含子盆地的二維沉積盆地非線性地震反應(yīng)分析

陳樹培,溫衛(wèi)平,翟長海,白克生

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090;2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)與信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

沉積盆地內(nèi)部地勢(shì)平坦,自然條件良好,如成都等許多重要城市均建立在盆地內(nèi)部。然而,地震作用下,沉積盆地會(huì)表現(xiàn)出明顯的盆地效應(yīng),加重地震破壞[1]。因此,研究沉積盆地地震反應(yīng)對(duì)這些城市抗震設(shè)防具有重要意義。盆地效應(yīng)主要表現(xiàn)為邊緣效應(yīng)、聚焦效應(yīng)及共振效應(yīng)[2],相比于水平成層場(chǎng)地,上述效應(yīng)的綜合作用導(dǎo)致盆地地形產(chǎn)生了額外的放大作用。因此,盆地效應(yīng)受到了研究者的廣泛關(guān)注。然而,當(dāng)前研究多專注于未包含子盆地的普通盆地[3-6],在沉積盆地中,由于地表河流和湖泊等的長期沉積作用,容易在盆地內(nèi)形成新的沉積盆地。子盆地形成年代較晚,其土體物理性質(zhì)和周圍土體有很大差別。KAWASE等[7]基于數(shù)值模擬方法,研究了1985年墨西哥地震中墨西哥城的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特征,并指出子盆地結(jié)構(gòu)是墨西哥城地震動(dòng)“強(qiáng)幅值和長持時(shí)”特征的重要原因之一;AOI等[8]通過分析含子盆地結(jié)構(gòu)的Yufutsu盆地地震反應(yīng),支撐了這一觀點(diǎn);GRAVES[9]基于三維數(shù)值模型研究了洛杉磯盆地的地震反應(yīng),結(jié)果表明盆地-子盆地的組合模型能更好地解釋洛杉磯盆地的地震反應(yīng),子盆地的影響不可忽略;NARAYAN等[10]研究了二維盆地-子盆地地震反應(yīng),討論了外圍大盆地對(duì)子盆地共振模式的影響,研究表明:外圍大盆地降低了子盆地的基頻,子盆地依舊出現(xiàn)了共振現(xiàn)象;劉昇等[11]采用譜元法,研究了盆地形狀比對(duì)盆地-子盆地模型共振效應(yīng)及盆地放大系數(shù)的影響。上述研究表明:盆地-子盆地這容易特殊地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地震動(dòng)有放大作用,采用單一的盆地構(gòu)造進(jìn)行場(chǎng)地反映分析將低估地表地震反應(yīng)。然而,現(xiàn)有研究多針對(duì)特定的盆地-子盆地構(gòu)造,子盆地尺寸、介質(zhì)波速、子盆地與盆地相對(duì)位置等因素對(duì)盆地-子盆地地震反應(yīng)的影響尚不清晰。為綜合評(píng)估子盆地與外圍大盆地間的相互作用對(duì)沉積盆地地震反應(yīng)的影響,本文基于有限元數(shù)值方法,綜合考慮子盆地的尺寸、盆地-子盆地相對(duì)位置、子盆地介質(zhì)波速以及盆地傾角等因素的影響,研究了盆地-子盆地地震反應(yīng)特征及其對(duì)地震動(dòng)的影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 有限元模型

本文采用理想化的二維梯形盆地模型,模型長5000 m,深700 m。梯形盆地表面寬2000 m,深度100 m,傾角為α,盆地與左右兩側(cè)邊界距離取為1500 m。由于子盆地尺寸較小,用梯形模擬具有較大的誤差,本文參考文獻(xiàn)[10-11]的子盆地形狀,采用曲邊的橢圓形狀建立子盆地模型。此外,本文中子盆地深度固定為50 m,子盆地形狀比變化由改變子盆地寬度表征。模型示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖Fig. 1 Diagram of the numerical model

計(jì)算完成后,選取盆地表面共103個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平分量速度時(shí)程(本文所有結(jié)果速度和加速度均取水平分量)作為觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究,由于盆地外圍基巖處計(jì)算結(jié)果接近,僅在盆地左右兩側(cè)取包含盆地表面與基巖交界點(diǎn)的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn),重點(diǎn)分析盆地內(nèi)部的地震反應(yīng)差異。盆地內(nèi)部觀測(cè)點(diǎn)間距為20 m,選取共103個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平分量速度時(shí)程(本文所有結(jié)果速度和加速度均取水平分量)作為觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析研究。其中:盆地中心處觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)為52。由于篇幅限制,圖2并未列出所有觀測(cè)點(diǎn)的位置,僅列舉了盆地左側(cè)部分觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 盆地表面左半側(cè)觀測(cè)點(diǎn)分布Fig. 2 Distribution of observation points on the left half of basin

