2023年曼谷近期地震地面运动放大效应的初步分析：基于HVSR曲线的研究

摘要

背景

根据当地居民的非仪器观测，已知曼谷盆地由于深厚的冲积沉积物和盆地几何形状而容易受到地面运动的放大。本研究分析了现有的地震数据，以证实盆地效应对曼谷盆地有显著影响。本文通过表征曼谷盆地的工程地面运动参数和 HVSR 曲线，评估了盆地效应，这些曲线产生了地面运动持续时间的延长，相对于附近的岩石场地，尽管地面运动非常小。为此，我们分析了2007年至2021年位于曼谷冲积盆地内的地震台站的地面运动记录。在Mw≥5.5的八次地震中，盆地内部地震台站记录的峰值水平地面加速度 (PGA) 始终超过1 cm/s2。其中，两次是板内事件，六次是浅地壳地震。这些记录的地面运动撼动了曼谷的高层建筑，即使它们的震中距离超过600公里。

方法

在曼谷盆地的地面运动记录上使用了几种时域和频域分析（例如残差分析、HVSR、Hodogram 图等），以确定记录的地面运动的频率成分，并证明深盆地引起的地表波在改变工程地面运动幅度方面的重要性。此外，还使用了无中心圆形阵列微动分析来确定沉积盆地到基岩的深度。

结果

基于与位于曼谷盆地以外的台站的比较，我们观察到曼谷盆地的冲积层能够将地面运动记录放大约3倍。我们观察到，由于局部表面波，在0.3和0.1 Hz之间存在独特的场地放大效应，并且由于与其他大都市地区的其他深冲积盆地类似的软层，在2和0.5 Hz之间存在其他适度的放大。

结论

我们注意到，在0.1和0.3 Hz之间存在独特的场地放大效应，并且在2和0.5 Hz左右存在较小的峰值，这与深盆地相关的场地放大效应的预期一致。此外，我们注意到盆地内产生的表面波存在低频成分，这值得使用通过盆地地形和速度模型的2D/3D地面运动建模进行进一步研究。

引言

尽管曼谷距离已知的活动断层很远，但最近在缅甸、泰国北部和安达曼群岛发生的远距离（R > 600 km）中等地震（Mw ≥ 5.5）总是会撼动远在曼谷的高层建筑（图1a; 表1)。主要原因是湄南河三角洲深层、低剪切波速冲积层能够将强地面运动放大约2到3倍，与位于该冲积盆地之外的地震台站相比。这些放大倍数尚未得到验证，因此有必要对这些近期地震中曼谷盆地内外的观测地面运动进行彻底和比较研究。这样的研究不仅有助于验证这一观测结果，还将为结构工程师提供指导，以便正确设计曼谷盆地中容易受到长周期地震地面运动影响的高层建筑。

图 1 a 地图显示了自1912年以来震级大于Mw 6.0的地震震中和当前研究中2007年以后的地震（红色星星）。黑色三角形表示 TMD 运营的地震台站，用于2018年升级前的当前研究。请注意，事件＃2未位于地图中，因为距离较远。b 2016年8月24日下午5:34左右，BMA 的高层建筑居民惊慌失措地跑出建筑物，因为他们感觉到建筑物在晃动，原因是缅甸发生了 Mw 6.8 地震，震中距离为1000公里，即事件＃6

全尺寸图片 表 1 自2007年以来，BMA高层建筑公众普遍感受到的地震摘要，并在当前工作中采用，其中包含曼谷盆地内外的可用地面运动记录 全尺寸表格 在最近的地震中，人们普遍感到担忧，因为它们发生在工作时间，并且一些高层建筑有显著的结构和非结构反应。建筑物居民感到不安全，选择从高层建筑中撤离（图1b）。过去的一些研究已经尝试进行地震微区划分并量化曼谷盆地的场地放大效应 (Tuladhar et al., 2004; Poovarodom and Plalinyot 2013; Jirasakjamroonsri et al. 2018; and Subedi et al. [2021](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR500> "Subedi B, Kiyono J, Furukawa A, Ono Y, Ornthammarath T, Kitaoka T, Charatpangoon B and Latcharote P (2021) Estimation of ground profiles based on microtremor survey in the Bangkok Basin. Front Built Environ 7:651902. https://doi.org/10.3389/fbuil.2021.651902

