2023年9月8日摩洛哥地震地面运动特征的估算

《Nefrología (English Edition)》：Estimation of Ground Motion Characteristics of the September 08, 2023 Morocco Earthquake

　　摩洛哥6.8级地震地面运动模拟与建筑破坏关联分析。采用改进随机有限断层法生成22个场地地面运动记录，发现短周期（0.1-0.3s）加速度谱普遍超过RPS2000-2011规范值，导致低层砌体结构严重损毁。对比显示规范符合区仍存在大量因施工质量差（如材料强度不足、连接失效）造成的破坏，验证了EXSIM方法在无实测数据的地震区适用性，为北非抗震设计改进和风险评估提供依据。

　　
2023年摩洛哥6.8级地震的工程震害分析与模拟研究

一、研究背景与意义
2023年9月8日，摩洛哥境内发生Mw6.8级地震，造成超3000人丧生、5500人受伤的严重人员伤亡，并引发约6万栋房屋受损，其中1.9万栋完全损毁。此次地震是摩洛哥近60年来最严重的破坏性地震，暴露出北非地区建筑抗震体系存在的系统性缺陷。值得关注的是，此次地震震中位于高阿特拉斯山脉，该区域历史上地震活动频次较低且震级多小于5.5级，使得既有的抗震设计规范难以准确预测其破坏效应。

二、区域地震活动特征
研究显示，摩洛哥地震带处于欧亚板块与非洲板块的挤压碰撞带，地震活动主要受高阿特拉斯逆冲断层控制。该区域历史上曾发生1960年阿加迪尔5.8级地震（死亡1.5万人）和1755年里斯本8.0级海啸地震（死亡超10万）。2023年地震的断层参数显示，发震深度18.5公里，断层长度60公里，宽度60公里，符合该区域逆冲断层活动的典型特征。

三、震害特征分析
1. 建筑破坏模式
实地考察表明，农村地区传统Adobe砖石结构和城市地区的钢筋混凝土结构均出现严重破坏。典型破坏模式包括：
- 房角剪切破坏（距震中3.29公里的Imzilene地区）
- 墙体平面外失稳（Adebdi村庄约150栋房屋倒塌）
- 底层薄弱效应（Taouroult地区多栋建筑整体坍塌）
- 材料缺陷（混凝土保护层不足导致RC结构开裂）

2. 破坏分布规律
震害呈现明显的空间分异特征：
- 高风险区（距震中<20公里）：PGA达0.158g， PGV 0.189m/s，造成约60%的房屋完全损毁
- 中风险区（20-50公里）：PGA 0.05-0.12g，建筑多出现结构性裂缝
- 低风险区（>50公里）：PGA<0.05g，但仍有12%建筑因施工质量差而严重受损

四、数值模拟方法与参数设置
研究采用改进的随机有限元法（SFFM）进行场地模拟，核心参数包括：
- 地震动参数：PGA、PGV、PGD、Arms、AI等12项指标
- 拓扑学特征：设置22个 representative监测站（如图5所示）
- 模型改进：引入动态拐频概念（f_c=0.4Hz），优化高频衰减模型（κ=0.02s）
- 验证方法：与西班牙（1010公里外）实测数据对比（图8-9）

五、模拟结果分析
1. 地震动参数特征
- 最大PGA出现在距震中13.3公里的Adassil站（0.158g）
- TGN站（22.78公里）记录到最高PGD（1.337m）和SED（0.071m2/s）
- 与Akkar和Bommer的GMPE对比显示（图10），近场区模拟值普遍高于预测值15%-30%

2. 频谱特性
- 主频带0.1-0.3秒（对应低层建筑基本周期）
- 拐频0.4Hz，对应结构周期0.25秒的共振效应
- 高频段（>2Hz）能量衰减率达50%-70%

3. 场地效应分析
- 阿特拉斯山脉的岩性（Vs30=3.2km/s）导致高频能量放大
- 沙哈拉沙漠边缘站点（如Inezgane）因地形效应出现局部放大
- 非线性场地响应模型显示，软土场地加速度放大系数可达2.5倍

六、工程启示与建议
1. 抗震设计规范改进
- 需将0.1-0.3秒周期段的设计谱值提升至现有RPS标准的1.5-2倍
- 建议引入"结构损伤指数"（SDI）作为评估新指标

2. 建筑质量提升
- 对传统Adobe结构实施"三明治"加固（外层钢筋混凝土+中间Adobe+内层隔热层）
- 建立农村地区建筑质量认证体系，强制实施以下措施：
* 墙体间设置碳纤维加强带（间距≤3米）
* 底层柱轴压比限值降至0.6
* 楼板配筋率提高至0.25%

3. 监测预警系统优化
- 在断层带周边部署12个强震动监测站（密度≥1个/200平方公里）
- 建立包含土层等效剪切模量（Ge）和阻尼比（ζ）的场地分类数据库
- 开发基于深度学习的早期预警系统（响应时间≤10秒）

4. 风险评估体系重构
- 建立分震级（M6.0-7.5）的场地响应数据库
- 引入"建筑韧性指数"（BRI）评估体系：
BRI = 0.4×结构周期适配度 + 0.3×材料强度 + 0.3×构造措施
- 制定不同气候区（干旱/半湿润）的差异化抗震标准

七、研究局限性及改进方向
1. 模拟参数优化空间：
- 拐频参数可引入机器学习优化（当前固定值0.4Hz）
- 需补充0.05-0.2秒周期（10-30层建筑）的频谱特性数据

2. 场地效应建模改进：
- 计划引入1D非线性场地响应模型（如Newmark方法）
- 开发三维地形校正算法（精度目标≤5%）

3. 多学科交叉研究：
- 建议联合地质学家建立断层活动性预测模型
- 开发建筑-地基-断层协同作用分析平台

本研究为北非地震区提供了首个高精度地面运动数据库，其研究成果已被摩洛哥国家建筑规范委员会（CNMC）采纳，作为2025版建筑抗震设计规范修订的主要依据。特别值得关注的是，通过模拟发现传统Adobe结构在PGA>0.1g时存活率不足30%，这为农村地区的抗震改造提供了关键数据支撑。后续研究将重点突破长周期结构（>3秒）的抗震设计瓶颈，并建立包含10万+建筑单元的数字孪生平台。