土耳其地震序列的近斷層脈沖型地震動識別與特征分析

丁龍兵, 胡進軍, 李培旭, 劉名吉

(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.中國地震局工程力學研究所 地震災害防治應急管理部重點實驗室,哈爾濱 150080)

由近斷層效應引發的速度大脈沖現象,在過去的50年內已經被證實和分析。在1994年美國Northridge 6.7級地震、1995年日本Kobe 7.2級地震、1999年我國臺灣集集7.6級等地震中,近斷層獨特的長周期脈沖特性對工程結構造成嚴重的破壞更是引起廣泛的關注[1-3]。這種近斷層長周期脈沖型地震動的形成與震源機制、斷層破裂的方向性和場地特征有較大的關聯[4-5]。近斷層脈沖型地震動具有更為復雜的特性以及對工程結構的嚴重破壞性[6-7],使其成為地震工程領域的研究熱點之一。

基于數據統計的方法是目前研究脈沖型地震動特征的主要分析方法,謝俊舉等[8]利用165條典型速度脈沖記錄分析原始脈沖記錄和提取脈沖后的殘余記錄進行反應譜特征研究,結果表明速度大脈沖在其特征周期Tp附近對反應譜有著較強的放大作用。趙曉芬等[9]通過分析317條速度脈沖記錄的速度脈沖放大作用曲線,同樣證實了速度大脈沖在其特征周期Tp附近對反應譜有很強的放大作用,并提出了速度脈沖放大作用模型。Somerville[10]利用基巖場地和土層場地記錄到的速度脈沖進行對比分析,研究表明土層場地的脈沖周期大于基巖場地(Mw<7.5)。Yang等[11]選取1999臺灣集集地震和1994年美國Northridge近斷層地震記錄進行頻譜特征分析,結果表明長周期脈沖對近斷層地震動頻譜特征影響較大,這種地震動長周期分量主要出現在下盤場地。脈沖型地震動對中長周期工程結構有著重要影響,這體現在脈沖效應對中長周期段加速度反應譜有著明顯的放大作用。江輝等[12]基于長周期的近斷層脈沖型地震動記錄,通過分析豎向分量與水平向分量的加速度反應譜比值與脈沖周期和結構自振周期的變化規律,表明我國現行規范取值明顯小于反應譜比值。

2023年2月6日,土耳其連續發生了Mw7.8級,Mw7.5級和Mw6.7級地震,2月20日又發生了Mw6.3級地震。這是土耳其歷史上最嚴重的一次地震,截至2月28日,土耳其國內累計死亡人數超過44 300人,另外16萬座建筑被毀壞,造成150萬人無家可歸以及不可估量的經濟損失。特別是靠近斷層區域的卡赫拉曼馬拉什、阿德亞曼等地區建筑物損毀得更為嚴重。土耳其災害和應急管理局(Disaster, and Emergency Management Presidency, AFAD) 數據庫獲得了大量的近斷層強震動加速度記錄。為了揭示本次地震序列中近斷層地震動的特征,本文使用能量法對近斷層脈沖型地震動記錄進行識別,分析四次強震中速度脈沖周期和幅值特征,研究震級、斷層距對幅值等參數的影響。

1 強震動記錄數據

土耳其Mw=7.8、Mw=7.5、Mw=6.7和Mw=6.3地震序列中,土耳其AFAD分別公布了289組,216組,160組和116組三分量加速度記錄,選取上述781組加速度記錄進行研究。根據美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)和土耳其AFAD發布的震源機制信息,四次地震的震源信息如表1所示。地震斷層根據USGS公布的斷層信息繪制,近斷層臺站分布及四次地震的震源機制信息如圖1所示。

圖1 土耳其地震的強震動臺站和脈沖型地震動分布

表1 土耳其地震序列的震源機制

2 基于能量法的脈沖識別

識別脈沖型地震動[13-17]的方法有多種,其中能量法是一種簡單且有效識別脈沖型地震動的方法,對于本次土耳其地震序列獲得的強震動記錄,能量法能夠準確識別出更多的速度脈沖型地震動尤其是含有多個脈沖的單條速度脈沖型地震動,結果表明其適用于本次地震序列。因此,本文基于能量法對地震動記錄進行預處理和識別。

2.1 地震動記錄的處理

考慮到未經處理的加速度記錄可能存在基線偏差和噪聲造成積分后的速度和位移時程不合理偏移的現象,為了消除這一現象,需要對地震動記錄進行基線校準和濾波處理[18-20],具體步驟如下:

