應用鄰近強震動站點主余震記錄的場地及地形效應分析

張世亮,馬 強,陶冬旺,錢 亮,李繼龍,解全才

(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,哈爾濱 150080;2.地震災害防治應急管理部重點實驗室,哈爾濱 150080)

2022年01月08日1時45分,青海省海北藏族自治州門源縣發生MS6.9級地震,震中位于101.26°E,37.77°N,震源深度為10 km。此次地震,正在建設中的國家地震烈度速報與預警工程在青海省和甘肅省境內配備地震烈度儀的一般站和配備強震儀的基本站獲取了較多的強震動加速度記錄,一般站為簡易觀測站點,無場地條件等基礎資料。震中100 km范圍內有79個一般站和一個基本站獲取記錄。其中,距離震中約7.8 km的QH.C0028一般站觀測到了本次地震加速度記錄最大值,儀器地震烈度為8.2。通過分析各臺站記錄到的加速度值及儀器烈度,發現臺間距約5.5 km,震中方位角接近,震中距分別為84.5 km,90.0 km的GS.H0015,GS.H0022兩個一般站記錄到的地面峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)及儀器地震烈度值存在較大差異,其中地震動豎直分量PGA相差超過8倍,水平分量PGA相差3倍～6倍。此外,GS.H0015站與震中距(約50.7 km)較小的配備強震儀的62HUC站震中方位角接近,但距離震中更遠的GS.H0015站觀測到的PGA卻是62HUC站的2倍～3倍。地震過程中,地震動的空間分布往往受到局部地震動異常點的影響,針對此類地震動異常現象的深入分析有利于加深對地震動特征及其影響因素的認識,特別是對不具備場地勘探資料的一般站。

地震動的分布除和震級大小有關外,還與震源特性、地震波的傳播路徑、場地條件等因素密切相關。地震發生后,從震源傳播至地表的地震波會改變場地土層的工程特性,如在強震動作用下場地會產生非線性現象,與此同時,地震行波的頻率和幅值成份也會因場地效應而發生改變[1]。場地條件是導致嚴重震害的眾多因素之一,它往往影響著地震破壞的空間分布情況[2],也是地震波在地表放大的重要原因,因此,場地效應和強震動作用下的場地非線性效應一直是研究的熱點。

工程界常用的場地特征估計方法主要是通過鉆孔勘探的手段得到基巖上覆蓋土層厚度和各土層的剪切波速,進而得到場地卓越周期等特性,然而鉆孔方法經濟成本較高并且在某些特殊場地施工難度較大。近年來,利用譜比法(horizontal-to-vertical spectra ratio,HVSR)來刻畫工程場地特性是工程地震領域的熱點問題,該方法最早由日本學者Nakamura提出[3],最開始是使用地脈動數據的水平與垂直分量的傅里葉幅值譜譜比來估計場地卓越周期等場地特征,Yamazaki等[4]將其推廣應用于地震動記錄,其在場地分類[5-6]、場地效應[7]、場地卓越頻率的估計[8-11]及場地非線性反應識別等方面得到較為廣泛應用[12-19]。

鑒于在同次地震下,在震源相同、路徑類似的條件下,兩站點觀測到的地震動強度卻存在明顯差異,本文從地震動特征及兩站點場地土層效應和地形效應的角度出發,應用觀測到的主余震強震動記錄,使用譜比法分析該現象出現的原因。

1 數據處理及分析

本次地震震中100 km范圍內觀測站點及PGA的空間分布情況如圖1所示,地震動異常臺站GS.H0015及其鄰近站點位置信息及地震動參數值如表1所示。

GS.H0015與GS.H0022 兩一般站布設在甘肅省武威市涼州區,該區位于河西走廊東端,祁連山北麓,地勢復雜,呈西南高東北低。圖2為兩站點空間相對位置及周邊地形圖,在兩站點之間有座“西營水庫”,GS.H0015站位于水庫上游一山坡處,高程約為2 098 m,為了滿足其電力及數據傳輸需求,安裝在一電信鐵塔旁邊,而GS.H0022站位于距離水庫約2.8 km的下游一村衛生社旁邊,高程約為1 964 m,兩站點中GS.H0015站距離水庫更近。

