康莉莉
(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101;2.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院,山東濟(jì)南 250101)
俯沖帶地區(qū)是俯沖板塊與大陸板塊相互作用的區(qū)域,其地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在俯沖帶不同位置時,地震波的傳播介質(zhì)、傳播路徑及震源特征等都存在很大差異。Zhao 等[1]根據(jù)震源相對俯沖板的位置、深度等因素,將俯沖帶地震分為淺地殼地震、上地幔地震、俯沖板間地震和俯沖板內(nèi)地震4類。其中,淺地殼地震發(fā)生在俯沖板塊之上且深度≤25 km 的莫霍面以上區(qū)域,我國大陸所發(fā)生的地震多為淺地殼地震,文中研究范圍僅涉及淺地殼地震。
淺地殼地震向上傳播到地面的地震波稱為直達(dá)波,向下傳播的地震波可到達(dá)莫霍面。莫霍面作為地殼和地幔的分界面,因傳播介質(zhì)在此界面處突變,地震波會產(chǎn)生反射[2],即莫霍反射。此反射地震波在地殼傳播一定距離后抵達(dá)地面,與直達(dá)波相遇,形成波的疊加,如圖1 所示。由該圖可見,相對直達(dá)波而言,反射波的傳播路徑距離更遠(yuǎn)。直達(dá)波和反射波疊加現(xiàn)象出現(xiàn)在反射波傳播一段距離后入射到地面的區(qū)域。在近震源場地(如圖1中臺站1),直達(dá)波在整個空間中以球形擴(kuò)散,不存在直達(dá)波和反射波疊加現(xiàn)象,幾何衰減率較大;在遠(yuǎn)震源場地(如圖1 中臺站3),經(jīng)多次反射形成的面波與直達(dá)波疊加,但反射波傳播路徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直達(dá)波,其衰減幅度相對較大,波的疊加現(xiàn)象相對不顯著;在中間某一距離范圍內(nèi)(如圖1 中臺站2),反射波的幅值相對較大,直達(dá)波與反射波疊加現(xiàn)象最為顯著,這就是莫霍反射造成的復(fù)雜路徑效應(yīng)影響,在實(shí)際地震觀測臺站中出現(xiàn)地震波衰減較小或不衰減的現(xiàn)象。
圖1 淺地殼地震傳播路徑圖Fig.1 An illustration of possible seismic wave travel paths from shallow crustal earthquakes
莫霍反射對淺地殼地震動衰減關(guān)系影響顯著,由于莫霍面地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,尚不能識別其詳細(xì)深度和幾何形狀等細(xì)節(jié),因此對某一地震事件難以明確其發(fā)生顯著莫霍反射波疊加的具體區(qū)域。該問題可以通過觀測分析由大量強(qiáng)震記錄得到的模型殘差來解決,并可采用合理的幾何衰減函數(shù)解釋該疊加效應(yīng)[4]。Mohorovicic 于1909年觀測到莫霍面附近的地震波波速發(fā)生變化,最早提出莫霍面對地震波傳播的影響[5]。Somerville 等[6]通過研究1988年加拿大魁北克薩格奈強(qiáng)震記錄,發(fā)現(xiàn)在60~150 km 區(qū)間范圍內(nèi)觀測記錄的偽速度接近常值,并指出這可能是由于莫霍反射引起的。Atkinson 等[7]、Zhao 等[8]發(fā)現(xiàn)了莫霍反射對路徑效應(yīng)幾何衰減率的影響,提出了多段線性幾何衰減函數(shù)模擬該效應(yīng)。在地震動衰減中,反應(yīng)譜可以表達(dá)地震波的特性及地震波對結(jié)構(gòu)的影響,傅里葉譜只能表征地震波的頻率特點(diǎn),前者對工程應(yīng)用更有意義,但目前研究莫霍反射對地震動衰減的影響大多是基于傅里葉譜開展,尚未建立明確考慮莫霍反射效應(yīng)影響的淺地殼地震動反應(yīng)譜衰減模型。
