地震动模拟的两步随机经验格林函数方法研究

合理预测未来可能发生的地震中工程场地的地震动是地震危险性分析的关键,近年来提出的两步随机经验格林函数方法得到了广泛应用并成功模拟了一些地震的地震动,但是该方法仍然存在一些亟待解决的问题。本文基于两步随机经验格林函数方法开展地震动模拟的相关研究,重点解决该方法目前存在的一些问题,包括:地震应力降的表示、模拟地震动不确定性的定量分析、震源破裂方向性的模拟、缺乏经验格林函数的处理,本文旨在为两步随机经验格林函数方法在地震危险性分析中的应用打下基础。本文主要工作如下:(1)给出了用于地震动模拟的应力降估计模型并检验了模拟结果的有效性。基于地震应力降的研究结果,将地震应力降表示为服从对数正态分布的数据集,标准差(log10)确定为0.2—0.6,平均应力降根据地震平均滑动位错与破裂面纵横比的关系近似估计。基于两步随机经验格林函数方法模拟了2013年MW6.6芦山地震、2008年MW6.9岩手宫城内陆地震和2016年MW7.1熊本地震的地震动,震源模型只考虑高应力降的凹凸体区域。模拟结果发现,短周期(2.0 s)模拟地震动与观测记录较为一致或相差不大,长周期(2.0 s)模拟地震动则明显偏低,这可能与经验格林函数缺乏长周期信号有关,凹凸体之外的低应力降破裂区域对模拟地震动的贡献很小。(2)定量给出了两步随机经验格林函数方法模拟地震动的不确定性。首先采用不同应力降比值(0.5—8.0,固定间隔1.5)分别模拟芦山、熊本和岩手宫城内陆地震的地震动,发现模拟地震动随应力降比值的增大而增大,模拟地震动的残差与应力降比值的自然对数有明显的线性负相关,据此建立了模拟地震动与应力降比值的定量关系。其次,采用蒙特卡罗随机抽样方法随机给出服从对数正态分布的目标地震应力降,其中应力降标准差(log10)分别为0.2—0.6,分别模拟上述3次地震的地震动,建立了模拟地震动标准差与应力降标准差的定量关系,结果发现应力降标准差越大则模拟记录的标准差相对越小,长周期模拟地震动的不确定性更小;当应力降标准差为0.2—0.6时,模拟记录的标准差约为0.11—0.37。最后,讨论了随机破裂过程引起的模拟地震动的不确定性,根据K-S检验证实多次随机过程模拟地震动服从对数正态分布,200次随机过程模拟地震动的对数标准差约为0.05—0.15,且随周期(0.05—2.0 s)增大而增大。(3)提出了利用两步随机经验格林函数方法模拟震源破裂方向性的技术思路。首先,选取两次震源破裂方向性显著的芦山地震余震(EQⅡ和EQⅢ)作为经验格林函数模拟主震地震动,模拟结果发现模拟地震动表现出显著的方向性效应,且与小震方向性特性一致,说明经验格林函数的选取有必要考虑小震震源破裂方向性的影响。其次,提出以视拐角频率替代拐角频率改进现有的两步随机经验格林函数方法,基于改进方法采用EQⅢ的记录再次模拟芦山地震,结果显示模拟地震动并未表现出明显的方向性效应,且与实际观测记录较为一致,证实改进方法有效地表示(消除)了小震震源破裂方向性的影响。最后,基于改进方法模拟了一系列震源破裂方向性特征不同的地震,模拟地震动表现出相应的破裂方向性效应,主破裂前方的模拟地震动普遍高于主破裂后方,验证了改进方法实现地震动方向性效应模拟的可行性。(4)探索性地提出了广义经验格林函数的概念,并将其应用于唐山地震的地震动模拟。为弥补小震记录缺乏对经验格林函数方法的限制,提出了不考虑大小地震震源位置差异的广义经验格林函数的概念。分析日本强震动记录与中国地震动衰减关系的事件内残差,结果表明中国东部强震区和青藏地震区与日本地区传播路径差异对震中距150 km的地震动PGA的影响可近似忽略,对PSA有很小的影响,说明日本地区的强震动记录可近似作为中国地区目标地震的广义经验格林函数。选取K-NET台站及KiK-net井下基岩台站记录分别模拟芦山地震具体台站的地震动及地震动场,结果表明,观测记录大体上位于模拟地震动平均值加减一倍标准差范围内,初步检验了广义经验格林函数的可靠性。最后,选取KiK-net井下基岩台站的记录作为模拟1976年MS7.8唐山地震基岩面地震动的广义经验格林函数,模拟地震动(3.0 s)与地震动预测方程预测值较为一致,且模拟地震动PGA等值线与宏观烈度较为一致。     

