地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (11): 4431-4446   PDF    
日本熊本MW7.0地震的长周期地震动
谢俊举1,3, 李小军1,2,3, 温增平1,3     
1. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081;
2. 北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124;
3. 中国地震风险与保险实验室, 北京 100081
摘要:利用日本K-NET和KiK-net强震动台网获取的距离发震断层100 km以内136个强震动台站的三分量加速度记录,研究熊本MW7.0地震地震动的长周期特性.基于残差分析研究不同周期地震动的空间分布差异,将观测分析结果与美国NGA经验模型、汶川和芦山地震观测结果进行对比,揭示此次熊本地震近场强震动的长周期特点及其形成机理.研究结果表明:(1)虽然总体上此次地震的近场地震动水平与美国NGA-West2经验模型的预测结果接近,但周期2 s以上地震动的分布在断层不同方位有系统性差异,在断层的北东方位,周期2.0~10.0 s的反应谱高于NGA-West2经验模型的预测结果,在西南方位,谱值低于经验预测模型.(2)我们认为此次地震2.0~10.0 s的长周期地震动的空间分布差异主要受破裂方向性的影响,在破裂传播的正前方,周期T=2.0 s,3.0 s,5.0 s,7.5 s和10.0 s的加速度谱被放大到整体观测平均水平的1.4~2.0倍.从周期T=2.0 s到10.0 s,破裂向前方向的放大作用和破裂反方向的减弱作用均有所增强.此次地震观测到的速度大脉冲记录均位于断层的东北方位,这与方向性脉冲的产生机理相吻合,速度大脉冲对加速度反应谱有显著的长周期放大作用,放大倍数值可以超过4.0,放大作用的影响主要位于脉冲的特征周期Tp附近.(3)近断层记录在建筑结构敏感的周期(0.5~2.0 s)的反应谱达到芦山地震的3~6倍,虽然与芦山地震震级接近,此次地震近断层地震动破坏力大大超过了芦山MW6.8地震,甚至超过了汶川MW7.9地震,这种长周期特点应该引起工程抗震设计和相关研究人员的重视.
关键词: 熊本地震      长周期      地震动      方向性      空间分布     
Long period strong ground motion from the April 15, 2016 Kumamoto MW7.0 earthquake in Japan
XIE Jun-Ju1,3, LI Xiao-Jun1,2,3, WEN Zeng-Ping1,3     
1. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China;
2. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
3. China Earthquake Hazard and Insurance Research Laboratory, Beijing 100081, China
Abstract: Using ground acceleration time series recorded by 136 near-field strong motion stations of K-NET and KiK-net within 100 km from ruptured fault, we investigate long period strong motion during the MW7.0 Kumamoto earthquake. In order to reveal the characteristics and mechanism of long-period motion during this event, we investigate spatial variability of observed ground motions based on residual analysis, and compare the observation with NGA-West2 prediction models and with Wenchuan and Lushan earthquake in China. Following conclusion can be made based on our study: (1) although overall observation shows good coincidence with the prediction from the NGA-West2 models, long-period motion over 2.0 s are systematically biased by the azimuth. Ground motions on the northeast side of the fault are much higher than the prediction from NGA-West2 models, while lower than the prediction on the southwest side of the fault. (2) The spatial distribution of long-period motion of 2.0 s~10 s are dependent on the rupture directivity. Ground motions on the northeast side of the fault in the forward direction are much higher than average, right ahead of the rupture forward, spectral accelerations (SAs) at 2.0, 3.0, 5.0, 7.5 and 10.0 s are strongly amplified and are about 1.4~2.0 times of the average level. Both the amplification effects in the forward and de-amplification effects in the backward increase with period from 2.0 to 10.0 s. All four ground velocity pulses are observed in the northeast side of the fault, which coincide well with the effects of rupture directivity. Acceleration spectra at long period are highly amplified due to the present of large velocity pulses. Amplification effects are significant near pulse period Tp, with largest amplification factor exceeding 4.0. (3) Spectra of near-fault strong motion at period 0.5~2.0 s reach 3~6 times of the observation during Lushan earthquake.With a similar magnitude as Lushan earthquake, the near-fault motions during this event are much more destructive, especially for building structures which are vulnerable to long-period motion.Such long-period motion should be well understood by researchers and seismic resistant designers.
Key words: Kumamoto earthquake    Long-period    Groundmotion    Directivity    Spatial distribution    
1 引言

