• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

四川雅安地区场地地震动影响特征分析

闫静茹 张郁山 邓菲 李伟

舒蓉,2022. 消能减震技术在某公共建筑改造加固中的应用. 震灾防御技术,17(1):154−163. doi:10.11899/zzfy20220116. doi: 10.11899/zzfy20220116
引用本文: 闫静茹,张郁山,邓菲,李伟,2022. 四川雅安地区场地地震动影响特征分析. 震灾防御技术,17(4):682−690. doi:10.11899/zzfy20220408. doi: 10.11899/zzfy20220408
Shu Rong. Application of Energy Dissipation Technology in Reconstruction and Reinforcement of A Public Building[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2022, 17(1): 154-163. doi: 10.11899/zzfy20220116
Citation: Yan Jingru, Zhang Yushan, Deng Fei, Li Wei. Analysis of Influence Characteristics of Site Ground Motion in Ya'an Area, Sichuan[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2022, 17(4): 682-690. doi: 10.11899/zzfy20220408

四川雅安地区场地地震动影响特征分析

doi: 10.11899/zzfy20220408
基金项目: 地震科技星火计划(XH22013YA)
详细信息
    作者简介:

    闫静茹,女,生于1989年。工程师。主要从事地震工程工作。E-mail:qiaoxiage@sina.com

Analysis of Influence Characteristics of Site Ground Motion in Ya'an Area, Sichuan

  • 摘要: 为分析雅安地区场地结构引起的震动特性,选取该地区重大安评项目中的实际测试钻孔进行场地地震反应分析,采用等效线性化方法,并以NGA强震记录为输入,开展场地反应计算,在全面分析该地区场地地震特征的基础上,以峰值速度为参数指标,研究场地条件引起的峰值速度放大效应。研究结果表明,雅安地区场地卓越周期约为0.2 s,自振周期为0.2 s的建筑结构破坏相对严重;随着基岩峰值加速度的增大,峰值速度呈增大趋势,峰值速度与峰值加速度变化趋势并非完全一致,分析场地效应时应考虑多种地震动参数的变化规律;不同地震输入下峰值速度放大系数为1~1.8;峰值速度放大系数kv在不同强度基岩输入下,大致呈随等效剪切波速的增大而减小的趋势,软土场地更易引起场地峰值速度的放大,这种现象在芦山地震中较为明显。
  • 城市地球物理探测与传统的地球物理勘查差别很大,城市地质环境是被人类活动改造过的自然环境,实际情况会更加复杂。地下除地层、构造等天然地质体以外,还有地下管网系统、地下轨道交通、地下储存库等地下综合体。此外,城市地球物理场是动态演化的,在城市化前后甚至还会发生更加显著的变化(陈颙等,2003)。因此,城市地球物理探测具有探测深度浅、探测精度要求高、干扰因素多、场地受限等特点(李万伦等,2018)。目前国内外对目标层埋深仅有几十米(甚至十几米)的超浅层地震勘探经验不多,理论研究也不够深入。从地表至地下几十米的深度范围是各种人工地震勘探的盲区,但它对断层定位和活动性研究意义重大,近年来由于工程建设和防灾减灾的需要,已经开展了不少浅层地震勘探实践和技术研究(朱金芳等,2005)。在城市活断层探测中,用于第四纪覆盖区的活断层探测方法可分为地质学方法和地球物理方法,浅层或超浅层地震方法是地球物理方法调查城市活动断层研究中的重要手段之一(邓起东,2002邓起东等,2003)。由于浅层地质条件以及新构造运动的特点,浅层或超浅层地震方法与常规地震勘探中采用的方法不完全相同。合理的数据采集方案是获得高分辨率地震剖面的重要基础;对浅层地震波传播速度的研究为数据处理中速度参考值的确定提供了理论依据。近年来,国内外浅层反射地震方法在城市活断层调查中的研究及其实例也相继发表,前人的研究成果反映了浅层地震方法的研究水平正在不断提高(Williams等,1995潘纪顺等,2002方盛明等,2002刘保金等,2002徐明才等,2005段生全等,2005杨晓平等,2007)。在利用浅层地震勘探方法确定隐伏活断层位置及其上断点埋深等工作中,一些地球物理工作者从地震波的激发、数据采集方法、室内资料处理与解释方法等方面进行了有益的探索,并取得了许多宝贵的经验,使得城市活断层浅层地震探测剖面质量和断层定位精度不断提高(何正勤等,2010李大虎等,2010杨歧焱等, 2015, 2016许汉刚等,2016)。