山西地区震源新参数间关系初探

利用“十五”数字化后山西地震台网记录的612次 ML ≥2．0地震,使用中国地震局地震预测研究所推广的中小地震新参数计算软件,计算其中148次事件的震源新参数,对地震矩、矩震级、震源破裂尺度、应力降、拐角频率等参数间的定标关系做初步研究,得出 ML 震级与地震矩、矩震级间存在较好的线性正相关;震级与震源尺度间存在多项式关系;与应力降的对数呈显著正相关,当大于 ML 4．0后,随着震级的增大,释放的应力降略有变缓;与拐角频率的对数呈负相关。     

2001年施甸Ms5.9地震序列的震源参数研究

以昆明数字地震台网对2001年4月12日施甸MS5.9地震序列观测的近300次地震事件的波形数据资料为基础, 用横波波谱资料估算了该次地震序列的震源参数. 结果表明,震级在1.5～5.3的范围内, 地震矩范围为1010～1016 N·m, 拐角频率的范围为0.2～8.0 Hz, 震源破裂半径a的范围为200～2 500 m, 地震应力降的范围为0.1x105～20x105 Pa. 通过对地震震源拐角频率fc及地震应力降随时间变化的统计分析, 本文研究结果发现, 施甸5.9级主震前的前震序列地震的平均拐角频率明显低于主震后余震序列的平均拐角频率. 与之相反, 地震平均应力降则是前震序列明显高于余震序列. 分析认为, 主震前后平均拐角频率和应力降的这种随时间变化特征, 具有强震前的前兆信息指示意义. 主震的前震序列具有高应力降显示出主震区储存了较高的剪应力;主震后, 由于释放了绝大部分应力, 余震序列则表现为低应力破裂过程.      

随机有限断层法及其工程应用中的问题分析

随机有限断层法作为半经验半理论的地震动合成方法,综合考虑了震源、传播路径以及场地条件对地震动的影响,可在工程关注的频率范围内模拟地震动时程,为实现较大区域地震动模拟提供了一种有效的方法。本文系统阐述了随机有限断层法的基本原理、静力学拐角频率模型及动拐角频率模型的发展;分析了主要模型参数（断层尺度、破裂速度、剪切波速及应力降）、Kappa因子和介质品质因子的取值原则,并结合中国大陆的实际情况给出了相应的取值范围;最后讨论了现有模拟方法在考虑参数取值、子断层划分和子断层之间相互作用等方面的不足以及能量处理方式上的缺陷,明确了随机有限断层法发展的方向。     

近期国外震源研究综述

本文简要介绍了近年来国外在地震震源、台阵（网）资料在震源参数研究中的应用,全球震源谱对比、地震破裂传播方向、遗传算法在震源参数研究中的应用,地震矩、拐角频率、震源尺度、应力降与震源模型的探讨,以及确定初动震源机制的新方法等方面的研究情况和动态,并对其中的研究结果给予了一定的评述。     

