日本M W 9.0强震动观测与记录初步分析＊

温瑞智 周宝峰 史大成 任叶飞

(中国地震局工程力学研究所强震动台网中心,哈尔滨 150080)

日本MW9.0强震动观测与记录初步分析＊

温瑞智 周宝峰 史大成 任叶飞

(中国地震局工程力学研究所强震动台网中心,哈尔滨 150080)

2011年3月11日日本东太平洋海域发生MW9.0级地震,造成了严重的灾害损失,地震诱发了海啸,海啸灾害最终导致核泄漏事件。本文初步收集整理了日本强震动观测网获得的强震动记录,简要进行强震动记录的特征分析,并完成典型记录的频谱特征计算,为进一步开展全面深入研究地震动特征提供参考。

日本MW9.0地震;强震动记录;衰减;反应谱

引言

日本当地时间2011年3月11日14时46分(北京时间13时46分),日本本州岛东外海发生大规模地震。日本气象厅(JMA)将此次地震定名为“平成23年(2011年)东北地方太平洋冲地震”(The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake)。地震规模达到MW9.0,震中位于北纬38.1°、东经142.9°,震源深度为24 km[1-2]。地震引发了海啸,福岛核电厂的应急供电系统遭到海啸袭击被损毁,并导致核泄漏事故。

日本的强震观测台网密集,本次大地震获得了大量的主震和余震强震动数据,为强地面运动特征的分析和研究提供了丰富的资料。本文初步收集整理了主要强震动台网数据,简要分析了该次地震强震动的特点。

1 日本强震观测台网

1995年阪神淡路大地震后,日本通过了《地震防灾对策特别措置法》,开始建设全国范围内的地震观测台网,与此同时全国范围的强震观测台网建设得到了迅速推进。目前,日本气象厅是全国唯一官方进行地震信息发布的机构,在东京的气象厅总部设有“地震海啸监视系统”,同时负责205个地震台和600个烈度计的日本烈度速报台网。日本防灾技术研究所(N IED)负责全国的强震和测震台网管理。K-NET由1028个强震台组成,平均台间距20 km左右,为自由地表台,观测仪器由KNET95强震仪以及后期全部更新的K-NET02/02A仪器组成。KiKNET是为研究地下强震动传到地表的变化而建设的井下强震观测系统,由700个观测点组成,目前使用KiK-NET06仪器。另外,Hi-NET由864个高灵敏度测震台站组成,主要用于确定局部地区震源位置以及发震机制。F-NET由83个宽频带地震台组成,用于监测大地震发生的前震。

日本建筑研究所(BRI)管辖3个强震动台网,即分布全国范围内的47个台站组成的台网,11个台站组成的仙台密集台阵和10个台站组成的东京大城市地区台阵。其它一些组织机构如土木研究所(PWRI)、东京大学地震研究所(ERI)、港湾空港技术研究所(PHRI)以及若干私营公司,如东京煤气公司等,也均开展了强震观测工作。

本次地震K-NET和KiK-NET获得大量的强震动观测数据,且可以通过N IED的主页网上公开下载,本文主要收集整理了K-NET公布的273组数据和KiK-NET公布的73组数据,分布特征见图1[3-4]。BRI也在地震后公布了若干强震动记录,但其强震观测主要服务于结构监测,非针对自由地表,观测方位角不统一,因此本文未采用。

图1 本文采用的K-NET和KiK-NET台站分布

从NIED下载的记录可以看出,位于MYG004台站NS方向记录的峰值为2699 gal,为本次地震最大峰值加速度值,同样其竖向地震动峰值1879 gal也为最大,其积分计算的速度最大值超过100 cm/s,三向合成地震动峰值达2933 gal,JMA烈度达到6.6,成为日本历史上为数不多的高烈度记录之一,如图2所示。其次,MYG012台站EW方向为1969 gal,三向合成地震动峰值达2019 gal,JMA烈度达到6.0[3]。

在1940年5月18日美国Imperial Valley地震中获得的ElCentro记录,东西向最大加速度值0.33 g,该值一直持续了20年后才被超越。关于本次地震产生的高峰值强震记录除了由于本次地震震级较大原因之外,还要得益于K-NET和KiK-NET安装的±4 G的高分辨率强震动观测仪器。2008年的平成20年岩手宫城内陆地震中KiKNET的A KTH04在地表的东西向获得的最大峰值为2.50 g,IW TH25的竖向地震动最大峰值为3.94 g[5]。

