应用邻近强震动站点主余震记录的场地及地形效应分析

张世亮,马 强,陶冬旺,钱 亮,李继龙,解全才

(1.中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室,哈尔滨 150080;2.地震灾害防治应急管理部重点实验室,哈尔滨 150080)

2022年01月08日1时45分,青海省海北藏族自治州门源县发生MS6.9级地震,震中位于101.26°E,37.77°N,震源深度为10 km。此次地震,正在建设中的国家地震烈度速报与预警工程在青海省和甘肃省境内配备地震烈度仪的一般站和配备强震仪的基本站获取了较多的强震动加速度记录,一般站为简易观测站点,无场地条件等基础资料。震中100 km范围内有79个一般站和一个基本站获取记录。其中,距离震中约7.8 km的QH.C0028一般站观测到了本次地震加速度记录最大值,仪器地震烈度为8.2。通过分析各台站记录到的加速度值及仪器烈度,发现台间距约5.5 km,震中方位角接近,震中距分别为84.5 km,90.0 km的GS.H0015,GS.H0022两个一般站记录到的地面峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)及仪器地震烈度值存在较大差异,其中地震动竖直分量PGA相差超过8倍,水平分量PGA相差3倍～6倍。此外,GS.H0015站与震中距(约50.7 km)较小的配备强震仪的62HUC站震中方位角接近,但距离震中更远的GS.H0015站观测到的PGA却是62HUC站的2倍～3倍。地震过程中,地震动的空间分布往往受到局部地震动异常点的影响,针对此类地震动异常现象的深入分析有利于加深对地震动特征及其影响因素的认识,特别是对不具备场地勘探资料的一般站。

地震动的分布除和震级大小有关外,还与震源特性、地震波的传播路径、场地条件等因素密切相关。地震发生后,从震源传播至地表的地震波会改变场地土层的工程特性,如在强震动作用下场地会产生非线性现象,与此同时,地震行波的频率和幅值成份也会因场地效应而发生改变[1]。场地条件是导致严重震害的众多因素之一,它往往影响着地震破坏的空间分布情况[2],也是地震波在地表放大的重要原因,因此,场地效应和强震动作用下的场地非线性效应一直是研究的热点。

工程界常用的场地特征估计方法主要是通过钻孔勘探的手段得到基岩上覆盖土层厚度和各土层的剪切波速,进而得到场地卓越周期等特性,然而钻孔方法经济成本较高并且在某些特殊场地施工难度较大。近年来,利用谱比法(horizontal-to-vertical spectra ratio,HVSR)来刻画工程场地特性是工程地震领域的热点问题,该方法最早由日本学者Nakamura提出[3],最开始是使用地脉动数据的水平与垂直分量的傅里叶幅值谱谱比来估计场地卓越周期等场地特征,Yamazaki等[4]将其推广应用于地震动记录,其在场地分类[5-6]、场地效应[7]、场地卓越频率的估计[8-11]及场地非线性反应识别等方面得到较为广泛应用[12-19]。

鉴于在同次地震下,在震源相同、路径类似的条件下,两站点观测到的地震动强度却存在明显差异,本文从地震动特征及两站点场地土层效应和地形效应的角度出发,应用观测到的主余震强震动记录,使用谱比法分析该现象出现的原因。

1 数据处理及分析

本次地震震中100 km范围内观测站点及PGA的空间分布情况如图1所示,地震动异常台站GS.H0015及其邻近站点位置信息及地震动参数值如表1所示。

GS.H0015与GS.H0022 两一般站布设在甘肃省武威市凉州区,该区位于河西走廊东端,祁连山北麓,地势复杂,呈西南高东北低。图2为两站点空间相对位置及周边地形图,在两站点之间有座“西营水库”,GS.H0015站位于水库上游一山坡处,高程约为2 098 m,为了满足其电力及数据传输需求,安装在一电信铁塔旁边,而GS.H0022站位于距离水库约2.8 km的下游一村卫生社旁边,高程约为1 964 m,两站点中GS.H0015站距离水库更近。

应用到了GS.H0015与GS.H0022一般站观测到的01月08日MS6.9级主震记录及01月12日的MS4.8级余震记录,此外,应用其他3次余震记录来对比分析GS.H0015站在主震下可能发生的非线性反应。所选数据的详细信息如表2所示。

在进行数据处理时,首先通过从整个记录中减去整体平均值的方式来对加速度记录进行基线校正[20],然后采用4阶巴特沃斯滤波器对地震动记录进行带通滤波,滤波范围为0.1～25.0 Hz[21],再通过傅里叶变换得到傅里叶幅值谱(Fourier amplitude spectrum,FAS),在进行谱比计算之前,使用1.0 Hz的Parzen窗函数对FAS进行平滑。图3为两台站观测到的门源MS6.9级与MS4.8级地震的加速度记录及其对应的未经平滑的傅里叶幅值谱。

