海底与陆地地震动反应谱比定量分析

谭景阳，胡进军，周旭彤，杨泽西

(1.中国地震局 工程力学研究所,哈尔滨 150080； 2. 中国地震局 地震工程与工程振动重点实验室,哈尔滨 150080)

面向海域重大土木交通和基础设施的建设，考虑到海域地震环境的风险，需要对海域工程进行合理的抗震设防。目前相关规范多数参考了陆地工程的抗震设计地震动参数，并没有专门考虑海域地震动的特征。因此，合理的海域工程抗震设计需要考虑海域地震动与陆地地震动之间差异。基于强震数据的海底地震动与陆地地震动之间的对比，大多都是采用了统计的方法。Boore等[1-2]研究了美国加州近海石油平台附近的10条浅海海底强震记录。Sleefe[3]对比了水平分量与竖向分量的差异，其研究结果认为海陆的水平向地震动幅值接近，但是海底竖向地震动远远小于陆地记录，幅值对比有一个震级的差别。胡进军等[4-5]对近海地震动参数和衰减关系进行了初步的研究。Zhang等[6]经过统计分析给出近海结构反应谱设计值。Chen等[7-10]研究了海陆地震动等延性强度折减系数谱，结果表明两者差异较小，震中距对其影响显著。Petukhin等[11]通过地震动的数值模拟研究了海水层对地震动水平分量的影响，其模拟结果认为海水层对由浅源(小于10 km)地震产生的瑞利波的基本模态有显著的影响。

2000年以来日本K-net记录了大量海域和陆域地震动数据，为了对海陆地震动的差异进行系统和定量的研究，本文基于日本相模湾ETMC系统的6个海底台站的地震动记录，研究弹性和弹塑性反应谱的海陆差异，以期得到考虑不同震源类型的海陆地震动的定量关系。

1 海陆地震动

经过初选从K-net选取922组海底地震动，这些记录要求符合以下基本条件：①为了选取破坏性地震的记录，只考虑震级大于4.0的地震动；②为了保证较好的信噪比，水平和竖向加速度峰值(Peak Ground Acceleration,PGA)分别要大于10 gal和1 gal；③不包含震中距大于600 km的记录。对原始记录进行基线校正和带通滤波[12-14]。最终建立了本研究的海域基础数据，包含来自于321次地震的922组三分量地震动，图1给出了海域地震动记录的震级-震中距分布图。

图1 海底记录震级-震中距分布图Fig.1 Distribution map of magnitude and epicentral distance of offshore ground motions

为了与海底记录进行对比，从KiK-net选取了4 599组地震动，选取的台站分布如图2所示。为了考虑震源机制的影响，本文根据震源类型对地震动进行了划分，地震类型的定义和划分方法[15]如图3所示。

图2 陆地台站分布图Fig.2 Distribution map of onshore stations

图3 震源类型示意图Fig.3 Sketch map of earthquake source types

为了考虑震级和震中距对地震动的影响，将震级4.0～5.4级划分为中震，5.5～6.9级划分为中强震，7.0级及以上划分为强震；将0～50 km划分为近场，将51～200 km划分为中场，将201～600 km划分为远场。具体的海底和陆地地震动的分类如表1所示。

表1 海底和陆地地震动分类Tab.1 Classification of offshore and onshore ground motions

2 弹性反应谱比

为了比较弹性反应谱谱比随周期的变化，本文计算了各分组中的标准化弹性加速度反应谱，地震动的水平分量采用其几何平均值进行计算。为了探讨不同周期范围的差异，根据谢礼立等[16]对周期段的划分结果，分别研究了0～0.5 s短周期段，0.5～1.5 s中等周期段和1.5 s以上长周期段谱比的平均值及其变异系数。

2.1 浅地壳地震

图4给出了浅地壳地震的海底与陆地地震动的近场中强震、中场中强震和远场强震的水平与竖向的动力放大系数谱比。选取这个三个代表性分组，主要是考虑到：一方面在近场、中场和远场三个不同距离的分类中找出一个数据最多的代表；另一方面是对于不同距离的各组取其幅值较大的中强震或者强震。

由图4可以看出，水平分量海陆地震动动力放大系数谱比在短周期和中周期差别较小，在长周期差别较大；与其他两组地震相比，中场中强震在长周期段海陆差别最大。竖向分量海陆地谱比大于1 s时差别很大；不同组地震动的差别不明显。表2给出了各周期范围内海陆地震动弹性谱比的平均值与变异系数，各组地震中水平向变异系数在0.25以下，而竖向变异系数在0.5以下。

图4 浅地壳地震动的海陆谱比Fig.4 Offshore-to-onshore spectral ratios of shallow crustal earthquakes

表2 浅地壳地震海陆谱比的平均值和变异系数Tab.2 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of shallow crustal earthquakes

2.2 上地幔地震

图5给出了上地幔地震的海底与陆地不同分组的水平与竖向分量的动力放大系数谱比。

图5 上地幔地震的海陆谱比Fig.5 Offshore-to-onshore spectral ratios of upper mantle earthquakes

与浅地壳地震的特征相似，在短周期段水平向与竖向的动力放大系数都较小，但是竖向分量在大于1 s长周期段海陆谱比差异很大。远场强震在大于4 s的长周期段谱比明显高于中场中震。表3给出了上地幔地震谱比的平均值与变异系数。

表3 上地幔地震海陆谱比的平均值和变异系数Tab.3 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of upper mantle earthquakes

2.3 板缘地震

图6给出了板缘地震的海陆地震动的差异，从图6中可以看出，除了与浅地壳地震和上地幔地震相似的特征以外，中场中强震与远场强震的谱比差别明显，却随着周期增大中场中强震的比值逐渐大于远场强震。表4给出了板缘地震谱比的平均值与变异系数。

