基于K-NET强震台网的海底地震动特征初探

钟紫蓝,郭佳希,张 卜,倪 博,赵 鑫

(北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124)

0 引言

我国海域辽阔,海洋经济发展潜力巨大,在国家大力倡导下,进行了大批海洋工程的建设,如海上人工岛、海上堤坝工程、跨海大桥、海底管道、海底电(光)缆和海上潮汐电站等。然而我国周边海底多处于板块交界处,临近多个俯冲带[1],因此海洋工程的建设必须考虑地震的影响。但由于我国除台湾建有首个海底台站外[2],大陆地区近海海底还没有海底强震仪,海底地震动研究尚处于起步阶段等原因,很多海洋工程建设的抗震设计均是基于已经成熟的陆地地震动特性的认识,缺乏海洋地震动特性认识,因此亟需针对海底台站记录的海底地震动开展特性分析。

对于海底地震动研究最直接最有效的方法就是在近海布设海底强震仪,收集海底地震记录,进而研究海底地震动与陆地地震动在峰值、频谱等特性方面的差别。近些年来,美国、日本和墨西哥等国作为较早拥有海底强震仪的国家[3-4],通过持续的海底观测,已经获取了一些非常宝贵的海底强震观测记录,这为从事海底地震动特性分析的科研工作者提供了极大的便利。

以往研究学者对于海底地震动特性的研究提出了不同认识。SLEEFE等[5]对一个6.1级的地震动记录进行分析,通过对比不同震中距下海底与陆地地震动的水平向和竖直向PGA散点图,得出由海底地震动散点图所线性拟合得到的直线斜率要明显小于陆地地震动,但受限于当时条件,没有更多的地震动记录来验证该结论;BOORE等[6]受当时条件限制,没有大量的地震动数据供其研究,于是其借鉴前人经验并进行了改进将V/H谱的方法引入到海底地震动特性研究中;PETUKHIN等[7]研究了海水对水平向地震动的影响,其结果认为海水对由浅源(小于10 km) 地震产生的瑞利波的基本模态有显著的影响;谭景阳等[1]对K-NET 海底台站记录的数据进行了分类,探讨了海底地震动特征和不确定性;刁红旗[8]从地震学角度研究了海水对海底地震动竖向成分的影响,并在 BOORE等[6]的基础上分析了海底地震动的工程特性,结果表明海底竖向地震动在海水的影响下,高频能量被削弱;李飒等[9]认为陆地抗震设计参数并不适用于海底,应该针对海底地震动专门进行研究。

本文在前人研究的基础上,基于日本海底地震观测系统,利用近年来观测获得的大量地震动数据,分析对比了海底地震动与陆地地震动特性的不同。

1 海底地震动观测系统及台站选取

1.1 日本海底地震动观测系统概况

阪神地震过后,震中周边70余个地震观测台站只记录到了少量的强震观测记录[3],依据这些强震记录并不足以对阪神地震进行系统的研究。鉴于此次经验教训,由日本国家地球科学与防灾研究所(NIED)在全国建立了2个强震动观测网,分别是K-NET和KiK-NET。

K-NET(Kyoshin Network)是一个全国性的强震仪网络,由1 000多个观测站组成,每20 km均匀地分布在日本。自1996年6月以来,K-NET一直由国家地球科学和防灾研究所(NIED)运营。在每个K-NET台站,都有一台地震仪安装在地表,并有标准化的观测设施。KiK-NET(Kiban Kyoshin Network)是一个强震地震仪网络,由成对的地震仪与高灵敏度地震仪(Hi-net)一起安装在钻孔中以及地面上,部署在日本大约700个地点。

1.2 地震台站和地震动的选取

为了对比同一地震下海底地震与陆地地震的不同,本文从K-NET台网中选取了相邻近的6个海底台站(KNG201～KNG206)和5个陆地台站(SZO001、 SZO002、SZO007、TKY008和TKY010),具体分布如图1所示。主要针对了1996年～2022年间发生的124次地震事件(震级Mw≥5.0),并从这11个台站获取了981条地震动记录,这11个台站的具体信息见表1-表2, 这981条地震动记录的震级-水平PGA和震中距-水平PGA关系如图2所示。

图1 所选台站分布图 图2 震级/震中距-PGA分布图Fig. 1 Map of selected stations Fig. 2 Distribution of magnitude and distance-PGA

表1 K-NET台网中部分海底台站的信息Table 1 Information of some offshore stations in the K-NET network台站编号台站名称纬度经度海拔KNG201HIRATSUKA-ST134.595 6N139.918 3E-2 197KNG202HIRATSUKA-ST234.739 6N139.839 3E-2 339KNG203HIRATSUKA-ST334.798 3N139.643 5E-902KNG204HIRATSUKA-ST434.893 1N139.571 1E-933KNG205HIRATSUKA-ST534.941 3N139.421 3E-1 486KNG206HIRATSUKA-ST635.096 6N139.377 8E-1 130