2016年4月15日16时25分(日本东京标准时间4月16日01时25分)位于日本西南方位的熊本县发生MW7.0地震.此次地震最大烈度达到日本震度7度,为2011年3月11日日本东北近海9.0级地震后的最高烈度.地震引发大量滑坡、砂土液化和地表破裂的破坏.地震引发了火灾,还使得电力、水和燃气供应等生命线工程受到严重影响.极震区熊本县有超过50000房屋损坏,其中2400间房屋为彻底倒塌破坏.地震中有超过66人死亡和1500人受伤,据估计地震造成的经济损失约在55~75亿美元.

熊本MW7.0地震在布田川—日奈久断裂带的布田川断层,震源深度10 km.而在28小时之前,该区域发生了MW6.1级前震.据震后地质考察结果,熊本MW7.0主震造成了超过2 m的右旋地表破裂(Okumura, 2016).震源破裂过程反演结果也表明这次地震为走滑型破裂机制,且具有显著的沿北东方向破裂的单侧破裂特点(Yagi et al., 2016; Asano and Iwata, 2016; USGS, 2016).此次熊本MW7.0地震中,日本防灾科学技术研究所(National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience, NIED)所属的K-NET和KiK-net台网获取到了超过690个台站的三分量加速度记录(http://www.kyoshin.bosai.go.jp/).尤其获取到了大量近断层记录,距离发震断层60 km以内有超过75个台站获取到记录,最大峰值加速度(PGA)为震中附近KMMH16台站记录到的1157 cm·s-2.此次熊本地震中获取到的大量近场记录为研究走滑型地震的近场长周期地震动提供了非常宝贵的资料.

本文将利用此次地震获取到的近场加速度记录,研究此次MW7.0地震近场的长周期地震动特征,并与2013年芦山地震和2008年汶川地震作对比分析,探讨熊本地震长周期地震动主要特点及影响机理.长周期地震动对于高层建筑、桥梁和大跨度空间结构的地震破坏往往具有决定性的影响,因而本研究对于进一步认识长周期地震动特性及有针对性地制定工程结构减灾对策具有重要意义.

2 强震记录及数据处理方法

本研究选取了日本K-NET和KiK-net强震动台网中,距离发震断层100 km以内136个自由场台站的三分量加速度记录,全部136个强震动台站的分布如图 1.由于此次地震主震后仅30 s左右就在大分县(Oita)触发了一次Mj5.7级强余震,此次强余震对大分县境内部分台站获取的主震记录有显著影响(Kato et al., 2016; Yoshida, 2016).为此,我们对全部位于大分县获取的强震动记录的波形进行了检查,通过考察强震动记录加速度和速度波形中的P波和S波震相,分别识别出强震动记录中的MW7.0级主震事件和Mj5.7级强余震事件,截取出其中的主震事件.另外KiK-net台站同时获取了井下和地表的强震动记录,由于世界范围内强震动数据和常用的地震动经验模型都是针对自由地表观测结果,而井下记录往往比地表获取记录小很多.因此,对于KiK-net台站获取的数据,本研究仅选用自由地表获取的观测数据.

图 1 选取的136个强震动记录台站的分布. 图中虚线框为此次熊本地震的断层破裂面(Yagi et al., 2016),五角星为熊本地震震中.强震动台站用三角符号表示,其中蓝色标记台站记录具有速度脉冲 Fig. 1 Location of 136 strong motion stations used in this study, along with the ruptured finite fault plane of the Kumamoto MW7.0 earthquake (adapted from Yagi et al., 2016)

由于场地上观测到的地震动水平会受到局部场地条件的影响,我们收集了全部136个强震动台站的场地钻孔资料.对于KiK-net台站,其钻孔深度大于30 m,可以由钻孔波速资料直接计算场地的30 m平均剪切波速VS30.对于钻孔深度小于30 m K-NET台站,采用Boore等(2011)经验模型计算场地平均剪切波速VS30.为了研究近场强震动随距离的衰减特性,我们所选用的断层距定义为台站到断层面的最短距离Rrup,断层模型为Yagi等(2016)反演给出的有限断层模型,如图 1.此外,由于近场强震动记录往往出现基线的偏移,这会对加速度记录积分得到的速度和位移结果产生严重影响(王国权和周锡元, 2004; 谢俊举等, 2013),我们采用分段基线校正的方法来对获取的近断层记录进行基线校正处理,以避免采用滤波方法对近断层记录速度和位移特征的影响,保留可靠的速度和永久位移特征(Iwan et al., 1985; Boore, 2004; 谢俊举等, 2013).

