چکيده. ( Cultrera et al., 1999; Frankel et al., 1999; Triantafyllidis et al.,

Transcript

1 مقايسه تعيين فرکانس غالب شهر بم با استفاده از پروفيلهاي لرزه اي و روش نسبت طيفي افقي به قاي م پس لرزه هاي زلزله بم دکترغلامرضالشکري پور استادگروه زمين شناسي دانشگاه فردوسي مشهد دکترحسين صادقي استاديار گروه زمين شناسي دانشگاه فردوسي مشهد زينب سويزي دانشجوي زمين شناسي مهندسي دانشگاه فردوسي مشهد چکيده در اين مقاله با استفاده از ١٠ پروفيل لرزه اي مطالعه شده توسط پژوهشگاه بين المللي مهنسي زلزله و زلزله شناسي و اطلاعات ژي وتکنيکي در شهر بم فرکانس غالب محاسبه شده است. با استفاده از نتايج بدست ا مده مشاهده مي شود اين پارامتر به صورت قابل توجهي از منطقه اي به منطقه ديگر متفاوت است. با افزايش عمق سنگ بستربه سمت جنوب فرکانس غالب کاهش مي يابد. مقايسه نتايج بدست ا مده از اين روش با نتايج حاصله از روش نسبت طيفي افقي به قاي م ٦٥ پس لرزه زلزله بم که توسط ٩ ايستگاه موقت لرزه نگاري ثبت شده نشان مي دهد که روش کم هزينه نسبت طيفي که بر اساس لرزشهاي خفيف زمين است در صورت عدم وجود اطلاعات دقيق ژي و تکنيکي منطقه روش مناسبي براي تخمين فرکانس غالب مي باشد. کلمات کليدي: فرکانس غالب روش تحليلي زلزله بم نسبت طيفي افقي به قاي م مقدمه اثر ساختگاه يکي از عوامل مهم کنترل کننده ميزان تخريب در نواحي شهري در اثر زلزله هاي بزرگ مي باشد.تقويت حرکت زمين در فرکانس هاي ١-١٠Hz به شدت تحت تا ثير شرايط سطحي محل شامل زمين شناسي و تو پوگرافي نامنظم سطح قرار مي گيرد. در زمان حرکت موج به سمت سطح زمين در حين عبور از لايه هاي خاک محتواي فرکانسي دامنه حرکت زمين به طور گسترده اي تغيير مي کند. وزن مخصوص سختي ضخامت و ديگر خواص فيزيکي لايه هاي خاک عوامل اساسي هستند که خصوصيات موجهاي لرزه اي را تحت تا ثير قرار مي دهند. مطالعات زيادي در ارتباط با نقش زمين شناسي سطحی در حرکات لرزه اي صورت گرفته است براي مثال:.(1999 نمونه برجسته از تقویت سایت مربوط به زلزله می باشد.در این در زیر شهرتا در زلزله ( Cultrera et al., 1999; Frankel et al., 1999; Triantafyllidis et al., M S مکزیکوسیتی با بزرگی 8,1 = Michoacan(1985) زلزله حرکت زمین در محدوده فرکانس 0,25-0,7Hz به دلیل وجود رسو بات دریاچه اي نرم 50 برابر تقویت شد( 1993 Ordaz, ( Singh and. Killari(١٩٩٣) درLatur هند با بزرگيMs=٦,٢, بين اثرات ساختگاهي و الگوي تخريب منطقه ارتباط وجود داشت. بطوريکه تخريب در بخشي از روستاي Killari که در نزديک رودخانه Tirna واقع شده گسترده ٢٢٠٥

