印度尼西亚帕卢市佩托博液化后区域的场地响应随时间的变化：基于高灵敏度地震响应曲线（HVSR）的对比分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Temporal evolution of site response in Petobo's post-liquefaction zone, Palu, Indonesia: A comparative HVSR curve analysis

场地响应分析在液化区演变中具有关键作用，本研究利用HVSR方法结合反演技术获取剪切波速剖面，分析了2018年Palu地震后Petobo地区三年间的主导频率（f0）和Vs30变化，揭示了沉积与侵蚀对场地刚度的影响规律，验证了该方法在液化后快速评估和微zonation中的应用价值。

　　

埃尔凡·萨姆苏丁（Erfan Syamsuddin）| 安德里·莫·瓦胡·劳德（Andri Moh Wahyu Laode）| 安迪·穆罕默德·普拉马塔迪（Andi Muhamad Pramatadie）| 索菲安（Sofian）| 穆萨维尔（Musawwir）| 哈斯南·苏塔迪（Hasnan Sutadi）

印度尼西亚南苏拉威西省哈萨努丁大学（Hasanuddin University）数学与自然科学学院地球物理学系，邮编90245

摘要

本研究利用水平-垂直频谱比（HVSR）方法结合反演技术，分析了2018年帕卢（Palu）7.5级地震后佩托博（Petobo）地区液化带内场地响应的时空演变过程，以获取剪切波速度（Vs）剖面。研究在地震前（2018年6月）对六个地点、地震后不久（2019年1月）对六个地点以及三年后（2021年8月）对十三个地点进行了微震测量。通过对HVSR频谱曲线和反演结果的分析，发现主导频率（f0）、Vs30以及基岩深度存在显著的时空变化。下游地区的f0和Vs30因沉积物堆积和未固结层增厚而降低，而上游和中部地区则因侵蚀、压实和孔隙压力效应导致更明显的下降。地震后，受明显变形影响以外的地区也出现了暂时性的软化现象，随后在三年内逐渐恢复。反演得到的Vs剖面经过SPT-N数据验证，证实了其在划分地下硬度和地层变化方面的可靠性。研究结果表明沉积物发生了重新分布，沉积区基岩较深，而侵蚀区界面较浅。这是印度尼西亚液化易发区域首个多年HVSR监测数据集之一，表明HVSR结合Vs剖面分析是一种成本效益高、非侵入性的方法，适用于跟踪地震灾后恢复情况、支持地震微区划、危险性重新评估和重建规划。

引言

液化是强地震期间最具破坏性的地质技术现象之一，常导致灾难性的地面失效、基础设施破坏和人员伤亡[[1], [2], [3], [4], [5]]。当饱和的未固结土壤（通常是松散沙土）因地震震动引起的孔隙水压力增加而失去强度和刚性时，就会发生液化[[6], [7], [8]]。土壤会暂时表现出液态特性，导致侧向扩展、沉降和大规模变形[9]。液化的破坏效应已有大量报道，例如1964年的日本新潟地震[10]、1989年的美国洛马普列塔地震[11]和2011年的新西兰基督城地震[12]。印度尼西亚位于环太平洋火山带[13]内，极易受到强烈地震的影响，特别是在冲积区和沿海地区，液化成为主要灾害[14]。

2018年苏拉威西地震的矩震级为7.5级，于9月28日发生在帕卢-科罗断层（Palu-Koro Fault）上[[15], [16], [17]]，引发了广泛的破坏，包括严重的地面震动、海啸和大规模的液化引起的地面失效[18]。佩托博（Petobo）、巴拉罗阿（Balaroa）和乔诺奥格（Jono Oge）是受灾最严重的地区，大规模的山体滑坡摧毁了整个居民区并造成大量人员伤亡[19,20]。在佩托博，液化的土壤形成了快速移动的泥流，蔓延超过800米，吞噬了房屋和基础设施[18,21]。

场地响应分析在地震工程中起着关键作用，它评估了局部地下条件对地面运动放大的控制作用[22]。在液化带内，由于土壤密实化、含水量变化和地下结构变化，土壤性质发生了显著变化[23]。水平-垂直频谱比（HVSR）是一种广泛使用的非侵入性技术[[24], [25], [26]]，通过分析地下主导频率[[27], [28], [29]]并反演HVSR曲线来获取剪切波速度（Vs）剖面，从而揭示地下层理和土壤刚性，这对场地分类至关重要[[30], [31], [32]]。使用微震频谱比的概念最初由野越（Nogoshi）和伊原（Igarashi）在1971年提出[[33]]，随后由中村（Nakamura）在1989年推广[[34]]。比较地震前后的HVSR测量结果可以揭示地震后场地条件的演变。尽管已有研究报道了由于土壤压实、细颗粒重新分布、剪切波速度变化以及液化后的固结作用导致的频率变化[[35], [36], [37], [38], [39], [40]]，但在液化后的环境中进行的全面HVSR研究仍然有限。

