考虑不同分类的海底地震动特性及其不确定性分析

谭景阳，胡进军，周旭彤，杨泽西，谢礼立

考虑不同分类的海底地震动特性及其不确定性分析

谭景阳1, 2，胡进军1, 2，周旭彤1, 2，杨泽西1, 2，谢礼立1, 2

(1. 中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080；2. 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080)

为了研究海底地震动特性及其不确定性，本文基于日本K-net海底地震动，经过数据筛选、地震动分类、滤波以及基线调整，对典型地震动参数和弹塑性谱进行了研究．通过分析震源类型、震级和距离对地震动参数及频谱变异系数的影响，讨论了海底地震动的不确定性．结果表明：随距离和震级的增大，其对幅值的影响逐渐减弱；震级因素对持时的影响高于距离因素；距离较小时其对阿里亚斯强度的影响较大，距离较大时其对阿里亚斯强度的影响小于震级的影响．海底地震动动力放大系数谱峰值大于抗震规范值；震源类型主要影响地震动弹性反应谱的长周期段，震级和距离主要影响长周期弹性反应谱的不确定性．对于浅地壳、板缘和板内地震，弹塑性反应谱不确定性的影响则体现在短周期段．通过与未分类的海底地震动变异系数的比较发现，按震级、距离与震源类型对海底地震动分组之后统计不确定性明显降低．

海底地震动；地震动参数；弹性反应谱；等强度延性谱；不确定性

近海海域多处于板块交界处，海域工程建设需要考虑地震的影响．全球海域俯冲带模型表明[1-2]，我国海域临近多个俯冲带，地震活动性较强，其对海域工程的影响不可忽视．我国目前缺少海底地震记录，但日本相模湾地区布置有海底地震海啸监测系统，目前已经获取了大量地震记录，为海底地震动的研究提供了数据．

国内外学者对海底地震动开展了一些初步研 究[3]，Boore等[4]对美国SEMS台站的9组海底强震数据进行了分析．Sleefe[5]认为海底与陆地地震动竖向峰值加速度存在较大差异．李飒等[6]认为陆地抗震设计参数并不适用于海域，应该针对海域专门进行研究．胡进军等[7]和Diao等[8]对海底地震动特征和衰减关系进行了分析和比较．陈宝魁等[9-11]选取部分海底地震动数据进行谱分析，研究了距离对反应谱的 影响．

为了在众多地震动参数中选取代表性参数进行研究，樊圆[12]和来庆辉等[13]研究发现，对于相关性较高的地震动幅值参数，可以选取其中一个作为此类参数的代表．在频谱参数方面，易伟建等[14]建议采用等强度延性谱计算延性系数，以避免采用等延性强度谱计算延性系数时产生的误差．本文基于日本K-net的922组海底地震动记录，采用统计方法对海底地震动代表性参数、频谱及其不确定性进行研究．

1 海底地震动及其分类

本文收集整理了K-net的地震海啸监测系统(ETMC)海底观测台站从2000—2018年的海底地震动数据．该台站信息详见文献[3]，台站分布如图1所示．采用Boore等[15-16]的方法对原始数据进行滤波和基线调整处理，滤波频带为0.1～35Hz[17]．按照文献[9-11]中的方法分别对震级与距离进行划分，划分结果如图2和表1所示[3]．

图1 日本K-net海底观测台站

图2 震级与距离分布

为了研究震源类型的影响，将地震动记录按震源类型进行分类，划分为浅地壳地震、上地幔地震、板缘地震和板内地震[18]．

表1 各分组中海底地震动记录数量

Tab.1 Number of ground motion records in each group

2 地震动幅值频谱持时和能量参数特征分析

2.1 幅值、持时及能量参数

根据樊圆[12]和来庆辉等[13]推荐的代表性地震动参数，分别选取峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)、累积绝对速度(CAV)、阿里亚斯强度(IA)和90%能量持时(D90)作为研究的地震动指标参数．

各分组中地震动参数平均值如图3所示．可以看出，震级较小时距离的增加会使幅值大幅减少，但震级和距离增加，幅值降低幅度减少．这表明对于远场大震级，距离不是影响幅值的主要因素，但对于近场小震级，距离的变化影响较大．距离对竖直向幅值的影响与对水平方向幅值的影响类似．

图3 各类海底地震动的水平和竖直向PGA、PGV和PGD

地震动持时参数分析结果如图4所示．对于水平分量持时，在震级和距离较小时，震源深度对持时的影响更大．震级增加持时也会相应增加，但距离增加持时不一定会减小，对水平持时来说震级较距离影响更为显著．对于竖直向分量持时，海域板内地震在远场持时变长，而且海域板缘地震在水平和竖直向的持时都最小．

对不同分组中累积绝对速度(CAV)和阿里亚斯强度(IA)[19-21]的分析结果如图5和图6所示．

图4 各类海底地震动的水平和竖直向D90

图5 各类海底地震动的水平和竖直向CAV

图6 各类海底地震动的水平和竖直向IA

从图5可以看出，水平和竖直向的累积绝对速度均随着震级变大或者距离减小而增加．由图6可见距离较小时，距离与阿里亚斯强度的相关性很大，但随着距离增加相关性也随之降低，而在远场时，震级与阿里亚斯强度的相关性超过了距离．