3 长周期地震动的空间分布差异以及与NGA地震动模型的对比

2003年,美国太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER)发起了一项名为下一代衰减模型(Next Generation Attenuation, NGA)的大型研究计划,旨在为构造活动区的浅地壳地震构建新一代地震地面运动预测方程(Next Generation Ground Motion Prediction Equations, GMPEs),该计划(现在称作NGA-West1)于2008年完成.2013年,PEER在NGA-West1的基础上补充了2003—2011年全球构造活动区浅地壳地震的记录,并发布了新的NGA-West2数据库,包含世界范围内发生的607个地震的21539条强震动记录,其中也收录了我国汶川MW7.9地震主震和64个强余震的超过3950条强震动记录(李小军, 2009; Ancheta et al., 2014).随NGA-West2发布的还有5个最新的地震动预测模型,分别是ASK14(Abrahamson et al., 2014)、BSSA14(Boore et al., 2014)、CB14(Campbell and Bozorgnia, 2014)、CY14(Chiou and Youngs, 2014)和I14(Idriss, 2014)模型.

为了考察熊本地震长周期地震动(本文取周期大于等于1.0 s的地震动)的衰减特性,我们将此次地震的观测结果与最新的NGA-West2经验模型进行对比.由于获取记录所在K-NET和KiK-net强震动台站的场地条件各不相同,而局部场地条件会显著影响着近场地震动的峰值和频谱特点(Borcherdt, 1994; Petersen et al., 1997).因此,为了消除场地差异对地震动的影响,我们利用Seyhan和Stewart (2014)的场地效应模型对所获取强震动记录进行修正,将实际记录的加速度谱值较正到同一场地条件,即VS30=760 m·s-1的基岩场地,参照美国NGA所采用的方法(Boore and Atkinson, 2008; Bozorgnia et al., 2014)选取东西(EW)和南北(NS)两个水平分量的几何平均来表示水平向地震动反应谱值.图 2给出了周期1.0 s、1.5 s、2.0 s、3.0 s、4.0 s和5.0 s的加速度谱值(Spectral Accelerations, SAs)随断层距离的变化及与NGA-West2中的四个经验预测模型的对比结果.可以看到本次熊本地震的长周期地震动的拟合平均曲线与NGA-West2经验预测结果有非常好的吻合,说明本次地震长周期地震动整体上并没有异常的偏高或偏低.

图 2 熊本地震周期T=1.0 s、1.5 s、2.0 s、3.0 s、4.0 s和5.0 s水平地震动加速度谱值随断层距Rrup的变化及与NGA-West2经验预测模型的对比 图中SAs data为利用Seyhan and Stewart(2014)方法修正到VS30=760 m·s-1基岩场地的加速度谱值.ASK14、BSSA14、CB14和CY14分别为Abrahamson等(2014)Boore等(2014)Campbell和Bozorgnia(2014)以及Chiou和Youngs(2014)经验模型的预测结果,预测模型中均取VS30=760 m·s-1. Fig. 2 Variation of long period spectral accelerations (SAs) with Rrup and comparison with NGA-west2 models SAs data are spectral accelerations adjusted to site condition of VS30=760 m·s-1 based on the Seyhan and Stewart (2014) model. ASK14, CB14, CY14 and BSSA14 indicate median predictions from Abrahamson et al. (2014), Campbell and Bozorgnia (2014), Chiou and Youngs (2014), and Boore et al. (2014) model, respectively. We use VS30=760 m·s-1 for all NGA-West2 models.

然而通过考察实际数据得到回归模型的残差(观测值相对于回归平均模型的对数残差)的空间分布(如图 3),可以发现长周期地震动在断层不同方位有显著差异.对于周期2.0 s、3.0 s、5.0 s、7.5 s和10 s,在断层东北方位和西南方位,实际记录地震动强度有系统性偏差.在沿着断层破裂传播方向的东北方位,残差值为正,说明此处地震动强度高于本次地震的平均结果,而在沿着断层破裂传播反方向的西南方位,残差值为负,即此处观测地震动明显低于平均值.

