在海域地震动记录稀缺的情况下，针对海底场地（OBS）的宽频带地震动模拟是解决海域区划地震动参数和海洋重大工程抗震设防地震动输入等科学问题最有希望突破的方向之一。但是，受海水层、复杂局部地形、水饱和介质和深厚软弱沉积层的影响，海域场地地震反应与陆域差异巨大，直接采用陆域经验评估OBS场地特性可能造成显著系统性偏差。其中，OBS非线性地震反应特征及影响机制等关键科学问题尚未得到充分研究，导致OBS地震动模拟难以科学开展。

中国地震局地球物理研究所傅磊副研究员等基于日本相模湾6个OBS的强震动记录（图1A），采用高频谱衰减方法计算了OBS的高频衰减参数场地分量（k0），采用考虑一阶场地校正的广义线性反演技术获得了不同地震动强度下的场地放大系数（AF），并通过非线性参数（DNL）描述场地非线性效应。

结果显示，6个OBS的k0中值大约为0.078–0.098 s，显著高于陆域台站k0的值，表明OBS具有更强的高频衰减特性（图1B）；当峰值加速度（PGA）达到0.5–0.8 m/s2时，6个OBS的k0均出现减小的趋势，并在大约0.06 – 0.07 s左右达到最小值（图1C）。另一方面，当PGA达到0.2 m/s2时，海底台站AF的DNL开始大于4，表现出显著的非线性效应。这一PGA阈值显著大于前人采用谱比法得到的0.5–1.0 m/s2（图1D）。进一步分析认为，较小的PGA阈值可能与海底台站的局部地形效应密切相关。另外，地形地貌陡峭和平坦的海底场地的峰值频率（fp）在非线性效应下分别向高频和低频漂移（图1E）。分析认为，陡峭台的fp主要由地形放大效应控制，而平坦台的fp主要由水饱和沉积层控制。最后，考虑线性和非线性的AF，采用随机有限断层法开展了研究区内震级最大的2次地震的地震动模拟。结果显示，本文所采用的模拟方法在0.1 Hz以上与观测记录符合良好（图1F）。并且，在PGA大于0.2 m/s2时，考虑场地非线性效应的模拟结果与观测记录更为匹配。因此，开展海底场地强地震动模拟时，非线性效应的影响至关重要。下一步工作中，我们将进一步考虑俯冲带地区复杂横向非均匀路径对模拟结果的影响。

本研究主要创新点如下：（1）发现海底场地k0在PGA达到0.5 – 0.8 m/s2时开始减小，但这一现象需要更多数据佐证；（2）发现海底场地在PGA达到0.2–0.3 m/s2时出现明显非线性场地效应，可能与局部地形有关；（3）发现在非线性作用下，平坦台和陡峭台的场地峰值频率分别向低频和高频偏移，后者主要受地形效应影响；（4）首次实现了考虑场地非线性效应的海底场地地震动模拟，结果与观测记录在0.1 Hz以上匹配良好。

该成果发表于学术期刊《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（Fu, Lei, et al. "Seismic response characteristics of offshore sites in the Sagami Bay, Japan—Part II: Part II: Nonlinear behaviors and stochastic simulation of subduction zone earthquakes 188 (2025): 109081.）。研究受国家自然科学基金面上项目（52378541、52192675）及国家重点研发计划项目（2017YFC1500400）共同资助。

图1  （A）台站和地震分布，（B）OBS高频衰减参数统计结果，（C）高频衰减参数非线性特征，（D）OBS场地传递函数非线性特征，（E）OBS峰值频率非线性特征，（F）俯冲带地震OBS模拟和观测反应谱比较

【作者简介】

傅磊，男，副研究员，主要从事工程地震学研究工作，具体包括强地震动特性、强地震动模拟、地震动预测模型、强地面运动观测及科学人工智能在相关领域的应用等。