    青岛市地处胶东半岛西南部、黄海之滨,新构造运动以隆升为主,缺失第三系和第四系下部。第四纪晚期,受构造作用和海平面上升影响,接受十几米至二十余米厚以砂粘土为主的晚更新世—全新世河、海堆积物,直接覆盖于风化基岩(多为花岗岩)之上。东南部主要为花岗岩组成的低山丘陵,基岩在长期风化作用下形成了一定厚度的风化壳,并在山麓等和缓地带堆积有风化-坡积物,沿海港湾有第四纪晚期河海沉积;西北部主要是第四纪晚期的河海堆积平原或海湾,沉积有10—30m厚的第四系。因此,青岛市地震勘探属于超浅层地震勘探范畴。区域内发育若干北北东向断裂,活动性不甚强烈,地质地貌表现不很清楚,许多段落隐伏于第四系之下,断层的准确位置和活动性都不十分可靠(图 1)。与其他地区的有利探测环境相比,青岛市第四系很薄,横向物性变化大,垂向分层性差。对于不同的地震地质条件和探测目的,必须采用合理的野外采集方法和采集参数,因此,在一个新工区进行正式数据采集之前,应认真进行数据采集参数试验(何正勤等,2007)。本文通过在青岛王哥庄断裂上进行不同观测系统和采集参数的对比试验,获得了几米至二十几米深度范围内高分辨率的地震剖面,为隐伏活动断层位置及断层上断点的确定、钻孔剖面的布设和断层活动性的判定提供了可靠的科学依据。

    图 1  青岛地区地质构造图
    Figure 1.  Simplified geological map of the Qingdao area
    F1:沧口断裂;F2:青岛山断裂;F3:劈石口断裂;F4:王哥庄断裂;F5:马山-王哥庄断裂

    青岛及邻近地区在大地构造上属华北地台胶辽断隆,基底为元古代的变质岩系,经吕梁运动固结形成;古生代开始为地台发育时期,长期处于构造隆起状态,缺失古生代至三叠纪地层,致使结晶基底大面积出露。总体而言,青岛及邻近地区山势不高,以低山、丘陵和平原为主,海拔较高的山峰多为孤立分布,大致以沧口断裂为界划分为西北、东南2个不同的地貌分区。西北部地势较低,多为海湾、第四系冲洪积平原。由于新构造时期鲁东地区以隆升运动为主,青岛及邻近地区第四纪地层发育不良。许多地区基岩出露,部分地区沉积有晚更新世及全新世堆积物,局部地区发育有中更新世晚期的沉积物。市区东南部主要为花岗岩组成的低山丘陵,在山麓等和缓地带堆积有较厚的风化、坡积物,沿海港湾有第四纪晚期河海堆积;西北部是中生代地层组成的准平原和第四纪河海堆积平原(或海湾),沉积较厚的第四系,最大厚度近30米。

    (1)目的层比较浅,有效反射波大多在70ms以内,在反射波出现的时窗内,各种干扰波、特别是声波和面波很强,在接收反射波的后几道,出现折射波和反射波混合的情况,严重影响了有效反射波。

    (2)在近震源处,震源干扰波条带内干扰严重,很难获取有效波,不同波阻抗界面形成的反射信号幅度远远小于干扰波振幅。

    (3)青岛及附近地区沉积结构和地层厚度横向变化大,反射波速度和频率受此影响较大。

    (4)青岛及附近地区覆盖层较薄,第四系底界面通常只有一个较强的风化界面,由于风化地层的风化程度是渐变的,风化基岩之间波阻抗差较小,第四系内部垂向分层差。基岩顶部常有数米厚的风化壳,有些基岩面甚至更浅,风化基岩与上覆地层之间的波阻抗差也不是很明显。

    针对上述地震勘探特点,本文选取王哥庄断层(图 1中F4断裂)为实验对象,为了获得王哥庄断层从近地表至第四系底界面(深约30m)深度范围内的地震剖面,对同一深度范围按照探测精度由低到高的工作思路,在同一地震测线上采用不同的方法技术和探测参数,不同探测参数的地震剖面分别命名为TEST-a和TEST-b。地震数据采集使用德国DMT公司生产的SUMMIT数字地震仪,地震波激发采用了人工夯击和人工锤击,针对同一探测深度、不同精度的探测要求,采用的观测系统参数、地震波激发和数据采集参数见表 1

