2023年2月6日土耳其7.8级地震液化震害宏观特征初探

汪云龙,马佳钧,王维铭,陈龙伟,袁晓铭

(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,黑龙江 哈尔滨150080; 2. 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨150080; 3. 黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

0 引言

2008年的汶川地震[1-2]、2011年新西兰地震及2018年印度尼西亚苏拉威西岛地震等近期大地震引发的土壤液化震害被广泛报道[3-4],经震害调查发现并在后续深入研究中确认的砾性土液化、深层土液化及液化诱发大规模流滑等新液化现象与灾害[5-7],使得场地液化在地震中的附加破坏作用再次引起研究者的重视。震害调查是液化研究的基础性工作,获取某次地震下液化震害的宏观特征在研究中的作用得到凸显。

2023年2月6日,在土耳其卡赫拉曼马拉斯-帕扎尔克发生了7.8级地震,震源深度8.6 km,发生于东安纳托利亚断层区。该断层带长约450 km,位于卡尔洛瓦和哈塔伊之间,呈东北走向的左侧冲击滑动断层系统。此次震源机制为左旋走滑型破裂,始于南部较小的Narl(土耳其语,无标准翻译)断层,并向北跳跃,使Pazarck-Erkenek(土耳其语,无标准翻译)断层段向东北方向破裂,Amanos(土耳其语,无标准翻译)段向西南方向破裂[8]。卡赫拉曼马拉斯至哈塔伊一线是此次地震的主要受灾地区,该区域是典型的地中海气候降水充沛,地下水位较高,第四系沉积丰富并多有湖河水系分布,是土耳其国家棉花、烟草、橄榄与水果等主要经济作用产区。从地震动条件和场地条件分析,该区域皆存在较大的地震液化风险,美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)对该区域的液化发生风险进行了先验评估[9]。

大量的场地液化现象在前期应急震害调查中被发现,由于目前不具备详细勘察条件,研究以宏观特征为主[8]。土耳其是我国“一带一路”战略沿线国家中的重要区域大国,双方在安全和经济领域广泛联系,在中国工程建设走出去的背景下,中国抗震规范与方法的国际接轨显得尤为重要。此次地震的液化震害宏观特征调查及后续详细勘察调查工作将为我国液化防治方法的进一步完善和国际化推广构建事实基础。

宏观液化等级与宏观液化指数的评估方法由王维铭[10]基于历史地震,特别是2008年汶川地震的液化调查结果提出,是基于宏观震害现象评估液化发生情况与危害程度的定量化方法。在地震动特征相对明确的情况下,结合宏观液化指数方法能有效的表达液化震害的宏观分布特征。本文基于此方法与GIS技术对液化震害的区域分布及其与地震动关系等宏观特征开展研究。

1 液化点的分布特征

针对液化的震后调查共发现18个液化点[8],将液化点与地震动峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)等值线、MMI烈度等值线及中国规范仪器烈度等值线绘制于图1[9,11],其中PGA等值线与MMI烈度等值线数据由USGS提供,中国规范仪器烈度由中国地震局工程力学研究所强震动观测中心提供基础数据。

图1 地震液化点与地震动强度特征关系Fig. 1 Relationship between seismic liquefaction site and ground motion intensity characteristics

从图1可见:液化点的分布与MMI烈度等值线及PGA等值线的主轴方向具有高相关性,基本沿破裂带走向分布,分布区域与震中基本呈对称,但液化点多集中于南部。从烈度角度,液化点主要位于MMI烈度的7(VII)～8(VIII)度之间,小于7(VII)度的地区未见明显的液化现象发生;而液化点附近的仪器烈度则从7(VII)度到10(X)度都有分布。从地震动强度角度,液化点分布于0.15 g≤PGA≤0.25 g以上的区域,少数达到0.4 g以上,没有低于0.15 g的分布。这与我国抗震设计规范关于地震液化的设防基本烈度要求大致相当。