應用到了GS.H0015與GS.H0022一般站觀測到的01月08日MS6.9級主震記錄及01月12日的MS4.8級余震記錄,此外,應用其他3次余震記錄來對比分析GS.H0015站在主震下可能發生的非線性反應。所選數據的詳細信息如表2所示。

在進行數據處理時,首先通過從整個記錄中減去整體平均值的方式來對加速度記錄進行基線校正[20],然后采用4階巴特沃斯濾波器對地震動記錄進行帶通濾波,濾波范圍為0.1～25.0 Hz[21],再通過傅里葉變換得到傅里葉幅值譜(Fourier amplitude spectrum,FAS),在進行譜比計算之前,使用1.0 Hz的Parzen窗函數對FAS進行平滑。圖3為兩臺站觀測到的門源MS6.9級與MS4.8級地震的加速度記錄及其對應的未經平滑的傅里葉幅值譜。

(a) GS.H0015站

圖3(a)和圖3(b)分別為兩一般站觀測到的MS6.9級地震加速度記錄及對應的傅里葉幅值譜,圖4(a)比較了兩臺站記錄到的加速度EW分量的幅值譜,從圖4(a)可以看出,GS.H0022站地震動的低頻段幅值明顯高于高頻段幅值,在0.1～2.0 Hz頻段,兩站點觀測到的加速度記錄對應的傅里葉幅值譜很接近,幅值最大值約為20 cm/s,但GS.H0015站地震動的幅值譜在2～10 Hz頻段遠高于GS.H0022站,幅值最大值達到80 cm/s。

(a)

圖3(c)和圖3(d)分別為兩一般站觀測到的MS4.8級地震加速度記錄及對應的傅里葉幅值譜,圖4(b)中比較了兩臺站記錄到的加速度NS分量的幅值譜,從圖4(b)可以發現,在0.1～2.0 Hz,兩站點地震動的傅里葉幅值譜的峰值大小及形狀都較為接近,特別的,NS分量的幅值譜在1.5～1.8 Hz附近都出現了一個形狀相似、幅值接近的鋸齒狀波峰(如圖4(b)中局部放大圖所示)。雖然GS.H0022站觀測到的地震動的能量較小,但高頻段幅值仍然要高于低頻段幅值,在GS.H0015站該特征更為明顯,在2～10 Hz頻帶內其幅值遠高于低頻段,在4～5 Hz幅值達到20 cm/s,而GS.H0022站地震動幅值譜在相同頻率處所對應的幅值僅為1 cm/s左右。

2 分析方法

2.1 譜比法(HVSR)

HVSR方法基于以下兩個假設。

(1) 假設地震波在基巖處均勻傳播,豎向分量和水平分量都不會被放大,即在基巖處

(1)

式中,HBedrock(f),VBedrock(f)分別為基巖處地震動加速度兩水平分量的傅里葉幅值譜的均方根與地震動加速度豎向分量的傅里葉幅值譜。

(2) 假設P波在從基巖傳播至地表的豎向傳播過程中不會被土層放大[22-23],即

(2)

式中：VSurface(f)為地表處地震動加速度豎向分量的傅里葉幅值譜;AP(f)為土層對P波的放大。

根據Nakamura的定義,對于地震動水平分量,地表至基巖的傳遞函數按式(3)表示

(3)

式中：HSurface(f)為地表處地震動加速度兩水平分量的傅里葉幅值譜的均方根;AS(f)為土層對S波的放大。

為了減小地表Rayleigh面波對水平分量HSurface(f)的影響,將式(3)除以式(2),即可得到HVSR

(4)

可進一步將式(4)按照式(5)進行等價變換

(5)

根據式(1)和式(2)可得

AS(f)=Rsurface(f)

(6)

即Rsurface(f)可以用來表示土層對S波的放大。因此,可以僅通過地表觀測記錄的水平跟豎向分量的傅里葉幅值譜的譜比得到觀測點處的場地放大系數,該方法也被稱為地表單點譜比法。

