基于K-NET強震臺網的海底地震動特征初探

鐘紫藍,郭佳希,張 卜,倪 博,趙 鑫

(北京工業大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京 100124)

0 引言

我國海域遼闊,海洋經濟發展潛力巨大,在國家大力倡導下,進行了大批海洋工程的建設,如海上人工島、海上堤壩工程、跨海大橋、海底管道、海底電(光)纜和海上潮汐電站等。然而我國周邊海底多處于板塊交界處,臨近多個俯沖帶[1],因此海洋工程的建設必須考慮地震的影響。但由于我國除臺灣建有首個海底臺站外[2],大陸地區近海海底還沒有海底強震儀,海底地震動研究尚處于起步階段等原因,很多海洋工程建設的抗震設計均是基于已經成熟的陸地地震動特性的認識,缺乏海洋地震動特性認識,因此亟需針對海底臺站記錄的海底地震動開展特性分析。

對于海底地震動研究最直接最有效的方法就是在近海布設海底強震儀,收集海底地震記錄,進而研究海底地震動與陸地地震動在峰值、頻譜等特性方面的差別。近些年來,美國、日本和墨西哥等國作為較早擁有海底強震儀的國家[3-4],通過持續的海底觀測,已經獲取了一些非常寶貴的海底強震觀測記錄,這為從事海底地震動特性分析的科研工作者提供了極大的便利。

以往研究學者對于海底地震動特性的研究提出了不同認識。SLEEFE等[5]對一個6.1級的地震動記錄進行分析,通過對比不同震中距下海底與陸地地震動的水平向和豎直向PGA散點圖,得出由海底地震動散點圖所線性擬合得到的直線斜率要明顯小于陸地地震動,但受限于當時條件,沒有更多的地震動記錄來驗證該結論;BOORE等[6]受當時條件限制,沒有大量的地震動數據供其研究,于是其借鑒前人經驗并進行了改進將V/H譜的方法引入到海底地震動特性研究中;PETUKHIN等[7]研究了海水對水平向地震動的影響,其結果認為海水對由淺源(小于10 km) 地震產生的瑞利波的基本模態有顯著的影響;譚景陽等[1]對K-NET 海底臺站記錄的數據進行了分類,探討了海底地震動特征和不確定性;刁紅旗[8]從地震學角度研究了海水對海底地震動豎向成分的影響,并在 BOORE等[6]的基礎上分析了海底地震動的工程特性,結果表明海底豎向地震動在海水的影響下,高頻能量被削弱;李颯等[9]認為陸地抗震設計參數并不適用于海底,應該針對海底地震動專門進行研究。

本文在前人研究的基礎上,基于日本海底地震觀測系統,利用近年來觀測獲得的大量地震動數據,分析對比了海底地震動與陸地地震動特性的不同。

1 海底地震動觀測系統及臺站選取

1.1 日本海底地震動觀測系統概況

阪神地震過后,震中周邊70余個地震觀測臺站只記錄到了少量的強震觀測記錄[3],依據這些強震記錄并不足以對阪神地震進行系統的研究。鑒于此次經驗教訓,由日本國家地球科學與防災研究所(NIED)在全國建立了2個強震動觀測網,分別是K-NET和KiK-NET。

K-NET(Kyoshin Network)是一個全國性的強震儀網絡,由1 000多個觀測站組成,每20 km均勻地分布在日本。自1996年6月以來,K-NET一直由國家地球科學和防災研究所(NIED)運營。在每個K-NET臺站,都有一臺地震儀安裝在地表,并有標準化的觀測設施。KiK-NET(Kiban Kyoshin Network)是一個強震地震儀網絡,由成對的地震儀與高靈敏度地震儀(Hi-net)一起安裝在鉆孔中以及地面上,部署在日本大約700個地點。

1.2 地震臺站和地震動的選取

為了對比同一地震下海底地震與陸地地震的不同,本文從K-NET臺網中選取了相鄰近的6個海底臺站(KNG201～KNG206)和5個陸地臺站(SZO001、 SZO002、SZO007、TKY008和TKY010),具體分布如圖1所示。主要針對了1996年～2022年間發生的124次地震事件(震級Mw≥5.0),并從這11個臺站獲取了981條地震動記錄,這11個臺站的具體信息見表1-表2, 這981條地震動記錄的震級-水平PGA和震中距-水平PGA關系如圖2所示。

圖1 所選臺站分布圖 圖2 震級/震中距-PGA分布圖Fig. 1 Map of selected stations Fig. 2 Distribution of magnitude and distance-PGA

表1 K-NET臺網中部分海底臺站的信息Table 1 Information of some offshore stations in the K-NET network臺站編號臺站名稱緯度經度海拔KNG201HIRATSUKA-ST134.595 6N139.918 3E-2 197KNG202HIRATSUKA-ST234.739 6N139.839 3E-2 339KNG203HIRATSUKA-ST334.798 3N139.643 5E-902KNG204HIRATSUKA-ST434.893 1N139.571 1E-933KNG205HIRATSUKA-ST534.941 3N139.421 3E-1 486KNG206HIRATSUKA-ST635.096 6N139.377 8E-1 130