文中收集日本KiK-net和K-NET 臺陣的4 014條水平向淺地殼強(qiáng)震記錄,采用三段線性幾何衰減函數(shù)模擬莫霍反射效應(yīng)的影響,分別建立2 組對比模型:采用簡單幾何衰減項(xiàng)的模型I(未考慮莫霍反射效應(yīng))和采用三段線性幾何衰減項(xiàng)的模型II(考慮莫霍反射效應(yīng)),并對比分析2個模型的殘差分布、擬合優(yōu)度及預(yù)測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)莫霍反射效應(yīng)的影響降低了淺地殼地震某一距離范圍內(nèi)地震波的幾何衰減率,這種影響可以通過分段幾何衰減來模擬;淺地殼地震動莫霍反射效應(yīng)的模擬可大大提升地震動衰減模型的可靠度,提高地震動衰減關(guān)系描述俯沖帶地區(qū)地震動衰減特性的準(zhǔn)確性。通過對淺地殼地震動衰減關(guān)系研究,不僅對世界范圍內(nèi)的俯沖帶地區(qū)具有重要價值,并且可以使用一定的轉(zhuǎn)換方式將可靠的衰減關(guān)系運(yùn)用到其他缺少強(qiáng)震資料的地區(qū)建立適用于當(dāng)?shù)氐乃p關(guān)系的研究方法,對其他非俯沖帶地區(qū)也具有重大意義,對建立和發(fā)展我國的地震動衰減關(guān)系研究有重要的推動作用。
文中選用Zhao等[9]研究淺地殼和上地幔地震動衰減模型中的淺地殼強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫中的所有加速度記錄均來自于日本KiK-net和K-NET臺陣1996~2012年間觀測到的矩震級大于等于5.0的記錄,均進(jìn)行了記錄采集儀器響應(yīng)校正、記錄基線校正和濾波處理,這些數(shù)量巨大、類型豐富、質(zhì)量可靠并有著明確臺站場地條件信息的記錄,為建立一個準(zhǔn)確可靠的地震動衰減關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。該數(shù)據(jù)庫共包含4 014 條水平向強(qiáng)震記錄,來自于70 個淺地殼地震事件。圖2 給出了所選取地震事件和地震動記錄的分布圖,其中,圖2(a)給出了所選取俯沖帶淺地殼地震的矩震級關(guān)于斷層深度的分布,由圖可知,所選取地震事件的最大斷層深度為25 km,矩震級MW分布于5.0~7.3級之間,斷層深度與矩震級均分布相對均勻;圖2(b)給出了本研究所選用俯沖帶淺地殼強(qiáng)震記錄的矩震級關(guān)于斷層距的分布,由圖可知,所選取地震記錄的斷層距介于0.3~280 km之間,且與矩震級的分布相對均勻,選取地震記錄使用了與震級相關(guān)的距離截斷方法,以避免未觸發(fā)臺站所可能產(chǎn)生的影響。
圖2 本研究所選取地震事件和地震動記錄的分布Fig.2 Distribution of the earthquakes andstrong-motion records used in this study
在建立俯沖帶淺地殼地震動衰減模型時,參考Zhao 等[9]關(guān)于日本俯沖帶地區(qū)地震動衰減模型研究,采用基于場地周期Ts的場地分類作為場地參數(shù),其計算公式如下:
式中:Ts為場地周期,單位為秒(s);H為基巖深度,單位為米(m);Vsite為基巖土層深度內(nèi)的平均剪切波速。
根據(jù)式(1)所計算得到的場地周期值,可將觀測臺站所處場地劃分為I、II、III、IV 這4 類[10],分類依據(jù)見表1。不同場地類別、不同斷層機(jī)制的地震記錄數(shù)量如表1所示,文中使用的4 014條淺地殼地震記錄中,I類場地記錄有1 967條,II類場地記錄有1 064條,III類場地記錄有371條,IV類場地記錄有612條;根據(jù)斷層機(jī)制類型數(shù)量統(tǒng)計可知,逆斷層的記錄有2 096條,走滑斷層的記錄有972條,正斷層的記錄有946條。這些數(shù)量統(tǒng)計可見本研究數(shù)據(jù)庫在不同場地類型、不同斷層機(jī)制類型下均有充裕完備數(shù)據(jù)。