2.2 標準譜比法(SSR)

標準譜比法由Borcherdt提出[24],其通過計算目標站點與附近參考站點觀測到的地震動記錄的傅里葉幅值譜的比值來研究場地效應,該方法要求目標場地與參考場地有相同的源效應及相似的傳播路徑。地震動記錄包含震源、傳播路徑及局部場地條件等信息,可按式(7)來定義

O(f)=E(f)P(f)S(f)I(f)

(7)

式中：O(f)為地震動的頻譜信息;E(f),P(f),S(f),I(f)分別為震源項、路徑項、場地項及儀器響應對地震動的影響;參數f為頻率。假設O1(f)與O2(f)分別為目標站點與參考站點所觀測到地震動記錄的頻譜。當兩站點距離較近時(臺間距遠小于震中距),可近似地認為震源項與路徑項對地震動的影響是相同的,即E1(f)=E2(f)且P1(f)=P2(f),另外,本文研究中兩一般站所使用的烈度儀儀器型號相同,因此I1(f)=I2(f)。此時可按式(8)來估算兩站點場地的相對放大系數

(8)

另外,根據不同的研究目的,應選擇合適的場地條件,比如,在研究土層效應時,參考站點應為基巖場地;而當研究地形效應時,為了將其與土層效應剝離開,兩站點應有相似的場地條件。

3 場地效應

3.1 場地效應分析

本節使用HVSR方法來對比分析兩站點的場地效應。圖5為GS.H0015站與GS.H0022站分別在MS6.9級主震(實線)及其他余震作用下場地的譜比曲線。從兩站點譜比曲線峰值出現的頻段來看,圖5(a)中譜比曲線的峰值所對應頻段相較于圖5(b)整體更傾向于低頻段,GS.H0015站(見圖5(a))的卓越頻率在4 Hz左右,而GS.H0022站(見圖5(b))的卓越頻率約為10 Hz。另外,圖5(a)中譜比曲線的第一個峰值出現在0.9 Hz附近,而圖5(b)中譜比曲線的第一個峰值出現的相對靠右,在1.8 Hz附近。這意味著GS.H0015站的場地土層要比GS.H0022站軟弱,而軟弱場地對地震動會有放大作用。

(a) GS.H0015

對比兩站點放大系數發現,在0.1～0.8 Hz頻率內兩者的放大系數接近于1,這意味著在該頻段內,兩站點對地震動基本上沒有放大或減弱。但對于GS.H0015站,圖5(a)中實線在0.8 Hz后開始急劇上升,放大系數在1 Hz處超過2,并在2.5 Hz處接近4。地震動的幅值在低頻段(0.8～5.0 Hz)整體被放大2倍～4倍。相比之下,對于GS.H0022站而言,圖5(b)中的實線上升地較為緩慢,在0.8～5.0 Hz頻帶內僅在2.7 Hz左右放大系數超過2。另外,GS.H0022站譜比曲線在10 Hz以后的高頻段急劇下降,且在14.7 Hz之后HVSR<1,在22.5 Hz附近放大系數減小至0.18,該現象說明地震動的高頻成份不但沒有被放大,反而被減弱,而GS.H0015站譜比曲線在整個頻段范圍基本上滿足HVSR>1(即使在12.4～14.8 Hz的較小頻帶內也出現了HVSR<1)。通過以上分析可以看出：

(1) 相較于GS.H0022站,GS.H0015站場地土層更為軟弱,并且GS.H0015站的放大系數在0.8～4.0 Hz與15～25 Hz的頻帶內高于GS.H0022站;在5～10 Hz間,GS.H0022站的放大系數高于GS.H0015站。通過求兩站點放大系數的比值來量化這一現象,如圖6所示。