2 بود.اين روستا در محل اپي سنتر زلزله اصلي قرار داشت. ضخامت زياد رسوبات ا برفتي در اين منطقه باعث تقويت ٤ برابر امواج زلزله شده بود( al.,٢٠٠٣ ( Midzi et. نتايج مطالعات (١٩٩٣, (Aki در ايالات متحده و ژاپن حاکي از ا ن است که تقويت سايت بستگي به فرکانس حرکت زمين دارد و اينکه خاکهاي نرمترو جوانتر نسبت به خاکهاي سخت تر و سنگ بستر بيشتر باعث تقويت حرکت زمين مي شوند. از ا نجا که ساختمانها بر سايت هاي متنوع از لحاظ زمين شناسي واقع مي شوند ارزيابي پاسخ سايت در سراسر مناطق مسکوني در مناطق مستعد زلزله امري مهم به نظر مي رسد. اين ارزيابي معمولا به روشهاي متفاوتي صورت مي گيرد. روش نسبت طيفي استاندارد SSR) )(١٩٧٠ (Borcherdt, روش نسبت طيفي افقي به قاي م (HVSR) ١٩٨٩) (Nakamura, و روش معکوس کلي( GIM ) al.,١٩٩٩; Fletcher and (Castro et (١٩٩١ Boatwright, از جمله روشهاي کم هزينه اي هستند که در صورت عدم وجوداطلاعات زمين شناسي منطقه استفاده مي شود. در روشهاي تحليلي با استفاده از بررسي هاي ژي وتکنيکي يا لرزه اي شامل انکساري و يا انعکاسي خصوصيات فيزيکي و ديناميکي لايه هاي خاکي و سنگي منطقه مشخص مي شود و سپس با استفاده از ا نها پاسخ سايت تعيين مي شود. در اين مطالعه با استفاده از پروفيلهاي لرزه اي و ژي وتکنيکي موجود در مناطق مختلف شهر بم فرکانس هاي غالب تعيين و با روش نسبت طيفي افقي به قاي م مقايسه شده است. زلزله بم و زمين شناسي منطقه زلزله بم در ٥ ديماه ١٣٨٢ در ناحيه جنوب شرقي ايران به وقوع پيوست. سازوکارهاي کانوني دورلرزه اي يک گسل لغزش جانبي راست را نشان دادند( Database,٢٠٠٣.(USGS در ٢٩,٠٠٤ N,٥٨,٣٣٧ E و عمق ١٠ Km با بزرگي USGS مرکز عمقي زلزله را Mw=٦,٦ گزارش نمود. اين زلزله موجب تخريب شديدي در شهرستان بم با جمعيت ١٤٢٠٠٠ نفر گرديد به طوريکه در اثر اين زمينلرزه ٢٦٢٧١ نفر کشته و دهها هزار نفر زخمي شدند( ٢٠٠٣ Iran,.(Statistics Center of از عوامل اصلي تخريب گسترده در اثر زلزله بم مي توان به ضعف سازه اي ساختمانهاي گلي و ا جري و همچنين ارتباط بين موقعيت شهر بم و جهت انتشار گسيختگي اشاره کرد. با اين وجود ميزان تخريب در مقايسه با بزرگي زلزله غير منتظره است. ماکزيمم تخريب در بخشهاي شرقي و شمالي شهر بم که ساختمانها اکثرا قديمي هستند مشاهده مي شود در اين مناطق بيشتر خانه ها واژگون شدند(بيش از ٨٠ درصد). در مقابل غرب و جنوب شهر که ساختمانها جديدتر هستند و در روستاي براوات تخريب زيادي رخ نداده است (کمتر از ٢٠ درصد). روستاي براوات بر روي گسل ارگ بم(گسل عامل زلزله)و جهت انتشار گسيختگي قرار ندارد. اين موقعيت مکاني ممکن است علت تخريب کمتر روستاي براوات باشد( ٢٠٠٥ al.,.(nakamura et تصور مي شد که شرايط خاک زير سطحي ممکن است ٢٢٠٦

3 شدت لرزه اي و ميزان تخريب ناشي از ا ن را تحت تا ثير قرار داده باشد. اين تصور با وجود کانال رودخانه پشت رود در نزديک بخش خسارت ديده بيشترمحتمل مي شد. روش نسبت طيفي افقي به قاي م HVSR) ( نشان داد که اثرات تقويت محلي نيزدر ايجاد اختلاف در شدت تخريب مو ثر بوده است( قندهاريون ١٣٨٣ ). شهر بم از شمال محدود به رودخانه پشت رود و از قسمت شرقي و جنوب شرقي توسط روستاي براوات احاطه مي شود. زمين شناسي منطقه شامل سنگهاي ا ذرين خروجي اي وسن و توده سنگ گرانوديوريت( که سن ا ن در نقشه هاي زمين شناسي تعيين نشده است)مي شود که در بخش شمال شهر رخنمون دارند وبه سمت جنوب شيب دارند. همجنين رسوبات ا برفتي کواترنرعمدتا شامل سيلت و ماسه ريز سنگهاي رسوبي پالي وژن که اطراف شهر بم و حومه ا ن را پوشانيده است( ٢٠٠٤ al., (Amini et. روش کار پژوهشگاه بين المللي مهندسي زلزله و زلزله شناسي IIEES) ) پروفيلهاي خاک را در طول ١٠ خط با روش انعکاسي در شهر بم و اطراف ا ن بعد از وقوع زلزله اصلي برداشت کرده است( ٢٠٠٤ al., ). Konagai et بدين منظورژي وفونها را در فواصل ٤m نصب کرده و پروفيل خاک را با دقت ٢m در جهت عمودي بدست ا ورده اند. شکل ١ موقعيت اين پروفيلها را نشان ميدهد. ستونها دراين شکل متوسط پروفيل خاک را در طول اين خطها نمايش ميدهد. جنوبي و ميا ين قرار مطابق شکل پروفيل خاک در شهر بم تغييرات زيادي را نشان مي دهد. در بخش شهر ضخامت خاک زياد است و با حرکت به سمت شمال ضخامت کاهش مييابد. به منظور افزايش دقت کار نتايج حاصل از روش سونداژ وزنه اي سوي دي که درا ن سرعت موج برشي تا عمق ٣m با دقت بيشتري قابل اندازه گيري است و در محل پروفيلهاي شماره ٥ ٦ ٧ ٨ انجام شده نيز مورد استفاده گرفته است ٢٠٠٤)٤ al., (Towhata et. با استفاده از روابط زيرعدد نفوذ استاندارد (SPT) وبعد سرعت موج برشي( Vs ) محاسبه شده است: (SPT-N) = ٠ ٠٢ Wsw+ ٠ ٠٦٧ Nsw ( Inada,٢٠٠٠) ( ١) = Wsw بار اعمال شده در بالاي سونداژکه در اينجا برابر با ١٠٠ kgf است. = Nsw تعداد چرخشهاي ١٨٠ درجه اي مورد نياز براي يک متر نفو ذ سونداژ Vs = ٨٠ N ١/٣ (m/s) ( Japan Road Association,٢٠٠٢) (٢) ٢٢٠٧

