基于HVSR 的DONET1 海底地震動場地效應(yīng)研究1

周旭彤 胡進軍 譚景陽 崔 鑫

1）中國地震局工程力學(xué)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

引言

近年來，全球海域地震頻發(fā)，特別是2010 年智利Mw8.8 級特大地震、新西蘭Mw7.2 級地震及2011 年日本Mw9.0 級特大地震等，造成了巨大的經(jīng)濟損失，引起了嚴重的次生災(zāi)害。海域地震對海域工程結(jié)構(gòu)具有巨大威脅，海域工程結(jié)構(gòu)類型眾多，包括跨海橋梁、海底隧道、人工島、石油平臺、海底電纜等，在歷史地震中遭受了嚴重破壞，其中跨海橋梁是近海和海域地震中遭受破壞較多的結(jié)構(gòu)。1995 年，日本Mw6.9 級神戶地震使得人工島上部回填土發(fā)生大規(guī)模液化。另外，海洋石油平臺一旦遭受地震破壞，將產(chǎn)生嚴重的次生災(zāi)害，特別是造成海洋環(huán)境污染。因此，對于近海和海洋工程逐漸增多的現(xiàn)狀，應(yīng)充分考慮海域地震動的影響（陳蘇等，2018；李小軍等，2020）。

目前，全球多個海底地震臺網(wǎng)已建成并投入使用（胡進軍等，2013），Boore 等（1999）利用美國海底觀測臺網(wǎng)（Seafloor Earthquake Measurement System，SEMS）8 次海底地震動記錄得到豎向與水平方向譜比，發(fā)現(xiàn)海水對水平分量地震動的影響較?。籇iao 等（2014）基于SEMS 地震動數(shù)據(jù)進行理論和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)周期＞5 s 時，海底豎向與水平方向譜比低于陸地；Hu 等（2020）、譚景陽等（2020、2021）利用日本K-NET 臺網(wǎng)中日本相模灣地區(qū)6 個海底臺站數(shù)據(jù)，研究了不同臺站海底地震動的不確定性，給出了海域臺站地震動衰減關(guān)系，并對比了海底與陸地臺站場地放大的差異，給出相模灣地區(qū)豎向與水平方向譜比預(yù)測模型（Tan 等，2021）；Dhakal 等（2017）統(tǒng)計了K-NET 記錄到的315 次地震，評估了海底臺站場地效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)峰值加速度PGA＞50 Gal 時，部分海底臺站出現(xiàn)場地非線性反應(yīng)。國內(nèi)外針對場地效應(yīng)的研究多基于Nakamura（1989）在研究場地地震放大效應(yīng)時提出的方法，Nakamura 方法假設(shè)可通過同一場地上的水平與豎向地脈動傅里葉譜比（HVSR）評估場地效應(yīng)。Nakamura（2019）對其提出的HVSR 方法及應(yīng)用進行了評述，并對HVSR 方法在瑞利波概念上的誤解進行了解釋。Nakamura 方法提出后，F(xiàn)ield 等（1993，1995）對傳統(tǒng)譜比法、傳遞函數(shù)法、HVSR 方法等進行了對比分析，結(jié)果如圖1 所示，研究結(jié)果表明HVSR 方法對于共振頻率的識別與傳統(tǒng)譜比法、傳遞函數(shù)法具有較好的一致性。HVSR 方法為全球多個地區(qū)發(fā)生的大震非線性反應(yīng)提供了證據(jù)，如1994 年Mw6.7 級Northridge 地震（Field 等，1997）、1999 年Mw7.6 級集集地震（Wen等，2006a）、2008 年Ms8.0 級汶川地震（Ren 等，2017）和2013 年Ms7.0 級蘆山地震等（溫瑞智等，2017）。

圖1 共振頻率識別方法的對比Fig. 1 Comparison of resonance frequency identification methods

HVSR 方法具有簡便性和實用性，與經(jīng)典譜比、數(shù)值模擬、反演法相比，HVSR 方法在評價場地反應(yīng)方面具有較大的優(yōu)越性。任葉飛等（2013）在研究汶川地震引發(fā)的場地效應(yīng)時，將廣義反演法與HVSR 方法進行了對比，得出HVSR 方法可用于估計場地卓越周期的結(jié)論。Wen 等（2006a）利用地表和井下地震動數(shù)據(jù)，驗證在缺乏井下地震動數(shù)據(jù)的情況，對于單個臺站來說，HVSR 方法可較好地評價不同場地類別的場地反應(yīng)。榮棉水等（2016）利用GVDA 臺陣強震記錄，探討了HVSR 方法與傳遞函數(shù)法的差異，指出在場地豎向放大可忽略的頻率段，HVSR 可作為傳遞函數(shù)研究場地效應(yīng)。