由震源谱推断1997年新疆伽师强震群破裂特性

分析了1997年伽师强震群中12次MS5.0地震的Ｐ波和Ｓ波位移谱,用遗传算法和目测法联合计算了这些地震Ｐ,Ｓ波震源谱的拐角频率,并由此推算出这些地震的震源尺度和静态应力降（以下简称应力降）．根据观测震源谱拐角频率的方位性变化特征,对相关地震的破裂方向进行了估算．主要结果如下:① 伽师强震群中６级强震的震源破裂尺度在10～16ｋｍ,５级地震的破裂尺度在6～10ｋｍ,个别５级地震的破裂尺度超过10ｋｍ;② 伽师强震群中,中、强地震的应力降均在0.1ＭＰａ左右,这种显著偏低的应力降特性表明,该强震群震源区积累的应力释放缓慢,这意味着伽师强震群活动还将持续相当长时间;③ 应力降大小与相应地震震级大小存在统计正相关关系．同时还可清楚地看出,正断层型地震的应力降整体低于走滑型地震的应力降;④伽师强震群中６ 级强震的震源谱拐角频率有一定的方向性,震源谱拐角频率方位分布图显示出这组强震的破裂机制较为复杂,无一致的破裂方向．      

海南区域地震与爆破震源参数特征

收集2008年以来海南测震台网记录的M_L 2.5以上地震及爆破资料,利用Brune圆盘模型,计算得出震源参数,发现地震、爆破的震源参数特征为:地震的拐角频率绝大多数大于爆破;地震应力降大于1,爆破应力降小于1;地震震源尺度绝大多数小于爆破。对一个有感疑爆事件,利用其拐角频率、应力降、震源尺度等参数,判定该事件为天然地震,与前人研究结果一致。由此可见,利用震源参数在地震速报、日常分析中判定事件类型具有实际意义。     

新疆南天山西段中小地震震源参数初步研究

采用多台多地震联合反演的方法得到了新疆南天山西段2012年6月至2013年10月各台站中小地震的震源谱,进而计算149次ML≥2.0地震的应力降、地震矩、震源破裂半径、拐角频率等震源参数,并分析南天山西段地区震源参数形态特征。结果表明,南天山西段地区震级与地震矩(M0)、矩震级(MW)、震源尺度(R)之间表现为正相关,与地震的拐角频率之间成负相关。地震矩(M0)随着震源破裂尺度逐渐变大,成正相关的一次函数关系。初步分析后认为,震级在ML2.5~3.6范围内的地震更适合于研究南天山西段地区有关应力降特征的跟踪和研究。     

浙江珊溪水库地震震源参数特征研究

利用2014年1月-2015年12月浙江省区域数字地震台网记录的1 360次珊溪水库M_L0.5-4.4地震资料,采用Brune模式,将台站获取的速度记录进行几何扩散校正、介质衰减校正及仪器校正后得到速度谱,对速度谱在频率域进行傅里叶积分得到震源位移谱,之后使用遗传算法计算得到拐角频率和震源位移谱零频极限值,进而计算出该区的地震矩为1010-1014 N·m,震源破裂半径为33-550 m,拐角频率为2.4-39.7 Hz,地震应力降为0.04-6.74 MPa,视应力为0-2.75 MPa.在此基础上,对各参数特征及其关系进行系统性分析,结果表明:各震源参数之间表现出一定的对数线性或半对数线性关系;空间上,应力降和拐角频率在库区西北段较高,东南段较低;应力降与地震矩在空间上呈反向关系,拐角频率与破裂半径在空间上呈负相关.      

天山中东段地区震源参数的初步应用研究

采用多台多地震联合反演的方法,首先得到了新疆天山中东段地区2001年以来MS≥2.5的105次中小地震的震源谱,进而测定了地震矩、拐角频率与应力降等震源参数,并讨论了它们之间的相互关系。在此基础上开展了该研究区应力降时空变化的动态跟踪工作,最后对研究区2004年6月以前的应力降时空演化特征做了一定程度的探讨。分析表明,该地区的地震矩、拐角频率与应力降等震源参数与震级有一定的相关性,应力降的时空演化特征可以作为该地区今后地震趋势预测的一种新手段。     