    表 1  观测系统参数和地震采集参数表
    Table 1.  Survey parameters and seismic data acquisition details
    剖面编号 道间距/m 偏移距/m 接收道数 覆盖次数 激发震源 检波器固有频率/Hz 采样间隔/ms 记录长度/ms
    TEST-a 3 6 24 6 人工夯击 60 0.25 256
    TEST-b 1 7 24 12 人工锤击 100 0.25 256
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    在不同道间距的超浅层地震记录上(图 2),图 2(a)图 2(b)分别是TEST-a、TEST-b对应的超浅层地震共炮点记录。对比图 2(a)图 2(b)可以看出,采用较大道间距、较小偏移距以及能量较大的震源可以获得一组很清楚的反射波组,但是近震源受干扰波影响严重,在超浅层不能获取有效反射波;采用较小道间距、较大偏移距以及能量较小震源,可以获取超浅层有效反射波,也可以减轻震源干扰波的影响,但是能量较弱,反射波信号相对变弱。

    图 2  不同道间距的超浅层地震共炮点记录
    Figure 2.  The common-shot gather of ultra-shallow seismic records in different trace intervals

    采用较小道间距和较弱震源,可以获取超浅层有效反射波,且垂向分层较好。由于采用小排列接收,道间距越小反射波能量衰减也越慢,因此受震源干扰波影响也变的越小,但是面波比较发育。由此可见,较小道间距和较小偏移距有利于保护反射波,延缓反射波的衰减,但是也带来了面波发育的问题;在保证探测深度要求的前提下,较弱的震源有利于避开震源干扰波的影响。

    采用Promax地震反射处理系统处理地震数据。在数据处理过程中,由于获得的原始记录的反射波近震源干扰严重,远震源反射波能量较强、干扰能量较弱等特点,因此选取记录信噪比高的远震反射波,可最大限度地提高地震资料的分辨率。其数据处理流程和方法主要包括:道编辑、静校正、真振幅恢复、地表一致性振幅处理、地表一致性反褶积、二维随机噪音衰减、f-k滤波、正常时差校正(NMO)、共中心点(CMP)叠加、叠后频率带通滤波和叠后剖面去噪等。

    本文利用不同的滤波和处理方法来提高地震数据信噪比,图 3为同一记录数据在不同情况下进行f-k滤波获得的对比分析结果和频谱分析结果。其中,图 3(a)为原始数据和相对应的谱分析结果,可以看出在超浅层地震勘探中,地震反射波受浅层折射、面波和声波的影响,反射波信号相对较弱(图中红色圆圈),信噪比不高,通过频谱分析则显示地震数据主频有2个频段:50Hz和100Hz;图 3(b)为对原始数据应用f-k滤波后的结果及其频谱分析,由图可见应用f-k滤波后,数据中面波和声波得到有效减弱,反射波信号得到加强,信噪比也得到提高,频谱分析显示数据主频为100Hz,同时结果还显示面波频率范围与有效地震反射波接近,滤波困难,数据信噪比低;图 3(c)通过切除数据前几道信号,避免了近道面波对反射波的干扰,再进行f-k滤波,反射波信号明显增强,信噪比也得到进一步提高。对比结果表明,在浅层或超浅层地震勘探中,在取得信噪比较高的情况下,再对地震数据进行f-k滤波可以有效去除干扰波,提高地震反射波的信噪比。

    图 3  原始数据及不同信噪比下的f-k滤波对比及其频谱分析图(一)
    Figure 3.  Analysis between f-k filtering under different signal-to-noise ratio data and corresponding spectrum

    图 4图 5分别是TEST-a、TEST-b测线经过数据处理后的地震反射时间及地质解释剖面(图中方向左西右东)。在图 4地震反射时间剖面中,丰富的地层界面反射波组出现在剖面100ms以上的时间范围内,存在1组起伏变化的反射波组,由2—3个强相位组成;在图 5地震反射时间剖面中,丰富的地层界面反射波组出现在剖面60ms以上的时间范围内,存在2组起伏变化的反射波组,分别由2—3个强相位组成。根据剖面上反射波同相轴的横向变化特征和上下反射波组关系,在该测线剖面上解释了1个断点,在图 4图 5中标识为F。断层F位于TEST-a测线CDP423#和TEST-b测线CDP87#处,反射波同相轴出现了错动,断层为倾向西、高倾角逆断层,根据测区地质资料,判断该断层为王哥庄断裂。