表1 場地類別分類依據(jù)及不同場地類別、不同斷層機(jī)制的記錄數(shù)量Table 1 Definition of site class and the number of selected records in each site class and each focal mechanism group
地震動衰減受震級、斷層深度、斷層機(jī)制、震源破裂方向性、傳播路徑、構(gòu)造環(huán)境及局部場地條件等因素的影響,對應(yīng)地震動衰減模型由震源效應(yīng)項(xiàng)、路徑效應(yīng)項(xiàng)、場地效應(yīng)項(xiàng)和隨機(jī)誤差項(xiàng)4 部分組成。本研究建立2組對比模型,兩者均采用Zhao等[9]提出的淺地殼地震震源效應(yīng)項(xiàng)和場地效應(yīng)項(xiàng)的函數(shù)形式,路徑效應(yīng)項(xiàng)分為幾何衰減項(xiàng)和粘滯衰減項(xiàng)2部分,其中粘滯衰減項(xiàng)函數(shù)形式相同,但第1個衰減模型的幾何衰減項(xiàng)采用簡單線性幾何衰減函數(shù),為表述方便,文中簡稱為模型I;根據(jù)模型I殘差圖隨距離分段的變化趨勢,第2個衰減模型的幾何衰減項(xiàng)采用三段線性幾何衰減函數(shù),用于考慮莫霍反射效應(yīng)的影響,為表述方便,文中簡稱為模型II。對兩者分別建立隨機(jī)效應(yīng)模型[12]進(jìn)行回歸分析,并通過對比來分析采用三段線性幾何衰減函數(shù)考慮莫霍反射效應(yīng)的效果。
本研究建立2組對比模型:不考慮莫霍反射效應(yīng)的模型I和考慮莫霍反射效應(yīng)的模型II,模型I函數(shù)表達(dá)式如式(2)所示,模型II函數(shù)表達(dá)式如式(3)所示。
式中:變量y是峰值加速度(PGA)水平方向兩分量的幾何均值,或5%阻尼比下的反應(yīng)譜,單位為重力加速度g;下標(biāo)i代表了地震動數(shù)據(jù)庫的第i個地震事件,下標(biāo)j代表了地震動數(shù)據(jù)庫的第i個地震事件的第j條記錄;fmcr為震源效應(yīng)項(xiàng);gN(xi,j)+gcrln(ri.j)+ecrxi.j+為模型I的路徑效應(yīng)項(xiàng);gN(xi,j)+gMScr(ri.j)+ecrxi.j+為模型II的路徑效應(yīng)項(xiàng);ln (AN)為場地效應(yīng)項(xiàng);γcr為常數(shù)項(xiàng);ξi,j為地震動數(shù)據(jù)庫的第i個地震事件的第j條記錄的事件內(nèi)殘差,其均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為σ;ηi為地震動數(shù)據(jù)庫的第i個地震事件的事件間殘差,其均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差為τ。
地震震源可表示為點(diǎn)源(例如Brune[13]、Atkinson 等[14]、Boore 等[15]等研究)或隨機(jī)傳播有限源(例如Mo‐tazedian[16]、Boore[17]等研究),俯沖帶地區(qū)震源效應(yīng)復(fù)雜,不同的震源構(gòu)造位置、斷層深度、斷層機(jī)制及震級大小均會影響地震動衰減關(guān)系模型。文中在淺地殼地震動衰減模型研究中,模型I 與模型II 均采用了與Zhao等[9]類似的震源效應(yīng)項(xiàng)函數(shù)形式,由震級、斷層深度及斷層機(jī)制參數(shù)的函數(shù)給出,其表達(dá)式如式(4)所示:
式中:fmcr為震源效應(yīng)項(xiàng);mi為矩震級;hi為斷層深度;bcr為深度項(xiàng)系數(shù);FcrN為斷層機(jī)制參數(shù)項(xiàng),其下標(biāo)N代表該項(xiàng)僅適用于正斷層地震;pcr為矩震級平方項(xiàng)系數(shù),msc為矩震級常數(shù),取msc=6.3,ccr為mi≤mc時的震級標(biāo)度比率,dcr為mi>mc時的震級標(biāo)度比率,mc為震級標(biāo)度比率分段點(diǎn),取mc=7.1。在采用隨機(jī)效應(yīng)方法進(jìn)行回歸分析過程中發(fā)現(xiàn),Zhao 等[9]衰減模型中矩震級平方項(xiàng)系數(shù)pcr在統(tǒng)計上不顯著,但考慮莫霍反射造成的復(fù)雜路徑效應(yīng)影響,應(yīng)用三段線性幾何衰減函數(shù)的模型中pcr在統(tǒng)計上顯著,故本研究中衰減關(guān)系震源效應(yīng)模型增加了矩震級平方項(xiàng)這一參數(shù)。
路徑效應(yīng)是傳播路徑對峰值加速度(PGA)及反應(yīng)譜值所造成的影響,主要包括2個部分:幾何衰減和粘滯衰減。幾何衰減是描述地震波從震源到臺站場地基巖處,按照傳播距離的某個幾何函數(shù)擴(kuò)散并衰減的數(shù)學(xué)模型;粘滯衰減是由于傳播介質(zhì)阻尼和地殼不均勻性引起的波散射而導(dǎo)致的地震能量隨距離的耗散[18]。
在地震動衰減模型中,研究者選用了不同的表征路徑效應(yīng)的地震波傳播距離參數(shù),常用的有震中距、震源距及斷層距等,Zhao等[9]俯沖帶淺地殼地震動衰減模型的路徑效應(yīng)模型和本研究中模型I與模型II均選用斷層距作為路徑參數(shù),缺少斷層模型時使用震源距替代。Zhao等[9]淺地殼地震動衰減模型中,采用簡單幾何衰減函數(shù),并加入遠(yuǎn)場修正項(xiàng)模擬中遠(yuǎn)場復(fù)雜路徑效應(yīng),本研究中模型I的路徑效應(yīng)項(xiàng)函數(shù)形式在Zhao等[9]研究基礎(chǔ)上刪除遠(yuǎn)場項(xiàng),其表達(dá)式如式(5)所示:
模型II 考慮莫霍反射效應(yīng)的影響,采用三段線性幾何衰減函數(shù),用于考慮莫霍反射效應(yīng)導(dǎo)致的幾何衰減率的變化,其路徑效應(yīng)項(xiàng)的函數(shù)表達(dá)式如式(6)所示:
式中:GcrII為模型II 的路徑效應(yīng)項(xiàng);gN(xi,j)為近場項(xiàng);ecrxi,j為粘滯衰減項(xiàng)為火山作用引起的粘滯衰減項(xiàng);gMScr(ri,j)為三段線性幾何衰減項(xiàng),距離分段點(diǎn)x1、x2由模型I 的事件內(nèi)殘差隨斷層距的分布確定,取x1=70.0 km,x2=130.0 km為宜。
局部場地條件是影響地震動特性的重要因素。在建立模型的場地效應(yīng)項(xiàng)時,Zhao 等[9]及文中模型I、模型II均考慮了場地非線性反應(yīng)影響,分場地類型建立了包含線性場地效應(yīng)項(xiàng)和非線性場地效應(yīng)項(xiàng)。模型I、模型II中的線性場地效應(yīng)項(xiàng)根據(jù)觀測地震動數(shù)據(jù)回歸分析得到,非線性場地效應(yīng)項(xiàng)采用Hou[19]的研究成果,其函數(shù)形式類似于Zhao等[20]模型,如式(7)所示:
式中:AN為場地放大比;ANmax為線性場地放大比;CA、α和β為非線性場地項(xiàng)的系數(shù);SMR為調(diào)整后的基巖反應(yīng)譜值,非線性場地的系數(shù)及具體函數(shù)形式可參見Hou[19]。
文中在淺地殼地震動衰減模型中,模型I 與模型II 選用相同的震源效應(yīng)項(xiàng)、場地效應(yīng)項(xiàng)和粘滯衰減項(xiàng),模型II中選用可模擬莫霍反射效應(yīng)的三段線性幾何衰減函數(shù),代替模型I中的簡單幾何衰減函數(shù),對PGA和0.01~5 s譜周期范圍內(nèi)的模型進(jìn)行研究,并對比2個模型的殘差數(shù)據(jù)、擬合優(yōu)度及預(yù)測結(jié)果來分析模型的擬合效果,評估采用三段線性幾何衰減函數(shù)考慮淺地殼地震波莫霍反射效應(yīng)的可靠性。