圖6 主、余震下兩站點間相對放大系數

(2) 在GS.H0022站,地震動的高頻成份(15～25 Hz)被減弱。

地震動的PGA不僅與地震動幅值譜有關,還與相位信息有關,因此,僅通過地震動的傅里葉幅值譜來確定時域參數PGA的主要貢獻頻帶不夠嚴謹。為了清晰地看到地震動不同頻率成份對PGA的貢獻,將兩站點觀測到的MS6.9級地震的EW分量加速度記錄按不同頻帶寬度進行帶通濾波,來觀察隨著帶通濾波器高頻截止頻率的增大加速度波形及PGA的變化情況(見圖7)。在0.1～1.0 Hz頻帶內,兩條記錄的波形相似、PGA接近,當高頻截止頻率增大至2.5 Hz時,兩條記錄波形的差異性開始逐漸增大,隨著濾波頻帶逐漸變寬,波形與PGA的差異性愈發顯著。GS.H0015站PGA的主要貢獻頻段是在7 Hz之前,當截止頻率增大至9 Hz時PGA達到原始記錄的水平(97.89 gal),波形也趨于穩定。GS.H0022站也同樣如此,在約9 Hz時PGA增長至最大值。通過以上分析,發現隨著濾波頻帶的變寬,兩站點的加速度波形發生了明顯的變化,并且PGA的主要貢獻頻段跟HVSR曲線的主要放大系數(HVSR>1)所在的頻段范圍吻合。圖8展示了隨著濾波頻帶寬度的增加PGA的變化趨勢,也反映了地震動不同頻率成份對PGA的貢獻。

(a) 0.1～1.0 Hz

圖8 兩站點觀測到的MS 6.9級地震的加速度記錄EW分量隨濾波器高頻截至頻率的增大其PGA的變化

圖9為地震動EW分量相對于垂直分量UD的譜比曲線。結合圖9及由以上分析可知,GS.H0015站的場地卓越頻率在7 Hz以下,在強震作用下引起場地共振,使得地震動在該頻段被放大,導致了較高的PGA值。而GS.H0022站的場地卓越頻率相對較高,當濾波頻帶從0.1～1.0 Hz增寬至7 Hz后,GS.H0022站的PGA已經達到最大值,在之后的7～15 Hz,即使GS.H0022站的場地放大系數維持在較高水平且高于GS.H0015站(見圖9),但對PGA的增長并不起主導作用,因此兩站點的PGA出現較大差異。

圖9 GS.H0015,GS.H0022站場地HVSR曲線(東西分量相對于豎向分量的放大)

以上是對于大震而言,對于MS4.8級余震,由圖3(c)、圖3(d)可知,能量主要集中在1～10 Hz,兩站點觀測到的地震動NS分量PGA分別為50.51 gal,3.95 gal,相差近13倍。同樣用上面的方法對兩站點的NS分量加速度記錄采用不同的濾波頻帶,觀察隨著濾波頻帶寬度的增加PGA的變化情況。如圖10、圖11所示,GS.H0015站的PGA的主要貢獻頻段為0.1～5.0 Hz,地震動的更高頻成份對PGA貢獻較小。跟主震下的地震動PGA相比,余震下的PGA的貢獻頻段與GS.H0015站的場地卓越頻率更加吻合,而與GS.H0022站的正好錯開。

(a) 0.1～1.0 Hz

圖11 兩站點觀測到的MS 4.8級地震的加速度記錄NS分量隨濾波器高頻截至頻率的增大其PGA的變化

通過對兩次不同震級地震的分析,發現地震動高頻成分(10～20 Hz)對PGA的貢獻很微小,MS6.9級主震的地震動PGA的主要貢獻頻段為0.1～7.0 Hz,MS4.8級余震的地震動PGA的主要貢獻頻段為0.1～5.0 Hz,GS.H0015站的場地卓越頻率正好位于該頻段內,而GS.H0022站的場地卓越頻率相對較大,使得兩場地對地震動不同頻段的放大具有差異性,最終導致了PGA存在較大差異。另外,在使用HVSR進行場地放大系數估算時,存在高頻低估現象,因此在以上分析中得到的放大系數在PGA的主要貢獻頻段可能低于實際放大系數,而在本文研究情景下更高的放大系數意味著PGA的差異性更大。

