎資料,是應用宏觀液化等級與指數評估液化震害的有效平臺。以液化引起工程結構破壞較為典型的位于伊斯肯德倫港某一住宅區為例,見圖2,闡明本文實際應用宏觀液化等級與指數方法的具體標準。

伊斯肯德倫港位于土耳其的東南部,瀕臨地中海的東北側,距離帕扎爾克震中約105 km,處于MMI烈度的Ⅶ度區,但港口部分場地發生較為顯著的側向位移,由液化引起。如圖3所示,該房屋位于港口生活區,房屋基礎約有10 cm沉降,地面有噴砂冒水,路面磚發生隆起,砂層覆蓋厚度約3～5 cm左右,面積約20 m2,并有3 cm左右裂縫產生。根據表1所示的宏觀液化等級與指數的評定標準,該處液化點的宏觀液化等級可劃分為Ⅲ級,其液化程度為中等,宏觀液化指數為0.33。其他液化點的宏觀液化等級與指數評估結果見表2。

表2 液化點處基本特征Table 2 Basic characteristics at the liquefaction site

3 液化震害的宏觀分布特征分析

如圖1所示,調查的液化點位于PGA等值線、MMI烈度等值線及個別儀器烈度數據點附近,不完全重合。為獲取液化調查點以上數據的定量化評價,引入克里金插值方法。一方面,該方法是USGS數據獲得PGA和MMI等值線等數據的主要地質統計格網化方法;另一方面,以往研究表明該方法較有效的解決了地質數據統計中的誤差估算問題和平均值數據點的數目計算等問題[14]。

克里金插值方法的區域性變量理論假設任何變量的空間變化都可以表示為下述三個主要成分的和:1)與恒定均值或趨勢有關的結構性成分。2)與空間變化有關的隨機變量,即區域性變量。3)與空間無關的隨機噪聲項或剩余誤差項。該方法目前已在ArcGIS等軟件中形成通用化分析模塊[15]。考慮到PGA值、MMI烈度值及儀器烈度值等被描述對象的隨機性和一定范圍內呈現出的某種相關性,采用克里金插值法利用已有的區域化變量原始數據和變異函數的結構特點,對液化點處的區域化變量的取值進行線性無偏和最優估計[16]。

通過ArcGIS平臺的空間分析模塊中克里金插值法,得到液化點對應的PGA值、MMI烈度值及儀器烈度值等參數,將其列于表2,這些地震動強度表征參數與宏觀液化指數的關系見圖4。

圖4 宏觀液化指數與典型地震動強度指標關系Fig. 4 Relationship between macroscopic liquefaction index and typical ground shaking intensity index

由表2可見:在宏觀液化指數與PGA的關系中,出現了PGA較大,但宏觀液化指數較小的情況,比如震中附近的埃米羅格盧(表2內編號5),盡管其PGA達到了約0.5 g,但場地的宏觀液化現象僅表現為小范圍的噴砂冒水及小規模的地裂縫,宏觀液化指數僅為0.13,甚至小于105 km以外的伊斯肯德倫港的港口區與生活區。距離震中約40 km的雅烏茲謝里姆(表2內編號17),PGA約為0.25 g,但發生了液化引起劇烈不均勻震陷及建筑結構的整體傾覆,宏觀液化指數定為0.93。從圖3可見:這種PGA與宏觀液化指數,即宏觀液化震害的不一致性并不是孤例存在,而是體現出一定的統計規律。液化是內外因共同作用的結果,場地的震動強度更多體現外因的作用,而場地或基礎-結構體系本身對液化的抗力則體現內因。以上PGA與宏觀液化指數的非相關性即反映了震區局部場地對液化抗力的差異性,并且是控制此次地震液化震害情況的主要因素,也是后續詳細勘察考察的重點區域。由于MMI烈度確定時要參考PGA分布,所以圖3可見:宏觀液化指數與MMI烈度值的關系和宏觀液化指數與PGA的關系基本相同。

但儀器烈度方面則反映出與宏觀液化指數正相關的特征。這是因為在儀器烈度的評估中,考慮PGA與地震動峰值速度(peak ground velocity,PGV)兩類參數,即考慮了震動場地的頻率特征,而液化對震動具有低頻放大功能[17],因此即使宏觀液化指數未與烈度表現明顯的相關性,但與儀器烈度的正相關性卻比較顯著。從此可見:在校正烈度與儀器烈度關系的研究中與實踐中,液化場地的存在是應該考慮的問題之一。

4 結論

使用GIS技術與宏觀液化等級與指數的評估方法對2023年2月6日的土耳其7.8級地震的液化震害調查影像資料進行分析,得出以下結論:

1)液化是此次地震的主要震害之一,造成噴水冒砂、地裂縫和地表沉陷等典型的宏觀液化現象,并造成了結構物傾倒、破壞及港口區場地側向位移等工程與結構破壞。液化點的空間分布與烈度圈的主軸基本重合。所有液化點的激勵地震動大于0.15 g。

2)應用宏觀液化等級與液化指數的方法對液化震害進行了定量分析。統計分析表明宏觀液化指數與地震動強度參數相關性較小,反映出場地條件等內因是此次地震液化宏觀現象與震害的主控因素。

3)MMI烈度及儀器烈度與宏觀液化指數的關系表現出不同的發展趨勢,且MMI烈度液化點分布于VII度區,而按儀器烈度,液化點分布于VII～X度區,這反映出液化場地對儀器烈度校正的影響。

致謝：中國地震局工程力學研究所強震動觀測中心為該研究提供數據支持。