    "))。这些早期的研究似乎非常一致，并表明曼谷盆地中存在深厚的冲积沉积物，可以放大长周期地面运动。然而，从未有过任何研究分析曼谷盆地中记录的地面运动集，类似于在其他大都市地区观察到的那些（例如，在墨西哥城 (Bard et al. [1988](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR6> "Bard PY, Campillo M, Chaves-Garcia FJ, Sanchez-Sesma FJ \(1988\) The Mexico earthquake of September 19, 1985—a theoretical investigation of large-and small-scale amplification effects in the Mexico City valley. Earthq Spectra 4:609–633"))、意大利中部古比奥 (Pacor et al. [2007](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR20> "Pacor F, Bindi D, Luzi L, Parolai S, Marzorati S, Monachesi G \(2007\) Characteristics of strong ground motion data recorded in the Gubbio sedimentary basin \(Central Italy\). Bull Earthq Eng 5:27–43")) 和东京 (Yamanaka et al [1989](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR28> "Yamanaka H, Seo K, Samano T \(1989\) Effects of sedimentary layers on surface-wave propagation. Bull Seismol Soc Am 79\(3\):631–644")) 中观察到的那些）。这也可能是由于 BMA 缺乏维护良好的地震台站，因为泰国的地震网络在2004年北苏门答腊地震后最近得到了改善，并且自2007年以来一直在运行。曼谷盆地最近地震中记录的地面运动 (**TMDA** 和 **TMDB**)，这些地震被高层建筑中的人们广泛感受到 (Zaw et al. [2019](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR30> "Zaw SH, Ornthammarath T, Poovarodom N \(2019\) Seismic reconnaissance and observed damage after the Mw 6.8, 24 August 2016 Chauk \(Central Myanmar\) earthquake. J Earthq Eng 23\(2\):284–304"); Foytong and Ornthammarath [2020](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR10> "Foytong P, Ornthammarath T \(2020\) Empirical seismic fragility functions based on field survey data after the 5 May 2014 Mae Lao \(Northern Thailand\) earthquake. Int J Disaster Risk Reduct 42:101–344"))，总是大于那些位于该深冲积盆地之外的观测值 (**SRDT** 和 **PRAC**) (图[1](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#Fig1>))。

由于在曼谷盆地观察到的放大的记录地面运动也已在其他国家冲积盆地中的其他地方报告 (Wald and Graves 1998; Michel et al. [2014](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR15> "Michel C, Edwards B, Poggi V, Burjanek J, Roten D, Cauzzi C, Fäh D (2014) Assessment of site effects in alpine regions through systematic site characterization of seismic stations. Bull Seismol Soc Am 104(6):2809–2826. https://doi.org/10.1785/0120140097

    "); Rupakhety et al. [2017](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR23> "Rupakhety R, Olafsson S, Halldorsson B \(2017\) The 2015 Mw 7.8 Gorkha Earthquake in Nepal and its aftershocks: analysis of strong ground motion. Bull Earthq Eng 15:2587–2616. 
     https://doi.org/10.1007/s10518-017-0084-z
     
    "))，因此了解这种行为对于确定哪些特征可以放大在曼谷观察到的近期地震的长周期地面运动至关重要。为此，我们分析了2007年至2021年不同加速度计台站记录的地面运动的时域和频域，并比较了盆地内外记录之间的峰值和其他地面运动值。与Pacor et al. ([2007](https://geoenvironmental-disasters.springeropen.com/articles/10.1186/</articles/10.1186/s40677-023-00259-0#ref-CR20> "Pacor F, Bindi D, Luzi L, Parolai S, Marzorati S, Monachesi G \(2007\) Characteristics of strong ground motion data recorded in the Gubbio sedimentary basin \(Central Italy\). Bull Earthq Eng 5:27–43")) 类似，对 **TMDA** 记录执行时域和频域分析，以确定记录的地面运动的频率成分，并证明深盆地引起的地表波在改变工程地面运动幅度方面的重要性。

曼谷几个地点测量的30米剪切波速度 (Vs30) 记录的值较低（在60到100 m/s之间）(Ashford et al. 1997, 2000; Ashford 2000)。第一个坚硬粘土层的剪切波速度似乎在100到200 m/s之间。在第一个砂层沉积物中，剪切波速度似乎增加到250 m/s，并且在更深的层中继续上升，尽管百分比速度较慢。曼谷的低剪切波速度和第一个坚硬粘土沉积物与墨西哥城观察到的粘土相似 (Warnitchai et al. 2000)。此外，第一个砂层沉积物中剪切波速度的强烈增加可以加强放大的地面运动。 在这项工作中，回顾了曼谷过去的地震活动，并提供了泰国特别是曼谷盆地的地震构造。介绍了对近期中度和大型事件的地面运动记录的分析，这些事件撼动了曼谷的高层建筑。本文没有集中于峰值地面运动参数，而是报告了对地面运动记录频谱特征的彻底调查。讨论了 TMDA 站记录的长周期地面运动的特征。