近期的一些特大地震记录中还常常表现出多次破裂过程。图2中可以清晰地看出本次地震的2次破裂过程,与N IED震源机制解以及破裂过程的解析相吻合[2]。这与2008年我国汶川地震中的卧龙记录有相似之处,如图3所示[6]。2010年2月27日智利8.8级地震中获得较大的强震记录,如图4所示,在20 s附近为2次破裂的分界点,同时位于震中北部地区的一些峰值较小的记录则有明显的2次破裂特征[7]。

2 强震动记录特征分析

图3 2008年5月12日汶川M 8.0级地震卧龙台站记录

图4 2010年2月27日智利M 8.8级地震CCSP台站记录

本次地震发生后,日本和美国科研机构迅速推断主震震源机制解,确认地震为太平洋板块向西俯冲到欧亚板块的巨型低角度逆断层,发震断层走向195°,倾向西15°。本文采用美国地质调查局公布的破裂范围来计算断层距[8],断层距定义为距离图1中断层面最短距离,并通过地理信息系统Map Info工具实现震中距和断层距的计算。强震动记录数据处理程序采用了David Boore的TSPP程序[9]。

图5为K-NET和KiK-NET的原始记录的峰值随断层距变化的关系,可以明显看出近场加速度峰值在小于40 km时有趋于平稳的趋势,在中场和远场地震动离散性较小,指数衰减现象明显。图中曲线为Kanno等(2006)水平向加速度峰值衰减公式[10]:

图5 峰值加速度与断层距

其中A H为计算的基岩场地水平向PGA,单位为cm/s2,R为到断层面最短距离,单位为km,H为震源深度。本文将其推广计算MW9.0地震,考虑上述回归公式(1)所采用的数据的局限性和本文断层距的计算方法的不确定性,以及所有数据没有考虑场地条件等因素,该衰减关系仅供数据对比参考。

A rias在进行地震动强度研究时提出了地震强度指标,称之为A rias强度[11]:

其中,a(t)为强震动记录时程,T d为持续时间。本文依据上述公式计算了水平向A rias强度,取两个正交水平向NS和EW的算术平均值:

INS为NS方向的A rias强度,IEW为EW方向的A rias强度。图6为本次地震A rias强度与断层距的关系,图中曲线为Travasarou等统计的在D类场地下A rias强度衰减关系[12]。同样,由于Travasarou等的衰减关系适用范围为4.7≤MW≤7.6,以及0.1 km≤断层距≤250 km,以上曲线仅供参考。鉴于A rias强度与地震的结构破坏、地震滑坡等灾害在空间上表现出非常好的相关性,可为震害分析提供有益信息。

根据A rias强度,定义90%能量持时作为强震记录有效持时:其中,T0.95和T0.05分别为95%和5%强震记录总持时的A rias强度对应时刻。从图7中可以看出,本次有效持时在200 km至330 km之间达到最大,同时应注意到在此范围内具有近似相同震中距的台站表现出明显差异,如台站A KT005与IBR013台站的震中距分别为290 km和292 km,但有效持时为164 s和38 s。YM T004与IBR003震中距分别为244 km和245 km,持时为146 s和30 s。震中距为487 km的GIF004台站的有效持时仅为6 s。其持时大小差异性应该结合地震破裂过程,结合台站的空间分布以及场地条件合理解释。

图6 Arias强度与断层距

图7 有效持时与震中距

图8给出了KiK-NET自由地表台站和井下台站峰值加速度比值随震中距的变化情况,可以看出地表的地震动峰值被明显放大,且随着震中距的增加似有减小的趋势。合理的峰值比值分析应进一步结合观测井的深度、岩性条件等多方面因素。

本文另选距离发生核泄漏的福岛第一核电站较近的台站FKSH19的NS向记录分析。从图9中可以看出地表的强震动相比井下记录明显放大。从图10反应谱也可以看出小于0.6 s的成分放大明显,对于大于0.6 s的成分放大较小,两者基本趋于一致,这样也导致了通过积分得到的位移时程的相似性较高。

图8 地表和井下峰值加速度比值与震中距

图9 FKSH19台站地表和井下NS向记录加速度时程

图10 FKSH19台站地表和井下NS向加速度记录反应谱

3 典型记录频谱分析

为了比较震动传播过程和分析衰减特征,本文选取M YG002、M YG003、M YG004、M YG005、YM T017、YM T016、YM T003和YM T004共计8个台站记录,其所在的空间位置基本位于垂直于地震破裂面的一条直线上。根据各个台的南北向和东西向分量计算出垂直于断层破裂面(FN)和平行断层破裂面(FP)的分量,见表1。