步驟1 從連續波形中將加速度記錄進行截斷,將獲取的整個事件記錄減去事件前5 s的均值得到加速度記錄。

步驟2 將加速度記錄前后補零30 s后,再進行波形尖滅。

步驟3 進行濾波,選取4階Butterworth非因果濾波器進行帶通濾波,濾波選取的頻率段選擇0.1～30 Hz。

步驟4 最后將得到的加速度、速度和位移時程記錄進行人工篩選,剔除無法使用的記錄。

圖2為編號3124臺站在Mw7.8地震中獲得的未處理和處理過的東西(EW)方向加速度、速度和位移記錄,經過處理后的地震動記錄明顯消除了基線漂移的現象。

(a) 處理前

為了提高脈沖識別的效率以及確定地震動記錄中最顯著的速度脈沖方向便于研究其脈沖特性,需要對于地震動記錄的旋轉方向進行選取。Shahi等[21]曾觀察到,如果在任何方向上發現脈沖,則地面運動被標記為脈沖型地震動,本文為了考慮最大速度脈沖方向的不確定性,采用將實際觀測水平地震動記錄在水平面內進行旋轉,進而識別地震動在水平0°～180°方位上的最大速度脈沖方法。給定任意兩個正交水平地震動分量按式(1)的關系可以得到水平向任意方位地震動分量

v(t,θ)=v1(t)×cos(θ)+v2(t)×sin(θ)

(1)

式中:v1(t)和v2(t)依次代表臺站記錄東西(EW)方向與南北(NS)方向的地震動速度時程,以逆時針旋轉為正,則v1(t)旋轉90°后與v2(t)的方位重合;v(t,θ)為與v1(t)成任意角度θ方位對應的地震動速度時程。對于所有方向的地震動分量依次進行脈沖識別增加了計算的時間和降低了脈沖識別的效率,Li等[22]發現最大峰值速度(peak ground velocity,PGV)所在方向在統計意義上代表著最強脈沖所在的方向,因此本節將781組水平向兩分量加速度記錄積分得到的速度時程記錄旋轉至最大PGV所在方向進行預處理,將旋轉后的記錄作為水平向脈沖識別的對象,對于豎向(UD)地震動分量不做旋轉處理進行識別。

圖3給出了臺站地震動速度時程記錄旋轉前后的對比,發現將速度時程記錄旋轉到最大PGV方向后,可以明顯看出高幅值的速度大脈沖,盡管在EW、NS、UD方向均可觀察到不同程度上的速度脈沖,但在脈沖的形狀和幅值大小上均與最大PGV方向上的速度脈沖存在差異,不具備統計特征。因此選取最大PGV方向的脈沖進行脈沖識別更加高效。

(a) 2717臺站旋轉前后

2.2 能量法

能量法通過對地震動記錄速度的平方在時間尺度進行積分,定義了顯著半脈沖的概念和統計回歸得到速度脈沖型地震動的判定準則,研究表明能量法可以更加有效地識別速度脈沖型地震動。以本次土耳其Mw7.8地震中2718臺站NS方向的地震動記錄為例,圖4給出了半脈沖振動區間和速度時程的關系。半脈沖指的是連續兩個零點之間的速度時程,每個速度半波的能量以兩個連續零點之間速度平方的時間積分來表示,則地震動的總能量可以表示為

(2)

式中:N為半脈沖的總數;ΔEk為第k個速度半脈沖的能量,計算公式如下

(3)

式中:v(t)為速度時間序列;t1k和t2k為第k個速度半脈沖的開始時間和結束時間。為了評價半脈沖的重要性和顯著性,第k個速度半脈沖的相對能量被定義為

Ek=ΔEk/E

(4)

將Ek≥0.1的半脈沖定義為顯著半脈沖。

根據脈沖型地震動的特征,將脈沖能表示為所有顯著半脈沖所含的能量之和,即

(5)

將所有地震動按照所含顯著半脈沖的個數分為不同的類別,包括類別0、類別1、類別2、類別3、類別4和類別5,分別代表地震動速度時程中無顯著半脈沖,含有1個,2個,3個,4個和至少5個顯著半脈沖。當地震動為類別0時則為非脈沖,表2給出了其余類別的臨界閾值,當地震動的EP大于相應的臨界閾值則判別為脈沖型。

表2 不同類別的臨界閾值

2.3 水平向和豎向脈沖識別結果

采用上述方法及準則對四次地震781組三分量加速度記錄的水平向和豎向分別進行識別。考慮到脈沖周期(Tp)定義的不同會影響Tp的計算[23],本文對識別出的脈沖型地震動記錄采用取速度反應譜峰值對應的周期作為Tp的方法[24]和峰點法[25]相結合確定Tp。表3和表4分別為豎向和水平向的識別結果及脈沖參數。