表1 巖土物理參數(shù)表Table 1 Physical parameters of the soils

圖3 子盆地及其附近網(wǎng)格劃分Fig. 3 Numerical meshes of the sub-basin and its adjacent area

1.2 地震動(dòng)輸入

本文地震動(dòng)輸入采用垂直基底入射的Kobe波,截取其5%～95%Arias烈度段(即其重要持時(shí))段作為最終的輸入,處理后的輸入地震動(dòng)時(shí)程及頻譜信息如所圖4所示。地震動(dòng)輸入時(shí),采用波動(dòng)法[15],將輸入地震動(dòng)速度時(shí)程換算為等效節(jié)點(diǎn)力施加于邊界節(jié)點(diǎn)上。

圖4 輸入地震動(dòng)時(shí)程與傅里葉譜Fig. 4 Time history and Fourier spectrum of the input motion

1.3 工況設(shè)定

本文針對(duì)沉積盆地中子盆地的尺寸、子盆地在盆地中的位置、子盆地沉積物的剪切波速以及盆地傾角對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響,包括不含子盆地的一個(gè)工況,共設(shè)置了13種工況,詳見表2。本文各工況以wiaiVsipi的格式命名。其中:w表示子盆地寬度,a表示外圍盆地傾角,Vs表示子盆地介質(zhì)波速,p表示子盆地在盆地中的位置,為子盆地左側(cè)邊緣距沉積盆地左側(cè)邊緣距離。在本文子盆地深度取為50 m不變,通過改變子盆地表面寬度來表征子盆地尺寸變化,寬度分別取100、200、300和400 m;盆地傾角分別取30°、45°和60°;子盆地介質(zhì)波速分別取100、150、200、250 m/s;當(dāng)研究子盆地在沉積盆地中不同位置的影響時(shí),保持盆地傾角45°和子盆地表面寬度200 m不變,以子盆地左側(cè)邊緣距沉積盆地左側(cè)邊緣100、360、630和900 m設(shè)定子盆地位置。此外,由于盆地傾角不同引起的盆地邊緣長度變化,盆地傾角為30°時(shí),p1=173 m;當(dāng)傾角為45°時(shí),p1=100 m;當(dāng)傾角為60°時(shí),p1=58 m。

表2 子盆地計(jì)算工況表Table 2 Calculation cases of the sub-basin

2 模擬結(jié)果分析

2.1 子盆地對(duì)盆地地震動(dòng)場(chǎng)分布的影響

為了能更加直觀和清晰的觀察子盆地的存在對(duì)沉積盆地的地震動(dòng)場(chǎng)分布的影響規(guī)律,本節(jié)選取w2a2Vs1p1為典型工況,對(duì)比不含子盆地的工況,研究盆地地震動(dòng)場(chǎng)分布時(shí)空差異性。其速度波場(chǎng)與PGA分布見圖5。此處應(yīng)當(dāng)說明:由于沉積盆地外圍基巖的地震反應(yīng)幾乎一致,因此圖5中僅給出了觀測(cè)點(diǎn)1～103處的結(jié)果,即距盆地中心±1040 m范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。

圖5 工況w2a2Vs1p1與NoSub-basin的速度波場(chǎng)和PGA分布Fig. 5 Velocity wave fields and PGA distributions of case w2a2Vs1p1與NoSub-basin.

