震源破裂方式和断层性质对近场强地震动特征的影响

基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法,以1994年Northridge地震断层面上位错量的不均匀分布模式和该地区的地层剪切波速度结构为震源模型和计算模型,做了两个方面的模拟研究:(1)直立走滑断层(断层倾角为90°)情况下,模拟分析了有限断层单侧破裂模式和双侧破裂模式对强地震动特征——破裂方向性和上盘效应的影响;(2)对于倾斜断层(倾角为45°),模拟分析了正断层、逆断层和走滑断层情况下,单侧破裂模式对其强地震动主要特征——破裂方向性效应和上盘效应的影响.结果表明:断层的破裂方式直接影响着地表地震动峰值和矢量分布;在近场区无论直立断层还是倾斜断层,其地表地震动峰值分布所表达的破裂方向性效应显著,位于破裂传播前方的地震动强度大,反映了波前被压缩的趋势,破裂后方地震强度明显变小;倾斜断层引起的上盘效应明显,NS向分量和竖向分量的地表地震动峰值的最大值出现在上盘靠近断层迹线处,EW向分量的峰值在断层迹线两侧呈不对称分布,且逆断层引起的地震动峰值最大,走滑断层的次之,正断层的最小.     

基于多尺度分析方法的近断层地震动特性分析

近断层长周期地震动是一类较特殊的破坏性地震动.为了深入探讨近断层地震动的低频分量组成及其脉冲特性,基于小波理论中的多尺度分析方法提出了一种地震动分量分解方法,据此可将一条地震动分解成频率各不相同的多条分量.首先从频域、时域以及动态响应三个方面阐述了该分解方法的有效性和精确性.进而采用这种方法对近期12次大地震中的53条典型近断层地震动进行了分解,共获得266条地震动分量.分析了近断层地震动中的长周期分量随场地、断层距等影响因素的变化特征;再以卓越分量作为最大脉冲的简化模型,探讨了速度幅值和脉冲周期随震级、断层距的变化关系.结果表明：近断层长周期地震动主要由周期为0.2~2 s的分量组成;近断层土层场地地震动中的长周期分量比岩石场地多;在0~15 km的近断层区域,随断层距的增加,地震动中长周期分量的比重明显减小;卓越分量的速度幅值PGV_p约为原始地震动速度幅值PGV的0.6倍,且两者之间具有明显的线性关系;PGV_p随断层距的增大而减小,随震级的增大而增大;卓越分量周期T_p随震级的增大呈对数线性增大趋势.     

2016年8月24日意大利MW6.2地震近场地震动方向性效应

为研究2016年8月24日意大利中部M_W6.2地震的断层破裂方向性效应, 依据断层走向将强震动观测台站划分为SE和NW两组, 比较两组记录的地面峰值加速度PGA、 地面峰值速度PGV、 拟加速度反应谱PSA和重要持时D_SR. 结果显示: NW组观测到的PGA, PGV和PSA普遍大于SE组, PGA和PGV的观测值与预测值的残差随方位角变化明显; NW组观测到的D_SR值整体小于SE组, 由此推断此次地震存在明显的方向性效应． 在此基础上, 采用反演方法, 确定了该地震的震源为双向非对称破裂, 主破裂方向大约介于345°—360°之间, 主破裂长度约占整个破裂的70%—80%, 破裂速度为2.2—2.5 km/s, 反演结果印证了两组台站数据的地震动参数差异是由断层破裂方向效应所引起的．      

2021年漾濞地震序列破裂方向性研究

基于2021年云南漾濞M_S6.4地震序列的强震动记录,建立了地震动参数预测方程,采用破裂方向性效应拟合方法估计了强震动记录丰富且空间分布均匀的九次地震的震源破裂方向性特征.结果表明:其中的四次地震(1号、4号、8号、9号)表现出破裂方向性效应,且均为不均匀双侧破裂,但优势破裂方向不同(4号和8号为东南向,1号西北向,9号西南向),说明2021年漾濞地震序列的地震破裂较为复杂;由于主震(4号地震)的破裂速度较慢(约为2.2 km/s),其破裂方向性效应较弱且主要对峰值速度有影响,其它三次地震破裂方向性效应十分显著,破裂速度大于主震;此外,四次地震的破裂方向性效应还存在一定的周期相关性.     

