土耳其地震序列的近断层脉冲型地震动识别与特征分析

丁龙兵, 胡进军, 李培旭, 刘名吉

(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.中国地震局工程力学研究所 地震灾害防治应急管理部重点实验室,哈尔滨 150080)

由近断层效应引发的速度大脉冲现象,在过去的50年内已经被证实和分析。在1994年美国Northridge 6.7级地震、1995年日本Kobe 7.2级地震、1999年我国台湾集集7.6级等地震中,近断层独特的长周期脉冲特性对工程结构造成严重的破坏更是引起广泛的关注[1-3]。这种近断层长周期脉冲型地震动的形成与震源机制、断层破裂的方向性和场地特征有较大的关联[4-5]。近断层脉冲型地震动具有更为复杂的特性以及对工程结构的严重破坏性[6-7],使其成为地震工程领域的研究热点之一。

基于数据统计的方法是目前研究脉冲型地震动特征的主要分析方法,谢俊举等[8]利用165条典型速度脉冲记录分析原始脉冲记录和提取脉冲后的残余记录进行反应谱特征研究,结果表明速度大脉冲在其特征周期Tp附近对反应谱有着较强的放大作用。赵晓芬等[9]通过分析317条速度脉冲记录的速度脉冲放大作用曲线,同样证实了速度大脉冲在其特征周期Tp附近对反应谱有很强的放大作用,并提出了速度脉冲放大作用模型。Somerville[10]利用基岩场地和土层场地记录到的速度脉冲进行对比分析,研究表明土层场地的脉冲周期大于基岩场地(Mw<7.5)。Yang等[11]选取1999台湾集集地震和1994年美国Northridge近断层地震记录进行频谱特征分析,结果表明长周期脉冲对近断层地震动频谱特征影响较大,这种地震动长周期分量主要出现在下盘场地。脉冲型地震动对中长周期工程结构有着重要影响,这体现在脉冲效应对中长周期段加速度反应谱有着明显的放大作用。江辉等[12]基于长周期的近断层脉冲型地震动记录,通过分析竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值与脉冲周期和结构自振周期的变化规律,表明我国现行规范取值明显小于反应谱比值。

2023年2月6日,土耳其连续发生了Mw7.8级,Mw7.5级和Mw6.7级地震,2月20日又发生了Mw6.3级地震。这是土耳其历史上最严重的一次地震,截至2月28日,土耳其国内累计死亡人数超过44 300人,另外16万座建筑被毁坏,造成150万人无家可归以及不可估量的经济损失。特别是靠近断层区域的卡赫拉曼马拉什、阿德亚曼等地区建筑物损毁得更为严重。土耳其灾害和应急管理局(Disaster, and Emergency Management Presidency, AFAD) 数据库获得了大量的近断层强震动加速度记录。为了揭示本次地震序列中近断层地震动的特征,本文使用能量法对近断层脉冲型地震动记录进行识别,分析四次强震中速度脉冲周期和幅值特征,研究震级、断层距对幅值等参数的影响。

1 强震动记录数据

土耳其Mw=7.8、Mw=7.5、Mw=6.7和Mw=6.3地震序列中,土耳其AFAD分别公布了289组,216组,160组和116组三分量加速度记录,选取上述781组加速度记录进行研究。根据美国地质调查局(United States Geological Survey, USGS)和土耳其AFAD发布的震源机制信息,四次地震的震源信息如表1所示。地震断层根据USGS公布的断层信息绘制,近断层台站分布及四次地震的震源机制信息如图1所示。

图1 土耳其地震的强震动台站和脉冲型地震动分布

表1 土耳其地震序列的震源机制

2 基于能量法的脉冲识别

识别脉冲型地震动[13-17]的方法有多种,其中能量法是一种简单且有效识别脉冲型地震动的方法,对于本次土耳其地震序列获得的强震动记录,能量法能够准确识别出更多的速度脉冲型地震动尤其是含有多个脉冲的单条速度脉冲型地震动,结果表明其适用于本次地震序列。因此,本文基于能量法对地震动记录进行预处理和识别。

2.1 地震动记录的处理

考虑到未经处理的加速度记录可能存在基线偏差和噪声造成积分后的速度和位移时程不合理偏移的现象,为了消除这一现象,需要对地震动记录进行基线校准和滤波处理[18-20],具体步骤如下:

步骤1 从连续波形中将加速度记录进行截断,将获取的整个事件记录减去事件前5 s的均值得到加速度记录。

步骤2 将加速度记录前后补零30 s后,再进行波形尖灭。

步骤3 进行滤波,选取4阶Butterworth非因果滤波器进行带通滤波,滤波选取的频率段选择0.1～30 Hz。

步骤4 最后将得到的加速度、速度和位移时程记录进行人工筛选,剔除无法使用的记录。

图2为编号3124台站在Mw7.8地震中获得的未处理和处理过的东西(EW)方向加速度、速度和位移记录,经过处理后的地震动记录明显消除了基线漂移的现象。

(a) 处理前

为了提高脉冲识别的效率以及确定地震动记录中最显著的速度脉冲方向便于研究其脉冲特性,需要对于地震动记录的旋转方向进行选取。Shahi等[21]曾观察到,如果在任何方向上发现脉冲,则地面运动被标记为脉冲型地震动,本文为了考虑最大速度脉冲方向的不确定性,采用将实际观测水平地震动记录在水平面内进行旋转,进而识别地震动在水平0°～180°方位上的最大速度脉冲方法。给定任意两个正交水平地震动分量按式(1)的关系可以得到水平向任意方位地震动分量

v(t,θ)=v1(t)×cos(θ)+v2(t)×sin(θ)

(1)

式中:v1(t)和v2(t)依次代表台站记录东西(EW)方向与南北(NS)方向的地震动速度时程,以逆时针旋转为正,则v1(t)旋转90°后与v2(t)的方位重合;v(t,θ)为与v1(t)成任意角度θ方位对应的地震动速度时程。对于所有方向的地震动分量依次进行脉冲识别增加了计算的时间和降低了脉冲识别的效率,Li等[22]发现最大峰值速度(peak ground velocity,PGV)所在方向在统计意义上代表着最强脉冲所在的方向,因此本节将781组水平向两分量加速度记录积分得到的速度时程记录旋转至最大PGV所在方向进行预处理,将旋转后的记录作为水平向脉冲识别的对象,对于竖向(UD)地震动分量不做旋转处理进行识别。

图3给出了台站地震动速度时程记录旋转前后的对比,发现将速度时程记录旋转到最大PGV方向后,可以明显看出高幅值的速度大脉冲,尽管在EW、NS、UD方向均可观察到不同程度上的速度脉冲,但在脉冲的形状和幅值大小上均与最大PGV方向上的速度脉冲存在差异,不具备统计特征。因此选取最大PGV方向的脉冲进行脉冲识别更加高效。

(a) 2717台站旋转前后

2.2 能量法

能量法通过对地震动记录速度的平方在时间尺度进行积分,定义了显著半脉冲的概念和统计回归得到速度脉冲型地震动的判定准则,研究表明能量法可以更加有效地识别速度脉冲型地震动。以本次土耳其Mw7.8地震中2718台站NS方向的地震动记录为例,图4给出了半脉冲振动区间和速度时程的关系。半脉冲指的是连续两个零点之间的速度时程,每个速度半波的能量以两个连续零点之间速度平方的时间积分来表示,则地震动的总能量可以表示为

(2)

式中:N为半脉冲的总数;ΔEk为第k个速度半脉冲的能量,计算公式如下

(3)

式中:v(t)为速度时间序列;t1k和t2k为第k个速度半脉冲的开始时间和结束时间。为了评价半脉冲的重要性和显著性,第k个速度半脉冲的相对能量被定义为

Ek=ΔEk/E

(4)

将Ek≥0.1的半脉冲定义为显著半脉冲。

根据脉冲型地震动的特征,将脉冲能表示为所有显著半脉冲所含的能量之和,即

(5)

将所有地震动按照所含显著半脉冲的个数分为不同的类别,包括类别0、类别1、类别2、类别3、类别4和类别5,分别代表地震动速度时程中无显著半脉冲,含有1个,2个,3个,4个和至少5个显著半脉冲。当地震动为类别0时则为非脉冲,表2给出了其余类别的临界阈值,当地震动的EP大于相应的临界阈值则判别为脉冲型。

表2 不同类别的临界阈值

2.3 水平向和竖向脉冲识别结果

采用上述方法及准则对四次地震781组三分量加速度记录的水平向和竖向分别进行识别。考虑到脉冲周期(Tp)定义的不同会影响Tp的计算[23],本文对识别出的脉冲型地震动记录采用取速度反应谱峰值对应的周期作为Tp的方法[24]和峰点法[25]相结合确定Tp。表3和表4分别为竖向和水平向的识别结果及脉冲参数。