由圖5(a)可以看出:盆地邊緣產(chǎn)生了較為明顯的次生面波,并從盆地兩側(cè)邊緣向中間傳播,傳播過程清晰可見,子盆地的存在對(duì)面波在盆地表面的傳播產(chǎn)生了很大的影響。首先,經(jīng)過子盆地的面波相比沒有子盆地存在的一側(cè)有明顯的遲滯,使得從兩側(cè)向中心傳播的面波相遇發(fā)生干涉的位置向含子盆地的一側(cè)偏移;經(jīng)過子盆地后的面波幅值有所下降;由于子盆地和周圍土體的波速相差較大,故到達(dá)子盆地的體波在子盆地邊緣同樣產(chǎn)生了次生面波,使得盆地表面面波的傳播變得更加復(fù)雜。在盆地的中央?yún)^(qū)域,可以清晰的看到在盆地基底與表面之間的多次反射波,以及從盆地兩側(cè)邊緣傳遞來的次生面波在盆地中央相遇發(fā)生相長干涉而形成的波動(dòng),使得速度時(shí)程出現(xiàn)一個(gè)較大的起伏。

從圖5(b)盆地表面PGA的分布圖可以看出在無子盆地的邊緣區(qū)域存在明顯的邊緣效應(yīng),而另一側(cè)邊緣處存在的子盆地對(duì)從基底傳遞到盆地表面的體波有明顯的聚焦作用,使得子盆地中心(觀測(cè)點(diǎn)12)的地震反應(yīng)出現(xiàn)了劇烈增強(qiáng),其PGA幅值明顯大于無子盆地模型,同時(shí)由于子盆地的存在對(duì)地震波的散射作用,在子盆地左右外側(cè)附近的地震反應(yīng)有一定的削弱;此外,子盆地還將“捕獲”一部分傳播至子盆地中的次生面波,使其難以向盆地中心繼續(xù)傳播,也將一定程度上削弱子盆地附近的地震動(dòng);隨著向盆地中心靠近,子盆地模型地表PGA逐漸趨于盆地模型,子盆地對(duì)地震動(dòng)的影響逐漸降低。

圖6給出了盆地中心處與子盆地中心處的傳遞函數(shù)。由圖6(a)可知:工況NoSub-basin中心處共振頻率約為0.7 Hz左右,接近于對(duì)應(yīng)的一維土層自振頻率Vs/4H= 0.75 Hz。此外,工況NoSub-basin中心在1 Hz處也出現(xiàn)了共振,但子盆地的存在削弱了該共振峰的峰值。該現(xiàn)象表明:盆地邊緣產(chǎn)生的次生面波引發(fā)了新的盆地共振模式,且子盆地的存在將削弱往盆地中心傳播的面波,進(jìn)而削弱該共振模式。圖6(b)給出了子盆地中心處(觀測(cè)點(diǎn)12)工況NoSub-basin與w2a2Vs1p1的傳遞函數(shù)。由圖可見:子盆地的聚焦效應(yīng)放大了0.8 Hz、1 Hz與2 Hz處的地震反應(yīng),但子盆地區(qū)域?qū)?yīng)的一維土層自振頻率Vs/4 Hz = 0.5 Hz,這表明工況w2a2Vs1p1的共振模式以盆地的二維共振為主。

2.2 子盆地尺寸對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響

本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注盆地地表PGA分布情況,對(duì)比分析子盆地的尺寸對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響。為了分析子盆地的存在對(duì)盆地地震動(dòng)響應(yīng)的影響,用不含子盆地的PGA做歸一化處理,即定義PGA放大系數(shù)為含子盆地

的地表PGA與對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)不含子盆地PGA的比值,下文中的PGA放大系數(shù)與此相同。當(dāng)放大系數(shù)大于1時(shí),說明子盆地的存在對(duì)盆地地表地震動(dòng)有放大作用,反之則具有削弱作用。本節(jié)重點(diǎn)分析包括不含子盆地工況在內(nèi)的5個(gè)工況,詳細(xì)計(jì)算參數(shù)見表3。各工況PGA放大系數(shù)分布見圖7。

表3 工況1、2、3、4盆地中心與子盆地區(qū)域?qū)?yīng)的觀測(cè)點(diǎn)號(hào)、PGA及其放大系數(shù)Table 3 Observation point number, PGA and amplification factor corresponding to the centre area and the sub-basin area in cases 1 ,2, 3, and 4

圖7 工況1、2、3和4的沉積盆地地表PGA放大系數(shù)分布Fig. 7 PGA amplification factor distributions of cases 1 ,2, 3, and 4

由圖7可見:

1)子盆地中的PGA放大系數(shù)幾乎是整個(gè)盆地中最大的,這是由于子盆地聚焦效應(yīng)導(dǎo)致了地震動(dòng)的劇烈增強(qiáng),在觀測(cè)點(diǎn)8處,子盆地寬度為100 m時(shí),PGA被放大了近1.56倍;隨著子盆地尺寸增大,子盆地區(qū)域的PGA分布出現(xiàn)分化,形成一左一右兩個(gè)幅值,左側(cè)幅值稍大些(工況3和4),這是因?yàn)楸疚闹性O(shè)定子盆地深度不變,而通過增加子盆地表面寬度來增大子盆地尺寸,隨著子盆地表面寬度增加,基底傳遞來的地震波不再能聚焦于子盆地中心,且由于盆地左側(cè)面波的影響,使得左邊的幅值稍大。

2)子盆地的存在對(duì)整個(gè)盆地的PGA及其放大系數(shù)的分布具有很大的影響,相比NoSub-basin工況,除遠(yuǎn)離子盆地的右側(cè)邊緣區(qū)域,沉積盆地大部分區(qū)域的PGA分布發(fā)生了明顯改變;在子盆地外右側(cè)區(qū)域(觀測(cè)點(diǎn)20～50)出現(xiàn)PGA被抑制的現(xiàn)象,放大系數(shù)小于1,在觀測(cè)點(diǎn)23處,子盆地寬度為300 m時(shí),PGA僅為不含子盆地的0.66倍,這是由于從盆地左側(cè)邊緣激發(fā)傳播來的面波經(jīng)過子盆地后強(qiáng)度被削弱,導(dǎo)致與基底直達(dá)體波相遇發(fā)生干涉的強(qiáng)度減小;在盆地中央?yún)^(qū)域,從NoSub-basin工況可以看出沉積盆地中央?yún)^(qū)域的PGA峰值要大于盆地邊緣處的PGA峰值,說明盆地中央垂直向一維共振(提取得到盆地基頻為0.727 Hz,和輸入地震動(dòng)Kobe波傅立葉譜最大峰值處頻率0.732 Hz接近)對(duì)地震動(dòng)的放大要大于盆地邊緣效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)的放大。隨著子盆地尺寸增加,沉積盆地中央?yún)^(qū)域PGA分布曲線收攏突起的現(xiàn)象越來越明顯,PGA分布的峰值點(diǎn)逐漸增大并向盆地右側(cè)移動(dòng),這是由于子盆地的存在導(dǎo)致一維共振中心向右偏移,子盆地尺寸增加進(jìn)一步使其向右略微移動(dòng)(移動(dòng)距離較小,共振強(qiáng)度幾乎不變),面波和體波相遇的區(qū)域逐漸向盆地右側(cè)偏移,且由于傳播路徑縮短,面波衰減的幅度減小,導(dǎo)致峰值點(diǎn)略微增加。與NoSub-basin工況相比,隨著子盆地尺寸增加,兩者的差距變大,尤其是在子盆地區(qū)域和盆地中央偏右區(qū)域。

為更好地表明子盆地對(duì)盆地PGA分布的影響,對(duì)比了不同尺寸子盆地對(duì)盆地不同區(qū)域最大PGA的影響。由于不同工況的最大PGA出現(xiàn)的位置不同,此處以子盆地區(qū)域PGA最大值所在的觀測(cè)點(diǎn)代表子盆地區(qū)域,以盆地中央PGA峰值所在的觀測(cè)點(diǎn)代表中心區(qū)域,對(duì)比不同工況下盆地不同區(qū)域的最大PGA變化規(guī)律。以工況w1a2Vs1p1為例,該工況下中心區(qū)域最大PGA出現(xiàn)在58號(hào)觀測(cè)點(diǎn)處,而NoSub-basin工況則出現(xiàn)在52號(hào)觀測(cè)點(diǎn)處,則子盆地引起的中心區(qū)域最大PGA變化為以上兩點(diǎn)PGA之比。各個(gè)工況子盆地、中心區(qū)域的PGA及其放大系數(shù)見表3,繪制兩處區(qū)域的地表最大PGA及最大PGA變化隨子盆地尺寸變化曲線如圖8所示。

圖8 子盆地尺寸對(duì)兩處區(qū)域PGA及其放大系數(shù)的影響Fig. 8 Influence of the sub-basin size on the PGA maximum of basin edge and central area

