基于层次分析过程框架的多准则微区划危险性评估

《Geomatics, Natural Hazards and Risk》：Multi-criteria microzonation Hazard assessment based on the analytic hierarchy process framework

地震微分区评估：采用37个环境噪声、50个地震波和51个钻孔数据，分析厄伦勒地区土壤参数（如Vs30、f?、VsD760），结合1999年伊兹密尔地震情景，通过1D非线性场地响应分析计算峰值地面加速度（PGA）和谱加速度（SA），并利用AHP方法整合PGA、液化潜力指数（LPI）、Ishihara边界（IB）等7项指标生成地震风险指数图。结果显示，北部地区因厚松软沉积层和浅地下水呈现高液化风险及强地震放大效应，南部致密砂砾层风险较低。

　　### 震害区域评估与微区划分析

本研究对位于北安纳托利亚断层带（NAFZ）沿线的土耳其萨卡里亚省埃尔伦地区进行了地震微区划评估。通过整合37组环境噪声、50组地震数据和51组钻孔数据，评估了该区域的局部场地效应。研究表明，该地区的主导频率范围在0.83至12.5赫兹之间，而工程基岩深度在9至286米之间变化。平均30米剪切波速度（Vs30）范围为144至523米/秒，其中北部第四纪冲积层中的剪切波速度最低，而南部粗粒沉积物区域的剪切波速度最高。1D非线性场地响应分析显示，在1999年埃尔伦地震情景下，峰值地面加速度（PGA）为0.08至0.41 g，且频谱加速度（SA）在1.0秒周期时经常超过设计谱。根据液化潜能指数（LPI）和Ishihara边界曲线评估，该地区在浅层地下水和粉砂沉积层区域表现出较高的液化敏感性。然而，在厚层非液化地层（>3至7.5米）下，未发现地表液化表现。通过在层次分析法（AHP）框架下对七个标准进行加权，绘制出的综合地震危险指数图显示，Sapanca-Akyaz?断层段以北区域为高和极高危险区。研究结果证实了基于AHP的微区划方法在地震风险缓解和城市规划中的有效性。

### 关键词

- 多标准微区划
- 场地响应分析
- 峰值地面加速度
- 液化潜能指数
- 层次分析法

### 引言

地震微区划是地方政府制定经济有效的风险缓解策略和应急响应计划的重要工具（Moscatelli等，2020；Vessia等，2021）。为了实现定量可靠的结果，必须仔细考虑土壤条件的动态变化，因为地震地面运动强烈受到地质、地球物理和地质技术特性的影响（Moustafa等，2023）。这些空间变化的条件决定了场地特异性现象，如主导频率/周期（Gosar等，2010；Gallipoli等，2020）、场地响应（Ozaslan等，2022；Bajaj和Anbazhagan，2023；Sonmezer等，2024）和液化潜能（Sonmez等，2008；Maurer等，2015）。因此，有效的微区划需要综合整合包括地震波速度和频率内容（Foulon等，2018；Molnar等，2023）在内的多种参数，以及频谱放大和浅层土壤频率（Pratt和Schleicher，2021；Sandhu等，2022）等参数。此外，土质力学特性，如SPT-N值、土壤类型和塑性指数（Oliveira等，2020；Gobbi等，2020）也是重要的评估因素。

### 地震地质框架

北安纳托利亚断层带（NAFZ）是一个右旋走滑断层系统，从土耳其东部的Karl?ova三联接延伸至西端的萨罗斯湾。其西部部分，特别是在萨卡里亚省和科卡埃利半岛之间，由于断层分段和侧向位移而表现出复杂的地质行为。该区域的NAFZ分为多个分支，形成了诸如伊兹密特湾和萨帕尔卡湖等拉伸盆地（Barka等，2002）。基于GPS的大地测量研究表明，北部分支是最活跃的，承担了显著的右旋运动（McClusky等，2000；Reilinger等，2006）。1999年伊兹密特地震（Mw7.4），该地震在伊兹密特湾和戈利亚卡之间造成120公里的地面破裂，是该分支上最严重的地震之一（Barka等，2002；Gülen等，2002）。