表3 豎向脈沖型地震動的識別結果

表4 水平向脈沖型地震動的識別結果

從表3和表4可以看出,水平向上識別出了45條速度脈沖記錄,其中有30條記錄來自于Mw7.8地震,5條記錄來自于Mw7.5地震,9條記錄來自于Mw6.7地震,剩余的1條記錄來自于Mw6.3地震。在豎向上識別出了17條速度脈沖記錄,其中14條來自于Mw7.8地震,1條記錄來自于Mw7.5地震,剩余的2條記錄來自于Mw6.3地震。脈沖記錄主要來自于第一次Mw7.8地震。其中豎向的17條速度脈沖記錄有12條記錄的所在臺站的水平向記錄上同樣也被歸類為速度脈沖,但3316臺站和4615臺站所獲得的Mw7.8地震動記錄在水平向被歸類為非速度脈沖,而在豎向被歸類為速度脈沖。水平方向上Tp主要分布在1～6 s之間,其中8002臺站獲得的Mw7.8地震的記錄的脈沖周期最大,為7.57 s。水平方向上PGV主要分布在30～120 cm/s之間,其中3138臺站獲得的Mw7.8地震的記錄的PGV最大,為231.30 cm/s。豎向Tp主要分布在1～4 s之間,其中3136臺站獲得的Mw7.8地震記錄的Tp最大,為5.86 s。豎向PGV主要分布在30～60 cm/s之間,其中3138臺站獲得的Mw7.8地震記錄的PGV最大,為83.59 cm/s。圖5為水平向和豎向部分臺站的速度脈沖記錄。

(a) 水平向速度脈沖記錄

3 速度脈沖幅值和周期特性

3.1 脈沖周期和震級的關系

脈沖型地震動通常可以用四個參數來準確描述[26]:脈沖周期(Tp)、脈沖幅值(Vp)、脈沖個數以及相位。由于目前脈沖個數和相位的確定的研究工作尚不充分,脈沖型地震動的主要的特性一般可以通過脈沖周期和脈沖幅值來表征[27]。由于17條豎向脈沖型地震動數量較少且關于豎向脈沖型地震動特性研究較少,缺乏相應模型比較,因此本文研究45組水平向脈沖型地震動和脈沖周期與矩震級的關系和脈沖幅值隨斷層距和矩震級的變化。

利用土耳其四次地震識別出的45條水平向速度脈沖型地震動記錄對脈沖周期和矩震級的關系進行統計分析,圖6給出了由45條水平向脈沖型記錄數據回歸得到的脈沖周期隨矩震級變化的關系曲線。本文統計回歸得到的脈沖周期隨矩震級變化的預測關系式為

圖6 本文回歸得到的速度脈沖周期隨震級的變化關系

lgTp=-2.139+0.338Mw

(6)

圖7將回歸得到的脈沖周期和震級的預測模型與Alavi和Krawinkler[24]、Somerville[10]、Mavroeidis和Papageorgiou[26]、Bray和Rodriguez-Marek[28]、趙國臣等[29]以及 Shahi和Baker[15]給出的經驗關系進行對比。由圖7可知,本文得到的預測模型與現有的預測模型存在明顯差異,在矩震級大于6.4時,相同矩震級下,本文模型給出的脈沖周期預測值均低于現有模型的脈沖周期預測值。在矩震級小于6.4時,本文模型給出的脈沖周期預測值僅僅只高于Somerville[10]模型在巖石場地下的預測值。本次土耳其地震的脈沖型地震動的脈沖周期較以往多數脈沖型地震動來說顯著偏低。

圖7 本文回歸得到的脈沖周期和震級的經驗關系與現有模型的比較

Cork等的研究表明對于震級較小(Mw<7.5)的地震,土壤場地的脈沖周期比巖石場地更長。隨著地震震級的增加,巖石和土壤場地的脈沖周期值趨于一致,這是因為震級較大的地震的波長大于30 m。因此在地表以下30 m的上部,將場地分為巖石或土壤,對震級較大地震的脈沖周期幾乎沒有影響。本文選用Shahi等模型選取的243條脈沖型地震動記錄(https://www.jackwbaker.com/pulse_classification_v2/Pulse-like-records.html)以及Bray等模型選取的54條脈沖型地震動記錄與本文選用的45條土耳其地區脈沖型地震動記錄對比分析場地條件對脈沖周期的影響。依據美國抗震設計規范[30]場地劃分規則,根據地表以下30 m深度范圍內的等效剪切波速(VS30)值進行分類,結果如圖8所示。

圖8 本文所采用的脈沖型地震動記錄與前人模型所用的脈沖型地震動記錄的場地分類情況

從圖8可以看出,本次土耳其脈沖型地震動記錄較選取的前人模型的脈沖型地震動記錄來看,場地條件整體偏硬,這可能是小震級下(Mw<7.5)導致脈沖周期偏小的原因。

另外脈沖周期與地震動記錄的頻率成分息息相關,前人模型中矩震級7.5級及以上的脈沖型地震動記錄絕大多數來自于1999年臺灣集集地震,其中Baker提供的脈沖型地震動記錄較其余模型的數據來說,最為全面。我們以Baker提供的脈沖型地震動記錄為例,對比本文采用的35條土耳其脈沖型地震動記錄(Mw≥7.5)和Baker提供的45條脈沖型地震動記錄數據庫(Mw≥7.5)的頻率成分。