4 شکل ١- پروفيلهاي لرزه اي خاک - دايره هاي بالاي هر ستون نشانگر خطي است که پروفيل لرزه اي در طول ا ن گرفته شده ) اقتباس از al., ٢٠٠٤ ( Konagai et در اين بخش با استفاده از فرمول زير که براي لايه هاي افقي خاک اراي ه شد( Bard,٢٠٠٠ ) فرکانس غالب را براي هر يک از پروفيلهاي منطقه محاسبه شده است. (٢πƒ) ٢ = ٣ n I=١ V ٢ i H i )/H³ ( ٣) در اين رابطه ƒ فرکانس غالب i V i H به ترتيب سرعت موج برشي و ضخامت i امين لايه وH ضخامت کل رسوبات است. نتايج محاسبات در جدول ١ نشان داده شده است. جدول ١ فرکانس غالب محاسبه شده براي پروفيلهاي خاک با استفاده از رابطه شماره (٣) ش ماره آرایه فرک انس غال ب (HZ) ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ٥ ٨ ١١ ٥ ١٠ ٠ ٩ ٧ ٩ ٧ ٦ ١ ٧ ٤ ٦ ١ ١٠ ٠ ٦ ١ ٢٢٠٨

5 فرکانس غالب محاسبه شده با ضخامت خاک منطقه تطابق دارد به طوريکه با افزايش ضخامت لايه سطحي به سمت جنوب فرکانس غالب منطقه کاهش مييابد. با استفاده از ٦٥ پس لرزه ثبت شده زلزله بم توسط يک شبکه موقت لرزه نگاري با حساسيت بالا متشکل از ٩ سرعت سنج و يک شتاب نگار در شهر بم و اطراف ا ن (٢٠٠٥ al., ( Nakamura et روش نسبت طيفي افقي به قاي م براي تخمين فرکانس غالب به کار برده شد( قندهاريون ١٣٨٣ ). شکل ٢ موقعيت ايستگاههاي لرزه نگار را نشان مي دهد. با توجه به جدول شماره (١) فرکانس هاي بالاي بدست ا مده براي محل پروفيلهاي هاي شماره ٤ ٥ ٩ ٢ ٣ (تقريبا بزرگتراز (Hz ١٠ ممکن است مو يد تا ثير کم شرايط سطحي زمين در تقويت حرکات لرزه اي باشد. فرکانس غالب در بقيه پروفيلها در رنج ٧,٤-٥,٨ Hz قرار مي گيرد که با فرکانس دومين پيک دامنه در نسبت طيفي که در نواحي با تخريب زياد شهر در محدوده ٦-٥ هرتز قرار مي گيرد تقريبا منطبق است. اختلاف موجود بين نتايج دو روش دور از انتظار نيست. نتيجه گيري با توجه به اينکه موقعيت مکاني ايستگاههاي لرزه نگار و پروفيلها يکي نيستند در اين مطالعه فرکانس غالب براي ١٠ پروفيل خاک در شهر بم که توسط پژوهشگاه بين المللي زلزله شناسي و مهندسي زلزله برداشت شده محاسبه گرديد.با استفاده از نتايج بدست ا مده مشاهده مي شود که با افزايش ضخامت لايه سطحي به سمت جنوب فرکانس غالب منطقه کاهش مي يابد. فرکانس غالب در پروفيلهاي بخش جنوبي در رنج ٧,٤- Hz ٥,٨ قرار مي گيرد. همچنين نتايج حاصل از اين روش با نتايج روش نسبت طيفي افقي به قاي م پس لرزه هاي زلزله بم جهت تخمين فرکانس غالب خاک با هم مقايسه گرديد. ٢٢٠٩