模型I與模型II關(guān)于斷層距的事件內(nèi)殘差分布如圖3所示,通過對比兩者的事件內(nèi)殘差分布以判斷所選函數(shù)的擬合效果。圖3(a)、(b)給出了模型I 反應(yīng)譜值在PGA 和譜周期T=2.0 s 的事件內(nèi)殘差關(guān)于斷層距的分布。由圖3(a)、(b)中不同斷層距范圍內(nèi)殘差均值分布及趨勢線的變化過程可見,模型I在斷層距x≤40 km范圍內(nèi),對記錄譜值存在顯著低估;在斷層距60 km≤x≤90 km 范圍內(nèi),對記錄譜值存在顯著高估;在斷層距100 km≤x≤180 km 及x≥220 km 范圍內(nèi),對記錄譜值存在顯著低估。由圖3(a)、(b)中趨勢線的斜率可見,在斷層距x≤70 km 范圍內(nèi),譜值衰減比其他距離范圍更快;在斷層距70 km≤x≤130 km 范圍內(nèi),譜值衰減率明顯降低;在斷層距x≥130 km 范圍內(nèi),譜值衰減又出現(xiàn)變快的趨勢。并且在PGA 和其它譜周期均具有類似特點(diǎn),這與Atkinson等、Zhao等發(fā)現(xiàn)的莫霍反射對路徑效應(yīng)的影響一致,且與傅里葉譜的衰減特性相似。
根據(jù)模型I 中殘差數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的衰減特性,用式(6(c))所示三段線性幾何衰減函數(shù)gMScr( )ri,j替代模型I中簡單幾何衰減項(xiàng)gcrln( )ri,j,根據(jù)模型I的殘差分布來確定距離分段點(diǎn),取x1=70.0 km、x2=130.0 km為宜,構(gòu)建出模型II 的衰減關(guān)系函數(shù)。圖3(c)、(d)給出了模型II 反應(yīng)譜值在PGA 和譜周期T=2.0 s 的事件內(nèi)殘差關(guān)于斷層距的分布,由圖中不同斷層距范圍內(nèi)殘差均值分布及趨勢線變化過程可見,模型II 的事件內(nèi)殘差在零軸兩側(cè)均勻分布,不同斷層距范圍內(nèi)的殘差均值均趨近于零,趨勢線斜率在多數(shù)距離范圍內(nèi)基本接近零,對模型I中的高估或低估的情況有明顯改善。
圖3 模型I與模型II的事件內(nèi)殘差隨斷層距分布Fig.3 The distributions of within-event residuals versus source distance of model I and model II
在文中所采用的Abrahamson和Youngs的隨機(jī)效應(yīng)方法中,采用最大似然估計法確定模型參數(shù),因此,可通過比較不同模型的最大對數(shù)似然估計值(the maximum loglikelihood,簡稱MLL)來評估模型的擬合優(yōu)度。MLL 值越大,擬合效果越好。在確定模型的每個參數(shù)時,用MLL 增量作為模型整體改進(jìn)指標(biāo),采用t檢驗(yàn)確定參數(shù)的統(tǒng)計顯著性,這2個檢驗(yàn)指標(biāo)對所有參數(shù)的判斷結(jié)果均一致。當(dāng)增加一個新參數(shù),模型回歸結(jié)果的MLL 增量大于2.0 時,則增加該參數(shù)可提高模型擬合優(yōu)度;對回歸參數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn),取顯著水平為0.05,對應(yīng)t值為1.96,當(dāng)在置信區(qū)間|t|≥1.96范圍,則該參數(shù)在衰減模型中顯著。
圖4 給出了模型II 相對模型I 的MLL 增量,在PGA 和0.01~5.0 s 譜周期范圍內(nèi),MLL 均有較大增量,平均增量為37。在譜周期t=2.0 s,MLL 最大增幅為77.1;在譜周期t=0.05 s,MLL 最小增幅為15.2。由此可見,模型II在統(tǒng)計上明顯優(yōu)于模型I。