表2 K-NET台网中部分陆地台站的信息Table 2 Information of some onshore stations in the K-NET network台站编号台站名称纬度经度海拔SZO001ATAMI35.142 4N139.079 5E75.5SZO002ITO34.965 2N139.103 1E44.2SZO007SHUZENJI34.977 1N138.946 6E49.3TKY008OKADA34.785 2N139.390 9E67.0TKY010NIIJIMA34.377 9N139.257 3E19.0

由图2可知:大部分地震动PGA集中在0.02～0.1 g之间;现有记录仍缺少MW8级至MW9级之间海底地震动数据。

2 海底地震动特性分析

2.1 海底与陆地三向时程曲线、强震持时、傅里叶谱及加速度反应谱比较

本节以2011年3月11日(东北地震)和2022年3月16日(日本本州东部地震)在日本发生的两次地震事件为例,选取了海底台站KNG206和陆地台站TKY008观测数据,地震信息见表3,对其三个方向的时程曲线、强震持时、傅里叶谱及加速度反应谱进行了分析对比,图4-5为分析结果。

表3 选取的2次地震事件信息Table 3 Information of the two selected seismic events

1)海底与陆地强震持时曲线对比

强震持时与地震动输入的能量累积相关。首先引入Arias强度(Arias Intensity)指标对地震动输入能量累积进行定义,公式如式(1)。式中:a2(t)为加速度时程;tr为地震动的总时间;g为重力常数。

(1)

强震持时定义为地震动输入能量在给定总能量百分比范围内的持续时间[10-11],如公式(2)所示强震持时和地震波的输入能量相关,常用的能量百分比范围如5%～95%、5%～75%和2.5%～97.5%等。本文采用90%强震持时,为了方便起见记为D5-90。

(2)

分别对比图4-5可知:可得如图3所示信息,在东北地震中,海底地震动的三向强震持时D5-90分别为86.42、82.09和115.4 s;陆地地震动的三向强震持时D5-90分别为97.4、89和97.4 s。在本州东部地震中,海底地震动的三向强震持时D5-90分别为73.11、77.15和101.64 s;陆地地震动的三向强震持时D5-90分别为65.7、59.14和63.39 s。可见同一地震事件中,海底地震动中竖直方向(U-D向)强震持时要显著大于水平向(E-W和N-S),而陆地地震动三向强震持时相差不大。

图3 东北与本州东部地震三向地震动持时对比Fig. 3 Comparison of horizontal and vertical duration between Tohoku and eastern Honshu earthquakes

图4 东北地震中海底台站KNG206与陆地台站TKY008三向时程及强震持时曲线对比Fig. 4 Acceleration time histories and duration for offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in the Tohoku earthquake

图5 本州东部地震中海底台站KNG206与陆地台站TKY008三向时程及强震持时曲线对比Fig. 5 Acceleration time histories and duration for offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in eastern Honshu earthquake

2)海底与陆地三向时程对比

从图4-5可知:在2011年3月11日(日本东北地震)和2022年3月16日(日本本州东部地震)发生的两次地震事件中,海底地震动的竖向(U-D)时程曲线的峰值加速度(PGA)分别为0.066 6 g和0.014 2 g,在东北地震中水平向 (E-W和N-S)PGA分别为0.367 4 g和0.205 9 g, 在本州东部地震中水平向(E-W和N-S)PGA分别为0.106 7 g和0.065 4 g。海底地震动的竖向峰值加速度仅为水平向的15%左右。

在日本东北地震和本州东部地震中,陆地地震动的竖向(U-D)时程曲线的峰值加速度(PGA)分别为0.021 9 g和0.008 3 g;在东北地震中水平向(E-W和N-S)PGA分别为0.050 9 g和0.048 7 g,在本州东部地震中水平向(E-W和N-S)PGA分别为0.019 6 g和0.019 3 g。陆地地震动的竖向峰值加速度为水平峰值加速度的45%左右,可见海底地震动的竖向峰值加速度占水平峰值加速度的比值要明显小于陆地地震动,证明海水对于竖向地震动的传递有一定削弱作用。

另外对比同一地震事件下,海底台站与陆地台站所测得地震动记录的PGA可看出:海底台站所测得地震动记录的PGA要明显大于陆地台站,这是因为海底的场地条件放大了海底地震动的幅值。

3)海底与陆地强震傅里叶谱和加速度反应谱对比

如图6、图7所示,在同一地震事件下,对于海底地震动,其竖向傅里叶谱和加速度反应谱与水平谱有着显著的差距,而陆地台站的水平谱和竖向谱间尽管也有差异,但这种差异明显小于海底地震动情况。对比东北地震下陆地与海底地震动的加速度反应谱和傅里叶谱,海底台站所记录的地震动谱峰值在向低频(长周期)偏移,这是因为海底的场地条件会放大其长周期成分,为验证该结论的可靠性,在2.3节进行了进一步探讨。

图6 东北地震中海底台站KNG206与陆地台站TKY008傅里叶谱及反应谱曲线对比Fig. 6 Comparison of Fourier spectrum and response spectrum curves between offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in the Tohoku earthquake