(a) GS.H0015站

图3(a)和图3(b)分别为两一般站观测到的MS6.9级地震加速度记录及对应的傅里叶幅值谱,图4(a)比较了两台站记录到的加速度EW分量的幅值谱,从图4(a)可以看出,GS.H0022站地震动的低频段幅值明显高于高频段幅值,在0.1～2.0 Hz频段,两站点观测到的加速度记录对应的傅里叶幅值谱很接近,幅值最大值约为20 cm/s,但GS.H0015站地震动的幅值谱在2～10 Hz频段远高于GS.H0022站,幅值最大值达到80 cm/s。

(a)

图3(c)和图3(d)分别为两一般站观测到的MS4.8级地震加速度记录及对应的傅里叶幅值谱,图4(b)中比较了两台站记录到的加速度NS分量的幅值谱,从图4(b)可以发现,在0.1～2.0 Hz,两站点地震动的傅里叶幅值谱的峰值大小及形状都较为接近,特别的,NS分量的幅值谱在1.5～1.8 Hz附近都出现了一个形状相似、幅值接近的锯齿状波峰(如图4(b)中局部放大图所示)。虽然GS.H0022站观测到的地震动的能量较小,但高频段幅值仍然要高于低频段幅值,在GS.H0015站该特征更为明显,在2～10 Hz频带内其幅值远高于低频段,在4～5 Hz幅值达到20 cm/s,而GS.H0022站地震动幅值谱在相同频率处所对应的幅值仅为1 cm/s左右。

2 分析方法

2.1 谱比法(HVSR)

HVSR方法基于以下两个假设。

(1) 假设地震波在基岩处均匀传播,竖向分量和水平分量都不会被放大,即在基岩处

(1)

式中,HBedrock(f),VBedrock(f)分别为基岩处地震动加速度两水平分量的傅里叶幅值谱的均方根与地震动加速度竖向分量的傅里叶幅值谱。

(2) 假设P波在从基岩传播至地表的竖向传播过程中不会被土层放大[22-23],即

(2)

式中：VSurface(f)为地表处地震动加速度竖向分量的傅里叶幅值谱;AP(f)为土层对P波的放大。

根据Nakamura的定义,对于地震动水平分量,地表至基岩的传递函数按式(3)表示

(3)

式中：HSurface(f)为地表处地震动加速度两水平分量的傅里叶幅值谱的均方根;AS(f)为土层对S波的放大。

为了减小地表Rayleigh面波对水平分量HSurface(f)的影响,将式(3)除以式(2),即可得到HVSR

(4)

可进一步将式(4)按照式(5)进行等价变换

(5)

根据式(1)和式(2)可得

AS(f)=Rsurface(f)

(6)

即Rsurface(f)可以用来表示土层对S波的放大。因此,可以仅通过地表观测记录的水平跟竖向分量的傅里叶幅值谱的谱比得到观测点处的场地放大系数,该方法也被称为地表单点谱比法。

2.2 标准谱比法(SSR)

标准谱比法由Borcherdt提出[24],其通过计算目标站点与附近参考站点观测到的地震动记录的傅里叶幅值谱的比值来研究场地效应,该方法要求目标场地与参考场地有相同的源效应及相似的传播路径。地震动记录包含震源、传播路径及局部场地条件等信息,可按式(7)来定义

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

(7)

式中：O(f)为地震动的频谱信息;E(f),P(f),S(f),I(f)分别为震源项、路径项、场地项及仪器响应对地震动的影响;参数f为频率。假设O1(f)与O2(f)分别为目标站点与参考站点所观测到地震动记录的频谱。当两站点距离较近时(台间距远小于震中距),可近似地认为震源项与路径项对地震动的影响是相同的,即E1(f)=E2(f)且P1(f)=P2(f),另外,本文研究中两一般站所使用的烈度仪仪器型号相同,因此I1(f)=I2(f)。此时可按式(8)来估算两站点场地的相对放大系数

(8)

另外,根据不同的研究目的,应选择合适的场地条件,比如,在研究土层效应时,参考站点应为基岩场地;而当研究地形效应时,为了将其与土层效应剥离开,两站点应有相似的场地条件。

