在海域地震動記錄稀缺的情況下，針對海底場地（OBS）的寬頻帶地震動模擬是解決海域區(qū)劃地震動參數(shù)和海洋重大工程抗震設(shè)防地震動輸入等科學(xué)問題最有希望突破的方向之一。但是，受海水層、復(fù)雜局部地形、水飽和介質(zhì)和深厚軟弱沉積層的影響，海域場地地震反應(yīng)與陸域差異巨大，直接采用陸域經(jīng)驗評估OBS場地特性可能造成顯著系統(tǒng)性偏差。其中，OBS非線性地震反應(yīng)特征及影響機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題尚未得到充分研究，導(dǎo)致OBS地震動模擬難以科學(xué)開展。

中國地震局地球物理研究所傅磊副研究員等基于日本相模灣6個OBS的強(qiáng)震動記錄（圖1A），采用高頻譜衰減方法計算了OBS的高頻衰減參數(shù)場地分量（k0），采用考慮一階場地校正的廣義線性反演技術(shù)獲得了不同地震動強(qiáng)度下的場地放大系數(shù)（AF），并通過非線性參數(shù)（DNL）描述場地非線性效應(yīng)。

結(jié)果顯示，6個OBS的k0中值大約為0.078–0.098 s，顯著高于陸域臺站k0的值，表明OBS具有更強(qiáng)的高頻衰減特性（圖1B）；當(dāng)峰值加速度（PGA）達(dá)到0.5–0.8 m/s2時，6個OBS的k0均出現(xiàn)減小的趨勢，并在大約0.06 – 0.07 s左右達(dá)到最小值（圖1C）。另一方面，當(dāng)PGA達(dá)到0.2 m/s2時，海底臺站AF的DNL開始大于4，表現(xiàn)出顯著的非線性效應(yīng)。這一PGA閾值顯著大于前人采用譜比法得到的0.5–1.0 m/s2（圖1D）。進(jìn)一步分析認(rèn)為，較小的PGA閾值可能與海底臺站的局部地形效應(yīng)密切相關(guān)。另外，地形地貌陡峭和平坦的海底場地的峰值頻率（fp）在非線性效應(yīng)下分別向高頻和低頻漂移（圖1E）。分析認(rèn)為，陡峭臺的fp主要由地形放大效應(yīng)控制，而平坦臺的fp主要由水飽和沉積層控制。最后，考慮線性和非線性的AF，采用隨機(jī)有限斷層法開展了研究區(qū)內(nèi)震級最大的2次地震的地震動模擬。結(jié)果顯示，本文所采用的模擬方法在0.1 Hz以上與觀測記錄符合良好（圖1F）。并且，在PGA大于0.2 m/s2時，考慮場地非線性效應(yīng)的模擬結(jié)果與觀測記錄更為匹配。因此，開展海底場地強(qiáng)地震動模擬時，非線性效應(yīng)的影響至關(guān)重要。下一步工作中，我們將進(jìn)一步考慮俯沖帶地區(qū)復(fù)雜橫向非均勻路徑對模擬結(jié)果的影響。

本研究主要創(chuàng)新點如下：（1）發(fā)現(xiàn)海底場地k0在PGA達(dá)到0.5 – 0.8 m/s2時開始減小，但這一現(xiàn)象需要更多數(shù)據(jù)佐證；（2）發(fā)現(xiàn)海底場地在PGA達(dá)到0.2–0.3 m/s2時出現(xiàn)明顯非線性場地效應(yīng)，可能與局部地形有關(guān)；（3）發(fā)現(xiàn)在非線性作用下，平坦臺和陡峭臺的場地峰值頻率分別向低頻和高頻偏移，后者主要受地形效應(yīng)影響；（4）首次實現(xiàn)了考慮場地非線性效應(yīng)的海底場地地震動模擬，結(jié)果與觀測記錄在0.1 Hz以上匹配良好。

該成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（Fu, Lei, et al. "Seismic response characteristics of offshore sites in the Sagami Bay, Japan—Part II: Part II: Nonlinear behaviors and stochastic simulation of subduction zone earthquakes 188 (2025): 109081.）。研究受國家自然科學(xué)基金面上項目（52378541、52192675）及國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC1500400）共同資助。

圖1  （A）臺站和地震分布，（B）OBS高頻衰減參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，（C）高頻衰減參數(shù)非線性特征，（D）OBS場地傳遞函數(shù)非線性特征，（E）OBS峰值頻率非線性特征，（F）俯沖帶地震OBS模擬和觀測反應(yīng)譜比較

【作者簡介】

傅磊，男，副研究員，主要從事工程地震學(xué)研究工作，具體包括強(qiáng)地震動特性、強(qiáng)地震動模擬、地震動預(yù)測模型、強(qiáng)地面運(yùn)動觀測及科學(xué)人工智能在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用等。