台湾双冬断层近场脉冲型地震动的数值模拟

根据我国台湾地区西部的地质地貌特征和1999年集集M_W7.6地震的震源参数,建立了三维速度结构模型和两类震源模型。基于地壳中断层的位错积累量和岩石破裂后应力应变的传播特性,采用三维有限差分法对双冬断层活动可能产生的近场脉冲型地震动进行了模拟研究。结果表明:走滑断层垂直于断层走向的水平分量和逆断层垂直分量的峰值速度较大;由方向性效应所产生的双向速度脉冲主要集中在垂直于断层滑动分量方向,而由滑冲效应所产生的单向速度脉冲则主要集中在平行于断层滑动分量的方向;受方向性效应和上盘效应的共同制约,近场脉冲型地震动呈不对称带状分布,速度脉冲多分布在距离走滑断层迹线15 km和逆断层迹线10 km的范围内;速度反应谱在断层面的覆盖范围内沿破裂方向逐渐增大,且速度脉冲可能会对大型建筑物产生严重的剪切破坏。受凹凸体特性的影响,地震波场显示南投、台中和苗栗处于强地震动危险区。      

基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,并将此次地震中获取到的速度脉冲周期和幅值参数与Chi-Chi 地震和Northridge地震进行了比较,统计分析地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.研究表明:(1)汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点.速度脉冲周期主要分布在6~14 s之间,其中51MZQ台沿平行断层的分量脉冲周期最大为14.2 s,速度脉冲幅值与Chi-Chi 地震和Northridge地震相比明显偏小.(2) 速度脉冲记录出现在沿着地震断层破裂传播的方向上,且与地表断裂的距离都在30 km以内,这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起.(3)速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大,且随断层距增大有减小趋势.在矩震级小于M_w7.5时,观测到的地震动脉冲幅值为50~150 cm/s之间,与100 cm/s的典型断层滑动速率非常接近;而震级大于M_w7.5时,断层距10km范围内脉冲的幅值已经超过100 cm/s,个别记录的脉冲幅值甚至达到200 cm/s,远超过前人给出的饱和值,这可能与大的永久形变或该处土层介质条件有关.     

近断层地震动方向性效应及超剪切破裂研究

近断层地震动是造成近断层区工程结构破坏的重要因素,近断层地震动的特征受到诸多因素的影响,其中断层破裂传播的方向性是影响近断层地震动及其分布特征的关键因素之一。方向性效应的影响因素众多,比如断层破裂的速度、破裂的方向、断层的倾角、震源的深度、破裂的模式、破裂起始位置以及断层面上的局部震源参数等。但是这些参数是如何影响方向性效应的呢?特别是一般认为断层的破裂速度接近于剪切波传播速度时,会产生明显的方向性效应,但是当破裂速度超过剪切波传播速度时是否会产生方向性效应?如果存在,又会对近断层地震动的特征产生如何影响?为了回答这些问题,本研究首先分析了方向性效应的相关概念,接着采用数值方法模拟了各种震源相关参数的变化对方向性效应的影响,并且对模拟结果和实际近断层强地震动的方向性特征进行了分析,最后专门研究了地震破裂过程中的超剪切破裂现象及其对近断层地震动方向性效应的影响。研究时分别从地震动的加速度、速度和位移三方面,系统地分析了其三分量的峰值、频谱和持时特征,研究的主要内容和结论如下:     

直下型断层的破裂速度对盆地地震效应的影响

首先基于有限断层破裂下的运动学震源模型,对比验证了三维谱元法对于近场地震动的模拟精度。 进而通过含盆地模型与不含盆地的一维水平成层模型的地震动强度之间和放大系数分布特征之间的对比,详细研究了直下型断层的破裂速度对盆地地震效应的影响。结果表明,盆地的存在会显著改变近断层地震动的分布特征,同时盆地内不同分量强地震动的分布特征变化较大。断层破裂速度对盆地地震效应影响显著,随破裂速度的增大盆地地震动强度逐渐增加,但不同分量上地震动强度的增加速率显著不同,受盆地效应的影响,放大系数表现出与强地震动不同的分布特征。盆地放大系数整体表现出随破裂速度的增加而减小的趋势,但不同分量放大系数所受影响程度差异明显。同时,盆地内地震动强烈放大区域的位置也受破裂速度的显著影响,但其总体上集中在断层两侧区域及垂直于破裂方向的盆地边缘附近。      