    图 4  TEST-a地震反射时间及地质解释剖面
    Figure 4.  Stack time section of seismic reflection and the interpretation in TEST-a
    图 5  TEST-b地震反射时间及地质解释剖面
    Figure 5.  Stack time section of seismic reflection and the interpretation in TEST-b

    对比TEST-a、TEST-b测线的地震反射波叠加剖面发现,TEST-b测线在超浅层部分,特别是30ms以上部分有清晰的反射同相轴,说明小道距在超浅层地震勘探中,能揭示更多的断层结构细节。

    在王哥庄北TEST-a测线CDP423#和TEST-b测线CDP87#处的王哥庄断裂断点附近,布设了1组深19.1—23.5m、相邻孔距5—10m的钻孔(ZK1—ZK7),发现在ZK2与ZK6之间基岩顶面和第四系底部被断层错断4m左右,西升东降(图 6)。由图 6可见,除底部层位外,第四系各个层位均连续分布,未受断层构造变动,根据前期第四纪地层划分结果(包括测年结果),这套地层应为上更新统。因此,该处王哥庄断裂在晚更新世早期仍在活动。

    图 6  TEST-a和TEST-b测线王哥庄断裂钻孔联合地质剖面
    Figure 6.  The drilling geological section of WGZ fracture combined with the TEST-a and TEST-b survey lines

    (1)本文从城市活断层探测的角度出发,利用地质学、地球物理学等学科中的相关理论和方法,探讨超浅层地震在复杂地质构造背景下获得有效探测结果的前提条件。综合分析青岛地区地震勘探资料发现:①要依据扩展排列试验并参考观测系统参数选择原则,选好最小和最大偏移距,在超浅层探测中,近震源道记录中反射波与干扰波很难分辨,需要一定的偏移距才能将其分辨清楚;②最大偏移距不能过大,由于目标层埋深很浅,若排列长度过大,记录的多为折射波,所以需要采用短排列、小道间距进行数据采集。

    (2)在对超浅层地震数据采集技术、资料处理与解释方法进行系统研究的基础上,以可清晰分辨出断层位置的典型剖面为例,证明在选择合适的观测系统和数据处理方法基础上,超浅层地震反射波法可以获取深度仅有十几米的地层反射信号,且大部分反射剖面都可较清楚地揭示出超浅部断层位置和断层特征。青岛王哥庄断裂地震勘探研究结果显示,超浅层地震反射方法在城市活断层探测中,特别是沿海覆盖层较浅的区域具有良好的应用前景。

    (3)在对青岛王哥庄断裂超浅层地震反射时间剖面开展研究和解释的基础上,结合典型断点的钻孔联合剖面探测资料,研究了王哥庄断裂的准确位置、几何结构和活动性。研究表明,王哥庄断裂晚更新世以来可能也是活动的。

  • 图  1  雅安及周边芦山县地形地貌

    Figure  1.  Topographic and geomorphological map of Ya'an and surrounding Lushan

    图  2  场地剪切波速随埋深变化

    Figure  2.  Site shear wave velocity varies with burial depth

    图  3  基岩反应谱

    Figure  3.  Bedrock response spectrum

    图  4  场地地表加速度反应谱

    Figure  4.  Site ground acceleration response spectrum

    图  5  场地地表峰值加速度分布(芦山地震输入)

    Figure  5.  Site ground peak acceleration distribution(Lushan earthquake)

    图  6  场地地表峰值加速度分布(NGA地震输入)

    Figure  6.  Site ground peak acceleration distribution(NGA)

    图  7  场地地表峰值速度分布(芦山地震输入)

    Figure  7.  Site ground peak velocity distribution(Lushan earthquake)

    图  8  场地地表峰值速度分布(NGA地震输入)

    Figure  8.  Site ground peak velocity distribution(NGA)

    图  9  场地地表峰值速度放大系数分布(芦山地震输入)

    Figure  9.  Site ground peak velocity magnification factor distribution

    图  10  场地地表峰值速度放大系数分布(NGA地震输入)