研究区域位于伊兹密特-萨帕尔卡和阿基亚齐-卡拉德雷断层段之间，右旋位移达到3至4.5米（Barka等，2002）。如图1所示，地震事件的空间分布突显了该区域的地质复杂性和高地震活动性。历史和仪器地震数据表明，萨卡里亚地区经历了多次破坏性地震，包括1943年亨德克（Mw6.4）、1967年穆尔敦努（Mw7.0）和1999年伊兹密特（Mw7.4）事件（Tan和Tapirdamaz，2008）。1999年地震造成了最严重的破坏，其影响加剧了局部场地条件，如浅层地下水、软沉积物和高放大潜能（Silahtar等，2023）。近期的地震危险评估显示该地区的b值较低，表明地壳中应力积累较高，地震潜能增加（Sayil，2014；Raub等，2017）。因此，1999年伊兹密特地震被选为本研究的场景地震，用于该区域的场地响应分析。

### 地质背景

研究区域由四个主要地质单元组成，从最老到最年轻依次为：Akveren组（KTa）、?rencik组（Tpl?）、第四纪冲积扇（Qaf）和第四纪冲积层（Qal）。研究区域的第四纪冲积沉积物被南部基岩边界（图2）。该区域主要由第四纪冲积沉积物覆盖，这些沉积物在1999年伊兹密特地震中起到了放大破坏的作用（Bol等，2010）。这些未固结的沉积物由萨卡里亚河带来的沉积物构成，包括在不同深度交替出现的黏土、砾石、沙和粉砂层（Sariaslan等，1998）。除了这些沉积物较弱的地质特性外，该区域的浅层地下水位在1至6米之间变化，是地震危险水平的一个关键因素。垂直-水平分布的地下层通过图3中的地质剖面图进行展示。

### 数据与方法

为了评估研究区域的主导频率、场地响应和液化，收集了三组主要数据：环境噪声、钻孔和地震测量数据（图4）。所需的土壤参数（如Vs、VsD760、f0、SPT-N、GWL等）根据每种方法的目的从每组数据中得出。图5展示了研究区域的微区划流程，包括数据来源、分析和用于AHP基地震危险指数的导出参数。通过使用环境噪声数据，仅能推导出f0和VsD760。在环境噪声测量中，使用了Güralp 6TD宽带数字地震仪，这是一种三轴力反馈仪器，频率带宽为0.03?100 Hz，适用于高分辨率地震监测。在每个测量点，数据记录时间为30?45分钟，采样率为100 Hz。使用开源的GEOPSY分析软件进行数据处理，考虑到SESAME规则。首先，通过0.1?20 Hz带通滤波器检测并去除时间序列中的不准确信号和瞬时噪声。使用50秒窗口间隔（fo > 0.2 Hz）和10%重叠，通过Konno和Omachi窗口平滑FFT谱。最后，将每个窗口的谱数据堆叠以生成HVSR曲线。

通过分析HVSR曲线，可以推断出基岩深度，特别是在存在明显阻抗对比时（Nakamura，2019）。此外，HVSR曲线的反演可以估计剪切波速度和地下层厚度，通过考虑峰的频率、振幅和整体形状。在本研究中，使用了HVSRInv软件（Kafadar和?mamo?lu，2022），这是一个基于MATLAB的工具，具有图形用户界面，支持正向和反向建模（图6）。正向建模在HVSRInv中使用等效线性方法，基于黏弹性Kelvin-Voigt模型，使用层特定参数，如厚度、剪切波速度、密度和阻尼比（Bardet等，2000）。通过精英遗传算法进行反演，以获得1D Vs深度剖面（Costa和Oliveira，2003；Guariso和Sangiorgio，2020）。

### 场地响应分析

地震波对上部结构的影响在地震中是变化的，受当地土壤条件的具体特征控制（Sonmezer等，2024）。1D时域非线性场地响应分析是一种实用的方法，用于获取由中等或高震级强运动引起的土壤层在地表或所需深度的滞回响应（Hashash和Park，2001；Park和Hashash，2004）。众所周知，土壤层表现出黏弹性行为，每层的剪切模量和阻尼系数不同。时域非线性分析通过在计算中纳入软沉积物的剪切模量和阻尼率，提供了一种更可靠的方法（Stanko等，2017；Silahtar和Kanbur，2021）。