图7 本州东部地震中海底台站KNG206与陆地台站TKY008傅里叶谱及反应谱曲线对比Fig. 7 Comparison of Fourier spectrum and response spectrum curves between offshore station KNG206 and onshore station TKY008 in the eastern Honshu earthquake

2.2 海底与陆地峰值加速度的比较

为了进一步证明2.1.1节中得出结论的普遍性,本节对981条地震动记录的竖向和水平峰值加速度进行了比较。如图8所示,描述了981条地震动记录的竖向与水平峰值加速度的关系,分别对海底地震动PGA和陆地地震动PGA 进行线性拟合,所得一次函数斜率即V/H峰值加速度比。在图8(a)中海底地震动的V/H比为0.185 3,陆地地震动的V/H比为0.468 5;在图8(b)中海底地震动的V/H比为0.189 9,陆地地震动的V/H比为0.451 9。可知海底地震动的V/H比要明显小于陆地地震动的V/H比,证明了海水对于竖向地震传播有削弱作用。

图8 海底与陆地地震动PGAV/PGAHFig. 8 Offshore and onshore ground motion PGAV/PGAH

而对比图8(a)-图8(b)的红蓝散点分布,在124次地震事件中,海底台站测得的海底地震动PGA更多的分布于0～0.15 g这一区间,而陆地台站测得的陆地地震动PGA则仅仅集中在0～0.03 g这一区间,不难看出不同的场地条件对地震动PGA有很大的影响,海底的场地条件放大了海底地震动的幅值。而水平地震动对于结构的抗倾覆分析、动力时程分析中有着决定性的影响,因此若将陆地地震动直接作为海洋工程的地震荷载进行输入,将会低估地震荷载的作用。

2.3 海底和陆地地震动放大系数谱

加速度放大系数谱是将加速度反应谱纵轴标准化,以消除不同地震动峰值加速度对反应谱谱值的影响,表示结构反应对峰值加速度的放大程度。为进一步验证2.1节3)得出的结论,本节以四次地震事件为例,对6个海底台站和5个陆地台站所获得的每次地震事件的地震动记录进行分析,求得其放大系数谱并取平均。图9为分析结果。

由图9可知:不同地震事件中放大系数谱的特性基本相似,但海底与陆地地震动放大系数谱的差别较大。当周期T<0.1 s时,海底地震动的放大系数小于陆地地震动;当周期0.1 s0.8 s时,海底地震动与陆地地震动放大系数相接近。对比陆地地震动反应谱,海底地震动反应谱存在一个明显的峰值平台。这表明由于海底沉积土层的影响,地震动的长周期成分被放大,使得反应谱整体向中长周期移动,而海洋工程一般自振周期均较长,会对其造成不利影响[12]。同时可以看出:海底地震动的动力放大系数的最大值已大于抗震规范的取值2.25,在进行海底工程抗震设计时应予以考虑。

2.4 海底和陆地地震动V/H比谱

本节采用BOORE等[6]提出的对所有的强震记录采用V/H的方法,估计由于受海水影响导致的海底局部场地条件与陆地局部场地条件不同所带来的海底地震动与陆地地震动的差异,该方法可消除场地的震源和传播路径效应而主要体现场地本身特性。同样以四次地震事件为例,对6个海底台站和5个陆地台站所获得的每次地震事件的地震动记录进行分析,求得其V/H谱并求平均。图10为分析结果。由图10可知:海底与陆地地震动V/H比谱在4次地震中表现出的特性基本一致,其中海底与陆上地震动V/H比谱的区别可总结如下:周期T<0.5 s时,海底地震动的V/H比谱小于陆地比谱,且周期T<0.5 s时,海底地震动的V/H比谱大致为0.1～0.3约为陆地地震动比谱的30%～60%;当周期0.5 s

图10 四次次地震事件的地震动V/H 谱Fig. 10 V/H spectra of four seismic events

3 结论

本文基于K-NET台网中获取的124次地震事件中,5个海底台站和6个陆地台站所记录的981条实际地震动,分析了海底与陆地地震动加速度时程曲线、强震持时及各类反应谱间的差异。由于所得结论基于大量观测数据,因此具有一定的普遍性,结论如下。

1)海底场地条件会放大海底地震动幅值,若将陆地地震动作为地震荷载输入到海洋工程中进行抗震设计,则会低估地震荷载带来的影响。

2)由于海水的存在会削弱竖向地震动的高频成分,因此海底地震动的竖向峰值加速度占水平峰值加速度的比值要明显小于陆地地震动,且海底地震动的竖向强震持时要显著小于水平向强震持时。

3)对比放大系数谱与常用抗震设计规范标准,表明海底地震动放大系数βmax要大于抗震规范限值,在海底工程抗震设计中应予以考虑。

4)多数海洋结构自振周期在1 s以上,海底沉积土层对地震动长周期成分的放大作用会对海洋结构物的动力响应造成不利的影响。