3 场地效应

3.1 场地效应分析

本节使用HVSR方法来对比分析两站点的场地效应。图5为GS.H0015站与GS.H0022站分别在MS6.9级主震(实线)及其他余震作用下场地的谱比曲线。从两站点谱比曲线峰值出现的频段来看,图5(a)中谱比曲线的峰值所对应频段相较于图5(b)整体更倾向于低频段,GS.H0015站(见图5(a))的卓越频率在4 Hz左右,而GS.H0022站(见图5(b))的卓越频率约为10 Hz。另外,图5(a)中谱比曲线的第一个峰值出现在0.9 Hz附近,而图5(b)中谱比曲线的第一个峰值出现的相对靠右,在1.8 Hz附近。这意味着GS.H0015站的场地土层要比GS.H0022站软弱,而软弱场地对地震动会有放大作用。

(a) GS.H0015

对比两站点放大系数发现,在0.1～0.8 Hz频率内两者的放大系数接近于1,这意味着在该频段内,两站点对地震动基本上没有放大或减弱。但对于GS.H0015站,图5(a)中实线在0.8 Hz后开始急剧上升,放大系数在1 Hz处超过2,并在2.5 Hz处接近4。地震动的幅值在低频段(0.8～5.0 Hz)整体被放大2倍～4倍。相比之下,对于GS.H0022站而言,图5(b)中的实线上升地较为缓慢,在0.8～5.0 Hz频带内仅在2.7 Hz左右放大系数超过2。另外,GS.H0022站谱比曲线在10 Hz以后的高频段急剧下降,且在14.7 Hz之后HVSR<1,在22.5 Hz附近放大系数减小至0.18,该现象说明地震动的高频成份不但没有被放大,反而被减弱,而GS.H0015站谱比曲线在整个频段范围基本上满足HVSR>1(即使在12.4～14.8 Hz的较小频带内也出现了HVSR<1)。通过以上分析可以看出：

(1) 相较于GS.H0022站,GS.H0015站场地土层更为软弱,并且GS.H0015站的放大系数在0.8～4.0 Hz与15～25 Hz的频带内高于GS.H0022站;在5～10 Hz间,GS.H0022站的放大系数高于GS.H0015站。通过求两站点放大系数的比值来量化这一现象,如图6所示。

图6 主、余震下两站点间相对放大系数

(2) 在GS.H0022站,地震动的高频成份(15～25 Hz)被减弱。

地震动的PGA不仅与地震动幅值谱有关,还与相位信息有关,因此,仅通过地震动的傅里叶幅值谱来确定时域参数PGA的主要贡献频带不够严谨。为了清晰地看到地震动不同频率成份对PGA的贡献,将两站点观测到的MS6.9级地震的EW分量加速度记录按不同频带宽度进行带通滤波,来观察随着带通滤波器高频截止频率的增大加速度波形及PGA的变化情况(见图7)。在0.1～1.0 Hz频带内,两条记录的波形相似、PGA接近,当高频截止频率增大至2.5 Hz时,两条记录波形的差异性开始逐渐增大,随着滤波频带逐渐变宽,波形与PGA的差异性愈发显著。GS.H0015站PGA的主要贡献频段是在7 Hz之前,当截止频率增大至9 Hz时PGA达到原始记录的水平(97.89 gal),波形也趋于稳定。GS.H0022站也同样如此,在约9 Hz时PGA增长至最大值。通过以上分析,发现随着滤波频带的变宽,两站点的加速度波形发生了明显的变化,并且PGA的主要贡献频段跟HVSR曲线的主要放大系数(HVSR>1)所在的频段范围吻合。图8展示了随着滤波频带宽度的增加PGA的变化趋势,也反映了地震动不同频率成份对PGA的贡献。

(a) 0.1～1.0 Hz

图8 两站点观测到的MS 6.9级地震的加速度记录EW分量随滤波器高频截至频率的增大其PGA的变化

图9为地震动EW分量相对于垂直分量UD的谱比曲线。结合图9及由以上分析可知,GS.H0015站的场地卓越频率在7 Hz以下,在强震作用下引起场地共振,使得地震动在该频段被放大,导致了较高的PGA值。而GS.H0022站的场地卓越频率相对较高,当滤波频带从0.1～1.0 Hz增宽至7 Hz后,GS.H0022站的PGA已经达到最大值,在之后的7～15 Hz,即使GS.H0022站的场地放大系数维持在较高水平且高于GS.H0015站(见图9),但对PGA的增长并不起主导作用,因此两站点的PGA出现较大差异。

图9 GS.H0015,GS.H0022站场地HVSR曲线(东西分量相对于竖向分量的放大)