在帕卢地区进行的几项HVSR研究提供了关于地下结构、盆地几何形状以及与2018年山体滑坡相关的物质分布的有用信息[20,41]。这些研究提供了重要的地质和地貌背景；然而，尚未开展结合地震前、地震后立即和长期微震数据的多时序分析。此外，HVSR参数与沉积物沉积、侵蚀和地震后地面改造等地貌变化之间的关系也尚未得到研究。这些方面对于理解液化影响环境中的场地响应演变至关重要。

为了解决这些未解决的问题，本研究探讨了液化引起的地面改造如何影响佩托博地区场地响应的时空演变。通过分析地震前、山体滑坡后立即以及恢复期间收集的HVSR数据，本研究旨在捕捉地下共振和剪切波速度结构的变化过程，并将这些变化与山体滑坡路径上的地貌变化联系起来。通过这种方法，研究还旨在阐明HVSR参数在液化后场地分类和快速地下特征分析中的工程意义，特别是在难以进行传统侵入式调查的区域。

本研究通过呈现2018年液化前后获得的HVSR数据集，对佩托博地区的主导频率（f0）和剪切波速度（Vs）剖面进行了时间分析。通过将观察到的频率变化和Vs剖面变化与液化引起的地面失效联系起来，本研究为液化后土壤行为提供了新的见解。这些结果有助于推进地震危险性评估，并为液化易发地区的有效减灾和重建策略制定提供支持。

章节摘录

构造活动和地质背景

研究区域位于印度尼西亚中苏拉威西省的帕卢市（见图1）。从地质上看，该市位于帕卢谷（Palu Valley）内，该谷是由帕卢-科罗断层（Palu-Koro Fault）的拉伸变形形成的[42]。这条断层是一个主要的左旋走滑系统，估计滑动速率为每年34-38毫米[43]。谷地的西侧边缘有陡峭的断层陡坡，表明存在活跃的正断层活动，而东侧边缘则

研究区域和微震数据采集

微震测量在受2018年帕卢地震及其引发的大规模液化严重影响的佩托博（Petobo）进行。测量点的位置和坐标如图2所示，并在表1中描述。图3显示了调查地点的液化引起的地面变形证据，包括侧向扩展、沉降和重新移动的沉积物沉积[3]。

观测到的HVSR分布

选择了六个代表性地点进行HVSR分析，这些地点分别使用了2018年6月（液化前）、2019年1月（液化后立即）和2021年8月（液化后长期）收集的微震数据。这些时间序列数据可以直接评估主导频率（f0）的变化，从而了解沉积物重新分布、土壤软化和密实化等液化引起的变化。f0的置信区间较小（±0.2–0.5 Hz）

结论

本研究强调了水平-垂直频谱比（HVSR）方法在检测和表征2018年印度尼西亚佩托博7.5级地震引起的地下变化方面的有效性。在地震前、地震后立即以及地震后三年进行的HVSR测量，捕捉到了主导频率（f0）和剪切波速度（Vs）剖面的显著变化，反映了沉积物重新分布、土壤软化和地下结构的变化

作者贡献声明

埃尔凡·萨姆苏丁（Erfan Syamsuddin）：撰写——初稿、验证、监督、软件使用、资源提供、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。安德里·莫·瓦胡·劳德（Andri Moh Wahyu Laode）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、数据可视化、软件使用、项目管理、方法论设计、研究实施、数据分析。安迪·穆罕默德·普拉马塔迪（Andi Muhamad Pramatadie）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、数据分析。

资金

本研究独立完成，未获得任何公共机构、商业机构或慈善机构的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢哈萨努丁大学（Universitas Hasanuddin）地球物理学系在整个研究过程中的持续支持。同时，作者也要感谢穆罕默德·赛伊夫拉（Muhammad Syaifullah）、尤斯里尔·阿沙尔·阿芬迪（Yusril Ashar Arfandhy）和法里兹·亚瑟·里多（Fahreezy Arthur Ridho）在数据采集阶段提供的宝贵帮助，以及阿卜杜拉博士（Ir. Drs. Abdullah, MT）在液化事件发生后立即提供的关键现场资料。