广西平果2013年震群震源参数特征

使用广西数字地震台网记录的2013年6月-7月广西平果ML1.0-3.0震群162次地震波形资料,采用Brune（1970）模型,通过几何扩散校正、介质衰减校正、仪器校正等,将速度记录谱归算为震源位移谱,利用遗传算法计算拐角频率及零频极限,然后计算地震矩、应力降等小震震源参数,系统分析各参数之间的关系.研究表明：近震震级、地震矩、震源破裂半径、拐角频率、应力降等之间可以拟合为对数或半对数的线性关系;地震应力降、视应力与震源破裂半径没有明显的依赖关系,但与地震矩成正相关关系;与其他地区的同类研究结果基本一致,获得各参数的定标关系相近,尤其是通过最小二乘法拟合应力降与地震矩之间的关系后,与浙江珊溪水库地区的应力降与地震矩之间的关系有很强的一致性;与其他地区的应力降及视应力降相比较,本研究区属于低应力释放地区,但由于此次研究的地震事件时间跨度较短,且时间段比较集中,对该地区的应力释放水平还需跟踪研究.     

广西南丹大厂矿区震源参数研究

利用广西南丹县大厂矿区地震监测台网记录的地震波资料,采用Brune（1970）模型,将速度记录谱归算为震源位移谱,使用遗传算法计算拐角频率及零频极限,然后计算地震矩、应力降等小震震源参数,并系统分析各种参数之间的关系。大厂矿区38次较大地震的震源参数计算结果为：地震矩范围在2.18×1011~7.89×1012 N·m之间;震源破裂半径78~439m;地震应力降在0.01~1.79 MPa之间。表明：地震矩与震级、震源半径、拐角频率之间呈线性关系,而应力降不依赖于地震矩,分布较为离散。大厂矿区应力降值明显偏低,这可能与该区域背景应力低有关。     

2010年4月14日玉树Ms7.1地震加速度场预测

基于有限断层震源、且使用动力学拐角频率的地震动随机模拟方法预测玉树地震近断层的加速度场.首先,基于有限断层震源建模方法建立该次地震的震源模型;然后,基于上述地震动模拟方法预测玉树地震近断层191个节点的加速度时程.在此基础上,取每个结点的加速度峰值绘制该次地震的近断层加速度场.结果表明:(1)近断层加速度场主要受震源破裂过程和断层面上滑动分布的影响.断层面上凹凸体投影到地表的区域附近,加速度峰值最大,也是震害最严重的区域;(2)对于走滑地震,断层沿线附近的场地并非均会发生破裂方向性效应;发生破裂方向性效应的场地与凹凸体在断层面上的位置有关.     

柯坪块体震源介质参数测定

应用2011年1月-2015年4月柯坪块体及周边数字地震台站（38°-42.5°N,75°-80.5°E）记录的3.0 ≤ M ≤ 5.0地震事件,结合柯坪块体介质品质因子和各台站场地响应,计算各地震应力降、地震矩、震源破裂半径、拐角频率等新震源参数,并研究各背景值变化特征及彼此间对应关系。结果表明：柯坪块体地区地震震级与地震矩、矩震级、震源尺度之间表现为较好的正相关性,与地震拐角频率之间呈负相关。地震矩与震源破裂尺度整体呈正相关,但当震源破裂尺度较小时,地震矩变化不大,当震源破裂尺度大于250 m时,地震矩随震源破裂尺度的增大变化较快。由柯坪块体应力降时间分布特征分析可知,研究区具有地震前应力降呈现高值异常、震后缓慢恢复低值的演化过程。     

广西龙滩库区地震震源参数定标关系

利用广西龙滩数字地震台网记录的2006年9月—2013年7月1284次ML1.0级以上地震波形资料,采用Brune（1970）模型,通过几何扩散校正,介质衰减校正,仪器校正等将速度记录谱归算为震源位移谱,使用遗传算法计算拐角频率及零频极限,然后计算地震矩、应力降等小震震源参数,给出各种参数之间的定标关系。研究表明：地震矩、近震震级、破裂半径、矩震级和拐角频率等之间可以拟合为对数或半对数线性关系。而应力降、视应力降分布都比较零散,与地震矩、震源半径的关系并不明显,随地震矩、震源半径的变化关系比较弱。     