图6 板缘地震海陆谱比Fig.6 Offshore-to-onshore spectral ratios of subduction interface earthquakes

表4 板缘地震海陆谱比的平均值和变异系数Tab.4 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of subduction interface earthquakes

2.4 板内地震

板内地震海底与陆地谱比及其平均值和变异系数分别如图7和表5所示。基于相同的原因，主要给出了代表性的近场中强震、中场中强震和远场强震的分析对比，其结果与浅地壳、上地幔以及板内地震类似。但是对于水平分量，其远场强震的谱比在大于1 s的长周期段明显高于近场和中场中强震。

图7 板内地震海陆谱比Fig.7 Offshore-to-onshore spectral ratios of subduction slab earthquakes

表5 板内地震海陆谱比的平均值和变异系数Tab.5 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore spectral ratios of subduction slab earthquakes

为了基于陆地抗震设计谱调整海域设计谱，本文区分不同周期段，基于本节的统计结果，表6给出了不同震级与震中距分组下的海域设计谱调整系数。

表6 海域地震动设计谱调整系数Tab.6 Adjustment coefficients for design spectra of offshore ground motions

3 等强度延性谱比

目前对海底地震动的研究主要关注了其弹性反应谱，本节对等强度延性谱[17]开展研究，在计算中取标准屈服强度系数分别为0.3，0.4和0.5，在后续分析中取系数0.4为例进行说明。

3.1 浅地壳地震

浅地壳地震海陆等强度延性谱比、均值和变异系数分别如图8和表7所示。海底与陆地浅地壳地震等强度延性谱在短周期差别较大，在中长周期段差别逐渐减小。水平分量和竖向分量在大于1 s后基本相等。对于水平分量在短周期远场强震谱比值较小，对于竖向分量远场强震和中场中强震远远高于远场中强震。

图8 浅地壳地震海陆等强度延性谱比Fig.8 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of shallow crustal earthquakes

表7 浅地壳地震海陆等强度延性谱比的平均值和变异系数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

上地幔地震海陆水平与竖直分量的等强度延性谱比及其平均值和变异系数分别如图9和表8所示。水平分量在小于0.1 s时和竖向分量小于0.5 s时，中场中震小于远场强震；但是随着周期的增大，水平分量的中场中强震逐渐高于远场强震；而对于竖向分量，随着周期增大中场中强震和远场强震逐渐接近。

图9 上地幔地震海陆等强度延性谱比Fig.9 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of upper mantle earthquakes

3.3 板缘地震

板缘地震的海陆等强度延性谱比和均值及变异系数分别如图10和表9所示。对于水平分量，海陆等强度延性谱比在小于0.1 s的较短周期差别较大，在中长周期接近，但是对于中场中震，其在2 s以上逐渐大于远场强震。对于竖向分量，在小于1 s的短周期海陆差别较大，随着周期增大海陆差距逐渐减小，且远场强震在0.1～1 s远大于中场中震。

图10 板缘地震海陆等强度延性谱比Fig.10 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction interface earthquakes

表8 上地幔地震海陆等强度延性谱比的平均值和变异系数Tab.8 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of upper mantle earthquakes

表9 板缘地震海陆等强度延性谱比的平均值和变异系数Tab.9 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction interface earthquake

3.4 板内地震

图11和表10分别给出了板缘地震的海陆谱比差异，平均谱比以及变异系数。对于水平分量，海陆等强度延性谱比总体差别不大，均值小于1.5，不同地震分组间在短周期差别较大，但在长周期趋于一致。竖向分量海陆差别较明显，且随着周期增大，海陆差距逐渐减小，且远场强震明显高于中场中强震和远场中强震。

图11 板内地震海陆等强度延性谱比Fig.11 Offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction slab earthquakes

根据对海陆等强度延性谱的谱比分析，表11给出了不同震级与距离分组下各典型周期段的海底地震动等强度延性谱比相对陆地地震动在标准屈服强度系数分别为0.3，0.4和0.5时的调整系数。

表10 板内地震海陆等强度延性谱比的平均值和变异系数Tab.10 Mean and coefficient of variation of offshore-to-onshore constant-strength ductility spectral ratios of subduction slab earthquakes

表11 海域地震动等强度延性谱调整系数Tab.11 Adjustment coefficients of constant-strength ductility spectra of offshore ground motions

4 结 论

本文基于大量海底和陆地地震动数据，考虑震源类型、地震震级和距离分组，通过比较海陆弹性反应谱比和等强度延性谱比，定量给出海陆地震动差异，主要得到如下结论：

(1)海陆地震动存在较大差异，对海域工程结构进行抗震设计时，需要考虑海底与陆地的弹性反应谱和弹塑性反应谱之间的差异，应根据震源类型、震级大小和距离进行调整。

(2)对于弹性反应谱，当周期小于0.5 s时海底与陆地地震动的差异较小，周期0.5 s以上时海底与陆地地震动反应谱的差异明显，海底地震动的竖向分量显著较小。对于弹塑性反应谱，当震级或震中距较小时，有必要对水平分量1.5 s及以上的长自振周期结构区分海底与陆地地震动的差别；对竖向分量则需更加关注0.5 s以下的短周期的海陆地震动差异。

虽然目前海底地震动记录逐渐增多，但是相比于陆地地震动记录仍然相当匮乏，由此可能导致本研究中分组数据不充分等缺陷。另外，对于海水深度对谱比的影响也是需要继续研究的。随着海底地震动记录特别是大震记录的补充，可以在本文研究基础上探讨提出更加合理的弹性和弹塑性谱的海陆差异调整系数。

致谢

感谢日本K-net和KiK-net台网(doi: 10.17598/NIED.0004)提供的数据支持。