圖5給出了淺地殼地震動模型I與模型II在矩震級Mw=5、6、7時4個不同類別場地上的預(yù)測反應(yīng)譜值隨譜周期的變化,圖中所示地震事件的斷層機(jī)制為走滑斷層、斷層深度為1 km、斷層距為70 km??梢姡诓煌鸺?、不同場地類型下,模型I 的預(yù)測反應(yīng)譜值在多數(shù)譜周期內(nèi)均大于模型II 的反應(yīng)譜值,且在反應(yīng)譜峰值附近最顯著;模型I與模型II的預(yù)測反應(yīng)譜值隨震級的增加而明顯增大;場地類型對預(yù)測反應(yīng)譜值有較大影響,相對I 類場地而言,II 類、III 類、IV 類場地的預(yù)測反應(yīng)譜峰值對應(yīng)的譜周期向長周期方向移動,且峰值大小也有一定變化,這與場地放大效應(yīng)的理論分析結(jié)果較為一致。
圖5 模型I與模型II的預(yù)測反應(yīng)譜隨譜周期的變化Fig.5 Variation of predicted response spectra of Model I and Model II with respect to spectral period
圖6 給出了淺地殼地震模型I 與模型II 在PGA 及T=0.5 s、1.0 s、5.0 s 預(yù)測反應(yīng)譜值隨斷層距的衰減關(guān)系。圖中所示地震事件的斷層機(jī)制為走滑斷層、場地類型為IV 類、斷層深度為1 km??梢姡P虸 與模型II在PGA 的差異非常小,在T=0.5 s 時預(yù)測反應(yīng)譜差異逐漸增大,在T=1.0 s 和5.0 s 時預(yù)測反應(yīng)譜差異更加顯著,這是由于地震動在短周期的粘滯衰減率較大,因此,分段幾何衰減作用對短周期反應(yīng)譜的影響較弱。模型II 中3 段線性幾何衰減函數(shù)使得第1 段距離范圍內(nèi)衰減率增加,第2 段距離范圍內(nèi)衰減率顯著降低,第3段距離范圍內(nèi)衰減率略有增加,改善了模型I殘差圖出現(xiàn)的低估或高估的情況,其各段變化趨勢利于提高模型準(zhǔn)確性。
圖6 模型I與模型II的預(yù)測反應(yīng)譜值隨斷層距的衰減Fig.6 Attenuation of spectra with respect to source distance of Model I and Model II
文中利用日本俯沖帶地區(qū)KiK-net和K-NET 臺陣觀測到的4 014條水平向淺地殼地震動記錄,分別建立了采用簡單幾何衰減項(xiàng)的地震動衰減模型(模型I)和采用考慮莫霍反射效應(yīng)的三段線性幾何衰減項(xiàng)的地震動衰減模型(模型II),對比分析了2個模型的殘差分布、擬合優(yōu)度及預(yù)測結(jié)果。主要結(jié)論如下:
(1)莫霍反射的影響降低了淺地殼地震某一距離范圍內(nèi)地震波的幾何衰減率,根據(jù)采用簡單幾何衰減項(xiàng)的地震動衰減模型的事件內(nèi)殘差分布來確定采用考慮莫霍反射效應(yīng)的3段線性幾何衰減項(xiàng)的地震動衰減模型的幾何衰減函數(shù)距離分段點(diǎn),分別取70.0 km和130.0 km為宜,與傅立葉譜的幾何衰減分段點(diǎn)接近。
(2)莫霍反射效應(yīng)對地震動衰減關(guān)系的影響可以通過分段幾何衰減函數(shù)來模擬,采用物理意義明確的三段線性幾何衰減函數(shù)替代Zhao等[9]模型的遠(yuǎn)場項(xiàng),殘差分布得到顯著改善,模型擬合效果明顯提高。
(3)2個模型的預(yù)測反應(yīng)譜在多數(shù)譜周期均存在顯著差異,采用考慮莫霍反射效應(yīng)的三段線性幾何衰減項(xiàng)的地震動衰減模型的最大對數(shù)似然估計值有大幅度增加,使用3 段線性幾何衰減函數(shù)考慮莫霍反射效應(yīng)影響可顯著提高模型可靠度。