    Figure  10.  Site ground peak velocity magnification factor distribution

    11  场地峰值速度放大系数随场地特征变化情况

    11.  Site ground peak velocity magnification factor varies with site characteristics

    表  1  场地钻孔资料分布情况

    Table  1.   Site borehole data distribution map

    参数分布 等效剪切波速 ${V}_{\mathrm{s}\mathrm{e} }$分布/m·s−1 覆盖层厚度 $ {d}_{\mathrm{s}\mathrm{e}} $分布/m
    200~250 250~300 300~350 350~400 400~450 10~15 15~20 20~25 25~30 30~35
    钻孔数/个 2 2 9 10 4 4 4 7 9 3
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    表  2  输入基岩时程信息(芦山地震强震数据)

    Table  2.   Input bedrock time-histories information(Data from Lushan earthquake)

    地震名称 台站名称 记录编号(简称) 震级/级 震源距离/km PGA/Gal PGV/cm·s−1
    芦山7.0级地震 51 TQL 051 TQL130420080202(TQL-0202) 7.0 13 280.7 12.62
    51 PJD 051 PJD130420080201(PJD-0201) 7.0 13 153.6 9.87
    51 LDG 051 LDG130420080202(LDG-0202) 7.0 13 86.8 5.73
    51 HYT 051 HYT130420080201(HYT-0201) 7.0 13 70.7 4.39
    51 MNC 051 MNC130420080202(MNC-0202) 7.0 13 25.3 1.39
    51 PXZ 051 PXZ130420080202(PXZ-0202) 7.0 13 12.3 1.71
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    表  3  输入基岩时程信息(NGA强震数据)

    Table  3.   Input bedrock time-histories information(Data from NGA)

    地震名称 台站名称 记录编号 震级/级 震源距离/km PGA/Gal PGV/cm·s−1
    Northridge-01 LA - Griffith Park Observatory 0994 6.69 17.5 283.4 26.51
    Northridge-01 Vasquez Rocks Park 1091 6.69 17.5 148.0 18.39
    Northridge-01 Lake Hughes #4 - Camp Mend 1021 6.69 17.5 82.4 6.17
    Loma Prieta Point Bonita 0789 6.93 17.48 71.0 12.86
    Chi-Chi, Taiwan-04 TTN042 2929 6.20 18 25.1 1.63
    Chi-Chi, Taiwan-06 ILA063 3390 6.30 16 12.2 0.96
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  • 薄景山, 李秀领, 刘德东等, 2003 a. 土层结构对反应谱特征周期的影响. 地震工程与工程振动, 23(5): 42—45

    Bo J. S. , Li X. L. , Liu D. D. , et al. , 2003 a. Effects of soil layer construction on characteristic periods of response spectra. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 23(5): 42—45. (in Chinese)
    薄景山, 李秀领, 刘红帅, 2003 b. 土层结构对地表加速度峰值的影响. 地震工程与工程振动, 23(3): 35—40

    Bo J. S. , Li X. L. , Liu H. S. , 2003 b. Effects of soil layer construction on peak accelerations of ground motions. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 23(3): 35—40. (in Chinese)
    陈波, 2013. 结构非线性动力分析中地震动记录的选择和调整方法研究. 北京: 中国地震局地球物理研究所.

    Chen B., 2013. Ground motion selection and modification methods for performing nonlinear dynamic analysis of buildings. Beijing: Institute of Geophysics, China Earthquake Administration. (in Chinese)
    陈党民, 段蕊, 2013. 场地条件对地表峰值加速度的放大效应分析. 地震工程与工程振动, 33(1): 24—30

    Chen D. M. , Duan R. , 2013. Amplification effects of site conditions on ground peak accelerations. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 33(1): 24—30. (in Chinese)
    冯希杰, 金学申, 2001. 场地土对基岩峰值加速度放大效应分析. 工程地质学报, 9(4): 385—388

    Feng J. X. , Jin X. S. , 2001. Analysis on amplification effect of bedrock peak acceleration caused by site soil. Journal of Engineering Geology, 9(4): 385—388. (in Chinese)
    中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010. GB 50011—2010 建筑抗震设计规范. 北京: 中国建筑工业出版社.

    Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, 2010. GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings. Beijing: China Architecture & Building Press. (in Chinese)
    Akkar S. , Özen Ö. , 2005. Effect of peak ground velocity on deformation demands for SDOF systems. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 34(13): 1551—1571.
    O’Rourke T. D. , Stewart H. E. , Jeon S. S. , 2001. Geotechnical aspects of lifeline engineering. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering, 149(1): 13—26. doi: 10.1680/geng.2001.149.1.13
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  • 收稿日期:  2022-06-23
  • 刊出日期:  2022-12-31

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