非线性场地响应分析使用简化的双曲模型来表示土壤行为，特别是在缺乏详细信息时（Hashash等，2010）。在此背景下，各种简化的土壤骨架曲线被开发出来，以定义土壤的滞回行为（Silahtar，2023）。在本研究中，采用压力依赖的双曲模型（Kondner和Zelasko，1963），并由Matasovic（1993）进行了修改，以表示土壤的应力-应变循环。随后，考虑了循环卸载和重新加载过程中的扩展Masing规则（Hashash等，2020；Bajaj和Anbazhagan，2021）。随后，使用由Phillips和Hashash（2009）开发的MRDF（模量减少和阻尼曲线）拟合程序，将卸载-加载行为拟合到修改后的双曲模型。

### 液化分析

研究区域的液化评估使用了51个钻孔数据（图4）。这些钻孔按照ASTM（美国材料与试验协会）标准进行，以最小深度20米进行液化计算，因为超过20米的液化表面效应很少被报告（Toprak和Holzer，2003）。通过实验室测试SPT样本确定了土壤的物理特性。在许多液化分析方法中，PGA值是最重要的参数之一，与地震震级（Mw）和土壤条件直接相关。由于研究区域位于NAFZ的更活跃的北部分支的Sapanca-Akyaz?段，因此需要在该背景下适当确定PGA值。在本研究中，根据邻近断层段的1999年伊兹密特地震情景进行了液化分析。PGA值在分析中至关重要，是通过在该情景下的场地响应分析部分获得的最高值来确定的。

### 液化潜能指数（LPI）和Ishihara边界曲线（IB）

Iwasaki（1978）提出了液化潜能指数（LPI）来分类液化状态。LPI是根据临界层深度至20米的FS变化进行敏感评估（Rahman等，2015）。LPI通过以下公式计算：

$$
LPI = \int_{0}^{20} F(z) \cdot W(z) \, dz
$$

其中，F(z)是与FS相关的函数。对于FS ≥ 1的情况，F(z) = 0；对于FS < 1的情况，F(z) = 1 ? FS。W(z)是深度相关的权重函数。对于z ≤ 20 m的情况，W(z) = 10 ? 0.5z；对于z > 20 m的情况，W(z) = 0。Iwasaki等（1982）将LPI值分为四个类别：LPI = 0为极低，0 < LPI ≤ 5为低，5 < LPI ≤ 15为高，LPI > 15为极高液化潜能。许多案例研究使用LPI方法来构建局部和区域液化图（Maurer等，2014；Ji等，2022）。

Ishihara的边界标准（IB）（Ishihara，1985）是一种用于评估液化引起的地表损害和研究近地表非液化层对地表损害的影响的方法。在此评估中，观察到的地表损害与液化效应导致的沙沸有关。该方法使用PGA为基础的阈值曲线定义非液化层（H1）和液化层（H2）厚度之间的关系。为了更详细地解释广泛使用的方法，可以参考Maurer等（2015）；van Ballegooy等（2015）和Zhou等（2020）的研究。

### 结果与讨论

本节展示了基于分析138组地质和地球物理数据的综合地震微区划研究结果，包括37组环境噪声记录、50组地表波（MASW）测量和51组机械钻孔。这些数据源在多个分析阶段系统整合，以满足方法框架中概述的目标（图5）。第一阶段进行水平-垂直谱比（HVSR）分析以确定主导频率（f0），随后进行HVSR曲线反演以估计地震基岩深度（VsD760）。第二阶段使用VsD760值和其他动态和机械土壤参数进行一维非线性场地响应分析，得出不同周期的表面峰值地面加速度（PGA）和频谱加速度（SA）值。第三阶段使用Vs12、SPT-N值、土壤分类和从场地响应输出中得出的PGA评估液化潜能。最后，所有场地特定的分析输出通过加权整合方法合成，以生成综合地震危险指数。这一阶段通过应用AHP方法确保参数的客观加权，从而开发出空间详细的微区划危险分布。