FUKUSHIMA等[12]根据日本发生的44次地震及液化现象总结了液化场地的最大震中距满足公式(1):

log10Rmax=0.77M-3.6

(1)

式中:地震液化场地的最大震中距离用Rmax表示,单位km,M为里氏震级。在我国,该方法也经过了1975年海城地震、1976年唐山地震至2021年玛多地震的液化点分布特征的验证。由式(1)可得:此次地震液化场的震中距上限约为254 km,实际计算此次地震陆地液化点的距震中最远距离(伊斯肯德伦港)约为105 km,在该方程范围内。

从以上分析可知:此次地震中液化现象发展的地震动激励特征无论从烈度分布、震动强度及空间分布方面都没有超出以往的认知,但液化点及附近区域的MMI烈度与仪器烈度评估范围存在较大差异,这与以往对仪器烈度与烈度的关系的认识不相吻合[10,13]。

2 宏观液化等级与指数方法对液化震害的评估

2.1 宏观液化等级与指数

宏观液化等级主要依据地震液化所造成的场地地表破坏情况对液化程度分为六个级别,其中:0级为无液化现象,V级为非常严重。宏观液化指数是根据“宏观”现象即地震后现场调查中场地的液化情况对液化震害程度进行定量描述,以1表示严重液化,0表示无液化,一定范围的宏观液化指数对应一定的宏观液化级别。这一等级与指数规则可以直观、快捷的评定震后场地液化的情况,作为液化程度初步评判的标准,为液化震害程度评估提高提出定量的依据。具体的宏观液化等级及其指数见表1。

表1 宏观液化指数及等级划分标准[10]Table 1 Macro liquefaction index and grade classification standards[10]

应用表1的划分标准,对2008年的汶川地震和2021年玛多地震的总体和典型液化震害进行宏观液化等级与宏观液化指数评估[10],如图2所示。一方面,对表1的划分标准进行定性的展示;另一方面,通过以往研究的对比深化对后续分析此次土耳其地震的液化宏观特征的认识。

图2 历史地震液化震害的宏观液化等级与宏观液化指数评估

2.2 此次液化点宏观液化等级及宏观液化指数

此次地震中液化点发生了喷水冒砂、地裂缝和地表沉陷等典型的宏观液化现象,造成了结构物倾倒、破坏及港口区场地侧向位移等工程与结构破坏。相关调查为宏观液化等级及液化指数的评定提供了丰富的基础资料,是应用宏观液化等级与指数评估液化震害的有效平台。以液化引起工程结构破坏较为典型的位于伊斯肯德伦港某一住宅区为例,见图2,阐明本文实际应用宏观液化等级与指数方法的具体标准。

伊斯肯德伦港位于土耳其的东南部,濒临地中海的东北侧,距离帕扎尔克震中约105 km,处于MMI烈度的Ⅶ度区,但港口部分场地发生较为显著的侧向位移,由液化引起。如图3所示,该房屋位于港口生活区,房屋基础约有10 cm沉降,地面有喷砂冒水,路面砖发生隆起,砂层覆盖厚度约3～5 cm左右,面积约20 m2,并有3 cm左右裂缝产生。根据表1所示的宏观液化等级与指数的评定标准,该处液化点的宏观液化等级可划分为Ⅲ级,其液化程度为中等,宏观液化指数为0.33。其他液化点的宏观液化等级与指数评估结果见表2。

表2 液化点处基本特征Table 2 Basic characteristics at the liquefaction site

3 液化震害的宏观分布特征分析

如图1所示,调查的液化点位于PGA等值线、MMI烈度等值线及个别仪器烈度数据点附近,不完全重合。为获取液化调查点以上数据的定量化评价,引入克里金插值方法。一方面,该方法是USGS数据获得PGA和MMI等值线等数据的主要地质统计格网化方法;另一方面,以往研究表明该方法较有效的解决了地质数据统计中的误差估算问题和平均值数据点的数目计算等问题[14]。

