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        俯沖帶板緣與板內(nèi)地震長周期地震動(dòng)參數(shù)預(yù)測模型研究1

        2021-04-09 06:24:48俞言祥
        震災(zāi)防御技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:深度模型

        肖 亮 俞言祥

        (中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

        引言

        地震動(dòng)參數(shù)預(yù)測模型(常稱為衰減關(guān)系)的建立是地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖編制的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。我國陸域地震區(qū)劃圖編制已經(jīng)歷數(shù)代,逐漸完善發(fā)展。然而,對(duì)于廣袤的海域,地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃仍需開展進(jìn)一步研究工作。

        目前,國內(nèi)外多位研究者利用強(qiáng)震記錄、數(shù)值模擬結(jié)果建立了全球性或區(qū)域性俯沖帶地震動(dòng)預(yù)測模型,如Atkinson 等(2003)利用全世界范圍內(nèi)俯沖帶強(qiáng)震記錄建立了地震動(dòng)預(yù)測模型(板緣、板內(nèi)),并通過實(shí)際記錄對(duì)比分析了該模型在Cascadia 區(qū)域(華盛頓、北加拿大區(qū)域)與其他區(qū)域的適用性;Arango 等(2012)對(duì)比了世界范圍內(nèi)多組俯沖帶地震動(dòng)預(yù)測模型在智利、中美洲俯沖帶區(qū)域的適用性,并探討了區(qū)域性差異及其在地震危險(xiǎn)性分析中的影響;胡進(jìn)軍等(2013,2014)和郝彥春(2015)利用強(qiáng)震資料及數(shù)值模擬結(jié)果研究了俯沖帶地震動(dòng)衰減特性、局部場地效應(yīng)等,并探討了潛在地震對(duì)我國海域開發(fā)和建設(shè)的影響;Zhao 等(2006,2016)利用日本、臺(tái)灣等地俯沖帶強(qiáng)震記錄,采用H/V進(jìn)行場地分類,建立了板內(nèi)、板緣地震地震動(dòng)預(yù)測模型。但以上研究針對(duì)的反應(yīng)譜頻段多限于周期為5~6 s,對(duì)長周期地震動(dòng)的估計(jì)存在一定不足。

        陸域地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃主要針對(duì)面大量廣的民用建筑與一般性重大工程,而海域幾乎不涉及民居,其中島礁建筑、跨海大橋等長周期結(jié)構(gòu)較多。我國海域地震環(huán)境存在特殊性,大部分海域遠(yuǎn)離俯沖帶,除短周期地震動(dòng)參數(shù)主要受陸域或近海海域高震級(jí)潛在震源區(qū)控制外,長周期地震動(dòng)參數(shù)受遠(yuǎn)場俯沖帶深大地震的影響不容忽視??紤]以上原因,本文進(jìn)行俯沖帶地震動(dòng)參數(shù)預(yù)測模型建立時(shí),重點(diǎn)關(guān)注了對(duì)反應(yīng)譜長周期段的估計(jì)。

        1 總體思路

        近年來,我國強(qiáng)震動(dòng)觀測數(shù)據(jù)雖得到快速積累,但仍缺乏海域強(qiáng)震資料。因此,根據(jù)實(shí)際情況,廣泛收集與我國海域相似區(qū)域(日本東部俯沖帶、琉球-沖繩俯沖帶)地震記錄,即從日本強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)(K-net 和Kiknet)收集了該區(qū)域基巖強(qiáng)震加速度資料,從國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)聯(lián)合會(huì)(IASPEI)全球數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)收集了該區(qū)域?qū)掝l帶速度測震記錄。建立地震動(dòng)參數(shù)預(yù)測模型時(shí),綜合強(qiáng)震記錄近場高頻優(yōu)勢與測震記錄遠(yuǎn)場低頻優(yōu)勢,可較好地估計(jì)反應(yīng)譜長周期段。

        考慮與陸域區(qū)劃和我國實(shí)際工程設(shè)計(jì)的銜接,建立俯沖帶地震動(dòng)參數(shù)預(yù)測模型時(shí),使用阻尼比為5%的基巖水平向加速度反應(yīng)譜(周期至10.0 s),地震震級(jí)采用面波震級(jí),考慮斷層尺度和震源深度的影響,距離參數(shù)采用斷層距Rrup(場點(diǎn)至斷層破裂面的最短距離)。

