《Earthquake Science》：Amplification of thickness and stratigraphy of loess deposit on seismic ground motion in the Yellow River Basin
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本研究以汶川MS8.0级地震为例，通过现场调查、大型振动台试验与数值模拟相结合，系统研究了黄河流域广泛分布的黄土沉积工程特性。研究揭示了黄土厚度与地层结构对地震动参数的显著放大机制，发现黄土覆盖层厚度从50米增至100米可导致地震烈度提升3-4度、峰值加速度放大1.5-2.2倍，为黄土地区的抗震设防与灾害防治提供了关键科学依据。
在中国，有一条被称为中华民族母亲河的黄河，其流经的区域广泛覆盖着一种特殊的第四纪沉积物——黄土。黄土因其疏松多孔的结构和高湿陷性，在地震作用下会表现出复杂的动力响应特性，可能显著放大地震波的能量。黄河流域地处华北地台、青藏高原与华南地块交汇处，受汾渭断裂带、贺兰山断裂带等多个深大断裂带控制，是中国地质活动最活跃、地震历史和古地震条件极为复杂的地区之一。历史上，该区域曾发生多次高震级地震，例如1303年洪洞MS8.0级地震和1965年临汾MS8.0级地震。这些地震震源浅、破坏力大，对沿岸城市和水利工程构成巨大威胁。然而，黄土沉积的厚度变化和地层结构究竟如何影响地震动（即地震引起的地面运动）的传播与放大，进而如何影响区域地震灾害风险，一直是困扰地震工程学和工程地质学的重要科学问题。随着黄河流域城镇化与基础设施建设的推进，厘清黄土场地地震放大效应的影响因素，对于区域抗震加固与防灾减灾工作具有迫切的现实意义。
为了系统揭示黄土厚度与地层结构对地震动的影响，研究人员综合利用了现场震害调查、强震动数据分析、大型振动台模型试验和精细化数值模拟等多种手段。这项研究最终发表在专业期刊《Earthquake Science》上。
研究人员开展本项研究主要运用了以下几项关键技术方法：首先，基于国家地震数据中心的数据和黄土等厚线分布，选取了汶川MS8.0级地震中位于黄土高原地区的五个强震动台站记录，分析了黄土覆盖层厚度和震中距对地震动放大效应的影响。其次，在兰州地震研究所的大型电液伺服振动台上，进行了缩尺比例为1:50的黄土场地模型试验，使用了叠层剪切变形模型箱来模拟半无限地基，并输入了汶川地震中记录的两种不同类型地震波（汤峪波和文县波）进行加载，以研究不同地震动强度下黄土场地的宏观破坏特征与加速度放大规律。最后，基于振动台试验结果，建立了14种不同类型黄土场地的三维数值模型，系统地进行了数值模拟计算，量化分析了黄土厚度和土层结构对峰值地面加速度（PGA， Peak Ground Acceleration）放大系数和反应谱特征的影响。
研究结果
2. 场地放大效应实例
以2008年汶川地震为例，研究了甘肃省内典型黄土场地的震害差异。例如，陇南市武都区蒿坪村坐落于黄土斜坡上，地震中房屋几乎全部倒塌；而与之相距326米海拔落差的刘家堡村则基本完好。另一个例子是庆阳市的黄土窑洞，位于黄土塬顶的窑洞完全损毁，而塬底的窑洞则基本完好。这些实例清晰地证明了黄土沉积厚度和地形对地震动放大效应的显著影响。
3. 强震动数据与场地放大效应
通过分析CHA、QIS、BAJ等台站的强震动记录发现，随着黄土覆盖层厚度从0米（基岩）增加到100米，水平向（东西和南北）峰值加速度可放大至基岩的11-15倍，垂直向（UD）放大至约7倍，表明黄土厚度对地震动，特别是水平向分量，有显著的放大作用。同时，震中距的影响分析（对比TSH、QIS、LID台站）表明，随着震中距增加，地震动峰值加速度呈现明显衰减趋势，且水平分量的衰减速度远快于垂直分量。
4. 振动台试验
试验采用1:50缩尺模型，研究了黄土场地在地震作用下的动力响应。宏观现象显示，随着输入地震动幅值从100 Gal（伽）增加到400 Gal，模型表面出现并扩展了微裂缝，并产生了约2厘米的沉降。加速度数据分析表明，场地加速度存在明显的“地表效应”，即地表加速度会被显著放大。以汤峪波为例，沿黄土场地高程方向，PGA放大系数均大于1，最高可达约2.2。同时，水平向地震动分量沿高程表现出放大效应，而垂直向分量则表现出衰减特征。此外，随着输入地震动强度增大，PGA放大系数呈现减小的趋势。反应谱分析进一步揭示，谱加速度峰值与输入地震动强度正相关，且在地表达到最高；特征周期则受地震波类型影响显著，变化规律复杂。
5. 数值模拟
基于振动台试验建立了等比例数值模型进行对比验证与扩展分析。数值模拟结果与试验数据趋势基本一致，验证了模型的可靠性。进一步模拟不同黄土厚度（对应原型5米至75米）和不同土层结构（单层、双层、三层）的场地响应。结果表明，黄土厚度对PGA放大系数的影响呈现非线性变化，在特定厚度（如0.9米、1.1米模型厚度）存在关键拐点。在相同沉积厚度下，随着土层结构复杂化（层数增多），PGA放大系数总体呈下降趋势。此外，地震波类型对场地响应影响显著，文县波引起的反应谱加速度峰值比汤峪波高出10%-20%；在双层结构场地中，汤峪波作用下的特征周期大于文县波。
结论与讨论
本研究通过多手段综合研究，系统揭示了黄河流域黄土场地地震动响应的关键规律，主要结论如下：第一，黄土层厚度是影响地震动放大的关键因素，厚度增加会显著放大水平向地震动，可能导致地震烈度提升3-4度，峰值加速度放大1.5-2.2倍。第二，震中距增加会导致地震动峰值加速度衰减，且水平分量衰减更快。第三，地层条件（如岩性和地质结构）显著影响地震动响应，在相同厚度下，土层结构越复杂，PGA放大系数可能反而降低。第四，地震波的频谱特性对场地响应有重要影响，不同类型地震波引起的反应谱峰值和特征周期存在差异，在工程设计中需考虑其包络效应。
这项研究的意义在于，它深入阐明了黄土沉积的工程地质特性如何调制和放大地震动，为准确评估黄土地区的地震灾害风险提供了量化依据。研究结论提示，在黄土地区的工程抗震设计和灾害防治中，必须充分考虑场地具体的黄土厚度、土层结构以及潜在输入地震动的频谱特性，采取差异化的抗震设防策略。例如，在厚层黄土覆盖区，需特别加强水平向抗震措施；在远场区域，需关注地震动能量的衰减规律。本研究结合振动台试验与数值模拟的方法，也为复杂场地条件的地震动研究提供了可借鉴的技术框架。论文的研究成果对于提升黄河流域，乃至全球类似黄土分布区的地震安全保障水平具有重要的理论和实践价值。