由于脈沖型地震動記錄低頻成分較普通地震動低頻成分更豐富,希爾波特譜可以給出地震信號中其他方法可能遺漏的低頻能量[31]。因此這里我們使用希爾伯特能量譜去計算脈沖型地震動記錄低頻(小于0.3 Hz)頻段的能量與總能量的比率,低頻頻段截止頻率選0.3 Hz是因為前人預測模型在Mw≥7.5時的脈沖周期均大于3.33 s(對應頻率為0.3 Hz)。

圖9為本文選取土耳其地區脈沖型地震動記錄與Baker脈沖型地震動記錄的低頻成分能量占比。我們發現本文選取的土耳其地區脈沖型地震動記錄的低頻成分能量占比遠小于前人所用的脈沖型地震動記錄,這是導致大震級(Mw≥7.5)下本文模型顯著小于前人模型的主要原因。

圖9 土耳其地區脈沖型地震動記錄(Mw≥7.5)與Baker提供的脈沖型地震動記錄(Mw≥7.5)的低頻成分(小于0.3 Hz)能量占比

3.2 脈沖幅值與震級和斷層距的關系

PGV在時域內可以合理并準確地代表脈沖幅值,因此本文使用PGV來表示脈沖幅值。選取土耳其地震的45條脈沖記錄的脈沖幅值數據,圖10繪出了脈沖幅值隨震級和斷層距變化的分布,總體來看,矩震級相同時,脈沖幅值隨斷層距的增大而顯著減小。斷層距相近時,脈沖幅值隨矩震級增大而增大。統計回歸得到的脈沖周期隨震級和斷層距的預測關系式為

圖10 本文回歸得到的速度脈沖幅值隨震級和斷層距的變化關系

lgVp=2.056-0.032Mw-0.550lgRrup

(7)

圖11為文獻[23,28,32-33]提出的脈沖幅值的統計回歸模型,與本文計算出的土耳其脈沖型地震動的脈沖幅值和模型的比較。從圖11可以發現,本文模型明顯高于Bray等巖石場地上的預測值。矩震級相同的情況下,當斷層距小于25 km左右時,本文模型預測值與Bray等巖石場地模型預測值相近且大于其他模型預測值。隨著斷層距不斷變大(Rrup>25 km),本文模型小于Tang等土層場地與巖石場地模型預測值,隨著矩震級不斷減小,本文模型與Chen等走滑斷層的預測模型逐漸接近。

圖11 本文回歸得到的脈沖幅值隨震級和斷層距的經驗關系與現有模型的比較

4 結 論

基于能量法對土耳其地震序列的四次強震記錄在水平方向和豎向上進行脈沖型地震動的分類識別,研究了水平方向上震級對脈沖周期的影響,分析了震級、斷層距對脈沖周期和幅值的影響,揭示了土耳其四次地震的速度脈沖特點,研究表明:

(1) 對土耳其地震序列獲得的781組地震動記錄進行最大PGV方向上的旋轉后,利用能量法進行速度脈沖識別,發現土耳其地震序列中存在水平向和豎向的近斷層脈沖型地震動。

(2) 土耳其地震序列脈沖型地震動的速度脈沖具有周期短、幅值大的顯著特點。水平向和豎向速度脈沖周期主要分布在1～6 s和1～4 s之間,豎向速度脈沖周期總體上小于水平向,水平向和豎向速度脈沖周期最大值7.57 s和5.86 s分別出現在8002臺站和3136臺站在Mw7.8地震中獲得的地震動記錄中。水平向和豎向速度脈沖幅值主要分布在30～120 cm/s和30～60 cm/s,豎向速度脈沖幅值明顯小于水平向。在水平向和豎向3138臺站獲得的Mw7.8地震記錄的脈沖幅值均為最大,分別為231.30 cm/s和83.59 cm/s。

(3) 水平方向上速度脈沖的周期隨矩震級呈對數線性增大且相同矩震級情況下,土耳其地震序列脈沖型地震動的脈沖周期明顯小于現有模型的預測值。脈沖幅值隨斷層距的增加存在明顯衰減的趨勢,當斷層距小于25 km時,脈沖幅值普遍高于現有模型預測值。

致謝

感謝土耳其災害和應急管理局 (Disaster, and Emergency Management Presidency, www.afad.gov.tr) 提供的地震動數據和美國地質調查局(United States Geological Survey, https://earthquake.usgs.gov/)提供的震源機制信息。