海底與陸地地震動反應譜比定量分析

譚景陽，胡進軍，周旭彤，楊澤西

(1.中國地震局 工程力學研究所,哈爾濱 150080； 2. 中國地震局 地震工程與工程振動重點實驗室,哈爾濱 150080)

面向海域重大土木交通和基礎設施的建設，考慮到海域地震環境的風險，需要對海域工程進行合理的抗震設防。目前相關規范多數參考了陸地工程的抗震設計地震動參數，并沒有專門考慮海域地震動的特征。因此，合理的海域工程抗震設計需要考慮海域地震動與陸地地震動之間差異。基于強震數據的海底地震動與陸地地震動之間的對比，大多都是采用了統計的方法。Boore等[1-2]研究了美國加州近海石油平臺附近的10條淺海海底強震記錄。Sleefe[3]對比了水平分量與豎向分量的差異，其研究結果認為海陸的水平向地震動幅值接近，但是海底豎向地震動遠遠小于陸地記錄，幅值對比有一個震級的差別。胡進軍等[4-5]對近海地震動參數和衰減關系進行了初步的研究。Zhang等[6]經過統計分析給出近海結構反應譜設計值。Chen等[7-10]研究了海陸地震動等延性強度折減系數譜，結果表明兩者差異較小，震中距對其影響顯著。Petukhin等[11]通過地震動的數值模擬研究了海水層對地震動水平分量的影響，其模擬結果認為海水層對由淺源(小于10 km)地震產生的瑞利波的基本模態有顯著的影響。

2000年以來日本K-net記錄了大量海域和陸域地震動數據，為了對海陸地震動的差異進行系統和定量的研究，本文基于日本相模灣ETMC系統的6個海底臺站的地震動記錄，研究彈性和彈塑性反應譜的海陸差異，以期得到考慮不同震源類型的海陸地震動的定量關系。

1 海陸地震動

經過初選從K-net選取922組海底地震動，這些記錄要求符合以下基本條件：①為了選取破壞性地震的記錄，只考慮震級大于4.0的地震動；②為了保證較好的信噪比，水平和豎向加速度峰值(Peak Ground Acceleration,PGA)分別要大于10 gal和1 gal；③不包含震中距大于600 km的記錄。對原始記錄進行基線校正和帶通濾波[12-14]。最終建立了本研究的海域基礎數據，包含來自于321次地震的922組三分量地震動，圖1給出了海域地震動記錄的震級-震中距分布圖。

圖1 海底記錄震級-震中距分布圖Fig.1 Distribution map of magnitude and epicentral distance of offshore ground motions

為了與海底記錄進行對比，從KiK-net選取了4 599組地震動，選取的臺站分布如圖2所示。為了考慮震源機制的影響，本文根據震源類型對地震動進行了劃分，地震類型的定義和劃分方法[15]如圖3所示。

圖2 陸地臺站分布圖Fig.2 Distribution map of onshore stations

圖3 震源類型示意圖Fig.3 Sketch map of earthquake source types

為了考慮震級和震中距對地震動的影響，將震級4.0～5.4級劃分為中震，5.5～6.9級劃分為中強震，7.0級及以上劃分為強震；將0～50 km劃分為近場，將51～200 km劃分為中場，將201～600 km劃分為遠場。具體的海底和陸地地震動的分類如表1所示。

表1 海底和陸地地震動分類Tab.1 Classification of offshore and onshore ground motions

2 彈性反應譜比

為了比較彈性反應譜譜比隨周期的變化，本文計算了各分組中的標準化彈性加速度反應譜，地震動的水平分量采用其幾何平均值進行計算。為了探討不同周期范圍的差異，根據謝禮立等[16]對周期段的劃分結果，分別研究了0～0.5 s短周期段，0.5～1.5 s中等周期段和1.5 s以上長周期段譜比的平均值及其變異系數。