图 3 长周期T=1.0 s、2.0 s、3.0 s、5.0 s、7.5 s和10 s的观测地震动的回归残差(三角符号)在断层(矩形框)周围的分布 Fig. 3 Spatial distribution of residuals (triangles) for various intensity measures, around the causative fault (rectangle)

图 4给出了位于破裂前方的观测记录的反应谱与NGA-West2预测模型的对比结果.可以看到,破裂前方观测记录的反应谱在周期大于T=2.0 s时显著高于NGA预测模型的平均结果(如KMM005、KMM004、OIT008等),另有KMMH16记录的反应谱整体上高于NGA预测结果.图 5给出位于破裂后方观测记录的反应谱与NGA预测模型的对比,结果表明破裂反方向观测记录的反应谱在周期1.0~10 s范围显著低于NGA预测模型.以上反应谱的对比结果表明此次地震中长周期地震动在破裂的前方得到显著增强,而在破裂的后方被减弱.相比于2008年汶川MW7.9地震和2013年芦山MW6.8地震地的近场强地震动特点(Wen et al., 2010; Xie et al., 2014; Wen and Ren, 2014),此次熊本地震作为一次典型走滑型地震,断层破裂的方向性对长周期地震动的影响尤为显著.

图 4 破裂前方观测记录的水平加速度反应谱与NGA-West2经验预测模型的对比 水平向加速度谱取东西(EW)和南北(NS)两个水平分量的几何平均.ASK14、BSSA14、CB14和CY14分别为Abrahamson et al.(2014)Boore et al.(2014)Campbell and Bozorgnia(2014)Chiou and Youngs(2014)经验模型的预测结果,此处应用地震动模型时VS30参数按照各个记录台站的场地波速分别取值.蓝色粗虚线(‘Average’)表示ASK14, CB14, CY14和BSSA14这四个模型的平均结果. Fig. 4 Comparison of observed acceleration spectra in the forward direction with median predictions from NGA-West2 models Observed horizontal spectra are calculated from the geometric mean of the as-record EW and NS components. ASK14, CB14, CY14 and BSSA14 indicate median predictions from Abrahamson et al. (2014), Campbell and Bozorgnia (2014), Chiou and Youngs (2014), and Boore et al. (2014) models, respectively. The used VS30 values are those applicable for each station, based on station monographies, or on an extrapolation model (Boore et al., 2011). Thick blue dashed lines ('Average') represent average prediction of the ASK14, CB14, CY14, and BSSA14 models.
图 5 破裂反方向的观测记录的水平加速度反应谱与NGA-West2经验预测模型的对比,图例与图 4相同 Fig. 5 Same as Fig. 4 but for stations located in the backward rupture direction

通过对比破裂前方与反方向观测的速度波形记录的差异,我们考察了此次地震断层破裂的方向性对地震动的影响(如图 6).图 6中我们按照震中距进行排序,将破裂前方与反方向观测记录波形进行对比,全部记录按照其绝对时间进行了统一的时间标定.可以看到位于破裂前方的地震动速度峰值普遍较大,且周期较长,从波形上看是一个简单的谐波波形,具有较明显的脉冲特征.我们注意到,在集集MW7.6和汶川MW7.9地震等大地震中也有观测到类似结果(Ouchi et al., 2001; Wen et al., 2010).

图 6 破裂前方(北东)与反方向(西南)位置观测的东西分量速度波形记录的对比 图中速度波形都基于峰值速度大小进行了归一化处理.对于大分县(Oita)获取记录,竖线为熊本地震主震(左侧)和Mj5.7级余震(右侧)波形的分界,括号内数值为Mj5.7级余震的峰值速度(单位:cm·s-1). Fig. 6 Comparison of the full velocity of E-W component waveforms at stations in the forward directivity (northeast) and the backward directivity (southwest) regions Velocity waveforms are normalized by peak values. For recordings observed in Oita prefecture, the vertical line denotes the separation of mainshock (left) and Mj5.7 aftershock (right) waveform, values in the bracket are peaks (unit: cm/s) for the Mj5.7 aftershock.
4 近场方向性效应影响定量分析

目前NGA-West2计划项目中,共有5个关于方向性效应的最新模型(Bozorgnia et al., 2014),这些模型都基于NGA-West2的强震动观测数据和地震动数值模拟结果得到.但这些模型的预测结果之间还存在较大争议,尤其对于逆冲断层的地震事件(Spudich et al., 2013, 2014).因此目前的NGA-West2计划项目中,除Chiou和Youngs(2014)模型以外,其它地震动模型中都还没有引入方向性效应.