在多级分析结果之前，通过MASW调查获得的一维剪切波速度（Vs）剖面生成了Vs30图，以近似浅层土壤刚度和场地分类。此外，从同一剖面计算了Vs12值，以估计应力减少系数（rd），这是液化分析的关键输入参数。Vs30和Vs12通过使用公式（8）进行计算，公式（8）为：

$$
V_s^* = \frac{h}{\sum_{i=1}^{n} \frac{h_i}{V_{s,i}}}
$$

其中，h是所需的计算深度，hi和Vs,i分别是第i层的厚度和剪切波速度。Vs12和Vs30分布图在地理信息系统（GIS）环境中创建，使用了逆距离权重（IDW）空间插值技术（图10）。

研究区域的Vs30和Vs12空间模式显示出相似的趋势。在北部第四纪冲积区，Vs30值通常较低，范围在144至250米/秒之间。这些值与NEHRP场地分类D和E一致，表明存在未固结、压缩性高的土壤层，易放大地震波。在Esence地区，尽管处于冲积盆地内，Vs30值增加至约290米/秒，这可能与更深的地下水位有关，这可能导致上层土壤有效应力增加，从而提高刚度。相比之下，Kayalar和Yaz?l?附近的南部地区表现出更高的Vs30值，范围在300至523米/秒之间，这可能归因于存在沙、砾石和风化的岩石碎片等粗粒沉积物。Vs12值显示出与Vs30相似的空间变化，这进一步证实了它们在液化评估中的可靠性。表3提供了每个MASW数据采集点记录的Vs12和Vs30值。

本研究中观察到的Vs30值变化与类似地质条件下的先前微区划研究结果一致。例如，Anbazhagan等（2013）报告称，第四纪冲积层中Vs30值低于250米/秒通常表明存在软、可压缩土壤层，这些土壤层易放大地震波。同样，Pagliaroli等（2020）强调，盆地状沉积结构中，低Vs30区域对地震共振效应有显著贡献，导致更高的地震风险。在本研究中，Kayalar和Yaz?l?附近的Vs30值超过300米/秒，表明存在更密集、更压实的土壤层，与Keskinsezer等（2023）在土耳其西北部构造活跃冲积平原中报告的过渡区一致。这些比较确认了在这些异质环境中进行场地特定评估的必要性。

HVSR分析显示，研究区域的f0值范围在0.83至12.5赫兹之间（表4）。这些值在GIS环境中使用IDW方法进行空间插值（图11a）。在Sapanca-Akyaz?断层段的北部，f0值保持在1.4赫兹以下，表明存在厚（Kumar，2023）和软（Tün等，2016）的冲积沉积物。相比之下，南部地区，特别是Kayalar和Yaz?l?附近，观察到较高的f0值（>2赫兹），这与浅层和刚性土壤层有关，受地形隆起和粗粒沉积物含量的影响。f0的空间变化与类似沉积环境的研究结果一致。Tün等（2016）和Keskinsezer等（2023）观察到在厚沉积盆地中，f0值较低（<2赫兹），并将其与地震放大潜能联系起来，而较高的f0值通常与浅层基岩上的刚性地表层相关。在本研究中，低频区与北部深层冲积区一致，而高频区则反映了南部更坚硬的土壤条件。

研究区域的地震工程基岩深度（VsD760），通过HVSR曲线反演得出，对应于Vs > 760的深度阈值，在研究区域内范围为9至286米，如表4所示。这些值的空间分布如图11b所示。在Kayalar-Yaz?l?区域，浅层工程基岩深度（9?40米）占主导地位，而在Kozluk和Horozlar之间的西北-东南走向区域，深度值大于200米。这种模式似乎被Kam??l?和Nak??l?之间的局部变浅所中断，这可能反映了断层控制的沉积物积累变化，正如Tün等（2016）、Khalili和Mirzakurdeh（2019）以及Keskinsezer等（2023）在基于HVSR的研究中所建模的那样。在Esence附近观察到VsD760深度的突然增加，可能与局部断层线有关。