2.1 淺地殼地震

圖4給出了淺地殼地震的海底與陸地地震動的近場中強震、中場中強震和遠場強震的水平與豎向的動力放大系數譜比。選取這個三個代表性分組，主要是考慮到：一方面在近場、中場和遠場三個不同距離的分類中找出一個數據最多的代表；另一方面是對于不同距離的各組取其幅值較大的中強震或者強震。

由圖4可以看出，水平分量海陸地震動動力放大系數譜比在短周期和中周期差別較小，在長周期差別較大；與其他兩組地震相比，中場中強震在長周期段海陸差別最大。豎向分量海陸地譜比大于1 s時差別很大；不同組地震動的差別不明顯。表2給出了各周期范圍內海陸地震動彈性譜比的平均值與變異系數，各組地震中水平向變異系數在0.25以下，而豎向變異系數在0.5以下。

圖4 淺地殼地震動的海陸譜比Fig.4 Offshore-to-onshore spectral ratios of shallow crustal earthquakes

表2 淺地殼地震海陸譜比的平均值和變異系數Tab.2 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of shallow crustal earthquakes

2.2 上地幔地震

圖5給出了上地幔地震的海底與陸地不同分組的水平與豎向分量的動力放大系數譜比。

圖5 上地幔地震的海陸譜比Fig.5 Offshore-to-onshore spectral ratios of upper mantle earthquakes

與淺地殼地震的特征相似，在短周期段水平向與豎向的動力放大系數都較小，但是豎向分量在大于1 s長周期段海陸譜比差異很大。遠場強震在大于4 s的長周期段譜比明顯高于中場中震。表3給出了上地幔地震譜比的平均值與變異系數。

表3 上地幔地震海陸譜比的平均值和變異系數Tab.3 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of upper mantle earthquakes

2.3 板緣地震

圖6給出了板緣地震的海陸地震動的差異，從圖6中可以看出，除了與淺地殼地震和上地幔地震相似的特征以外，中場中強震與遠場強震的譜比差別明顯，卻隨著周期增大中場中強震的比值逐漸大于遠場強震。表4給出了板緣地震譜比的平均值與變異系數。

圖6 板緣地震海陸譜比Fig.6 Offshore-to-onshore spectral ratios of subduction interface earthquakes

表4 板緣地震海陸譜比的平均值和變異系數Tab.4 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of subduction interface earthquakes

2.4 板內地震

板內地震海底與陸地譜比及其平均值和變異系數分別如圖7和表5所示。基于相同的原因，主要給出了代表性的近場中強震、中場中強震和遠場強震的分析對比，其結果與淺地殼、上地幔以及板內地震類似。但是對于水平分量，其遠場強震的譜比在大于1 s的長周期段明顯高于近場和中場中強震。

圖7 板內地震海陸譜比Fig.7 Offshore-to-onshore spectral ratios of subduction slab earthquakes

表5 板內地震海陸譜比的平均值和變異系數Tab.5 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of subduction slab earthquakes

為了基于陸地抗震設計譜調整海域設計譜，本文區分不同周期段，基于本節的統計結果，表6給出了不同震級與震中距分組下的海域設計譜調整系數。

表6 海域地震動設計譜調整系數Tab.6 Adjustment coefficients for design spectra of offshore ground motions

3 等強度延性譜比

目前對海底地震動的研究主要關注了其彈性反應譜，本節對等強度延性譜[17]開展研究，在計算中取標準屈服強度系數分別為0.3，0.4和0.5，在后續分析中取系數0.4為例進行說明。

3.1 淺地殼地震

淺地殼地震海陸等強度延性譜比、均值和變異系數分別如圖8和表7所示。海底與陸地淺地殼地震等強度延性譜在短周期差別較大，在中長周期段差別逐漸減小。水平分量和豎向分量在大于1 s后基本相等。對于水平分量在短周期遠場強震譜比值較小，對于豎向分量遠場強震和中場中強震遠遠高于遠場中強震。