曼谷地震构造背景和地质

一些主要的活动断层是实皆断层，该断层可能产生地震震级Mw 8.0，位于距离曼谷400公里处；以及三塔断层 (TPF)，该断层可能产生Mw 7.0，位于距离曼谷150公里处。TPF 活动断层附近最大的地震位于中部，1983年体波震级为5.8，距离BMA 150公里。人们强烈地感受到了它，并且对一些结构造成了轻微损坏 (Baoqi and Renfa 1990)。先前的区域地震危险性研究表明，在岩石场地条件下，475年和2475年重现期的 PGA 危险性水平较低，分别为0.03 g 和 0.07 g (Giardini et al. 1999; Ornthammarath et al. 2020)。由于曼谷及其周围地区观测到的地震活动较少，因此在1997年，泰国地震设计规范建议对十个省采用1985 UBC 2区的设计要求。但是，曼谷不在此区域内。2009年，公共工程和城镇乡村规划部发布了更新后的地震设计规范 DPT1302-09 (2009)，采用了 ASCE 7-05 规范。根据这项新法规，曼谷的高层建筑需要进行抗震设计，以应对远距离的大地震。因此，2009年之前建造的大多数建筑物的设计和建造都没有考虑抗震设计。 曼谷及其邻近地区建在湄南河三角洲上，形成了一个大的水平平原，该平原在该平原的北部变得狭窄（图2 和 3a）。这个平原的尺寸为 125 km 宽，450 km 长，平均海拔约为海平面以上 1.5 m。中部洪泛区是大型、裂谷后和年轻特征盆地的显著表现。该盆地开始覆盖晚渐新世-中新世裂谷盆地（素攀武里盆地、甘烹盛盆地和披集盆地），并通过上新世或中新世干扰前新生代岩石 (Morley et al. 2011)。曼谷位于湄南河盆地下部的广阔平原上，被深厚的三角洲沉积物覆盖，通常被称为曼谷盆地 (AIT 1980)。在过去5000-3000年中，该平原位于浅水下方，海洋退缩发生在2000至3000年前，留下了柔软的土壤沉积物，现在形成了曼谷盆地。该盆地由顶层的致密粘土组成，在曼谷都会区厚度在15至30 m之间。软粘土具有高度可压缩性，并且具有非常低的剪切波速度和强度。这种软粘土尚未进行任何固结。

图 2 湄南河三角洲的第四纪沉积物和地质图 (Sinsakul 2000) 全尺寸图片 图 3 a 显示了Reuter等人 (2007) 开发的泰国及其周边地区的 SRTM 高程模型。b 黑色三角形代表 TMD 在曼谷运营的永久性地震台站。值得一提的是，只有 TMDA 和 TMDB 自 2007 年以来一直在运营。 全尺寸图片 最上面的磨损地壳发生在地下1到5 m之间。软粘土深度增加到靠近泰国湾的南部，并在曼谷北部迅速减少。第一个坚硬粘土层位于软粘土沉积物下方。通常，在曼谷市中心，其厚度在5到7 m之间，并且其深度向曼谷的西部和北部变得较浅。第一个砂层位于坚硬粘土层下方约50 m深处。在更深的深度处，观察到砂层和坚硬粘土的交替层。基岩位于非固结沉积物下方500到2000 m之间可变的更深深度处，但其结构尚不清楚 (AIT 1980; Poovarodom and Plalinyot 2013)。

曼谷地震台站的无中心圆形阵列法 (CCA)