        2 地震資料與分類

        2.1 俯沖帶強(qiáng)震資料

        除搜集琉球-沖繩俯沖帶地震記錄外,為彌補(bǔ)高震級(jí)地震的缺失,挑選具有較多高質(zhì)量記錄且地震活動(dòng)性較高的日本東部俯沖帶地震記錄。為保證數(shù)據(jù)的可靠性,選用近年強(qiáng)震記錄,數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2000 年1 月1 日至2020 年7 月1 日。獲取強(qiáng)震記錄后,對(duì)其進(jìn)行基線校正和截止頻率0.025 Hz 的高通濾波,并計(jì)算阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜。采用人工檢查的方式剔除信噪比較低或有明顯錯(cuò)誤的記錄。加速度記錄主要用于反應(yīng)譜周期至1.0 s 的短周期段預(yù)測模型的確定。

        從全球CMT 地震目錄獲取強(qiáng)震資料地震參數(shù),包括震級(jí)、斷層性質(zhì)、震源深度等信息。采用面波震級(jí)作為統(tǒng)一震級(jí)標(biāo)度,對(duì)于沒有面波震級(jí)卻有矩震級(jí)的地震,采用劉瑞豐(2015)震級(jí)轉(zhuǎn)換公式計(jì)算面波震級(jí)。采用斷層距作為距離參數(shù),對(duì)于可在K-net、Kik-net 網(wǎng)站查詢到的有限斷層模型地震,直接計(jì)算斷層距;對(duì)于無法查詢到有限斷層模型的地震(大部分地震震級(jí)較低),采用震源距(場點(diǎn)至震源的距離)作為斷層距,當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)(大多數(shù)情況),二者差別較小。

        采用Vs30(地表以下30 m 內(nèi)折算平均剪切波速)作為場地分類參考依據(jù),采用Vs30 超過500 m/s 的記錄作為基巖場地記錄。

        2.2 俯沖帶測震資料

        將寬頻帶數(shù)字測震記錄作為速度記錄,主要來自于IASPEI 全球數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)。該臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站布設(shè)歷史較長,記錄器中速度平臺(tái)型寬頻帶高增益BH 信道具有較多記錄,能夠提供高質(zhì)量的俯沖帶遠(yuǎn)場記錄,適用于長周期地震動(dòng)研究。

        挑選沖繩俯沖帶與日本東部俯沖帶寬頻帶速度記錄,剔除井下或具有一定高程的記錄,主要關(guān)注自由地表。獲取記錄后,與強(qiáng)震資料處理程序相同,完成基線校正和截止頻率0.025 Hz 的高通濾波,對(duì)其進(jìn)行微分得到加速度時(shí)程。測震記錄具有高增益特性,常存在近場限幅的情況。為保證資料的可靠性,采用人工檢查的方式對(duì)信噪比較低、限幅或顯著有誤的記錄進(jìn)行剔除,然后計(jì)算阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜。該部分速度記錄主要用于確定反應(yīng)譜周期超過1.0 s 的長周期段預(yù)測模型。

        震級(jí)與距離參數(shù)與強(qiáng)震資料的處理相同,對(duì)于場地分類,由于臺(tái)站放置在基巖或基座上,可不考慮土層的影響。

        2.3 板緣與板內(nèi)地震分類

        通過震源深度與震源機(jī)制確定板緣、板內(nèi)地震分類,具體規(guī)則如下:

        (1)對(duì)于震源深度為20~30 km 淺殼地震,震源機(jī)制為逆斷層,考慮俯沖帶上緣與地殼之間無明顯界限,將這部分地震歸為板緣地震。

        (2)對(duì)于震源深度為30~50 km 的地震,歸為板緣地震??紤]震源深度為50~70 km 處,中深源和深源地震不存在明顯界限,一般認(rèn)為板緣地震震源機(jī)制為逆斷層,因此,將震源深度為50~70 km 且震源機(jī)制為逆或走滑斷層的地震歸為板緣地震。

        (3)對(duì)于震源深度為50~70 km 且震源機(jī)制為正斷層的地震,歸為板內(nèi)地震。將震源深度超過70 km的地震也歸為板內(nèi)地震。

        為完成預(yù)測模型的回歸,選擇面波震級(jí)Ms≥5.0、Rrup≤500 km 的水平向地震記錄進(jìn)入板緣地震回歸數(shù)據(jù)集;考慮板內(nèi)地震震源深度較深,適當(dāng)擴(kuò)大距離范圍,因此選取面波震級(jí)Ms≥5.0、Rrup≤600 km 的水平向地震記錄進(jìn)入板內(nèi)地震回歸數(shù)據(jù)集。為增加統(tǒng)計(jì)樣本量,同一臺(tái)站2 條水平向地震記錄視為獨(dú)立記錄,強(qiáng)震資料、測震資料地震目錄如表1~4 所示,地震震中分布如圖1 所示。