近期研究表明，VsD760是地震风险评估中的关键参数。Senkaya等（2024）在2023年卡哈兰马拉什地震的机器学习基于损伤预测模型中指出，工程基岩深度是影响地震损伤的最有效因素，贡献了52%。同样，Cetin等（2023）报告称，在2020年伊兹密尔地震中，存在深层沉积物的区域经历了更高的损伤，这是由于长期震动和共振效应。这些发现表明，VsD760不仅反映了地下结构配置，还在地震需求和建筑脆弱性中起着关键作用，使其成为场地特定微区划研究中评估地震损伤风险的必要参数。

### AHP推导的地震危险指数分析结果

研究区域的确定性地震微区划危险图如图17所示。危险指数值被划分为四个子区域，考虑到不同地区的过往案例：低（0.11?0.30）、中等（0.31?0.50）、高（0.51?0.75）和极高（0.76?0.92）。这些结果与Bhadran等（2024）在布拉马普特拉河谷的研究结果一致，他们在使用多参数微区划方法时识别出Vs30、f0和LPI为主要的地震风险贡献者。这些发现与Anbazhagan等（2010）在班加罗尔的研究结果一致，他们表明，地震危险区主要与低剪切波速度、软土厚度和易放大地层有关。这些研究与当前研究方法的相似性和结果的一致性进一步加强了使用结合地球物理和地质参数的AHP基地震映射的可靠性。

此外，Silahtar等（2025）在2023年卡哈兰马拉什地震后的评估中报告称，82%的观察到的建筑损伤发生在之前被分类为高或极高危险的区域，这些区域基于包含PGA和VsD760的AHP推导指数。将这一关系外推到当前研究区域，表明同样被分类为高或极高危险的区域在未来类似1999年伊兹密特地震的地震中可能面临显著的建筑损伤潜能。这进一步强调了基于微区划的危险指数作为地震风险缓解和城市规划的预测工具的价值。

### 结论

本研究通过结合地质和地球物理参数，采用多标准框架对埃尔伦地区进行了综合地震微区划。评估的重点是1999年伊兹密特地震情景下的主导频率、动态响应特性和液化潜能。整合HVSR、MASW和钻孔数据提供了对局部土壤行为及其对地震危险影响的高分辨率空间理解。

关键发现包括：
- 剪切波速度（Vs30）范围为144至523米/秒，北部第四纪冲积平原（NEHRP类别D和E）的剪切波速度最低，而南部（Kayalar-Yaz?l?）的剪切波速度最高，因为土壤更粗且更密。
- 主导频率（f0）值范围为0.83至12.5赫兹，北部区域的低频率与厚而软的沉积物相关，而南部区域的高频率反映了更坚硬和更浅的土壤层。
- 工程基岩深度（VsD760）在深层沉积区达到286米，对地震放大有显著影响，正如Senkaya等（2024）和Cetin等（2023）最近的研究所证实的那样。
- 场地响应分析显示PGA值在0.08至0.41 g之间，北部区域因软冲积沉积物而表现出更高的放大效应，与Mase等（2023）和Dogan等（2021）的研究结果一致。
- 液化分析显示，液化潜能指数（LPI）在浅层地下水和粉砂沉积物区域广泛存在，但厚非液化层（>3至7.5米）在某些区域抑制了地表表现，如通过IB方法解释的那样。
- 基于AHP的地震危险指数图突出了Sapanca-Akyaz?断层段以北区域的高和极高危险区，这些区域与软土壤条件和增加的地震风险因素（如低Vs30和高LPI）相关。

这些结果与先前的区域和国际研究结果高度一致。Bhadran等（2024）在布拉马普特拉河谷的研究中使用了类似的AHP框架，确定了Vs30、f0和LPI为主要的危险贡献者。Anbazhagan等（2010）强调了在危险建模中使用综合地质-地球物理方法的必要性。值得注意的是，Silahtar等（2025）在2023年卡哈兰马拉什地震后的评估中表明，82%的观察到的建筑损伤发生在之前被分类为高或极高危险的区域，这些区域基于包含PGA和VsD760的AHP推导指数。将这一关系外推到当前研究区域，表明同样被分类为高或极高危险的区域在未来类似1999年伊兹密特地震的地震中可能面临显著的建筑损伤潜能。使用加权、多参数方法，本研究强化了场地特定微区划的价值。这些发现为地震活跃地区的城市规划、土地使用决策和灾害风险缓解策略提供了实用的指导。