從圖8中可以看出隨著子盆地尺寸的增加,子盆地區(qū)域的PGA及最大PGA變化先增大再減小的趨勢(shì),且放大系數(shù)均大于1;盆地中心區(qū)域的PGA及最大PGA變化則一直增大,只有在子盆地表面寬度為100 m時(shí)PGA略小于無子盆地的沉積盆地。子盆地區(qū)域PGA最大值(w2a2Vs1p1)比最小值(w3a2Vs1p1)大了約12%,盆地中心區(qū)域PGA最大值(w4a2Vs1p1)比最小值(w1a2Vs1p1)大了約17%;同一工況下,由于子盆地聚焦效應(yīng),在子盆地中心區(qū)域,其PGA比沉積盆地其他區(qū)域的大,由表3可知:工況w2a2Vs1p1中,子盆地區(qū)域PGA比沉積盆地中央?yún)^(qū)域增大的幅度最大,達(dá)到了24%左右。最大PGA變化隨子盆地尺寸變化產(chǎn)生的先增大再減小的趨勢(shì)可歸因于子盆地共振模式隨盆地寬度的增大逐漸由二維共振向一維共振變化。隨著子盆地尺寸由100 m逐漸增加至400 m,子盆地區(qū)域最大PGA處提取得到的基頻分別為0.83 Hz、0.7 Hz、0.6 Hz與0.54 Hz,子盆地的共振頻率逐漸接近其對(duì)應(yīng)的一維土層共振頻率0.5 Hz。其中:工況w2a2Vs1p1基頻0.7 Hz最接近于輸入地震動(dòng)Kobe波傅立葉譜最大峰值處頻率0.732 Hz。因此,該工況地震反應(yīng)也最為強(qiáng)烈。

2.3 子盆地相對(duì)位置對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響

含不同位置子盆地的沉積盆地PGA放大系數(shù)的分布如圖9所示。從圖中可以看出:隨著子盆地向沉積盆地中央移動(dòng),可以看出子盆地區(qū)域的PGA放大系數(shù)逐漸增大。這是由沉積盆地垂直向一維共振與子盆地聚焦效應(yīng)共同作用的結(jié)果;同時(shí)沉積盆地中央?yún)^(qū)域的PGA峰值逐漸減小并向右側(cè)移動(dòng)(移動(dòng)的距離較大),這是因?yàn)樵狡x盆地中心一維共振的強(qiáng)度越弱,而子盆地的存在導(dǎo)致共振強(qiáng)度中心向右移動(dòng),且隨著子盆地的右移而向右偏移。

圖9 工況2、5、6和7沉積盆地地表PGA放大系數(shù)分布Fig. 9 PGA amplification factor distributions of cases 2 ,5, 6, and 7

子盆地的存在對(duì)整個(gè)盆地的PGA及其放大系數(shù)的分布具有很大的影響,幾乎整個(gè)盆地區(qū)域的PGA均發(fā)生了改變;同樣在子盆地外右側(cè)區(qū)域的出現(xiàn)PGA被抑制的現(xiàn)象。這里仍以子盆地區(qū)域PGA最大處的觀測(cè)點(diǎn)代表子盆地區(qū)域(無子盆地的工況代以邊緣區(qū)域),以向右偏移的盆地中央PGA峰值處的觀測(cè)點(diǎn)代表中心區(qū)域,各個(gè)工況子盆地和中心區(qū)域的PGA及其放大系數(shù)見表4,繪制兩處區(qū)域的地表PGA及放大系數(shù)隨子盆地位置變化曲線如圖10所示。

表4 工況2、5、6、7盆地中心與子盆地區(qū)域?qū)?yīng)的觀測(cè)點(diǎn)號(hào)、PGA及其放大系數(shù)Table 4 Observation point number, PGA and amplification factor corresponding to the centre area and the sub-basin area in cases 2 ,5, 6, and 7

圖10 子盆地位置對(duì)兩處區(qū)域PGA及最大PGA變化的影響Fig. 10 Influence of the sub-basin location on the PGA maximum of basin edge and central area

從圖10中可以看出隨著子盆地向沉積盆地中心移動(dòng),子盆地區(qū)域的PGA及最大PGA變化逐漸增大,并在盆地中心時(shí)達(dá)到最大,且都大于NoSub-basin工況由邊緣效應(yīng)的PGA;盆地中心區(qū)域的PGA及其放大系數(shù)則一直減小,只有在子盆地位于盆地左側(cè)邊緣100 m時(shí)其PGA才略大于NoSub-basin工況的PGA。

