近海域地震动的时频特征与工程特性

陈 苏， 周 越， 李小军,2， 傅 磊

(1.中国地震局地球物理研究所，北京 100081； 2.北京工业大学 建工学院，北京 100124)

随着我国沿海经济的持续、快速发展以及近年来“21世纪海上丝绸之路”构想的提出，在海域及滨海地区大量近海交通工程以及海洋工程的规划和建设步入高潮。我国海域已有100余座石油平台设施，东海跨海大桥、杭州湾跨海大桥以及港珠澳大桥等重大近海工程建设并投入使用。然而我国位处太平洋地震带以及地中海-喜马拉雅地震带之间，海域地区的地质构造活动非常活跃。我国海域地震往往发生于近海，比如渤海海域和南黄海海域强震集中且频度高；泉州、南澳以及琼州海域的地震呈现出强度高频度低的特征[1-2]。近海工程遭受强震破坏是重要的工程问题，一旦发生破坏修复难度大，费用高，如1989 年Loma Prieta地震中 San Francisco-Oakland海湾大桥发生落梁破坏现象[3]，1995年Kobe地震中两个人工岛发生液化[4]。我国海洋战略的实施和南海开发与工程建设的重大需求必然面临着海域潜在地震的巨大威胁，保证相应工程结构地震安全已经成为社会和经济发展的迫切需求。近海域地震动的时频特征及工程特性研究是设计地震动确定的关键问题，也是近海与海洋工程结构抗震安全性评价的基础性工作。

美国和日本是世界上已较为系统开展近海强震动观测的国家，针对美国加州SEMS近海强震动记录数据，Hommert和Sleefe等[5-6]指出竖向峰值加速度较相同震中距陆地地震动小，水平向峰值加速度则与相同震中距陆地地震动的相当。Boore等[7]得出海水对水平向地震动强度影响较小，竖向地震动短周期部分平均值较相应水平向小的结论。Smith等[8]认为一些近海强震动强度竖向衰减要比相似条件下陆地竖向地震动的衰减快很多。日本学者主要集中于通过数值模拟研究海水对地震动特性的影响。Hatayama[9]指出海水对瑞利波的传播影响显著，海水越深，能够影响的瑞利波波长越长；Nakamura等[10]的研究结果表明海水和海底地形会影响近海海底台站以及陆地台站接收到的地震波形。我国胡进军等[11]总结了全球现有近海海域海底地震观测系统的发展进程与相应强震动记录的研究现状，周越等[12]运用小波方法分析了近海场地地震动记录特性，Chen等[13-14]讨论了海底地震动的弹塑性反应谱以及等延性强度折减系数谱。目前针对近海域地震动的研究工作多集中于在对地震波动理论分析的背景下结合数值模拟技术，利用有限的近海强震动记录，进行近海地震动的模拟，研究海水、海底软弱土层以及深海地形等因素对近海场地地震波的影响。而近海域地震动记录本身作为一种非平稳和时变信号，受到了近海复杂的地震地质和工程地质环境的耦合影响，其地震动特性中蕴含有相应的工程特征信息和传播规律。考虑到我国尚未对近海以及海洋工程制定专门的抗震设计规范，相应的工程抗震设计多参照陆域或国外的相关规定。本文期望通过对近海场地震动工程特性的分析，为近海与海洋工程的抗震设计地震动参数确定与海域地震区划提供依据。

1 近海强地震动观测及数据分析

1.1 近海强地震动观测

美国是世界上最早部署近海域海底强震动仪的国家，其初衷是为了研究海底地震动特性进而为海洋石油以及钻井平台的抗震设计服务。20世纪70年代，美国设立了海底地震监测系统(Seafloor Earthquake Measurement System SEMS)计划，主要是研制海底强震动仪并将其部署在南加州近海域石油平台附近海底，目前在运行的是第四代SEMS。海底强震仪所在海水深度多为50～200 m，部署于典型浅海工程场址，其积累的数据可直接用于相应工程的抗震设计，同时也可为我国近海工程地震反应研究提供参考。日本为了实时监测相模湾海底及附近区域的地震活动和海啸的相关情况，于 1996 年在东京都市圈南部的相模湾海底俯冲带部署了地震海啸监测系统(Earthquake and Tsunami Monitoring Cablc,ETMC)，包括 6 台强震动仪、6 台地震仪和 3 台海啸压力传感器[15]。6台强震动仪编号分别为：KNG201-KNG 206，布设于水深为900 m到2 300 m的海底。美国及日本强震动台站具体布设位置及场地水深参见图1。鉴于目前我国仅台湾地区建有一个海底强震动观测台，大陆地区近海域还未布设强震动仪。本文所使用到的近海域强震动数据筛选自SEMS和ETMC强震动观测系统，如图2所示。表1列出了所采用的2003～2014年间的8次不同地震事件的详细信息。