2012 年，日本在Nankai 海槽建立了用于地震和海嘯預(yù)警的觀測網(wǎng)絡(luò)（The Dense Ocean Floor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET），地震計多布設(shè)在海底，其受復(fù)雜的海底地質(zhì)條件、海水壓力、臺站布設(shè)等因素的影響（Kawaguchi 等，2015；Kaneda 等，2015）。由于缺乏海底基巖臺站記錄，因此利用HVSR 方法評估海底場地特性成為重要且可行的手段。本文使用DONET1 臺網(wǎng)中20 個海底臺站記錄的地震數(shù)據(jù)，基于HVSR 方法探討海底臺站場地效應(yīng)特征。

1 DONET1 臺網(wǎng)和地震動數(shù)據(jù)

DONET1 臺網(wǎng)由20 個寬頻帶地震計組成，其中每4 個臺站為1 個節(jié)點，布設(shè)于日本Nankai 海槽不同水深處（Nakano 等，2012），5 個臺站節(jié)點分別命名為KMA、KMB、KMC、KMD、KME，臺站信息如表1所示，臺站布設(shè)方式如圖2（a）所示，DONET1 臺網(wǎng)中20 個臺站和選取的2014-2021 年地震事件分布如圖3（a）所示，矩震級和震中距分布情況如圖3（b）所示。

圖3 海底臺站及地震事件分布Fig. 3 Distribution of offshore stations and earthquake events

表1 DONET1 臺網(wǎng)海底臺站信息（Kaneda 等，2015）Table 1 The information of DONET1 offshore sites（Kaneda et al，2015）

受海底復(fù)雜地質(zhì)條件影響，DONET1 臺網(wǎng)海底臺站布設(shè)方式分為掩埋沉箱（沉箱放入海底，地震儀置入其中，中心管固定）、裝沙沉底（沉箱放入海底并填滿沙，地震儀置入其中，中心管固定）和未埋（將較短的中心管打入海底，用于固定沉箱），如圖2（b）所示。為減少復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致的海底地震動不確定性和對海底臺站背景噪聲的影響（Araki 等，2013），DONET1 臺網(wǎng)中大部分臺站采用掩埋沉箱的方式布設(shè)在海底，受臺站布設(shè)位置下土層條件的限制，部分臺站采取了其他布設(shè)方式。KMC10 和KMC11 臺站由于受海底堅硬沉積物的影響，難以將沉箱鉆入海底，因此將其直接放置在海底，由中心管固定。

圖2 海底臺站布設(shè)Fig. 2 Embedment condition of offshore stations

考慮海底地震動信號噪聲對HVSR 譜比的影響，需對2014-2021 年地震數(shù)據(jù)進行篩選，原則如下：（1）0.1 gal＜峰值加速度PGA＜20 gal；（2）信噪比＞3；（3）每個海底臺站可用記錄數(shù)不低于10 組（三分量）。據(jù)此得到本文使用的數(shù)據(jù)庫，包含20 個海底臺站1 634 組地震動記錄，各臺站記錄數(shù)量如表1 所示。

對篩選后的數(shù)據(jù)進行基線校正和濾波處理，采用4 階butterworth 濾波器進行濾波，頻段為0.1～35 Hz（Boore 等，2002，2005）。處理前記錄在位移時程上出現(xiàn)了一定程度的漂移，位移時程曲線不合理，如圖4（a）所示。處理后記錄速度和位移時程均在合理范圍，如圖4（b）所示。

圖4 海底地震動數(shù)據(jù)處理Fig. 4 Processing of records of offshore ground motion

2 海底地震動譜比曲線特征

為更好地利用HVSR 方法研究譜比特征，本文對海底地震動記錄S 波到時前2 秒進行手動截斷，將截取的S 波部分前后各10%進行taper 處理（Kubo 等，2019；姚鑫鑫等，2019），如圖5 所示。

圖5 海底地震動S 波數(shù)據(jù)處理Fig. 5 Processing S wave for offshore ground motion

將處理后的S 波數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，并使用K-O 平滑方法（Konno 等，1998）進行平滑，兩水平方向取向量和，傅里葉振幅譜平滑處理結(jié)果如圖6 所示（以KMC11 臺站為例），選取平滑窗口寬度b=30 和b=40 時平滑效果較差，選取平滑窗口寬度b=10 時在2～3 Hz 處平滑失真較明顯，因此本文選取平滑窗口寬度b=20 進行平滑處理。

圖6 平滑效果對比Fig. 6 Smoothing effect comparison of different smooth windows for KMC11 stations