表3 竖向脉冲型地震动的识别结果

表4 水平向脉冲型地震动的识别结果

从表3和表4可以看出,水平向上识别出了45条速度脉冲记录,其中有30条记录来自于Mw7.8地震,5条记录来自于Mw7.5地震,9条记录来自于Mw6.7地震,剩余的1条记录来自于Mw6.3地震。在竖向上识别出了17条速度脉冲记录,其中14条来自于Mw7.8地震,1条记录来自于Mw7.5地震,剩余的2条记录来自于Mw6.3地震。脉冲记录主要来自于第一次Mw7.8地震。其中竖向的17条速度脉冲记录有12条记录的所在台站的水平向记录上同样也被归类为速度脉冲,但3316台站和4615台站所获得的Mw7.8地震动记录在水平向被归类为非速度脉冲,而在竖向被归类为速度脉冲。水平方向上Tp主要分布在1～6 s之间,其中8002台站获得的Mw7.8地震的记录的脉冲周期最大,为7.57 s。水平方向上PGV主要分布在30～120 cm/s之间,其中3138台站获得的Mw7.8地震的记录的PGV最大,为231.30 cm/s。竖向Tp主要分布在1～4 s之间,其中3136台站获得的Mw7.8地震记录的Tp最大,为5.86 s。竖向PGV主要分布在30～60 cm/s之间,其中3138台站获得的Mw7.8地震记录的PGV最大,为83.59 cm/s。图5为水平向和竖向部分台站的速度脉冲记录。

(a) 水平向速度脉冲记录

3 速度脉冲幅值和周期特性

3.1 脉冲周期和震级的关系

脉冲型地震动通常可以用四个参数来准确描述[26]:脉冲周期(Tp)、脉冲幅值(Vp)、脉冲个数以及相位。由于目前脉冲个数和相位的确定的研究工作尚不充分,脉冲型地震动的主要的特性一般可以通过脉冲周期和脉冲幅值来表征[27]。由于17条竖向脉冲型地震动数量较少且关于竖向脉冲型地震动特性研究较少,缺乏相应模型比较,因此本文研究45组水平向脉冲型地震动和脉冲周期与矩震级的关系和脉冲幅值随断层距和矩震级的变化。

利用土耳其四次地震识别出的45条水平向速度脉冲型地震动记录对脉冲周期和矩震级的关系进行统计分析,图6给出了由45条水平向脉冲型记录数据回归得到的脉冲周期随矩震级变化的关系曲线。本文统计回归得到的脉冲周期随矩震级变化的预测关系式为

图6 本文回归得到的速度脉冲周期随震级的变化关系

lgTp=-2.139+0.338Mw

(6)

图7将回归得到的脉冲周期和震级的预测模型与Alavi和Krawinkler[24]、Somerville[10]、Mavroeidis和Papageorgiou[26]、Bray和Rodriguez-Marek[28]、赵国臣等[29]以及 Shahi和Baker[15]给出的经验关系进行对比。由图7可知,本文得到的预测模型与现有的预测模型存在明显差异,在矩震级大于6.4时,相同矩震级下,本文模型给出的脉冲周期预测值均低于现有模型的脉冲周期预测值。在矩震级小于6.4时,本文模型给出的脉冲周期预测值仅仅只高于Somerville[10]模型在岩石场地下的预测值。本次土耳其地震的脉冲型地震动的脉冲周期较以往多数脉冲型地震动来说显著偏低。

图7 本文回归得到的脉冲周期和震级的经验关系与现有模型的比较

Cork等的研究表明对于震级较小(Mw<7.5)的地震,土壤场地的脉冲周期比岩石场地更长。随着地震震级的增加,岩石和土壤场地的脉冲周期值趋于一致,这是因为震级较大的地震的波长大于30 m。因此在地表以下30 m的上部,将场地分为岩石或土壤,对震级较大地震的脉冲周期几乎没有影响。本文选用Shahi等模型选取的243条脉冲型地震动记录(https://www.jackwbaker.com/pulse_classification_v2/Pulse-like-records.html)以及Bray等模型选取的54条脉冲型地震动记录与本文选用的45条土耳其地区脉冲型地震动记录对比分析场地条件对脉冲周期的影响。依据美国抗震设计规范[30]场地划分规则,根据地表以下30 m深度范围内的等效剪切波速(VS30)值进行分类,结果如图8所示。

图8 本文所采用的脉冲型地震动记录与前人模型所用的脉冲型地震动记录的场地分类情况

从图8可以看出,本次土耳其脉冲型地震动记录较选取的前人模型的脉冲型地震动记录来看,场地条件整体偏硬,这可能是小震级下(Mw<7.5)导致脉冲周期偏小的原因。

另外脉冲周期与地震动记录的频率成分息息相关,前人模型中矩震级7.5级及以上的脉冲型地震动记录绝大多数来自于1999年台湾集集地震,其中Baker提供的脉冲型地震动记录较其余模型的数据来说,最为全面。我们以Baker提供的脉冲型地震动记录为例,对比本文采用的35条土耳其脉冲型地震动记录(Mw≥7.5)和Baker提供的45条脉冲型地震动记录数据库(Mw≥7.5)的频率成分。