        圖1 地震事件震中分布圖Fig. 1 Map of earthquakes epicenter location

        表1 強(qiáng)震資料地震目錄(板緣地震)Table 1 Catalog of strong earthquakes records (Interface earthquakes)

        表2 寬頻帶資料地震目錄(板緣地震)Table 2 Catalog of broad-band records (Interface earthquakes)

        表3 強(qiáng)震資料地震目錄(板內(nèi)地震)Table 3 Catalog of strong earthquakes records (Intraslab earthquakes)

        表4 測震資料地震目錄(板內(nèi)地震)Table 4 Catalog of broad-band records (Intraslab earthquakes)

        板緣地震使用資料震級(jí)-斷層距分布關(guān)系如圖2 所示,由圖2 可知,震級(jí)為6 級(jí)以下時(shí),由于斷層距較遠(yuǎn),導(dǎo)致加速度幅值過小或信噪比較低,多條中小震級(jí)地震記錄被剔除,對(duì)回歸產(chǎn)生一定影響。板內(nèi)地震使用資料震級(jí)-斷層距分布關(guān)系如圖3 所示,由圖3 可知,板內(nèi)地震震級(jí)上限為7 級(jí),對(duì)高震級(jí)結(jié)果的約束性相對(duì)較弱??傮w來看,寬頻帶資料較好地彌補(bǔ)了強(qiáng)震記錄在遠(yuǎn)場的缺失,有利于長周期預(yù)測模型的建立。

        圖2 板緣地震記錄震級(jí)-斷層距分布關(guān)系圖Fig. 2 Distribution of magnitude-distance of interface earthquakes

        圖3 板內(nèi)地震記錄震級(jí)-斷層距分布關(guān)系圖Fig. 3 Distribution of magnitude-distance of intraslab earthquakes

        3 模型與回歸方法

        借鑒《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)分段線性模型(高孟潭,2015)建立板緣地震動(dòng)預(yù)測模型,對(duì)于板內(nèi)地震,增加震源深度相關(guān)項(xiàng),回歸模型可統(tǒng)一寫為:

        式中,Y為反應(yīng)譜值;M為面波震級(jí);R為斷層距;T為反應(yīng)譜周期,當(dāng)震源深度<70 km 時(shí),h=0,當(dāng)震源深度為70~120 km 時(shí),h=震源深度-70 km,當(dāng)震源深度>120 km 時(shí),h=50 km;ε為具有標(biāo)準(zhǔn)差σ的隨機(jī)量,均值為0;其余參數(shù)由回歸擬合得到。由于板緣地震震源深度<70 km,震源深度項(xiàng)對(duì)于板緣地震不起作用;對(duì)于板內(nèi)地震,震源深度項(xiàng)可在一定程度上反映震級(jí)量規(guī)函數(shù)對(duì)震源深度的補(bǔ)償,由于對(duì)深源地震的研究較少,人為設(shè)定線性關(guān)系在120 km 震源深度處不再增長。

        沿用與五代圖相配套的分段回歸方法(肖亮等,2010)進(jìn)行預(yù)測模型回歸,對(duì)每個(gè)周期點(diǎn)反應(yīng)譜值進(jìn)行回歸,并對(duì)整體譜型進(jìn)行適當(dāng)光滑,得到完整的反應(yīng)譜預(yù)測模型。由于俯沖帶地震一般遠(yuǎn)離大陸,近場記錄天然性較少,對(duì)直接回歸近場飽和因子DeEM造成較大困難??紤]DeEM主要反映斷層破裂尺度信息,僅對(duì)近場區(qū)域有影響,因此,直接借用陸域回歸結(jié)果,即D=0.956,E=0.462,其余參數(shù)由回歸確定。