將DONET1 海底臺網(wǎng)中的20 個臺站記錄地震數(shù)據(jù)進行處理后，按臺站分組（KMA、KMB、KMC、KMD、KME）的HVSR 譜比結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，KMA 節(jié)點中的4 個臺站譜比曲線在＞10 Hz 高頻率段差異性較?。籏ME 節(jié)點中的4 個臺站譜比曲線在頻率＞10 Hz 高頻段差異性較小，頻率為1～5 Hz 時譜比差異較大，其中KME18 臺站的HVSR 幅值明顯高于其他海底臺站；KMB 節(jié)點中KMB06、KMB07、KMB08 與KMC 節(jié)點中KMC09、KMC12 及KMD 節(jié)點中KMD13、KMD14、KMD15 臺站譜比曲線類似；KMB 節(jié)點中KMB05 與KMD 節(jié)點中KMD16 臺站譜比曲線類似，KMD 節(jié)點中的KMD16 臺站與KMB 節(jié)點中其他臺站的譜比曲線差異性較大；KMC 節(jié)點中HVSR 幅值低于其他分組，具有明顯峰值的KMC11 臺站主頻高于其他海底臺站；部分海底臺站（KMB07、KMC09、KMC12、KMD13、KMD14、KMD15）譜比曲線無明顯峰值或出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，利用HVSR 方法識別這些臺站主頻的誤差較大（識別的主頻和主頻變異系數(shù)見圖8），因此，利用HVSR 方法對這些臺站進行場地非線性反應(yīng)評估時，應(yīng)優(yōu)先考慮將基于HVSR的DNL、PNL 等（Régnier 等，2013）場地非線性識別參數(shù)作為評估非線性反應(yīng)的標準，而不是主頻下降。除HVSR 峰值不明顯的海底臺站外，主頻變異系數(shù)較大的KMB05、KMB06 臺站也應(yīng)參考該標準。

圖8 海底臺站主頻和變異系數(shù)分布Fig. 8 Distribution of dominant frequency and variable coefficient for offshore stations

HVSR 方法能消除震源和傳播路徑的影響，直接描述臺站所處位置的場地信息，所有臺站譜比曲線和每個節(jié)點的平均曲線如圖9 所示。由圖7、9 可知，KMA 與KME 節(jié)點譜比曲線較接近，其節(jié)點中的臺站可能具有相似的場地特征；KMB 與KMD 節(jié)點譜比曲線差異較大，其節(jié)點中的臺站可能具有不同的場地特征，KMC 節(jié)點譜比曲線與其他節(jié)點不同，表明其節(jié)點中的臺站不同于上述場地條件，此結(jié)論與Kubo 等（2018）對該區(qū)域的長期地質(zhì)調(diào)查結(jié)果相似。

圖7 HVSR 譜比結(jié)果Fig. 7 The results of HVSR at offshore stations in DONET1

圖9 海底臺站HVSR 幅值Fig. 9 HVSR amplitude for offshore stations

3 地形效應(yīng)和臺站布設(shè)方式對譜比的影響

日本海洋數(shù)據(jù)中心海上安全局提供DONET1 臺網(wǎng)附近500 m 網(wǎng)格水深數(shù)據(jù)集，根據(jù)地理信息起伏數(shù)據(jù)的分布和前文HVSR 結(jié)果進行分組，將DONET1 區(qū)域分成3 個分區(qū)域，如圖10 所示，按區(qū)域分組的臺站譜比曲線如圖11 所示。

圖10 DONET1 海底臺站按地形分組分布Fig. 10 The DONET1offshore stations grouped by topography

按地形效應(yīng)分組后，不同區(qū)域內(nèi)譜比曲線差異較大。由圖11 可知，區(qū)域1 臺站譜比曲線具有明顯峰值；區(qū)域2 臺站譜比曲線無明顯峰值，且譜比曲線相似；區(qū)域3 臺站譜比曲線無明顯相似特征。因此，根據(jù)地形分類的某些區(qū)域譜比曲線較接近，但不確定性仍較高，需進一步分類。由于不同臺站布設(shè)方式在一定程度上表示場地堅硬程度，因此，在區(qū)域內(nèi)進一步根據(jù)表1 信息進行不同臺站布設(shè)方式分類。