(a) 美国SEMS台站及场地水深分布

(b) 日本近海域场地强震观测系统及水深分布图1 美国及日本近海域场地强震观测系统及水深分布(m)Fig.1 The offshore strong earthquake observationsystem andits depth in USA and Japan (m)

图2 近海域地震动数据筛选与预处理Fig.2 Offshore site ground motion data screening and pretreatment

基本信息日期时间纬度经度震级震源深度/kmPGA/galKNG2012014/02/1104:14:0034.193N140.163EMs 5.391151.577KNG2022006/10/1406:38:0034.893N140.303EMs 5.164229.218KNG2032006/04/2102:50:0034.940N139.195EMs 5.8784.955KNG2042006/05/0218:24:0034.917N139.330EMs 5.115101.279KNG2052012/07/0311:31:0035.000N139.870EMs 5.288155.703KNG2062007/10/0102:21:0035.225N139.118EMs 4.914203.176CGS259022008/07/2911:42:1533.95N117.77EMw5.41599CGS269032003/12/2211:15:5635.71N121.10EML 6.512639

1.2 近海域强震动仪布设场地条件

鉴于SEMS与ETMC均没有提供海底台站的具体场地条件，只提到强震动仪是嵌入至海底几米至几十米深度处。通过查找有限的文献资料，类比相关或者同类场地及地质信息推测强震动仪所在位置的场地条件。

Boore根据陆地强震动台站的场地资料以及钻孔数据推测SEMS近海台站所在的加利福尼亚南部海域剪切波速Vs30约为220 m/s左右。鉴于中国与日本位于亚洲大陆东部、太平洋西缘，同属环太平洋大陆边缘的沟-弧-盆体系，地质构架类似，近些年我国在渤海海域石油平台场址地震安评工作中积累的相应场地不同埋深、岩性的土动力学参数结果，可类比日本近海海底场地特性。中国渤海海域第四纪地层主要包括粉质黏土、粉砂质细砂、粉砂、砂质粉砂、淤泥质细砂、粉土(黏质粉砂)6类，推测该场地平均剪切波速建议值为220～280 m/s[16]。ETMC台站多布设于由砂土、小型鹅卵石、碎石覆盖的场地处，考虑到其周围陆地台站场地类型多为二类或者三类，而近海海底一般都覆盖有深厚的淤泥质土与软土沉积层，推断ETMC系统所在场地的平均剪切波速应小于附近陆域场地平均剪切波速，参考渤海海域的场地剪切波速值，其平均值约为250 m/s。表明加州SEMS和日本ETMC观测系统台站所在具体场地条件类似。

2 近海强地震动时频特征及工程特性

2.1 希尔伯特黄变换分析方法简介

希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT) 时频分析方法本质上是将原始信号从由高频到低频逐步筛选一系列固有模态函数，每个模态函数具有不同的频率分辨率，包含了原始信号不同尺度的局部特征信息，进而计算出信号的瞬时频率，瞬时振幅等瞬时属性，得到信号的Hilbert谱。这一方法体系主要包括两部分内容，第一部分为经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)，第二部分为Hilbert谱分析[17]，具体流程图如图3所示。

基于边际谱的信号分析处理方法目前已成功应用在故障诊断、语音分析以及生物信号处理等领域[18]。信号的希尔伯特边际谱是由希尔伯特谱对时间积分得到，可以理解为边际谱中固定频率f处的值是由希尔伯特谱中该频率所对应所有时刻的幅值之和，即信号持时内频率f处所含总能量。本文通过对近海强地震动数据进行HHT边际谱分析，提取其能量分布特征。

图3 HHT算法流程图Fig.3 Flow diagram of HHT algorithm

2.2 近海场地地震动时频特性分析

本文利用HHT方法进行时频分析使用的数据来自加州CGS25902台站收集到的ChinoHills地震动记录、CGS26903台站收集到的SanSimeon地震动记录以及日本KNG 2020610140638台站记录。图4给出了利用HHT方法得到的三次地震动记录的时频分析结果。图4表明，ChinoHills以及SanSimeon地震事件水平向和竖向能量主要集中于0～4 Hz频率段内，低频以及超低频成分较为丰富，能量高值主要集中在0～2 Hz频段内，与边际谱特征表现一致；KNG 2020610140638台站记录能量在频域分布范围相对更宽，水平向能量在0～5 Hz和5～10 Hz频率段均匀分布，相较于其余近海域地震动，在20 Hz的高频段内亦有明显的竖向能量成分；地震动水平向能量强度普遍高于竖向三倍左右。