以上是对于大震而言,对于MS4.8级余震,由图3(c)、图3(d)可知,能量主要集中在1～10 Hz,两站点观测到的地震动NS分量PGA分别为50.51 gal,3.95 gal,相差近13倍。同样用上面的方法对两站点的NS分量加速度记录采用不同的滤波频带,观察随着滤波频带宽度的增加PGA的变化情况。如图10、图11所示,GS.H0015站的PGA的主要贡献频段为0.1～5.0 Hz,地震动的更高频成份对PGA贡献较小。跟主震下的地震动PGA相比,余震下的PGA的贡献频段与GS.H0015站的场地卓越频率更加吻合,而与GS.H0022站的正好错开。

(a) 0.1～1.0 Hz

图11 两站点观测到的MS 4.8级地震的加速度记录NS分量随滤波器高频截至频率的增大其PGA的变化

通过对两次不同震级地震的分析,发现地震动高频成分(10～20 Hz)对PGA的贡献很微小,MS6.9级主震的地震动PGA的主要贡献频段为0.1～7.0 Hz,MS4.8级余震的地震动PGA的主要贡献频段为0.1～5.0 Hz,GS.H0015站的场地卓越频率正好位于该频段内,而GS.H0022站的场地卓越频率相对较大,使得两场地对地震动不同频段的放大具有差异性,最终导致了PGA存在较大差异。另外,在使用HVSR进行场地放大系数估算时,存在高频低估现象,因此在以上分析中得到的放大系数在PGA的主要贡献频段可能低于实际放大系数,而在本文研究情景下更高的放大系数意味着PGA的差异性更大。

3.2 非线性反应分析

在强震动作用下,当地表土层的剪切应变达到一定的阈值时,土体会表现为非线性,其主要特征为剪切刚度减小和阻尼系数的增大,此外,非线性反应会导致场地卓越频率和放大系数的减小。Beresnev等认为当PGA超过100 gal时,土层会出现非线性特征。在门源MS6.9级主震作用下,GS.H0015站的PGA观测值接近该值,约为97.9 gal。为了判别其是否发生非线性反应,使用门源主震之后表2中所列历次余震记录(PGA<35 gal,可看作弱震动)的平均谱比曲线作为参考进行分析,如图12所示,相较于弱震动记录的均值谱比曲线(虚线,带状宽度表示均值加减1倍的标准差),主震记录谱比曲线(实线)整体上有所左移,场地的卓越频率从5.0 Hz减小至2.5 Hz,且放大系数从6减小至4,由此认为该场地发生了一定程度的非线性反应。

图12 主震及弱震动作用下GS.H0015台站场地的HVSR曲线

为了进一步量化GS.H0015站出现的非线性反应,计算了门源MS6.9级主震作用下站点场地的DNL(degree of nonlinear site response)[25],它是通过计算场地在强震动和弱震动下的HVSR在各频率点差值的和与频率间隔的乘积得到的,当DNL>4时说明场地发生了明显的非线性反应[26],计算公式如下

(9)

式中：Δf为频率间隔;Rstrong为强震动下的谱比值;Rweak为弱震动下的平均谱比值。在本文中,将GS.H0015站观测到门源MS6.9级主震加速度记录看作强震动,将历次余震的加速度记录看作弱震动,在计算前,将两条谱比数据以0.01 Hz的频率间隔插值到0.1～25.0 Hz的频带。DNL的计算值为3.72,虽然小于4,但仍然很接近,另外,考虑到该指标是由统计学方法得到的经验性结果以及主、余震下的谱比曲线之间明显的差异,认为主震作用下GS.H0015站发生了非线性反应。

4 地形效应

地震观测台站记录到的地震动记录是震源、传播路径、局部场地条件(软弱覆盖层、起伏地形等)三者共同作用的结果[27]。大量的理论研究和观测结果表明,地形特征,包括山脊和悬崖面,可以引起地震动显著的放大[28-33]。当研究地形效应时,选取的参考站点应当与目标站点有着相似的场地条件,台间距应远小于震中距,且参考站点应远离不规则的起伏地表,此目的是为了将地形放大效应与场地土层放大效应解耦,且降低地震动衰减带来的干扰。许多研究表明,由于地下结构的原因,即使是岩石场地也会产生强烈的场地效应[34],因此,除非对场地的地下速度结构有详细的了解,否则很难将地形放大效应与场地土层放大效应区分开来。本文的研究站点仅在地表布置有观测仪器,无竖向阵列与钻孔资料,而考虑到两站点所处地形的差异,认为地震动水平分量PGA间的强差异性可能是土层效应与地形效应耦合作用的结果。