圖11 不同區(qū)域譜比曲線對比Fig. 11 Comparison of H/V curves in different regions

按布設(shè)方式分組后，圖11（a）中臺站峰值頻率具有較好的規(guī)律性，區(qū)域1 中的裝沙沉底臺站峰值頻率集中在2.1 Hz 左右，掩埋沉箱臺站峰值頻率集中在3.2 Hz 左右，表明布設(shè)方式可作為相同區(qū)域內(nèi)海底場地條件分組依據(jù)。圖11（b）中區(qū)域2 進行分組后基本為掩埋沉箱臺站，按起伏數(shù)據(jù)分類與布設(shè)方式對應(yīng)，譜比曲線相似，且無明顯峰值，進一步說明布設(shè)方式可作為海底場地條件分組依據(jù)。由于未埋臺站譜比曲線無明顯特征，且未埋臺站數(shù)量較少，因此需對更多的海底未埋臺站數(shù)據(jù)進行分析。圖11（c）中KMC11 臺站峰值頻率＞5 Hz，具有明顯峰值的譜比曲線主頻經(jīng)驗關(guān)系（Ghofrani 等，2014）表明，未埋臺站處于地質(zhì)較堅硬的場地。對于相同區(qū)域的臺站，布設(shè)方式與峰值頻率相關(guān)性較好，布設(shè)方式是影響峰值頻率的重要因素；對于不同區(qū)域的臺站，相同布設(shè)方式下，譜比曲線無明顯規(guī)律，除場地條件外，地形對海底臺站譜比特征具有一定影響。因此，應(yīng)用HVSR 方法研究海域場地效應(yīng)分組時，建議考慮地形和布設(shè)方式的綜合影響。

為進一步了解海底臺站譜比特征，給出圖12 所示不同布設(shè)方式下譜比對比結(jié)果。由圖12（a）、12（b）可知，對于裝沙沉底、掩埋沉箱臺站，除個別臺站外，譜比曲線均具有較好的一致性；裝沙沉底臺站譜比曲線具有較明顯的峰值，受沉箱填沙的影響，識別的主頻均＜5 Hz。由圖12（c）可知，掩埋沉箱臺站在＜5 Hz頻率段主頻變異性較高，裝沙沉底臺站在5-10 Hz 頻率段主頻變異性較高。由圖12（d）可知，未埋入海底的臺站KMC10 和KMC11 在5-10 Hz 頻率段主頻變異性較高。地震動場地放大主要受淺地表土層的影響，由于受堅硬海底地質(zhì)土層的影響，臺站KMC10 和KMC11 未能埋入海底，根據(jù)場地條件及經(jīng)驗關(guān)系（Ghofrani 等，2014），這2 個臺站譜比曲線識別的主頻應(yīng)＞5 Hz，而臺站KMC10 主頻＜5 Hz，表明未埋入海底的臺站易受海底復(fù)雜條件耦合和背景噪聲的影響，這與Araki 等（2013）的研究結(jié)果相似。

圖12 布設(shè)方式對HVSR 幅值的影響Fig. 12 The effect of embedment condition on the amplitude of HVSR

4 結(jié)論

本文選取DONET1 臺網(wǎng)中20 個海底臺站1 634 組海底地震動記錄，利用HVSR 方法分析了譜比特征，主要結(jié)論如下：

(1) KMA 與KME 節(jié)點中的臺站具有相似的場地特征，KMB 與KMD 節(jié)點中的臺站處于相似海底場地地質(zhì)條件下，KMC 節(jié)點中的臺站場地地質(zhì)條件不同于上述節(jié)點。

(2) 海底地震動譜比曲線存在無明顯峰值或多峰值現(xiàn)象，KMB、KMD、KMC 節(jié)點中的臺站利用HVSR方法識別到的主頻不確定性較大，KMA、KME 節(jié)點中的臺站主頻較穩(wěn)定，且主頻變異系數(shù)較小。

(3) 考慮地形效應(yīng)和臺站布設(shè)的影響，對于相同區(qū)域的臺站，布設(shè)方式與峰值頻率相關(guān)性較好，布設(shè)方式是影響峰值頻率的重要因素；對于不同區(qū)域的臺站，相同布設(shè)方式下，譜比曲線無明顯規(guī)律，除場地條件外，地形對海底臺站譜比特征具有一定影響。因此，應(yīng)用HVSR 方法研究海域場地效應(yīng)分組時，建議考慮地形和布設(shè)方式的綜合影響。

布設(shè)方式（裝沙沉底或掩埋沉箱）相同的海底臺站譜比曲線在不同頻率段的分布相似，裝沙沉底臺站譜比曲線具有較明顯的峰值，識別到的主頻均＜5 Hz。掩埋沉箱臺站在＜5 Hz 頻率段主頻變異性較大，裝沙沉底臺站在5～10 Hz 頻率段主頻變異性較大。未埋入海底的臺站譜比曲線在5～10 Hz 頻率段差異較大，易受海底復(fù)雜條件耦合和背景噪聲的影響。

致謝 感謝日本強震動臺網(wǎng)HI-NET 提供數(shù)據(jù)支持，感謝JMA 提供地震記錄信息，感謝日本海洋數(shù)據(jù)中心海上安全局提供500 m 網(wǎng)格水深數(shù)據(jù)集(http://www.jodc.go.jp)，感謝審稿人提出的寶貴意見和建議。