近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应对隔震建筑结构抗震性能的影响

选择台湾集集地震和美国北岭地震的近断层地震动记录作为输入,考察了近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应引起的两种不同速度脉冲运动对单自由度体系和长周期橡胶支座隔震建筑结构抗震性能的影响.反应谱分析表明,破裂向前方向性与滑冲效应对工程结构地震响应的影响是随结构周期变化的.在中短周期段,含破裂向前方向性效应地震动的谱加速度值大于含滑冲效应地震动的谱加速度值;而在长周期段,含滑冲效应地震动的谱加速度大于含破裂向前方向性效应的谱加速度值.并且,与无脉冲地震动作用相比,含破裂向前方向性与滑冲效应脉冲的近断层地震动作用下隔震建筑的地震响应显著增大.滑冲效应引起的速度脉冲使隔震建筑底部的层间变形和楼层剪力明显增大,这意味着滑冲效应脉冲比向前方向性效应脉冲对长周期建筑结构的破坏更具危害性.     

汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析

受接收设备和记录数量的限制,对摇摆分量内在属性及参数的统计分析了解甚少。为揭示摇摆分量的工程特性,便于结构抗震分析合理选取地震动参数,基于“5·12”汶川8.0级地震的348条数据记录,对比分析平动分量和摇摆分量的幅值以及频谱和持时的空间分布特征和随断层距的衰减规律。研究表明:摇摆分量与平动分量相比,在数量上峰值小很多,能量持时稍小且特征周期偏大。摇摆分量参数的空间分布特征为峰值具有沿断层破裂传播方向的方向性效应,峰值比、特征周期、能量持时的方向性效应不明显;除特征周期外,峰值、峰值比和能量持时均存在上下盘效应,上盘大于下盘。随断层距的变化特征为摇摆分量参数与平动分量参数的规律性一致,均表现为随断层距的增大,峰值减小,峰值比、特征周期和能量持时增加。     

集集地震近断层速度脉冲分析

初步分析了近断层速度脉冲的成因和特点,主要包括方向性效应、滑冲效应和上盘效应,并通过集集地震中27个近断层强震台的脉冲记录分析了断层破裂方向和滑移大小对地面运动峰值速度的影响。采用最小二乘法对速度脉冲的分布范围进行了回归分析,大于50 cm/s的速度脉冲主要聚集在断层距为10 km的近断层区域。对不同区域的三分量平均速度反应谱进行统计分析,表明近断层脉冲型地震动具有较大的特征周期和谱值,其中在垂直于断层走向的水平分量上尤为显著,这与断层剪切位错辐射效应的特征基本相符。针对脉冲型地震造成近断层地质灾害频发的现象,由共振效应分析了速度脉冲对边坡岩体的影响。近断层速度脉冲的研究可能对防震减灾、地震预警、震害评估有一定的参考意义。     

汶川地震中强震持时的特征研究

基于汶川地震断层距150 km内56个台站三分量加速度记录分析地震动重要持时的特征,并建立了持时与断层距的拟合关系。与已建立的持时公式比较,以往分析结果都大大低估了汶川地震动持时。近断层特征对地震动持时有显著影响。断层距小于30 km,上盘和下盘场点的持时明显低于平均水平;断层距大于30 km,地震动持时受到下盘效应的影响,持时较长。破裂方向性效应引起地震动持时在垂直断层方向与水平方向上的差异,同时断层破裂前方向场点的地震动持时较短,比破裂后方向场点的持时小近一倍。     

复杂场地条件下震源参数对断层附近长周期地震动的影响

基于显式有限元方法和运动学震源模型并利用昆明盆地三维地下构造模型,本文研究了震源参数对断层附近长周期地震动的影响.结果表明,断层的破裂方式、埋藏深度、破裂速度以及断层面上位错的不均匀分布对断层附近长周期地震动有重要影响.不同破裂方式下,破裂的方向性强的区域分布不同,由于破裂的方向性效应和复杂场地条件的共同作用,导致不同破裂方式的断层附近地震动分布差别很大.随着破裂速度的增加,方向性效应更加明显,断层附近的长周期地震动也随之增大;对于浅源地震,随着断层埋深的增加,地震动明显下降.对于埋藏深度很浅的断层,当Asperity靠近断层上沿时,会显著增大其在地表投影附近的长周期地震动.能否合理地估计这些基本震源参数,是预测未来发震断层周围地震动场的关键.     