圖8 淺地殼地震海陸等強度延性譜比Fig.8 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of shallow crustal earthquakes

表7 淺地殼地震海陸等強度延性譜比的平均值和變異系數Tab.7 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of shallow crustal earthquakes

3.2 上地幔地震

上地幔地震海陸水平與豎直分量的等強度延性譜比及其平均值和變異系數分別如圖9和表8所示。水平分量在小于0.1 s時和豎向分量小于0.5 s時，中場中震小于遠場強震；但是隨著周期的增大，水平分量的中場中強震逐漸高于遠場強震；而對于豎向分量，隨著周期增大中場中強震和遠場強震逐漸接近。

圖9 上地幔地震海陸等強度延性譜比Fig.9 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of upper mantle earthquakes

3.3 板緣地震

板緣地震的海陸等強度延性譜比和均值及變異系數分別如圖10和表9所示。對于水平分量，海陸等強度延性譜比在小于0.1 s的較短周期差別較大，在中長周期接近，但是對于中場中震，其在2 s以上逐漸大于遠場強震。對于豎向分量，在小于1 s的短周期海陸差別較大，隨著周期增大海陸差距逐漸減小，且遠場強震在0.1～1 s遠大于中場中震。

圖10 板緣地震海陸等強度延性譜比Fig.10 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction interface earthquakes

表8 上地幔地震海陸等強度延性譜比的平均值和變異系數Tab.8 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of upper mantle earthquakes

表9 板緣地震海陸等強度延性譜比的平均值和變異系數Tab.9 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction interface earthquake

3.4 板內地震

圖11和表10分別給出了板緣地震的海陸譜比差異，平均譜比以及變異系數。對于水平分量，海陸等強度延性譜比總體差別不大，均值小于1.5，不同地震分組間在短周期差別較大，但在長周期趨于一致。豎向分量海陸差別較明顯，且隨著周期增大，海陸差距逐漸減小，且遠場強震明顯高于中場中強震和遠場中強震。

圖11 板內地震海陸等強度延性譜比Fig.11 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction slab earthquakes

根據對海陸等強度延性譜的譜比分析，表11給出了不同震級與距離分組下各典型周期段的海底地震動等強度延性譜比相對陸地地震動在標準屈服強度系數分別為0.3，0.4和0.5時的調整系數。

表10 板內地震海陸等強度延性譜比的平均值和變異系數Tab.10 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction slab earthquakes

表11 海域地震動等強度延性譜調整系數Tab.11 Adjustment coefficients of constant-strength ductility spectra of offshore ground motions

4 結 論

本文基于大量海底和陸地地震動數據，考慮震源類型、地震震級和距離分組，通過比較海陸彈性反應譜比和等強度延性譜比，定量給出海陸地震動差異，主要得到如下結論：

(1)海陸地震動存在較大差異，對海域工程結構進行抗震設計時，需要考慮海底與陸地的彈性反應譜和彈塑性反應譜之間的差異，應根據震源類型、震級大小和距離進行調整。

(2)對于彈性反應譜，當周期小于0.5 s時海底與陸地地震動的差異較小，周期0.5 s以上時海底與陸地地震動反應譜的差異明顯，海底地震動的豎向分量顯著較小。對于彈塑性反應譜，當震級或震中距較小時，有必要對水平分量1.5 s及以上的長自振周期結構區分海底與陸地地震動的差別；對豎向分量則需更加關注0.5 s以下的短周期的海陸地震動差異。

雖然目前海底地震動記錄逐漸增多，但是相比于陸地地震動記錄仍然相當匱乏，由此可能導致本研究中分組數據不充分等缺陷。另外，對于海水深度對譜比的影響也是需要繼續研究的。隨著海底地震動記錄特別是大震記錄的補充，可以在本文研究基礎上探討提出更加合理的彈性和彈塑性譜的海陸差異調整系數。

致謝

感謝日本K-net和KiK-net臺網(doi: 10.17598/NIED.0004)提供的數據支持。