子盆地區(qū)域PGA最大值(w2a2Vs1p4)比最小值(w2a2Vs1p1)大了約29%。盆地中心區(qū)域PGA最大值(w2a2Vs1p1)比最小值(w2a2Vs1p4)大了約24%;同一工況中,由于子盆地聚焦效應(yīng)和沉積盆地共振效應(yīng),在子盆地中心的PGA比盆地其他區(qū)域的大,由表3-表5可知:工況w2a2Vs1p4中,子盆地區(qū)域PGA比沉積盆地中央?yún)^(qū)域增大的幅度最大,達(dá)到了99%左右。

表5 工況2、8、9、10盆地中心與子盆地區(qū)域?qū)?yīng)的觀測(cè)點(diǎn)號(hào)、PGA及其放大系數(shù)Table 5 Observation point number, PGA and amplification factor corresponding to the centre area and the sub-basin area in cases 2 ,8, 9, and 10

2.4 子盆地介質(zhì)波速對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響

不同介質(zhì)波速的子盆地對(duì)沉積盆地PGA放大系數(shù)分布的影響如圖11所示。從圖中可以看出:隨著子盆地介質(zhì)波速的增大,其對(duì)盆地PGA及其放大系數(shù)產(chǎn)生了較為明顯的影響,且存在一定的規(guī)律。

圖11 工況2、8、9和10的沉積盆地地表PGA放大系數(shù)分布Fig. 11 PGA amplification factor distributions of cases 2 ,8, 9, and 10

由于子盆地的聚焦效應(yīng)使得子盆地中的PGA劇烈放大,隨著子盆地介質(zhì)波速增大,放大程度逐漸減小,到工況10波速為250 m/s時(shí),子盆地聚焦效應(yīng)的PGA小于盆地中央處一維共振的PGA;在子盆地外右側(cè)被抑制的PGA隨著子盆地介質(zhì)波速增加而增大,并逐漸接近NoSub-basin工況的幅值,沉積盆地中央?yún)^(qū)域的PGA分布也隨著子盆地介質(zhì)波速增加而逐漸接近NoSub-basin工況的分布,在波速為250 m/s的工況10中:其PGA分布和NoSub-basin工況的基本重合。

仍以子盆地區(qū)域最大PGA的觀測(cè)點(diǎn)代表子盆地區(qū)域(無子盆地的工況代以邊緣區(qū)域),以盆地中央PGA峰值所在的觀測(cè)點(diǎn)代表中心區(qū)域,各個(gè)工況子盆地、中心區(qū)域的PGA及最大PGA變化見表5,繪制兩處區(qū)域的地表PGA及最大PGA變化隨子盆地波速變化曲線如圖12所示。

圖12 子盆地介質(zhì)波速對(duì)兩處區(qū)域PGA及最大PGA變化的影響Fig. 12 Influence of the shear wave velocity of the sub-basin on the PGA maximum of basin edge and central area

從圖12可以看出隨著子盆地介質(zhì)波速增加,子盆地區(qū)域的PGA及最大PGA變化先增大后迅速減小,在介質(zhì)波速為150 m/s2時(shí)達(dá)到最大,此時(shí)子盆地區(qū)域的PGA為不含子盆地的1.56倍,說明子盆地聚焦效應(yīng)為主的地震動(dòng)放大要大于盆地邊緣效應(yīng)的放大;盆地中心區(qū)域的PGA及最大PGA變化則略微減小后基本保持不變,其數(shù)值與NoSub-basin工況十分接近,說明介質(zhì)波速變化對(duì)盆地中央的地震反應(yīng)影響有限。由于子盆地聚焦效應(yīng),在子盆地中心區(qū)域,其PGA一般比沉積盆地其他區(qū)域的大,但隨著子盆地介質(zhì)波速增加,子盆地區(qū)域的PGA不斷下降,在工況w2a2Vs4p1中,子盆地區(qū)域PGA比沉積盆地中央?yún)^(qū)域要小5%左右。