为了突出边际谱的概率意义，将地震动边际谱进行归一化处理，具体结果如图5所示。图5中边际谱结果更为直观表现出了近海场地地震动记录中低频乃至超低频成分能量比重高的特性，并可观察到SanSimeon地震动水平向和竖向边际谱曲线相似，呈现类似于脉冲式分布的特征；能量比高值聚焦于0～2 Hz内，于0.3 Hz处达到极大值，此峰值是其余地震动边际谱峰值的2倍以上，而超过2 Hz的高频段能量几乎可以忽略不计。通过对SEMS Ⅳ计划采集到的另外4条地震动加速度记录进行相同的处理，发现Parkfield、Calexico地震动边际谱都有与SanSimeon地震类似的结果，这三次地震的震中距较大，分别为126 km，137.4 km，443 km；震中距为49.4 km的Islavista地震事件的边际谱特征与本文选取的震中距50 km范围内KNG201-206地震动边际谱结果类似。鉴于前文得出的SEMS和ETMC的布设台站的具体场地情况类似的结论，推测近场范围内震中距对地震动频率能量的分布特征具有一定影响。

图4 近海域地震动希尔伯特-黄变换时频特征图Fig.4 Hilbert-Huang transform time-frequency feature of offshore site ground motion

在时域范围内，本文所采用的日本地区近海域地震动普遍在20～40 s将主要能量释放完毕，加州地震动能量释放过程在整个地震动持续时间内较日本更为均匀，在持时末端依旧会有相当量级的地震动作用。在时频图中可观察到地震动能量随着频率的降低在整个地震动持时内趋于丰富，也表明近海域地震动中含有大量长周期成分。

为了直观体现长周期段能量在频域的分布情况，图6统计了0～4 Hz、0～2 Hz、0～1 Hz各频段能量占地震动整体能量的比例。可观察到水平向地震动中，0～4 Hz范围内能量比普遍在60%以上，部分达到了90%。0～2 Hz频段能量占总能量的40%以上，ChinoHills以及SanSimeon地震事件中该频率段能量占总能量的70%及以上，0～1 Hz频段能量在总能量中比例也普遍达到了20%。竖向地震动中，0～4 Hz频率段的能量比例较水平向的稍低，但0～2 Hz及0～1 Hz低频范围内能量比例普遍高于水平向，直观表明近海场地地震动能量分布于低频段的特征。

考虑到近海场地的工程地质条件中多有含水饱和软弱土层以及淤泥质粘土，会对地震动高频部分产生强抑制作用而对低频部分有放大作用，且目前大量兴建的海洋石油平台、跨海隧道和桥梁工程的主体结构均具有自振周期较长的特点，例如江阴长江公路大桥第一自振周期为19.6 s(主跨1 385 m)，虎门大桥第一自振周期为11 s(主跨888 m)，杨浦大桥第一自振周期12.8 s(主跨602 m)，日本茨城县鹿岛基地的地上式油罐晃动周期为13.2 s，地下油罐(35.3万千升) 晃动周期也长达10.6 s及部分海洋石油平台的自振周期达到10 s以上[19]。因此，近海及跨海工程抗震设防应关注地震动的长周期特性影响，特别是远场大震引起的深厚软土层上的地震动对结构反应的控制性作用。

图5 近海域地震动边际谱特征Fig.5 Offshore ground motion’s spectrum feature

图6 边际谱能量分布特征Fig.6 Spectrum energy distribution feature

2.3 近海域地震动工程特性

针对目前兴建较多的海洋石油平台，近海桥梁等重大近海工程，本文收集了较为常用的抗震设防标准，包括GB17503—1998《海上平台场址工程地质勘查规范》，美国石油协会API RP2A-WSD以及石油、天然气及化工工程的行业标准等，规范列表见表2。

表2 现行工程结构抗震设防标准Tab.2 Current standards for seismic fortification of engineering structures

下文中选择行业标准《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ116—2011)、国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(见表3)以及地震安全性评价工作确定的渤海某油田的场地地震动参数[21]进行具体分析。

图7给出了近海域地震动记录反应谱动力系数β谱与规范标准反应谱及锦州渤海海洋石油平台(JZ25-1WHPC平台)场地地震动反应谱的β谱对比结果。可以看到，近海域地震动的动力放大系数β谱的峰值远远超过目前常用抗震设计规范所规定平台值，最大可达到5.36。这说明我国常用抗震规范动力放大系数β值的取值2.25严重偏低、存在很大的风险，而美国、欧洲、新西兰、台湾等地震多发区多采用2.5。即使渤海海洋石油平台场地参数采用βmax=2.5，其设计谱值也远小于近海域地震动的β值。