表2 K-NET臺網中部分陸地臺站的信息Table 2 Information of some onshore stations in the K-NET network臺站編號臺站名稱緯度經度海拔SZO001ATAMI35.142 4N139.079 5E75.5SZO002ITO34.965 2N139.103 1E44.2SZO007SHUZENJI34.977 1N138.946 6E49.3TKY008OKADA34.785 2N139.390 9E67.0TKY010NIIJIMA34.377 9N139.257 3E19.0

由圖2可知:大部分地震動PGA集中在0.02～0.1 g之間;現有記錄仍缺少MW8級至MW9級之間海底地震動數據。

2 海底地震動特性分析

2.1 海底與陸地三向時程曲線、強震持時、傅里葉譜及加速度反應譜比較

本節以2011年3月11日(東北地震)和2022年3月16日(日本本州東部地震)在日本發生的兩次地震事件為例,選取了海底臺站KNG206和陸地臺站TKY008觀測數據,地震信息見表3,對其三個方向的時程曲線、強震持時、傅里葉譜及加速度反應譜進行了分析對比,圖4-5為分析結果。

表3 選取的2次地震事件信息Table 3 Information of the two selected seismic events

1)海底與陸地強震持時曲線對比

強震持時與地震動輸入的能量累積相關。首先引入Arias強度(Arias Intensity)指標對地震動輸入能量累積進行定義,公式如式(1)。式中:a2(t)為加速度時程;tr為地震動的總時間;g為重力常數。

(1)

強震持時定義為地震動輸入能量在給定總能量百分比范圍內的持續時間[10-11],如公式(2)所示強震持時和地震波的輸入能量相關,常用的能量百分比范圍如5%～95%、5%～75%和2.5%～97.5%等。本文采用90%強震持時,為了方便起見記為D5-90。

(2)

分別對比圖4-5可知:可得如圖3所示信息,在東北地震中,海底地震動的三向強震持時D5-90分別為86.42、82.09和115.4 s;陸地地震動的三向強震持時D5-90分別為97.4、89和97.4 s。在本州東部地震中,海底地震動的三向強震持時D5-90分別為73.11、77.15和101.64 s;陸地地震動的三向強震持時D5-90分別為65.7、59.14和63.39 s。可見同一地震事件中,海底地震動中豎直方向(U-D向)強震持時要顯著大于水平向(E-W和N-S),而陸地地震動三向強震持時相差不大。

圖3 東北與本州東部地震三向地震動持時對比Fig. 3 Comparison of horizontal and vertical duration between Tohoku and eastern Honshu earthquakes

圖4 東北地震中海底臺站KNG206與陸地臺站TKY008三向時程及強震持時曲線對比Fig. 4 Acceleration time histories and duration for offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in the Tohoku earthquake

圖5 本州東部地震中海底臺站KNG206與陸地臺站TKY008三向時程及強震持時曲線對比Fig. 5 Acceleration time histories and duration for offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in eastern Honshu earthquake

2)海底與陸地三向時程對比

從圖4-5可知:在2011年3月11日(日本東北地震)和2022年3月16日(日本本州東部地震)發生的兩次地震事件中,海底地震動的豎向(U-D)時程曲線的峰值加速度(PGA)分別為0.066 6 g和0.014 2 g,在東北地震中水平向 (E-W和N-S)PGA分別為0.367 4 g和0.205 9 g, 在本州東部地震中水平向(E-W和N-S)PGA分別為0.106 7 g和0.065 4 g。海底地震動的豎向峰值加速度僅為水平向的15%左右。

在日本東北地震和本州東部地震中,陸地地震動的豎向(U-D)時程曲線的峰值加速度(PGA)分別為0.021 9 g和0.008 3 g;在東北地震中水平向(E-W和N-S)PGA分別為0.050 9 g和0.048 7 g,在本州東部地震中水平向(E-W和N-S)PGA分別為0.019 6 g和0.019 3 g。陸地地震動的豎向峰值加速度為水平峰值加速度的45%左右,可見海底地震動的豎向峰值加速度占水平峰值加速度的比值要明顯小于陸地地震動,證明海水對于豎向地震動的傳遞有一定削弱作用。

另外對比同一地震事件下,海底臺站與陸地臺站所測得地震動記錄的PGA可看出:海底臺站所測得地震動記錄的PGA要明顯大于陸地臺站,這是因為海底的場地條件放大了海底地震動的幅值。

3)海底與陸地強震傅里葉譜和加速度反應譜對比

如圖6、圖7所示,在同一地震事件下,對于海底地震動,其豎向傅里葉譜和加速度反應譜與水平譜有著顯著的差距,而陸地臺站的水平譜和豎向譜間盡管也有差異,但這種差異明顯小于海底地震動情況。對比東北地震下陸地與海底地震動的加速度反應譜和傅里葉譜,海底臺站所記錄的地震動譜峰值在向低頻(長周期)偏移,這是因為海底的場地條件會放大其長周期成分,為驗證該結論的可靠性,在2.3節進行了進一步探討。