3.2 非線性反應分析

在強震動作用下,當地表土層的剪切應變達到一定的閾值時,土體會表現為非線性,其主要特征為剪切剛度減小和阻尼系數的增大,此外,非線性反應會導致場地卓越頻率和放大系數的減小。Beresnev等認為當PGA超過100 gal時,土層會出現非線性特征。在門源MS6.9級主震作用下,GS.H0015站的PGA觀測值接近該值,約為97.9 gal。為了判別其是否發生非線性反應,使用門源主震之后表2中所列歷次余震記錄(PGA<35 gal,可看作弱震動)的平均譜比曲線作為參考進行分析,如圖12所示,相較于弱震動記錄的均值譜比曲線(虛線,帶狀寬度表示均值加減1倍的標準差),主震記錄譜比曲線(實線)整體上有所左移,場地的卓越頻率從5.0 Hz減小至2.5 Hz,且放大系數從6減小至4,由此認為該場地發生了一定程度的非線性反應。

圖12 主震及弱震動作用下GS.H0015臺站場地的HVSR曲線

為了進一步量化GS.H0015站出現的非線性反應,計算了門源MS6.9級主震作用下站點場地的DNL(degree of nonlinear site response)[25],它是通過計算場地在強震動和弱震動下的HVSR在各頻率點差值的和與頻率間隔的乘積得到的,當DNL>4時說明場地發生了明顯的非線性反應[26],計算公式如下

(9)

式中：Δf為頻率間隔;Rstrong為強震動下的譜比值;Rweak為弱震動下的平均譜比值。在本文中,將GS.H0015站觀測到門源MS6.9級主震加速度記錄看作強震動,將歷次余震的加速度記錄看作弱震動,在計算前,將兩條譜比數據以0.01 Hz的頻率間隔插值到0.1～25.0 Hz的頻帶。DNL的計算值為3.72,雖然小于4,但仍然很接近,另外,考慮到該指標是由統計學方法得到的經驗性結果以及主、余震下的譜比曲線之間明顯的差異,認為主震作用下GS.H0015站發生了非線性反應。

4 地形效應

地震觀測臺站記錄到的地震動記錄是震源、傳播路徑、局部場地條件(軟弱覆蓋層、起伏地形等)三者共同作用的結果[27]。大量的理論研究和觀測結果表明,地形特征,包括山脊和懸崖面,可以引起地震動顯著的放大[28-33]。當研究地形效應時,選取的參考站點應當與目標站點有著相似的場地條件,臺間距應遠小于震中距,且參考站點應遠離不規則的起伏地表,此目的是為了將地形放大效應與場地土層放大效應解耦,且降低地震動衰減帶來的干擾。許多研究表明,由于地下結構的原因,即使是巖石場地也會產生強烈的場地效應[34],因此,除非對場地的地下速度結構有詳細的了解,否則很難將地形放大效應與場地土層放大效應區分開來。本文的研究站點僅在地表布置有觀測儀器,無豎向陣列與鉆孔資料,而考慮到兩站點所處地形的差異,認為地震動水平分量PGA間的強差異性可能是土層效應與地形效應耦合作用的結果。

地震動可以被分解成水平分量和垂直分量,其從基巖傳播至地表的過程中會被軟弱覆蓋層放大,其中水平分量的放大可以被認為是S波的多次反射放大導致的,而垂直分量的放大則是由于P波成份的多次反射放大,然而,P波的傳播速度一般在1 000 m/s以上(在地殼內的典型波速約為6 km/s),因此對于10 Hz以下的地震動(波長大于100 m),在最多幾十米厚的地表土層內多次反射,基本不會被放大。通過分析發現,跟EW分量相似,地震動垂直分量PGA的主要貢獻頻段同樣在0.1～7.0 Hz頻段,而對于該頻段的地震動,土層的放大作用很小,因此土層放大不能很好地解釋兩站點PGA相差約8.7倍這一現象。鑒于以上分析,雖然對于地震動水平分量的地形放大無法直接給出答案,但對于垂直分量,在一定程度上可以將場地土層效應與地形效應剝離開來,進而單獨去分析。