图8给出了近海域地震动记录反应谱与锦州渤海海洋石油平台(JZ25-1WHPC平台)场地地震动反应谱，以及与已给定峰值加速度标定的规范设计反应谱的对比结果。分析中，锦州渤海海洋石油平台(JZ25-1WHPC平台)场地对应于地震重现期200年、1000年以及50年超越概率2%的地震动峰值加速度分别取值为0.07 g、0.13 g，0.18 g。而在利用《城市桥梁抗震设计规范》和《建筑抗震设计规范》的标准设计反应谱方面，设计基本地震加速度根据渤海海域地震动参数区划图[22]取0.15 g和0.20 g。由图8可知，对于本文分析的中强震(震级4.9～6.5，见表1)，渤海海洋石油平台，即便采取50年超越概率2%(水平设计基本加速度为0.18 g)的抗震设防水准，仍有2条近海域地震动反应谱峰值超过了场地反应谱平台值；而采用《城市桥梁抗震设计规范》及《建筑抗震设计规范》标准谱以0.20 g作为水平地震加速度标定的地震动反应谱，基本上可以包络本文选取的加州、日本地区的近海域地震动反应谱，而以PGA=0.15 g地震动输入的反应谱，仍有1条近海域地震动反应谱峰值超过了场地反应谱平台值。表明采用这两类规范谱进行近海工程地震动设计，需要考虑采用足够大的设计地震动峰值加速度，才能在中强震(震级4.9～6.5)环境下获得对工程的抗震设计安全保障。

表3 选用抗震设计规范Tab.3 The selected seismic design specifications

图7 不同抗震规范设计动力放大系数谱Fig.7 Dynamic amplification factor spectrum in different seismic standards

图8 不同抗震规范设计反应谱Fig.8 Design spectra in different seismic standards

以上分析表明，与近海域地震动记录反应谱相比，已有海域工程场地地震安全性评价结果的场地地震动反应谱和现行规范的标准反应谱在中长周期部分均存在偏低甚至严重偏小的情况。由于设计规范谱下降段控制着地震动长周期段的谱值，而近海域地震动具有丰富的长周期成份且该频段内所占能量较高。因此，在近海及海洋工程抗震设计中需要更加关注设计地震动参数给出的中长周期、长周期段特性，提高抗震设计的安全性标准。

3 结 语

本文采用HHT方法提取收集到的近海域地震动时频分布特性，分析近海域地震动反应谱，并与我国相关抗震设计规范进行对比。希望通过对有限的近海场地地震动记录研究，为近海以及海洋工程结构和设施的设计地震动参数提供参考。得到的结论如下：

(1)对有限的近海场地强地震动记录采用HHT方法进行时频分析，结果表明强震动记录中含有大量长周期成分，能量主要集中于长周期与超长周期段内(0.5 s以上)；震中距对地震动频域能量分布特征具有一定影响；竖向分量强度明显小于水平向，加州近海域地震动在整个地震持续时间内的能量释放过程较日本更为均匀。

(2)根据本文选取的近海强震记录研究、对比了近海域地震动动力放大系数与常用抗震设计规范标准，表明近海域地震动动力放大系数β值远超目前常用抗震设计规范所规定平台值。针对近海工程，采用现有陆域设计地震动参数存在一定地危险性，针对近海域复杂地震地质情况下地震动特征需要进行专门系统性的研究。

4 讨论与展望

近年来，抗震设计中对地震动长周期成分关注不断增加，建筑抗震设计规范反应谱的周期上限从1989年的3 s延长到现在的6 s。同时相关研究表明地震动峰值加速度主要反映地震动的高频特征，峰值速度与地震动中频特性相关，峰值位移与地震动的长周期部分有关。有学者提出使用宽频带地震记录研究长周期地震动的方法[23]。因此，在相应的近海与海洋工程地震问题中是否需要考虑地震动的宽频带特征有待进一步研究、探讨。

鉴于《建筑抗震设计规范》及《城市桥梁抗震设计规范》其设计地震动参数主要是依据内陆的地震危险性分析统计得到，但不同抗震设防规范谱考虑不同地震动特征得到的设计地震动参数会具有较大的差异性。目前我国近海与海洋工程抗震设防多参照陆地地震危险性资料，而近海地震动与陆域地震动不论是在震源机制、传播介质还是场地条件等影响因素上均有很大的不同。采用不同设计地震动参数得到的反应谱与实际地震动反应谱的结果表明，单纯套用内陆工程场地抗震设计规范可能会导致对地震动强度的误判，因此需要进一步开展对近海域地震动记录的收集与分析工作，为开展近海与海洋工程的抗震标准工作积累基础资料。