圖6 東北地震中海底臺站KNG206與陸地臺站TKY008傅里葉譜及反應譜曲線對比Fig. 6 Comparison of Fourier spectrum and response spectrum curves between offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in the Tohoku earthquake

圖7 本州東部地震中海底臺站KNG206與陸地臺站TKY008傅里葉譜及反應譜曲線對比Fig. 7 Comparison of Fourier spectrum and response spectrum curves between offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in the eastern Honshu earthquake

2.2 海底與陸地峰值加速度的比較

為了進一步證明2.1.1節中得出結論的普遍性,本節對981條地震動記錄的豎向和水平峰值加速度進行了比較。如圖8所示,描述了981條地震動記錄的豎向與水平峰值加速度的關系,分別對海底地震動PGA和陸地地震動PGA 進行線性擬合,所得一次函數斜率即V/H峰值加速度比。在圖8(a)中海底地震動的V/H比為0.185 3,陸地地震動的V/H比為0.468 5;在圖8(b)中海底地震動的V/H比為0.189 9,陸地地震動的V/H比為0.451 9。可知海底地震動的V/H比要明顯小于陸地地震動的V/H比,證明了海水對于豎向地震傳播有削弱作用。

圖8 海底與陸地地震動PGAV/PGAHFig. 8 Offshore and onshore ground motion PGAV/PGAH

而對比圖8(a)-圖8(b)的紅藍散點分布,在124次地震事件中,海底臺站測得的海底地震動PGA更多的分布于0～0.15 g這一區間,而陸地臺站測得的陸地地震動PGA則僅僅集中在0～0.03 g這一區間,不難看出不同的場地條件對地震動PGA有很大的影響,海底的場地條件放大了海底地震動的幅值。而水平地震動對于結構的抗傾覆分析、動力時程分析中有著決定性的影響,因此若將陸地地震動直接作為海洋工程的地震荷載進行輸入,將會低估地震荷載的作用。

2.3 海底和陸地地震動放大系數譜

加速度放大系數譜是將加速度反應譜縱軸標準化,以消除不同地震動峰值加速度對反應譜譜值的影響,表示結構反應對峰值加速度的放大程度。為進一步驗證2.1節3)得出的結論,本節以四次地震事件為例,對6個海底臺站和5個陸地臺站所獲得的每次地震事件的地震動記錄進行分析,求得其放大系數譜并取平均。圖9為分析結果。

由圖9可知:不同地震事件中放大系數譜的特性基本相似,但海底與陸地地震動放大系數譜的差別較大。當周期T<0.1 s時,海底地震動的放大系數小于陸地地震動;當周期0.1 s0.8 s時,海底地震動與陸地地震動放大系數相接近。對比陸地地震動反應譜,海底地震動反應譜存在一個明顯的峰值平臺。這表明由于海底沉積土層的影響,地震動的長周期成分被放大,使得反應譜整體向中長周期移動,而海洋工程一般自振周期均較長,會對其造成不利影響[12]。同時可以看出:海底地震動的動力放大系數的最大值已大于抗震規范的取值2.25,在進行海底工程抗震設計時應予以考慮。

2.4 海底和陸地地震動V/H比譜

本節采用BOORE等[6]提出的對所有的強震記錄采用V/H的方法,估計由于受海水影響導致的海底局部場地條件與陸地局部場地條件不同所帶來的海底地震動與陸地地震動的差異,該方法可消除場地的震源和傳播路徑效應而主要體現場地本身特性。同樣以四次地震事件為例,對6個海底臺站和5個陸地臺站所獲得的每次地震事件的地震動記錄進行分析,求得其V/H譜并求平均。圖10為分析結果。由圖10可知:海底與陸地地震動V/H比譜在4次地震中表現出的特性基本一致,其中海底與陸上地震動V/H比譜的區別可總結如下:周期T<0.5 s時,海底地震動的V/H比譜小于陸地比譜,且周期T<0.5 s時,海底地震動的V/H比譜大致為0.1～0.3約為陸地地震動比譜的30%～60%;當周期0.5 s

圖10 四次次地震事件的地震動V/H 譜Fig. 10 V/H spectra of four seismic events

3 結論

本文基于K-NET臺網中獲取的124次地震事件中,5個海底臺站和6個陸地臺站所記錄的981條實際地震動,分析了海底與陸地地震動加速度時程曲線、強震持時及各類反應譜間的差異。由于所得結論基于大量觀測數據,因此具有一定的普遍性,結論如下。

1)海底場地條件會放大海底地震動幅值,若將陸地地震動作為地震荷載輸入到海洋工程中進行抗震設計,則會低估地震荷載帶來的影響。

2)由于海水的存在會削弱豎向地震動的高頻成分,因此海底地震動的豎向峰值加速度占水平峰值加速度的比值要明顯小于陸地地震動,且海底地震動的豎向強震持時要顯著小于水平向強震持時。

3)對比放大系數譜與常用抗震設計規范標準,表明海底地震動放大系數βmax要大于抗震規范限值,在海底工程抗震設計中應予以考慮。

4)多數海洋結構自振周期在1 s以上,海底沉積土層對地震動長周期成分的放大作用會對海洋結構物的動力響應造成不利的影響。