断层附近地面地震动空间分布

运用震源位错模型, 分析矩形垂直断层及倾斜断层走向滑动和倾向滑动的近场地震动场，以地表地震动的傅立叶振幅谱比为参量考察断层附近地震动空间分布的特点. 结果表明, 断层附近的地震动强度主要受近旁子断层的控制，高强度的地震动分布在紧靠断层两侧有限的带状区域内，长周期分量受断层破裂传播方向性的影响. 走向滑动的方向性影响主要表现在垂直于断层走向的分量，倾向滑动则表现在平行于断层走向的分量，且深震在地面上引起的地震动强度分布比浅震要平缓，影响范围宽. 倾斜断层产生的地震动有明显的上盘效应，空间分布不对称，与观测结果相符. 最后给出了断层附近近场地震动强度分布拟合函数的表达式，并与美国的1997统一建筑规范规定的近场因子作了比较.      

2016年新西兰Kaikoura M_w7.8地震动参数分布特征研究

2016年11月13日发生在新西兰的M_w7.8地震是一起由多个破裂组成的复杂地震事件,地震持续时间长,滑移速率慢,辐射能少,使得整体的加速度峰值偏小。结合断层的滑移分布,对记录到的强地面运动进行分析发现,地震的影响范围主要集中在南岛东北部,具有很明显的方向性效应,断层沿着震中向东北方向进行滑动,在东西两侧的影响较小,沿断层滑动方向上地震动峰值大,CAV和Arias烈度也主要分布在沿着断层破裂方向上,具有两个明显峰值区,这和断层滑移量分布相一致,在断层滑移量影响范围外,Arias烈度和CAV迅速衰减到零,最大值都集中在最大破裂所在的WDFS台站附近。结合地震动预测方程进行分析发现,在100 km以内,地震动预测方程与PGA有较好的对应关系,但随着断层距的增加,在100 km以上,观测值逐渐低于地震动预测方程。综合研究表明,地震动参数主要受到断层滑移量和断层距的影响,且滑移量的影响要大于断层距的影响。     

芦山7.0级地震近断层地震动的方向性

基于芦山7.0级地震中断层距小于100 km自由场台站的强震动记录观测数据,研究此次地震近断层地震动的方向性特性,并探讨方向性特性与震源破裂机制、断层距离和空间方位的关系.研究结果表明：（1）与距断层较远记录不同,近断层地震动在不同的观测方向上表现出显著的强度差异,存在明显的极大和极小作用方向.在不同的方向上,最大加速度反应可达最小值的4倍以上;（2）这种方向性差异在T=1.0 s以上的长周期段更为明显,在T=0.1 s以下的短周期段,地震动随方向变化的差异较小.地震动强度随方向变化的差异随周期增大而增大,不同方向上的加速度反应谱值的最大值与最小值之比从周期T=0.01 s时的约1.7增大到周期T=10 s时的约2.4;（3）在距离断层约35 km以内,地震动具有明显方向性,地震动卓越方向具有垂直断层走向的特征,随断层距的增大,这种方向性不明显.从不同方向上地震动强度的差异来看,随断层距增大,地震动强度在不同方向上的差异在减小,表现为各个周期的最大值/中值和最大值/最小值比值均随断层距离增大缓慢减小;（4）近断层地震动的方向性特性主要受断层上、下盘的相对运动所控制,其在长周期的卓越方向与水平同震位移方向一致,且该卓越方向上的地震动强度绝对大小与地震破裂造成的静态位移明显相关,表现为地震动强度随水平同震位移的增大而增大.     

近断层地震动双规准伪速度谱及其应用

具有向前方向性效应特征的地震动与普通远场地震动存在明显差异. 作者曾尝试结合简单脉冲和近断层地震动参数衰减关系提出此类地震动的设计谱模型. 为进一步检验所提出设计谱的适用性，分析了53条典型近断层方向性效应地震动的伪速度谱、 规准伪速度谱和双规准伪速度谱，发现方向性效应地震动的双规准伪速度谱在土层和岩石场地上具有差别明显, 且离散性小的特点.考虑场地条件的影响, 基于双规准伪速度谱预测了近断层方向性效应地震动的设计谱， 并与此前的研究结果进行了对比. 结果表明, 场地条件对于近断层方向性效应地震动影响显著；位于近断层岩石场地的建筑结构, 尤其是中、短振动周期结构， 可能比土层场地更易于遭受破坏. 最后, 提出了用于近断层结构抗震分析的简单脉冲模型的建议.       