表1 各台站FN和FP方向的峰值加速度

以距震中最近的M YG002台的记录开始时间作为统一初始时刻,绘制各记录加速度时程图,如图11和图12。从图中可以看出,M YG002、M YG003、M YG004和M YG005的记录中包含二次破裂过程,平行于断层破裂方向的加速度峰值最大达到2733 gal。随着震中距的增加,强震记录峰值衰减较快,当震中距超过100 km时,二次破裂波形越来越不显著。观察其反应谱,如图13、14,可以看出对于断层距小于100 km的M YG002、M YG003、M YG004和M YG005在无论是FP还是FN小于0.5 s的高频段谱值均放大明显,且1 s至4 s之间又有增大趋势。对于YM T003台站,覆盖层20 m以内的平均剪切波速为320 m/s左右,与其它几个台站相比剪切波速较小,在0.5 s到2 s之间的频段有明显的放大作用。

4 结论

本文对日本MW9.0地震的强震记录进行了初步处理与分析,处理的强震动数据可以为进一步的深入研究使用。有关强震动的特征,如方向性效应、上下盘效应、局部场地效应、速度脉冲等需要建立在对强震动数据的理解与分析之上进一步完善。

图11 平行于断层方向记录加速度时程

图12 垂直于断层方向记录加速度时程

图13 平行于断层方向加速度反应谱

我国强震动观测在经历了2008年的汶川地震的考验之后[13],已经正在逐步走向成熟,日本大地震给我们提供一次反思的良机,无论是从强震台站的管理,到强震数据的处理、发布,以及大震后的强震动资料的快速分析,希望能以此为鉴,总结我国强震观测中的不足,扩展强震观测技术的应用范围,推动我国强震动观测的发展。

图14 垂直于断层方向加速度反应谱

[1] http:∥www.jma.go.jp/jma/en/2011_Earthquake.htm l

[2] http:∥outreach.eri.u-tokyo.ac.jp/eqvolc/201103_tohoku/

[3] http:∥www.k-net.bosai.go.jp/

[4] http:∥www.kik.bosai.go.jp/

[5] Strasser F,Bomme J.Review:Strong ground motions—Have we seen the wo rst?Bulletin of the Seismological Society of America,2009,99(5):2613-2637

[6] 中国地震局震害防御司.汶川8.0级地震未校正加速度记录.北京:地震出版社,2008

[7] Boroschek R,Soto P,Leon R.Repo rt Maule Region Earthquake February 27,2010 MW=8.8,University of Chile,2010

[8] http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/recenteqsww/Quakes/usc0001xgp.php

[9] Boo re D.TSPP——A Collection of FORTRAN Program s fo r Processing and M anipulating Time Series,U.S.Geological Survey Open-File Report 2008-1111,2008

[10] Kanno T,et al.A new attenuation relation fo r strong ground motion in Japan based on recorded data.Bulletin of the Seismological Society of America,2006,96(3):879-897

[11] A rias A.A Measure of Earthquake Intensity:Seismic Design for Nuclear Power Plants.Cambridge,Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology Press,1970

[12] Travasarou T,Bray J,Abraham son N.Empirical attenuation relationship fo r A rias Intensity.Earthquake Engineering&Structural Dynamics 2003,32(7):1133-1155

[13] 卢大伟,李小军.中国大陆强震动观测发展研究.国际地震动态,2010(10):35-42

The strong ground motion observation and data analysis for off the Pacific coast of Tohoku earthquake MW9.0

Wen Ruizhi,Zhou Baofeng,ShiDacheng,Ren Yefei
(Insititute of Engineering M echanics,CEA,Harbin 150080,China)

The 9.0-magnitude undersea mega-thrust earthquake off the coast of Japan occurred at 14:46 JST on March 11,2011.The earthquake caused the great casualty and p roperty loss,it also triggered extremely destructive tsunami,w hich later led to the worst nuclear catastrophe.In this paper,the strong ground motion observation network in Japan is briefly introduced and the strong motion data are p reliminarily p rocessed and some statistical characteristics for those data are given and typical response spectrum is calculated.All those processed data could serve the further research.

off the Pacific coast of Tohoku earthquake;strong ground motion attenuation;response spectrum

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.04.005

2011-04-08;

2011-04-11。

中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项(2010C01)、国家科技支撑计划项目(2009BA K55B05)、公益性行业科研专项(201108003)资助。

(作者电子信箱,温瑞智:ruizhi@iem.net.cn)