6 نتايج بدست ا مده نشان داد که روش کم هزينه نسبت طيفي همخواني نسبتا خوب و مورد قبولي را با روش تحليلي دارد. منابع قندهاريون علي."اثرات محلي منطقه در تقويت دامنه امواج لرزه اي در زلزله بم". پايان نامه کارشناسي ارشد گرايش خاک و پي دانشگاه فردوسي ١٣٨٣. Aki,K. Local site effects on weak and strong ground motion, Tectonophysics Amini Hosseini K., Mahdavifar M.R., Keshavarz M. and Rakhshandeh M. Engineering geology and geotechnical aspects of Bam earthquake,iiees,2004.(available online at: Bard P.Y. Lecture notes on Seismology, seismic hazard assessment and risk mitigation. International Training Coarse, Potsdam, p:160,2000 Borcherdt R.D. Effects of local geology on ground motion near San Francisco Bay, Bull. Seism. Soc.Am Castro R.R., Anderson J.G. and Singh S.K. Site response, attenuation and source spectra of s waves along the Guerrero, Mexico Subduction zone, Bull. Seism. Soc.Am ,1999. Cultrera G., Boore D.M., Joyner W.B. and Dietel C.M. Nonlinear soil response in the vicinity of the Van Norman Complex following the 1994 northridge, California Earthquake, Bull. Seism. Soc.Am Fletcher J.B. and Boatwright J. Source parameters of Loma Prieta aftershocks and wave propagation characteristic along the San Francisco Peninsula from a joint inversion of digital seismograms, Bull. Seism. Soc.Am Frankel A.,Carver D., Cranswick E., Meremonte M., Bice T. and Overturf D. Site response of seattle and source parameters of earthquake in the Puget Sound region, Bull. Seism. Soc.Am.89, Inada M. Interpretation of Swedish weight sounding. Monthly Magazine of Japanese Geotechnical Society,Vol.8, No.1, PP Japan Road Association. Specification for Highway Bridge, Part V Seismic Design, P Konagai K., Yoshimi M., Meguro K.,Yoshimura M., Mayorca P., Takashima M., Farahani A.,Tahghighi H. and Keshavarz M. Strain induced in cracked utility poles and damage to dwelling in the Dec ,Bam earthquake. Bull. Earth. Res. Inst., Univ. Tokyo 79: Midzi,V.,.Singh D.D., Atakan k. And Havskov J. Local site effects in Latur, India:an empirical study based on the aftershocks of the Killari earthquake of September ,J.Eng.Geol Nakamura T., Suzuki S., Sadeghi H., Fatemi Aghda S.M., Matsushima T., Ito Y., Hosseini S.K., Jafar Gandomi A., Maleki M. Source fault structure of the 2003 Bam earthquake, southeastern Iran, inferred from the aftershock distribution and its relation to the heavily damaged area: Existence of the Arg-e-Bam fault proposed, Geophys. Res. Lett.32,lo9308,doi:10,1029/2005GLO Nakamura Y. A method for dynamic characteristics estimations of subsurface using microtremors on the ground surface, Quarterly Report RTRT,Jpn Singh, S.K. and Ordaz M. On the origin of long coda observed in the lake-bed strong-motion records of Mexico City,, Bull. Seism. Soc.Am Statistics Center of Iran Number of fatalities, casualties and missing people as a result of Bam earthquake, ٢٢١٠

7 Towhata I., Ghalandarzadeh A., Shahnazari H., Mohajeri M. and Shfiee A. Seismic behavior of local soil and foundation in Bam City During the 2003 Bam Earthquake in Iran. Bull. Earth. Res. Inst., Univ. Tokyo 79: 69-80, 2004 Triantafyllidis P., Hatzidimitriou P.M., Theodulidis N, Suhadolc P., Papazachos C.,Raptakis D. and Lonzetidiz K. Site effects in the City of Thessaloniki estimated from acceleration data and 1D local soil profiles, Bull. Seism. Soc.Am USGS Database(Available online at ٢٢١١