上一代的考虑方向性效应的模型采用无量纲的几何距离参数(Somerville et al., 1997),但此无量纲参数在破裂尺度较长的大地震情况下会导致明显不合理的物理意义,最新的考虑方向性效应的模型均采用破裂距离(如RrupRJB)来定量描述方向性效应的影响(Spudich et al., 2013, 2014).本研究在对方向性效应影响的定量分析中,基于实际观测结果的考虑,我们对Bayless和Somerville(2013)方向性模型进行了修订,采用了一个不同的方向性效应定量预测指标:

(1)

式中s是朝向观测场点方向的断层破裂长度(单位km),θ是场点所在方向与破裂传播方向的夹角(单位:°),这里sθ的定义与NGA-West2一致.但与Bayless和Somerville(2013)模型不同,为了同时包括破裂向前方向性和向后效应影响,我们的定量预测指标中直接采用余弦值表述方向夹角的影响,夹角值取0≤θ < 180°,其中θ < 90°为破裂前方的影响位置,θ>90°为破裂后方位置.

图 7考察了本次地震观测数据的回归残差随方向夹角θ的变化.可以看到,从2.0 s开始的长周期范围,残差值有随方向夹角余弦值线性增大的趋势.在破裂反方向,观测地震动小于平均值,方向夹角θ=180°时,残差值最小;在破裂传播的正方向,观测地震动大于平均值,方向夹角θ=0°时,残差值最大.

图 7 周期T=1.0 s, 2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s加速度谱值的回归残差随方向夹角θ的变化 Fig. 7 Variation of residuals with parameter θ for observed SAs at the following periods: 1.0 s, 2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s and 10.0 s

由于破裂的方向性具有有限的影响距离范围(Bayless and Somerville, 2013; Spudich et al., 2013),在Bayless和Somerville(2013)模型中,当观测点的断层距大于断层破裂长度时,方向性效应的影响将可忽略.图 8中我们对回归残差随破裂距离的变化特点进行分析,考虑到破裂的方向性的影响距离范围,我们将全部数据分为两组,分别分析断层距RrupL(断层破裂长度)和RrupL的数据点的变化特点.结果表明,在断层距RrupL时,周期T=2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s的残差在靠近震源处(lns接近为零)接近零值,且随破裂距离增大而增大,即方向性效应的影响增大,在图中表现为破裂反向和正向的数据点相对与零点的偏差增大(残差绝对值增大).在断层距LRrup < 100 km时,周期T=1.0 s, 2.0 s和3.0 s的残差随破裂距离变化表现为方向性效应的影响很弱,但周期T=5.0 s, 7.5 s和10.0 s仍表现出较强的方向性影响特点.该发现与Bayless和Somerville(2013)模型结果并不一致,基于观测结果我们认为Bayless和Somerville(2013)模型设定观测点的断层距Rrup=L(断层破裂长度)作为方向性效应的影响范围在熊本地震这种走滑型断层情况下可能并不合适.

图 8 周期T=1.0 s, 2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s的回归残差随破裂距离s的变化 (a)断层距RrupL(断层破裂长度)的数据点;(b)断层距LRrup <100 km的数据点.图中方向夹角θ>90°的数据点表示为负的距离值. Fig. 8 Variation of residuals with rupture distance parameter s for SAs at the following periods: 1.0 s, 2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s and 10.0 s (a) Data points with Rrup < L (length of ruptured fault); (b) Data points with L < Rrup < 100 km. Data points in the backward region with θ > 90°are depicted with negative distances.

图 9给出了回归残差随方向性效应预测指标fg变化,分析结果表明周期T≥2.0 s的长周期地震动与方向性效应预测指标有很好的线性关系,我们采用Bayless和Somerville(2013)使用的对数线性模型

(2)

将回归残差(fD为对数残差值)与方向性效应预测指标fg进行拟合,表 1给出了我们所拟合的全部周期点的回归系数结果.图 9中也给出了周期T=2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s的拟合曲线.可以看到,本文预测模型结果可以对方向性效应引起的地震动偏差大小给出很好的估计.根据分析结果,在破裂正前方(θ= 0°,fg=4.0),周期T=2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s的地震动加速度谱分别被放大到整体观测平均水平的1.37、1.58、1.75、1.98和2.02倍,而在破裂的反方向(θ= 180°,fg=-4.0),周期T=2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s的地震动加速度谱分别减弱到平均水平的0.71、0.61、0.55、0.48和0.47倍.该结果表明从周期T=2.0 s到10.0 s,随着周期的增大,破裂方向性对地震动的影响作用有所增强,这包括破裂前方的放大作用和破裂反方向的减弱作用.