克里金插值方法的区域性变量理论假设任何变量的空间变化都可以表示为下述三个主要成分的和:1)与恒定均值或趋势有关的结构性成分。2)与空间变化有关的随机变量,即区域性变量。3)与空间无关的随机噪声项或剩余误差项。该方法目前已在ArcGIS等软件中形成通用化分析模块[15]。考虑到PGA值、MMI烈度值及仪器烈度值等被描述对象的随机性和一定范围内呈现出的某种相关性,采用克里金插值法利用已有的区域化变量原始数据和变异函数的结构特点,对液化点处的区域化变量的取值进行线性无偏和最优估计[16]。

通过ArcGIS平台的空间分析模块中克里金插值法,得到液化点对应的PGA值、MMI烈度值及仪器烈度值等参数,将其列于表2,这些地震动强度表征参数与宏观液化指数的关系见图4。

图4 宏观液化指数与典型地震动强度指标关系Fig. 4 Relationship between macroscopic liquefaction index and typical ground shaking intensity index

由表2可见:在宏观液化指数与PGA的关系中,出现了PGA较大,但宏观液化指数较小的情况,比如震中附近的埃米罗格卢(表2内编号5),尽管其PGA达到了约0.5 g,但场地的宏观液化现象仅表现为小范围的喷砂冒水及小规模的地裂缝,宏观液化指数仅为0.13,甚至小于105 km以外的伊斯肯德伦港的港口区与生活区。距离震中约40 km的雅乌兹谢里姆(表2内编号17),PGA约为0.25 g,但发生了液化引起剧烈不均匀震陷及建筑结构的整体倾覆,宏观液化指数定为0.93。从图3可见:这种PGA与宏观液化指数,即宏观液化震害的不一致性并不是孤例存在,而是体现出一定的统计规律。液化是内外因共同作用的结果,场地的震动强度更多体现外因的作用,而场地或基础-结构体系本身对液化的抗力则体现内因。以上PGA与宏观液化指数的非相关性即反映了震区局部场地对液化抗力的差异性,并且是控制此次地震液化震害情况的主要因素,也是后续详细勘察考察的重点区域。由于MMI烈度确定时要参考PGA分布,所以图3可见:宏观液化指数与MMI烈度值的关系和宏观液化指数与PGA的关系基本相同。

但仪器烈度方面则反映出与宏观液化指数正相关的特征。这是因为在仪器烈度的评估中,考虑PGA与地震动峰值速度(peak ground velocity,PGV)两类参数,即考虑了震动场地的频率特征,而液化对震动具有低频放大功能[17],因此即使宏观液化指数未与烈度表现明显的相关性,但与仪器烈度的正相关性却比较显著。从此可见:在校正烈度与仪器烈度关系的研究中与实践中,液化场地的存在是应该考虑的问题之一。

4 结论

使用GIS技术与宏观液化等级与指数的评估方法对2023年2月6日的土耳其7.8级地震的液化震害调查影像资料进行分析,得出以下结论:

1)液化是此次地震的主要震害之一,造成喷水冒砂、地裂缝和地表沉陷等典型的宏观液化现象,并造成了结构物倾倒、破坏及港口区场地侧向位移等工程与结构破坏。液化点的空间分布与烈度圈的主轴基本重合。所有液化点的激励地震动大于0.15 g。

2)应用宏观液化等级与液化指数的方法对液化震害进行了定量分析。统计分析表明宏观液化指数与地震动强度参数相关性较小,反映出场地条件等内因是此次地震液化宏观现象与震害的主控因素。

3)MMI烈度及仪器烈度与宏观液化指数的关系表现出不同的发展趋势,且MMI烈度液化点分布于VII度区,而按仪器烈度,液化点分布于VII～X度区,这反映出液化场地对仪器烈度校正的影响。

致谢：中国地震局工程力学研究所强震动观测中心为该研究提供数据支持。