盆地中放大的地面响应会产生共振并放大地震地面震动参数，例如 PGA、PGV 或频率成分，这已经众所周知多年。为了表征曼谷地震台站的局部场地效应，对沉积物的岩土工程特性进行调查至关重要。关键参数是剪切波速度 (Vs) 结构。因此，CCA 方法已应用于考虑曼谷地震台站。此过程是基于 Cho I. et al. (2006) 提出的，并表示了频谱比。频谱比具有不同相速度的信息，它是环境振动垂直分量中相关数据的组合。由于积分不会分离具有不同方位角的入射波，因此此过程可以在长波长中确定更高的分辨率。因此，需要进行地面调查以排列半径为r的圆形阵列，并测量垂直方向 z(t, r,q) 上的环境振动。将沿周边的平均值 Z0 (t r) 及其加权平均值 Z1 (t r) 表示为： $$Z_{0} \left( {t,r} \right) = \mathop \smallint \limits_{ - \pi }^{\pi } z\left( {t,r,\theta } \right)d\theta$$ (1) $$Z_{1} \left( {t,r} \right) = \mathop \smallint \limits_{ - \pi }^{\pi } z\left( {t,r,\theta } \right)\exp \left( {i\theta } \right)d\theta$$ (2) 假设基本瑞利波模式控制着观测到的环境数据垂直方向，则这些功率谱密度之比（由 G0(r,r;w) 和 G1(r,r;w) 表示）可以描述为： $$\frac{{G_{0} \left( {r,r;\omega } \right)}}{{G_{1} \left( {r,r;\omega } \right)}} = \frac{{J_{0}^{2} \left( {rk\left( \omega \right)} \right)}}{{J_{1}^{2} \left( {rk\left( \omega \right)} \right)}}$$ (3) 其中 J0 和 J1 是第一类贝塞尔函数，阶数分别为零阶和一阶。然后，通过使用 J02(rk(w))/J12(rk(w)) 校正观测到的频谱比来评估波数 k 和相速度 c。这种情况在无噪声条件下成立，其中噪声被认为是包含在环境振动场中的非传播分量。通常，在包含噪声的情况下，等式 (3) 可以表示为基本模式占主导地位的情况： $$\frac{{G_{0} \left( {r,r;\omega } \right)}}{{G_{1} \left( {r,r;\omega } \right)}} = \frac{{J_{0}^{2} \left( {rk\left( \omega \right)} \right) + \varepsilon \left( \omega \right)/N}}{{J_{1}^{2} \left( {rk\left( \omega \right)} \right) + \varepsilon \left( \omega \right)/N}}$$ (4) 其中 ɛ 是噪声信噪比，表示非相干噪声功率与相干信号功率之比。考虑到基本模式占主导地位，ɛ 可以评估为： $$\epsilon\approx \left( { - B - \sqrt {B^{2} - 4AC} } \right)/2A$$ (5) $$A = - \rho^{2} ,\quad B = \frac{{\rho^{2} }}{{coh^{2} }} - 2\rho^{2} - \frac{1}{N},\quad C = \rho^{2} \left( {\frac{1}{{coh^{2} }} - 1} \right)\quad {\text{and}}\quad coh^{2} = \frac{{\left| {G_{0} \left( {0,r;\omega } \right)} \right|^{2} }}{{G_{0} \left( {r,r;\omega } \right)G_{0} \left( {0,0;\omega } \right)}}$$ (6) ρ 是空间自相关参数，N 是沿周边的传感器数量。 测量装置由4个灵敏的速度传感器组成，测量频率范围在 0.1 到 60 Hz 之间，型号为 VSE 15-D6，由 Tokyo Sokushin Co. Ltd. Japan 生产，以及具有 32 位 A/D 的采集设备，型号为 McSIES-MT NEO，由 Oyo Corporation Japan 生产。不同单元之间的时间同步是通过 GPS 定时实现的。在开始测量之前，对传感器进行了拥挤测试，以确保所有测量单元之间的相位差和相干性。发现可用的频率范围在 0.3 到 50 Hz 之间。 使用 CCA 方法的每个传感器的位置是一个三角形阵列，其中一个传感器位于圆的中间，另外三个单元位于圆形边界上。七种不同的测量阵列尺寸以不同的半径 (r) 从 5 到 250 m 放置在不同的地震台站。可以可靠地确定剪切波速度的最深建模距离是从表面开始的最长测量波长的一半 (Park et al. 1999)。对于当前的研究，反演分析的最深深度设置为 1500 m。 当前的解释是尝试从测量的环境振动记录中识别用于剪切波速度剖面的测量数据。每组测量至少包括 40 分钟，测量频率为 100 Hz，创建 240,000 个点，这些点被分成 58 个 4096 个点的部分，以用于当前的研究。每个地震台站的 CCA 方法的样本显示在附加文件 1：图 S1 中。对于当前的研究，附加文件 [1