表 1 基于对数线性模型得到的方向性效应拟合结果的主要参数 Table 1 Summary of regression results for directivity effects based on the proposed log-linear model
图 9 周期T=1.0 s, 2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s和10.0 s的回归残差随方向性效应预测指标fg的变化 Fig. 9 Regression of residuals relative to the geometric directivity predictor for SAs at the following periods: 1.0 s, 2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5 s and 10.0 s
5 速度大脉冲

利用小波方法(Baker, 2007; 谢俊举等, 2012)对此次地震中获取的强震动记录进行速度脉冲特征定量分析.参考Baker(2007)提出的脉冲型记录的判定方法,基于脉冲指数对地震动记录的脉冲特征进行识别.注意到Baker方法在识别速度脉冲时设定了PGV>30 cm·s-1的约束条件,但实际上此项人为设定的阈值在一些情况下并不一定合适(Shahi and Baker, 2014),为此我们在对脉冲进行定量识别时,并不预先设置该阈值界限.此外, 由于近断层地震动有很强的方向性,不同方向的地震动分量会有较大差别,而速度大脉冲也并不一定出现在垂直断层的方向上, 而是可能在一个方位角范围内(Howard et al., 2005; Boore et al., 2006; Shahi and Baker, 2011).为了考虑速度脉冲出现方向的不确定性,我们考察0~360°方位角范围的所有方向上地震动的速度脉冲特征,认为当有某一方向的地震动具有典型速度脉冲特征时,即判定该记录为脉冲型记录.基于该方法从此次熊本地震中共选取出4条速度脉冲记录,脉冲记录的速度波形如图 10所示.表 2给出了全部条脉冲型记录的主要参数, 脉冲幅值最大的是KMM004记录, 达到80.6 cm·s-1,位于由正北顺时针旋转134°的方向.脉冲记录的特征周期为2.6~7.9 s,最大的脉冲周期是KMMH06记录,达到7.9 s.从图 1中脉冲记录台站的分布来看,位于断层的西南方位的台站记录均没有明显的速度脉冲特征,全部脉冲记录都位于发震断层的东北方位(见图 1,蓝色标记台站为速度脉冲记录),这与汶川地震中脉冲记录的分布特点非常相似(谢俊举等,2012).此种分布特征与断层破裂的方向性效应影响特点相吻合,即由断层破裂的方向性引起的方向性速度大脉冲往往出现在破裂传播的前方(Mavroeidis and Papageorgiou, 2003; Bray and Rodriguez-Marek, 2004).

图 10 熊本地震中典型脉冲记录的速度波形 Fig. 10 Time histories of identified distinct velocity pulses during Kumamoto earthquake
表 2 熊本7.0级地震典型速度脉冲记录的主要参数 Table 2 Typical near-fault pulse-like recordings from Kumamoto M7.0 earthquake

为了研究速度大脉冲对地震动长周期特性的影响,我们利用4阶Db小波提取脉冲记录中的长周期信号,如图 11.通过对比分析原始记录和提取出长周期脉冲后的残余记录的反应谱特征考察速度脉冲作用对反应谱的影响,研究脉冲对反应谱的放大作用,揭示这种放大作用随脉冲特征周期变化的特点.由于原始记录和提取出脉冲后的残余记录是由同一台站在同一地震中获取得到,这样可以减小地震震源、场地等因素的影响.

图 11 利用小波方法从原始记录中提取长周期脉冲信号的图解 图例为熊本地震KMM004记录,给出的是最大脉冲所在的南偏东46°方向的速度时程. Fig. 11 Extraction of long-period pulses from original strong motion recording using wavelet method The time history with maximum velocity pulse for the KMM004 record from the Kumamoto earthquake is shown.