2018年2月6日花莲M_W6.4地震近场地震动方向性效应

利用中国台湾省内222个强震动台站以及Palert地震预警系统520个台站所观测的三分量加速度记录,研究此次花莲M_W6.4地震近场强地震动空间分布和衰减特征,将观测结果与美国NGA-West2地震动经验预测模型进行对比,揭示此次台湾花莲地震近场地震动的长周期特点,基于回归残差分析研究地震动峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)和不同周期地震动的空间分布差异,定量考察近场地震动的方向性效应.研究结果表明:(1)整体上此次地震的近场PGV观测值和周期1.0s以上的长周期加速度谱值与美国NGA-West2地震动预测模型结果接近,PGA观测值和周期小于1.0s的加速度反应谱略低于预测模型结果.从空间分布来看,周期1.0s以上的长周期地震动在断层的不同方位有系统性差异,在破裂传播前方(震中西南方位),周期大于1.0s时的反应谱明显高于美国NGA-West2地震动经验预测模型,在破裂传播后方(震中东北方位),周期大于1.0s时的反应谱低于经验预测模型,表明此次地震近场地震动具有显著的方向性效应.(2)破裂传播的方向性效应主要影响周期超过1.0s的长周期,而对PGA以及周期小于1.0s的短周期地震动影响较弱.在破裂传播前方,周期1.0～10.0s的加速度反应谱值被增强到整体观测平均水平的1.16～1.52倍;在破裂传播后方,周期1.0～10.0s的加速度反应谱值被减弱到整体观测平均水平的0.36～0.70倍.(3)此次地震破裂方向性效应的影响表现出明显的窄带效应,破裂方向性的影响(包括破裂传播前方的增强作用和破裂传播后方的减弱作用)在周期T=3.0s时达到最大,在该周期破裂传播前方的增强系数为1.52,破裂传播后方的减弱系数为0.36.从周期T=3.0s到10.0s,破裂方向性效应的影响随周期增大总体上呈减弱趋势,这与2016年日本熊本M_W7.0地震破裂方向性效应的影响特点显著不同.     

2016年10月30日意大利MW6.6地震破裂方向性效应对地震动参数的影响

2016年10月30日意大利中部发生了M_W6.6地震,这是继8月24日M_W6.2地震后的又一次浅源破坏性地震,意大利国家强震台网在此次地震中获得了丰富的强震动三分向加速度记录。本文从工程强震动数据中心下载了三分向加速度记录,经基线校正和滤波等常规数据处理后发现,强震动体现出明显的方向性效应。根据震源机制解将强震动台站分为破裂前方区域的NW组和破裂后方区域的SE组,采用最小二乘法回归了不同分组的地震动峰值加速度、反应谱和持时的衰减规律,得出断层破裂方向性对地震动参数的幅值影响较大,在断层距相同的情况下,破裂前方区域的加速度和加速度反应谱幅值均高于破裂后方区域,而破裂前方区域的地震动持时远小于破裂后方区域,破裂方向性显著。      

近断层速度脉冲地震动的三维有限差分模拟

根据台湾西部地质地貌特征和1999年集集M_W7.6地震的研究成果,建立三维速度结构模型和震源模型,并采用三维有限差分法对双冬断层可能产生的近断层脉冲型地震动进行数值模拟。结果表明,方向性效应引起的双向速度脉冲集中在垂直于断层滑动分量的方向上,而滑冲效应引起的单向速度脉冲则集中在平行于断层滑动分量的方向上。受方向性效应和上盘效应的共同调制,近断层脉冲型地震动反映出不对称带状分布的特征,速度脉冲主要分布在距离断层面约10 km的范围内。凹凸体的特性影响着地震动的时空分布,由地震波场显示南投和台中处于强地震动危险区。近场脉冲型地震动的研究对分析速度脉冲形成机理以及地震危险性有一定的参考意义。