由于脉冲型地震动记录低频成分较普通地震动低频成分更丰富,希尔波特谱可以给出地震信号中其他方法可能遗漏的低频能量[31]。因此这里我们使用希尔伯特能量谱去计算脉冲型地震动记录低频(小于0.3 Hz)频段的能量与总能量的比率,低频频段截止频率选0.3 Hz是因为前人预测模型在Mw≥7.5时的脉冲周期均大于3.33 s(对应频率为0.3 Hz)。

图9为本文选取土耳其地区脉冲型地震动记录与Baker脉冲型地震动记录的低频成分能量占比。我们发现本文选取的土耳其地区脉冲型地震动记录的低频成分能量占比远小于前人所用的脉冲型地震动记录,这是导致大震级(Mw≥7.5)下本文模型显著小于前人模型的主要原因。

图9 土耳其地区脉冲型地震动记录(Mw≥7.5)与Baker提供的脉冲型地震动记录(Mw≥7.5)的低频成分(小于0.3 Hz)能量占比

3.2 脉冲幅值与震级和断层距的关系

PGV在时域内可以合理并准确地代表脉冲幅值,因此本文使用PGV来表示脉冲幅值。选取土耳其地震的45条脉冲记录的脉冲幅值数据,图10绘出了脉冲幅值随震级和断层距变化的分布,总体来看,矩震级相同时,脉冲幅值随断层距的增大而显著减小。断层距相近时,脉冲幅值随矩震级增大而增大。统计回归得到的脉冲周期随震级和断层距的预测关系式为

图10 本文回归得到的速度脉冲幅值随震级和断层距的变化关系

lgVp=2.056-0.032Mw-0.550lgRrup

(7)

图11为文献[23,28,32-33]提出的脉冲幅值的统计回归模型,与本文计算出的土耳其脉冲型地震动的脉冲幅值和模型的比较。从图11可以发现,本文模型明显高于Bray等岩石场地上的预测值。矩震级相同的情况下,当断层距小于25 km左右时,本文模型预测值与Bray等岩石场地模型预测值相近且大于其他模型预测值。随着断层距不断变大(Rrup>25 km),本文模型小于Tang等土层场地与岩石场地模型预测值,随着矩震级不断减小,本文模型与Chen等走滑断层的预测模型逐渐接近。

图11 本文回归得到的脉冲幅值随震级和断层距的经验关系与现有模型的比较

4 结 论

基于能量法对土耳其地震序列的四次强震记录在水平方向和竖向上进行脉冲型地震动的分类识别,研究了水平方向上震级对脉冲周期的影响,分析了震级、断层距对脉冲周期和幅值的影响,揭示了土耳其四次地震的速度脉冲特点,研究表明:

(1) 对土耳其地震序列获得的781组地震动记录进行最大PGV方向上的旋转后,利用能量法进行速度脉冲识别,发现土耳其地震序列中存在水平向和竖向的近断层脉冲型地震动。

(2) 土耳其地震序列脉冲型地震动的速度脉冲具有周期短、幅值大的显著特点。水平向和竖向速度脉冲周期主要分布在1～6 s和1～4 s之间,竖向速度脉冲周期总体上小于水平向,水平向和竖向速度脉冲周期最大值7.57 s和5.86 s分别出现在8002台站和3136台站在Mw7.8地震中获得的地震动记录中。水平向和竖向速度脉冲幅值主要分布在30～120 cm/s和30～60 cm/s,竖向速度脉冲幅值明显小于水平向。在水平向和竖向3138台站获得的Mw7.8地震记录的脉冲幅值均为最大,分别为231.30 cm/s和83.59 cm/s。

(3) 水平方向上速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大且相同矩震级情况下,土耳其地震序列脉冲型地震动的脉冲周期明显小于现有模型的预测值。脉冲幅值随断层距的增加存在明显衰减的趋势,当断层距小于25 km时,脉冲幅值普遍高于现有模型预测值。

致谢

感谢土耳其灾害和应急管理局 (Disaster, and Emergency Management Presidency, www.afad.gov.tr) 提供的地震动数据和美国地质调查局(United States Geological Survey, https://earthquake.usgs.gov/)提供的震源机制信息。