        4 回歸結(jié)果

        對(duì)于阻尼比為5%的基巖水平向加速度反應(yīng)譜,選取10.0 s 范圍內(nèi)基本等對(duì)數(shù)間隔的30 個(gè)點(diǎn)。強(qiáng)震記錄用于短周期段(1.0 s 前)的回歸,寬頻帶速度記錄用于長周期段(3.0 s 后)的回歸,對(duì)于1.5~3.0 s 周期段,采用強(qiáng)震資料與寬頻帶速度資料混用的方式進(jìn)行銜接,最終得到周期至10.0 s 的長周期反應(yīng)譜預(yù)測模型。板緣地震和板內(nèi)地震預(yù)測模型相關(guān)參數(shù)分別如表5、6 所示,相應(yīng)的反應(yīng)譜曲線(由下至上Ms=5、6、7、8 級(jí))如圖4 所示,周期6.0 s 反應(yīng)譜值隨斷層距的衰減曲線如圖5 所示(由下至上Ms=5、6、7、8 級(jí))。

        圖4 基巖水平向加速度反應(yīng)譜曲線Fig. 4 Spectral acceleration curves for horizontal rock ground motion

        圖5 周期6.0 s 反應(yīng)譜值衰減曲線Fig. 5 Attenuation curves for spectrum of period 6.0 s

        表5 板緣地震基巖水平向加速度反應(yīng)譜預(yù)測模型相關(guān)參數(shù)Table 5 Coefficients of horizontal rock spectral acceleration prediction model for interface earthquakes

        表6 板內(nèi)地震基巖水平向加速度反應(yīng)譜預(yù)測模型的參數(shù)Table 6 Coefficients of horizontal rock spectral acceleration prediction model for intraslab earthquakes

        5 討論

        為觀察回歸結(jié)果的可靠性,給出板緣、板內(nèi)地震關(guān)鍵周期點(diǎn)(周期6.0 s)反應(yīng)譜回歸殘差隨震級(jí)、斷層距的變化關(guān)系,如圖6、7 所示。由圖6,7 可知,隨著斷層距和震級(jí)的變化,回歸殘差在零值附近水平分布,無明顯趨勢,說明回歸結(jié)果真實(shí)可靠,且本模型中離散標(biāo)準(zhǔn)差可視為不隨斷層距和震級(jí)變化的常數(shù)。為進(jìn)行合理分析,選擇目前國際上常用的俯沖帶衰減關(guān)系與本文結(jié)果進(jìn)行比較,包括Abrahamson 等(2016)采用全球俯沖帶強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果和Zhao 等(2006)采用日本俯沖帶強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果。震級(jí)6.5 級(jí)、斷層距50 km(板緣地震,震源深度30 km),震級(jí)7.5 級(jí)、斷層距200 km(板緣地震,震源深度50 km),震級(jí)6.5 級(jí)、斷層距100 km(板內(nèi)地震,震源深度70 km),震級(jí)7.5 級(jí)、斷層距200 km(板內(nèi)地震,震源深度70 km)處反應(yīng)譜的對(duì)比如圖8 所示。由圖8 可知,在震源深度較淺的板緣地震情況下,對(duì)于近場高頻部分,本文預(yù)測模型得到的結(jié)果較高,具有一定保守性,對(duì)弈中遠(yuǎn)場部分,本文預(yù)測模型得到的結(jié)果居中;在外推較深的板內(nèi)地震情況下,3 組預(yù)測模型得到的結(jié)果較接近,對(duì)于遠(yuǎn)場部分,本文預(yù)測模型得到的長周期略低??傮w來看,3 組預(yù)測模型反應(yīng)譜曲線基本相當(dāng),在主要震級(jí)-斷層距段結(jié)果較接近,可在一定程度上驗(yàn)證本文預(yù)測模型的可靠性。靠性。Abrahamson 等(2016)的研究使用全球資料,Zhao 等(2006)的研究可用周期截至5.0 s,考慮區(qū)域性衰減特性與長周期可用性等,本文預(yù)測模型更適用于我國海域及長周期地震動(dòng)的估計(jì),適用震級(jí)為5.0~8.0 級(jí),斷層距為0~600 km。

        圖6 回歸殘差隨震級(jí)的變化關(guān)系圖Fig. 6 Comparison of residuals in relation with magnitude

        圖7 回歸殘差隨斷層距的變化關(guān)系圖Fig. 7 Comparison of residuals in relation with distance

        圖8 基巖水平向加速度反應(yīng)譜曲線對(duì)比結(jié)果Fig. 8 Comparison of spectral acceleration curves for horizontal rock ground motion

        致謝 本文使用日本K-net、Kik-net 地震臺(tái)網(wǎng)、IASPEI 全球地震臺(tái)網(wǎng)地震資料,研究和成文過程中得到李小軍教授、周正華教授及審稿專家的熱心指導(dǎo)與建議,在此一并表示感謝!

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