地震动可以被分解成水平分量和垂直分量,其从基岩传播至地表的过程中会被软弱覆盖层放大,其中水平分量的放大可以被认为是S波的多次反射放大导致的,而垂直分量的放大则是由于P波成份的多次反射放大,然而,P波的传播速度一般在1 000 m/s以上(在地壳内的典型波速约为6 km/s),因此对于10 Hz以下的地震动(波长大于100 m),在最多几十米厚的地表土层内多次反射,基本不会被放大。通过分析发现,跟EW分量相似,地震动垂直分量PGA的主要贡献频段同样在0.1～7.0 Hz频段,而对于该频段的地震动,土层的放大作用很小,因此土层放大不能很好地解释两站点PGA相差约8.7倍这一现象。鉴于以上分析,虽然对于地震动水平分量的地形放大无法直接给出答案,但对于垂直分量,在一定程度上可以将场地土层效应与地形效应剥离开来,进而单独去分析。

在下面的分析中使用标准谱比法分析地形对地震动垂直分量的放大效应。以GS.H0015站与GS.H0022站各自观测到的地震动垂直分量的傅里叶幅值谱的比值来表示地形放大系数,如图13所示。

图13 主、余震下两站点观测到的地震动垂直分量的傅里叶幅值谱谱比曲线(GS.H0015/GS.H0022)

图13表示GS.H0015站相对于GS.H0022站的垂直分量的地形放大,从图13可以看出地形放大效应相当明显,在主震作用下,放大系数在6.5 Hz左右超过30,在余震作用下超过15,放大系数在3～15 Hz频段整体大于3,而地震动垂直分量的PGA的主要贡献频段恰好也在该范围内。因此,考虑到土层对P波在该频段的放大作用较小,认为对于两站点垂直分量PGA的强差异性,地形效应起主导作用。

5 结 论

本文基于2022年01月08日门源MS6.9级主震记录及余震序列,应用谱比法从场地与地形的角度解释了两一般站GS.H0015,GS.H0022虽然邻近但记录到的PGA差异性较大的现象。提出了一种在对加速度记录滤波时通过移动带通滤波器的高频截止频率来确定PGA的主要贡献频段的方法,这种时-频结合的分析方法将地震动幅值参数PGA与其频谱特征联系起来,用于分析场地和地形效应如何影响PGA,给出以下启示：PGA具有一定的频率依赖性,当PGA的主要贡献频段与场地的卓越频率相一致时,场地效应可能是造成PGA异常高的主要原因;当PGA的主要贡献频段与场地的卓越频率相错开时,造成PGA异常高的可能另有他因,而非场地效应。

此外,本文得出以下结论：

(1) 两站点间地震动PGA出现强差异性可能是场地土层效应与地形效应共同作用的结果。

(2) 两站点观测到主震记录EW,UD分量PGA的主要贡献频段为0.1～7.0 Hz,余震(MS4.8)记录NS分量PGA的主要贡献频带为0.1～5.0 Hz,地震动高频成份(9～25 Hz)对PGA的贡献较小;GS.H0015站的场地卓越频率约为4～5 Hz,正好处于0.1～7.0 Hz频带内,导致地震动在该频段被过度放大,而GS.H0022站的场地卓越频率相对较高(约为10 Hz),避开了PGA的主要贡献频段,对地震动的放大作用较小。

(3) 主震作用下,GS.H0015站所在的场地发生了非线性反应,其场地卓越频率从5 Hz减小至2.5 Hz,且放大系数最大值从6减小至4,场地非线性程度指标DNL计算值为3.72。

(4) 考虑到场地土层对P波在0.1～10.0 Hz频段放大作用小,利用两站点观测到的地震动垂直分量的标准谱比得到了地形放大系数,在主震作用下,放大系数在6.5 Hz左右超过30,在余震作用下,放大系数达到了15,且PGA的主要贡献频段位于谱比曲线峰值频带范围内,使得两站点处地震动垂直分量的PGA有较大差异。

由于青海、甘肃地区的一般站仍在建设期,部分台站近期才建设完成并投入使用,且一般站无场地钻孔资料,因此,本文关于以上站点场地方面的分析仅基于少量的地震动记录,对GS.H0022站场地特征的分析仅基于两条质量较好的数据,其结果可能存在一定的不确定性。从地形对地震动垂直分量的放大来看,对于地震动水平分量,地形效应也导致了部分放大,但由于两站点场地条件不同,目前无法将土层效应与地形效应解耦。

致谢

感谢中国地震局工程力学研究所基本科研业务专项基金(2021B08;2019B06)为本文研究提供的资金支持。感谢中国地震局工程力学研究所强震动观测中心提供的主、余震记录及其他台站资料。