贵州董箐水库震源参数分析

利用贵州董箐水库附近的地震台站记录的地震波资料,采用Brune(1970)模型,通过几何扩散校正、介质衰减校正、仪器校正等,将速度记录谱归算为震源位移谱,使用遗传算法计算拐角频率及零频极限,然后计算地震矩、应力降等小震震源参数,并系统分析各种参数之间的关系。通过对董箐水库341次较大地震的震源参数计算结果为:地震矩范围为7.79×10~(11)~1.18×10~(15)N·m之间;震源破裂半径为510 m~752 m;地震应力降在0.010 2 MPa~2.70 Mpa之间。地震矩与近震震级、震源半径、拐角频率、应力降之间表现出较好的线性关系。董箐水库区应力降值明显偏低,这可能与水库蓄水诱发地震有关。     

2001年施甸震群非弹性衰减及震源参数特征研究

本文根据昆明区域数字台网记录的数字地震波形资料,采用Atkinson方法反演了施甸地震震源区非弹性衰减,运用Moya方法反演了施甸震中200km区域内6个数字地震台的场地响应。首先扣除了地震记录数据中传播路径、场地响应和仪器响应的影响,继而利用遗传算法测定了2001年施甸震群的震源参数。结果表明:①地震矩和近震震级有很好的线性关系,地震矩范围为1×1012~1014N.m,震源破裂半径为157~973m,地震矩与震源半径之间亦呈线性关系。②拐角频率随地震矩的增大而减小。用最小二乘法拟合出拐角频率与地震矩之间的关系式,据此关系式可计算出拐角频率的估计值。拐角频率与其估计值之差的时间进程曲线表明,强余震发生之前会连续出现拐角频率与其估计值的差值呈高值或低值异常。③地震应力降范围为0.07~1.55MPa,应力降与近震震级无明显的依赖关系,强余震发生之前会出现高应力降异常。④余震的震源深度主要分布在5~10km,表明地震能量释放主要集中在这一深度范围内。     

地震动随机合成中与震源谱相关的动力学拐角频率

介绍了基于有限断层震源的地震动随机合成中静力学拐角频率和动力学拐角频率,讨论了两者的缺点;进而提出了一种改进的震源谱模型,它能够表达破裂面上地震波频率辐射不均匀性、大震时拐角频率随破裂面积增加而有所下降的趋势．据此,可以形成与该震源谱模型相关联的动力学拐角频率,应用于地震动的随机合成,避免结果对子源尺寸的依赖．通过对美国北岭Mw6.7地震近场6个基岩台站合成的地震动与实际记录的比较,验证了本文方法的有效性.      

用强震动观测资料估算2007年宁洱M_S6.4地震震源参数

通过对2007年6月3日宁洱M_S 6.4、M_S 5.1两次地震的强震动台站观测记录的谱分析,估算了两次地震的辐射能量、地震矩、矩震级等震源参数.结果表明,虽然对拐角频率、应力降等参数各台站的估算结果离散性较大,效果不甚理想,但利用近场强震动观测记录,可以对地震辐射能量、地震矩、矩震级3个参数作出较好的估计.     

河北文安Ms5.1地震前首都圈及邻区震源动力学参数时空变化特征

本文根据近震源条件下,由北京数字遥测地震台网观测到的波形资料,利用Brune模式,得到了2002年1月至2006年6月期间首都圈及邻近地区989次ML≥2.0地震的震源谱,测定了它们的拐角频率和零频幅值.通过相关计算公式,得到了破裂半径、地震矩、地震能量、应力降、视应力等震源动力学参数.分析了这些动力学参数的标度关系以...