2.2 频谱特征

以水平分量为例分析了不同震源类型海底地震动在各分组中的平均动力放大系数谱，分析结果如图7～图9所示．

图7 近场中震平均动力放大系数谱

图8 中场中震平均动力放大系数谱

图9 远场强震平均动力放大系数谱

从图7～图9可以看出，动力放大系数的最大值已大于抗震规范的取值，在进行海域工程抗震设计时应予以考虑．

等强度延性系数谱的分析结果如图10和图11所示．通过比较分类等强度延性谱可以看出，不同震源类型在短周期段延性系数差异较为明显，在较长周期段延性系数差异不大．图12给出了各分组在不同屈服强度系数下延性系数的周期分界点．在延性系数相近或者一致的周期段，可以不考虑震源类型对延性系数的影响；但在延性系数具有较大差异的周期段，应当考虑震源类型的影响．

图10 中场中强震等强度延性系数谱

图11 远场强震等强度延性系数谱

图12 各分组在不同屈服强度系数下延性系数的周期分界点(水平分量)

3 震源类型对地震动影响的不确定性

本文通过变异系数研究地震动的不确定性．分别计算考虑震源分类和不考虑震源分类的地震动参数的变异系数，以水平分量为例，分析结果如图13所示．

图13 不同震源类型地震动参数的变异系数

由图13可以看出，震源类型对变异系数有一定影响，分类后变异系数减小．震源类型对加速度反应谱影响的不确定性如图14所示．

图14 震源类型对加速度反应谱影响的不确定性

由图14可以看出，在周期小于1.0s时，不同震源类型的变异系数基本相同，但周期大于1.0s时，变异系数差别较为明显，这表明不确定性表现在长周 期[22]．由此可见考虑震源类型可以降低反应谱在长周期段的不确定性．

4 震级和距离对地震动影响的不确定性

为了比较震级和距离对地震动影响的不确定性，图15～图18分别给出了不同震源类型和地震分组中地震动参数的变异系数．由于近场地震的数据量不足导致竖直向和水平方向变异系数略有升高，其他分类均出现按距离和震级大小分组后地震动参数变异系数减小的趋势．

图19～图22分别给出了不同震源类型的加速度反应谱的变异系数，可以看出，加速度反应谱的变异性随着周期增加而增大．图23～图26分别给出了不同震源类型在屈服强度系数为0.4时的等强度延性谱的变异系数，可见其在长周期趋于一致且逐渐 减小．

图15 浅地壳地震动的变异系数

图16 上地幔地震动的变异系数

图17 板缘地震动的变异系数

图18 板内地震动的变异系数

图19 浅地壳地震动加速度反应谱的变异系数

图20 上地幔地震动加速度反应谱的变异系数

图21 板缘地震动加速度反应谱的变异系数

图22 板内地震动加速度反应谱的变异系数

图23 浅地壳地震动等强度延性谱的变异系数

图24 上地幔地震动等强度延性谱的变异系数

图25 板缘地震动等强度延性谱的变异系数

图26 板内地震动等强度延性谱的变异系数

5 结 论

本文基于海底实际地震动，分析了震源类型、震级和距离对地震动参数变异系数的影响，主要得出以下结论．

(1) 距离和震级越大，其对幅值影响程度越弱，震级对持时的影响大于距离对持时的影响；距离较小时，阿里亚斯强度受距离的影响较大，距离较大时其对阿里亚斯强度的影响小于震级．

(2) 海底地震动动力放大系数谱的最大值大于抗震规范值，海底地震动的等强度延性谱可划分为较大差异段和趋于一致段．

(3) 考虑海底地震动的震源类型、震级与距离能够减少海底地震动统计特征的不确定性．

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Characteristics and Uncertainty of Classified Seafloor Ground Motion

Tan Jingyang1, 2，Hu Jinjun1, 2，Zhou Xutong1, 2，Yang Zexi1, 2，Xie Lili1, 2

(1. Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China；2. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China)

To study the characteristics and uncertainties of seafloor ground motions，the ground motion on the seafloor recorded by the Japanese K-net is collected and classified in this paper. Typical ground motion parameters and elastic-plastic spectra are analyzed after filtering and the baseline adjustment for the classified ground motion records. The uncertainty of ground motion on the seafloor is discussed by ground motion parameters and the coefficients of variation of spectra for different source types，magnitudes，and distances. The results show that：the influence on amplitude parameters decreases with the distance and magnitude increasing；the influence on duration of the magnitude is greater than that of the distance；it has a much influence on the Arias intensity for short distance，while the influence on the Arias intensity is less than that of the magnitude for long distance. The peak values of the dynamic amplification factor spectra of ground motions on the seafloor are greater than those of the seismic design standard；the source types mainly influence the elastic response spectra for long periods，the magnitude and distance mainly affect the uncertainty of the elastic response spectra for long periods. The influence of the uncertainty of the elastic-plastic response spectra is mainly reflected in short periods for shallow crustal，subduction interface and subduction slab earthquakes. When comparing the coefficients of variation of the unclassified ground motions on the seafloor，the statistical uncertainty of classified earthquake groups by magnitude，distance and source types are significantly reduced.

seafloor ground motion；ground motion parameters；elastic response spectra；constant-strength ductility spectra；uncertainty

P315.63；P315.9

A

0493-2137(2020)12-1264-08

10.11784/tdxbz201908019

2019-08-08；

2020-01-23.

谭景阳（1994—  ），男，博士研究生，tan_jingyang@qq.com.

胡进军，hu-jinjun@163.com.

国家重点研发计划资助项目(2017YFC1500403)；国家自然科学基金资助项目(52078470，51578516).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2017YFC1500403)，the National Natural Science Foundation of China(No. 52078470，No. 51578516).

(责任编辑：刘文革)