在下面的分析中使用標準譜比法分析地形對地震動垂直分量的放大效應。以GS.H0015站與GS.H0022站各自觀測到的地震動垂直分量的傅里葉幅值譜的比值來表示地形放大系數,如圖13所示。

圖13 主、余震下兩站點觀測到的地震動垂直分量的傅里葉幅值譜譜比曲線(GS.H0015/GS.H0022)

圖13表示GS.H0015站相對于GS.H0022站的垂直分量的地形放大,從圖13可以看出地形放大效應相當明顯,在主震作用下,放大系數在6.5 Hz左右超過30,在余震作用下超過15,放大系數在3～15 Hz頻段整體大于3,而地震動垂直分量的PGA的主要貢獻頻段恰好也在該范圍內。因此,考慮到土層對P波在該頻段的放大作用較小,認為對于兩站點垂直分量PGA的強差異性,地形效應起主導作用。

5 結 論

本文基于2022年01月08日門源MS6.9級主震記錄及余震序列,應用譜比法從場地與地形的角度解釋了兩一般站GS.H0015,GS.H0022雖然鄰近但記錄到的PGA差異性較大的現象。提出了一種在對加速度記錄濾波時通過移動帶通濾波器的高頻截止頻率來確定PGA的主要貢獻頻段的方法,這種時-頻結合的分析方法將地震動幅值參數PGA與其頻譜特征聯系起來,用于分析場地和地形效應如何影響PGA,給出以下啟示：PGA具有一定的頻率依賴性,當PGA的主要貢獻頻段與場地的卓越頻率相一致時,場地效應可能是造成PGA異常高的主要原因;當PGA的主要貢獻頻段與場地的卓越頻率相錯開時,造成PGA異常高的可能另有他因,而非場地效應。

此外,本文得出以下結論：

(1) 兩站點間地震動PGA出現強差異性可能是場地土層效應與地形效應共同作用的結果。

(2) 兩站點觀測到主震記錄EW,UD分量PGA的主要貢獻頻段為0.1～7.0 Hz,余震(MS4.8)記錄NS分量PGA的主要貢獻頻帶為0.1～5.0 Hz,地震動高頻成份(9～25 Hz)對PGA的貢獻較小;GS.H0015站的場地卓越頻率約為4～5 Hz,正好處于0.1～7.0 Hz頻帶內,導致地震動在該頻段被過度放大,而GS.H0022站的場地卓越頻率相對較高(約為10 Hz),避開了PGA的主要貢獻頻段,對地震動的放大作用較小。

(3) 主震作用下,GS.H0015站所在的場地發生了非線性反應,其場地卓越頻率從5 Hz減小至2.5 Hz,且放大系數最大值從6減小至4,場地非線性程度指標DNL計算值為3.72。

(4) 考慮到場地土層對P波在0.1～10.0 Hz頻段放大作用小,利用兩站點觀測到的地震動垂直分量的標準譜比得到了地形放大系數,在主震作用下,放大系數在6.5 Hz左右超過30,在余震作用下,放大系數達到了15,且PGA的主要貢獻頻段位于譜比曲線峰值頻帶范圍內,使得兩站點處地震動垂直分量的PGA有較大差異。

由于青海、甘肅地區的一般站仍在建設期,部分臺站近期才建設完成并投入使用,且一般站無場地鉆孔資料,因此,本文關于以上站點場地方面的分析僅基于少量的地震動記錄,對GS.H0022站場地特征的分析僅基于兩條質量較好的數據,其結果可能存在一定的不確定性。從地形對地震動垂直分量的放大來看,對于地震動水平分量,地形效應也導致了部分放大,但由于兩站點場地條件不同,目前無法將土層效應與地形效應解耦。

致謝

感謝中國地震局工程力學研究所基本科研業務專項基金(2021B08;2019B06)為本文研究提供的資金支持。感謝中國地震局工程力學研究所強震動觀測中心提供的主、余震記錄及其他臺站資料。