2.5 外圍盆地傾角對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響

不同傾角的沉積盆地PGA分布如圖13(a)所示。從圖13可以看出:由于子盆地的聚焦效應(yīng)導(dǎo)致子盆地中的PGA劇烈增大,同一工況下其幅值幾乎是整個(gè)盆地中最大的,并且隨著沉積盆地傾角增大,子盆地距離盆地左側(cè)邊緣距離變短,子盆地處的觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)自然減小,子盆地的PGA隨之減小并向左移動(dòng);在子盆地外右側(cè)區(qū)域的PGA相比沉積盆地右側(cè)邊緣出現(xiàn)被抑制的現(xiàn)象;在沉積盆地右側(cè)邊緣區(qū)域可以看到隨著沉積盆地傾角增大,由盆地邊緣效應(yīng)得到的PGA隨之增大,這是由于面波幅值隨著沉積盆地傾角增大而增大;中央?yún)^(qū)域一維共振得到的PGA要大于盆地邊緣效應(yīng)的,并且隨著沉積盆地傾角增大,PGA分布的峰值點(diǎn)向右移動(dòng),PGA減小。

圖13 沉積盆地地表PGA分布及盆地傾角對(duì)PGA的影響Fig. 13 Influence of the dip of basin edge on the PGA maximum of basin edge and central area

以子盆地區(qū)域最大PGA的觀測(cè)點(diǎn)代表子盆地區(qū)域,以盆地中央PGA峰值點(diǎn)的觀測(cè)點(diǎn)代表中心區(qū)域,各個(gè)工況子盆地和中心區(qū)域的PGA見表6,繪制兩處區(qū)域的地表PGA隨盆地傾角變化曲線如圖13 (b)所示。

表6 工況2、11、12盆地中心與子盆地區(qū)域?qū)?yīng)的觀測(cè)點(diǎn)號(hào)、PGA及其放大系數(shù)Table 6 Observation point number, PGA and amplification factor corresponding to the centre area and the sub-basin area in cases 2 ,11, and 12

從圖13 (b)可以看出隨著沉積盆地傾角增加,子盆地區(qū)域和沉積盆地中央?yún)^(qū)域的PGA隨之減小,子盆地區(qū)域PGA最大值(w2a1Vs1p1)比最小值(w2a3Vs1p1)大了約11%。盆地中心區(qū)域PGA最大值(w2a2Vs1p1)比最小值(w2a3Vs1p1)大了約12%;由表3-表6可知:三種工況中子盆地區(qū)域PGA比沉積盆地中央?yún)^(qū)域增大的幅度大致相當(dāng),在工況w2a3Vs1p1中,子盆地區(qū)域PGA比沉積盆地中央?yún)^(qū)域增大的幅度最大,達(dá)到了25%左右。

3 結(jié)論

本文以理想二維梯形沉積盆地為例,針對(duì)盆地-子盆地體系地震反應(yīng),以盆地表面PGA為評(píng)價(jià)指標(biāo),從子盆地尺寸、盆地-子盆地相對(duì)位置、子盆地介質(zhì)波速和外圍盆地傾角四個(gè)方面,基于數(shù)值模擬方法研究了子盆地對(duì)盆地地震反應(yīng)的影響,獲得以一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。主要結(jié)論如下:

1)子盆地具有明顯的聚焦效應(yīng),使得子盆地內(nèi)的地震動(dòng)響應(yīng)劇烈增強(qiáng),PGA得到大幅放大;子盆地的存在對(duì)整個(gè)盆地的PGA及其放大系數(shù)的分布產(chǎn)生了很大的影響,相比不含子盆地的工況,子盆地區(qū)域PGA可能被放大約2倍左右。

2)隨著子盆地尺寸增加,子盆地內(nèi)波動(dòng)的幅度變大,波動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長,沉積盆地中央?yún)^(qū)域PGA幅值增大并略微向右移動(dòng),中央?yún)^(qū)域PGA放大最大約1.1倍左右。此外,子盆地靠近盆地中央?yún)^(qū)域時(shí),子盆地對(duì)PGA的影響最大,隨子盆地位置由靠近盆地邊緣移動(dòng)至盆地中央,PGA放大系數(shù)由1.5左右增大至2左右。

3)子盆地介質(zhì)波速與其周圍土體波速相差越大,子盆地的影響越明顯,隨介質(zhì)剪切波速增加,子盆地區(qū)域PGA放大系數(shù)減小至1.1倍左右,但中央?yún)^(qū)域則變化不大。此外,隨外圍盆地邊緣傾角的增大,子盆地區(qū)域PGA幅值隨之減小并向左移動(dòng),沉積盆地中央?yún)^(qū)域PGA幅值也隨之減小,而盆地由邊緣效應(yīng)得到的PGA幅值則有所增大。