图 12给出了此次熊本地震4条典型脉冲记录和提取出脉冲后的残余非脉冲记录的加速度反应谱的对比结果,图中阴影区域即表示脉冲作用对加速度的放大区域,Tp为脉冲记录的特征周期.可以看出脉冲对加速度反应谱有显著的长周期放大作用,放大倍数值可以超过4.0,对于不同的记录而言,其放大作用的影响区域主要位于脉冲的特征周期Tp附近,这显然与特定周期脉冲所激发的共振有关.

图 12 原始速度脉冲记录与提取出脉冲后的残余非脉冲记录的加速度反应谱的对比 (a) KMM001台; (b) KMM004台; (c) KMM007台; (d) KMMH06台. Fig. 12 Comparison of acceleration response spectra for original pulse-like with non-pulse residual ground motion (a) KMM001; (b) KMM004; (c) KMM007; (d) KMMH06.
6 近断层反应谱与我国近年地震和抗震规范设计谱的比较

为了研究此次熊本MW7.0地震近断层地震动的反应谱特点,我们将获取到近断层记录的加速度反应谱与芦山MW6.8地震、汶川MW7.9地震记录的加速度反应谱以及我国2010年的建筑抗震设计规范的设计反应谱进行对比(如图 13).图 13中给出的水平向反应谱均为记录东西(EW)和南北(NS)分量的几何平均,规范设计谱中给出的水平地震影响系数最大值分别为Ⅸ度区1.4 g和Ⅷ度区0.9 g.KMMH16和KMM006分别为熊本地震中KiK-net和K-NET强震动台站记录,51BXD和51LSF分别为芦山地震中宝兴地震局和芦山飞仙台记录,51SFB和51WCW分别为汶川地震中什邡八角和汶川卧龙台记录.图中(a)和(b)给出的是周期0~3.0 s的对比结果,(c)和(d)以对数坐标给出了0~10.0 s的对比结果.从(a)和(b)可以看到,虽然震级与芦山地震接近,但熊本地震近断层记录的反应谱值在周期0.5~3.0 s时不仅明显大于芦山地震的,甚至超过了汶川地震的.在建筑结构反应敏感的0.5~2.0 s周期范围,熊本地震近断层记录的反应谱达到芦山地震记录的3~6倍.与我国2010年建筑抗震设计规范的设计反应谱相比,KMMH16和KMM006记录的反应谱在周期0.5~1.5 s范围也超过了Ⅸ度区罕遇地震下的设计谱水平,尤其KMMH16记录的反应谱可达到Ⅸ度区设计谱的2倍以上.从(c)和(d)的长周期对比结果来看,在3.0~10 s的长周期,熊本地震中KMMH16和KMM006记录的反应谱不仅大大超过了芦山地震的,也超过或接近汶川地震的水平.从以上比较结果可以看到,此次地震近断层记录具有非常丰富的长周期成分,尤其需要注意的是,虽然与芦山地震震级接近,在建筑结构敏感的0.5~2.0 s周期,此次地震近断层地震动破坏力大大超过了芦山地震的,也将超过按照目前我国抗震标准所设计建筑的承载能力.

图 13 熊本地震近断层水平地震动反应谱(黑色粗实线)与芦山MW6.8地震(黑色实线)、汶川MW7.9地震(黑色虚线)和我国抗震规范50011-2010设计谱的对比 Fig. 13 Comparison of near-fault spectra in Kumamoto earthquake (black thick line) with the observation in Lushan (black thin line) and Wenchuan (black dashed line) earthquake and design spectra of the code for seismic design of buildings (50011-2010)
7 讨论与结论

本文利用日本熊本MW7.0地震中获取到近场136个自由场强震动台站的三分量记录数据,基于残差分析方法研究了不同周期地震动的空间分布差异,将观测分析结果与NGA经验模型、汶川和芦山地震观测结果进行对比,揭示了此次熊本地震近场强震动的长周期特点及其形成机理.研究结果表明:

(1) 虽然总体上,此次地震的近场地震动水平与美国NGA-West2经验模型的预测结果接近.但在不同观测方位有系统性差异,在断层的北东方位,周期2.0~10.0 s的反应谱高于美国NGA-West2经验模型的预测平均值,但在西南方位,周期2.0~10.0 s的反应谱低于经验模型的预测平均值.

(2) 周期2.0~10 s的长周期地震动分布的空间差异主要受破裂方向性的影响,对于周期小于1.5 s的地震动,破裂的方向性无明显影响.在破裂传播的正前方,长周期地震动被显著放大,周期T=2.0 s, 3.0 s, 5.0 s, 7.5s和10.0 s的加速度谱分别被放大到总体观测平均水平的1.37到2.02倍.从周期T=2.0 s到10.0 s,破裂向前方向性的放大作用和破裂反方向的减弱作用均有所增强.

(3) 此次地震观测到速度大脉冲记录全部位于断层的东北方位,这与破裂方向性效应的影响特点吻合.方向性效应引起的速度大脉冲对加速度反应谱有显著的长周期放大作用,放大倍数值可以超过4.0,对于不同的记录而言,其放大作用的影响区域主要位于脉冲的特征周期Tp附近.

(4) 从近断层记录的反应谱来看,熊本地震在0.5~3.0 s的较长周期值明显高于芦山地震的,在周期0.5~2.0 s区间,熊本地震近断层记录的反应谱值为芦山地震记录的3~6倍.近断层KMMH16和KMM006记录的反应谱在周期0.5~1.5 s也超过了我国规范的Ⅸ度区罕遇地震下的设计谱水平.在3.0~10.0 s的长周期范围,熊本地震记录的反应谱不仅大大超过了芦山地震的,也超过或接近汶川地震的水平.

由于地震产生的强烈地面运动受到地震本身震源特性(包括地震震级、破裂方向、断层类型等)的影响,实际地震动强度往往具有极大的不确定性.此次熊本地震受到破裂方向性效应的影响,在断层破裂传播的前方,实际记录长周期地震动被显著放大,而破裂反方向地震动强度被减弱,断层距相近的破裂前方和反方向观测点的长周期地震动相差可达5倍以上.美国最新一代的地震动区划图已经开始考虑方向性效应的影响(Petersen et al., 2014; Field et al., 2014).南加州地震中心的研究人员基于探测到的活动断层对洛杉矶盆地开展了地震动场模拟研究,发现当地震断层分别自南向北和自北向南破裂情况下,洛杉矶地区的地震动强度可相差一个数量级(10倍)(Olsen et al., 2006; Graves et al., 2008).假如引发汶川地震的龙门山中央断裂的断层破裂方向为自北向南,那么位于断层南部的四川成都地区的震害情况则不堪设想.

汶川地震和芦山地震的研究表明汶川MW7.9地震长周期成分偏弱,而芦山地震地震动卓越周期则小于0.2 s(Wen et al., 2010; Xie et al., 2014).而此次熊本地震受破裂方向性影响具有非常丰富的长周期成分,在建筑结构敏感的0.5~2.0 s周期范围,此次地震近断层反应谱不仅大大高于芦山MW6.8地震,甚至超过了汶川MW7.9地震.注意到,汶川MW7.9地震与熊本地震相似,具有明显向西北方向传播的单向破裂特征,但汶川地震的断层运动机制以逆冲为主,仅在断层北段具有一定的走滑分量(张勇等,2008; 王卫民等, 2008).根据破裂方向性对地震动影响的机理,当断层运动方向与破裂传播方向一致时,才会对近场地震动产生显著的方向性效应影响(Somerville et al., 1997; Bayless and Somerville, 2013; Spudich et al., 2013).由于断层逆冲运动方向与破裂传播方向相垂直,并不在同一个方向上,汶川MW7.9地震的破裂传播的方向性对地震动的影响较弱(Wen et al., 2010).相反,熊本地震为典型的走滑型地震,断层运动方向与破裂传播方向一致,因而此次地震产生了显著的方向性效应.以上结果说明发震断层的类型也会对实际地震动产生非常重要的影响.一旦这种具有显著破裂方向性的走滑型地震发生,基于我国目前的抗震设防水平,对于中长周期建筑结构的抗震能力,无疑会是一次非常严峻的考验.因此,我们认为此次地震的这种长周期特点应该引起工程抗震设计和相关人员的高度重视.针对我国目前采用的抗震设计规范的设计反应谱,笔者认为下一代的设计地震动标准急需考虑断层破裂方向和断层类型不确定性的影响.

致谢

使用的所有强震动记录均在日本防灾科学技术研究所(NIED)的网站上下载(http://www.kyoshin.bosai.go.jp/).感谢NIED所属的K-NET和KiK-net台网提供强震动记录数据.

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