三维竖向断层场地对地面运动的影响

实际工程场地中的断层通常具有三维尺寸,应进行三维分析。本文考虑均匀弹性半空间内存在不同长度、深度的三维断层,由下向上垂直入射一个脉冲波,主要采用三维时域显式有限元结合透射人工边界的方法及相应编写的三维显示有限元波动程序DSI3,计算断层附近地震地面运动的时程反应,研究含有三维断层场地地面运动的一些特点,并与自由场反应对比,以说明三维竖向断层对地震波传播的特点和对断层附近地面运动的影响。     

断层破裂面倾角变化对断陷盆地强地面运动的影响

地震事件中,断层破裂面的倾角大小直接影响到地表强地震动的分布状态,尤其在断陷盆地中,强地面运动特征还可能受到盆地结构及盆地内多条围限断层的影响.本文模拟了银川断陷盆地内的活动断层--银川隐伏断层南段发生M_w6.5特征地震时,断层破裂面倾角在30°~85°范围内变化时引起的强地面运动,探讨了断层破裂面倾角变化对盆地内强地面运动分布特征和强度的影响.结果表明:破裂面倾角较缓时,银川盆地内的强地面运动分布区域不仅仅决定于发震断层的产状,同时还受到断层上盘距离最近的芦花台断层的影响,致使强地面运动集中于两条断层所围限的区域;随着发震断层破裂面的倾角逐渐增大,强地面运动以发震断层产状的影响为主,强震集中区向发震断层靠近并分布于发震断层上盘,且沿断层走向方向出现了强度不同的地震动反射区;尤其是发震断层破裂面倾角接近垂直时,受银川盆地"西陡东缓"结构和盆地西边界贺兰山东麓断裂反射作用的影响,竖向地震动反射区强度在远离发震断层的西北方向明显增大,致使芦花台断层附近区域与银川断层南段上盘区域成为地震发生时可能遭受震害最严重的地区.本文探讨结果提醒我们在类似区域的活动断层附近进行建(构)筑规划和地震工程设计时,有必要考虑发震断层破裂面倾角大小和盆地内其它断层构造的共同影响,综合评价潜在地震对盆地内近断层地表及各类建(构)筑物的危害性.     

断层破裂方式对银川盆地强地面运动的影响

银川盆地是受断层控制的断陷性盆地,边缘和内部发育了多条断裂带,特别是其内部晚更新世-全新世活动的银川隐伏断层可能对银川市的建设规划和抗震设防影响较大.为了研究银川隐伏断层活动对银川盆地强地面运动特征的影响,本文以银川隐伏活动断层作为目标断层,模拟了断层发生Mw6.5特征地震时,在单侧破裂和双侧破裂两种方式下,银川盆地的强地面运动分布特征.分析结果表明在两种破裂方式下,盆地内强地面运动表现出不同形态的地震条带状分布特征和上盘效应;同时受到银川盆地边缘断裂"西陡东缓"构造特征的影响,地表强地震动分布和断层附近观测点的时程也呈现出独特的盆地边界反射作用.在单侧破裂和双侧破裂两种模式下,近场强地面运动集中区总体上呈现北强南弱的现象,银川市及附近的芦花台等地区是强地面运动分布的主要区域.     

某正倾滑断层引起的近断层强地面运动的有限元数值模拟

本文使用与文献[1]相同的数值模拟方法,预测了某城市设定矩震级为MW=6.75的活断层产生的近断层强地面运动。主要定性计算结果是:正倾滑断层(倾角δ=75°)产生的近断层强地面运动也不同程度地存在上盘效应、F ling Step效应、速度大脉冲效应和竖向效应。表明本文采用的震源模型和计算方法可以实际应用于预测城市近断层强地面运动影响场。     

1999年台湾集集大地震强地面运动的模拟

利用有限断层模型对1999年台湾集集大地震所产生的近场强地面运动进行了数值模拟,尝试了将具有明确物理意义的震源动力模型的研究结果应用于描述震源过程。计算结果显示,基岩台或接近工程基岩台的计算模拟记录同观测记录符合得很好。进一步研究表明,当综合考虑场地效应对地震动影响时,模拟计算结果得到了明显的改善,同实际观测记录更为相符。本文的研究结果说明,为了科学合理地预测大地震所产生的强地面运动,应综合考虑影响地震所产生的地面运动的"三要素",即:震源过程、传播路径及场地效应。     

考虑地形起伏和障碍体破裂的汶川地震强地面运动数值模拟

2008年5月12日四川汶川地区发生M_W7.9地震,震中位置103.4°E,31.06°N.这次地震造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域建筑物的严重破坏和人员的重大伤亡,且因为高山等地形复杂区域抢险救灾的艰巨性,为及时救援造成很大干扰.为更好理解地形因素对于强地面数值模拟结果的影响,建立了包含地形起伏影响及去除地形影响的两类模型.同时,依据震源破裂过程运动学反演结果,建立了包含障碍体破裂过程的震源滑动模型,实现断层分段、空间倾角以及滑移角的动态设定.基于动力学的地震动模拟方法,通过对地震波传播过程的数值计算和后处理分析,模拟由地震激发的区域强地面运动过程.结果显示：（1）强震动台站的断层距对地形效应具有放大或抑制作用,距离断层破裂带越近,地形效应越明显,反之,距离越远,则地形效应越微弱;（2）因为地形高差与障碍体的影响,地震造成的峰值可能出现在震中区域之外;（3）考虑地形影响模型的地表峰值速度（PGV）区域位于汶川与北川附近;而未考虑地形影响模型的PGV区域位于灌县—江油断层的后半段,处清平、安县附近;对汶川地震近实时强地面运动波场的模拟、峰值图谱的圈定及未来大地震强地面运动特征的预测都有重要指示意义.     

根据动力学模式进行的三维近场强地面运动的模拟

使用三维有限差分法模拟了由浅走滑断层破裂过程产生的强地面运动。此破裂过程是用一种具有固定破裂速度的裂纹模式来模拟的。还研究了与断层位置和震源参数（像应力降或破裂速度）相关的峰值地动速度图象的变化。我们的发现表明，这些图象受到破裂方向和断层或凹凸体最上部所在深度的强烈影响。当断层突破地下时，平行于断层的高峰值地动速度分量所在的区域距断层迹线有一段与断层深度相当的距离。另一方面，垂直于断层的峰值地动速度则是沿断层迹线最大。断层长度（或凹凸体长度）对峰值地动速度并无太大影响。对有关应力降和破裂速度的非均匀性对强地面运动的影响也作了研究。当应力降不均匀且在最浅的深度处从震开始线性增加时，峰值地运速度减小。这些结果有助于更好地预测由有潜在的危险断层所产生的强地面运动。     

中国强地面运动研究进展

简要总结了近年来我国在强地面运动资料的处理、近断层地面运动的影响因素、强地面运动的模拟和宽频带反应谱等方面的研究工作．同时，回顾与展望了我国在强地面运动研究方面的国际合作进展．      

近断层地震作用隔震结构研究现状综述

总结了近年来国内外学者对速度脉冲、竖向地震动和上下盘效应等近断层地震动特性的研究成果,综述了近断层地震作用下隔震结构动力响应的研究现状。对当前近断层隔震结构地震响应研究和抗震设计中存在的问题进行了简要分析,指出考虑近断层的速度脉冲效应、竖向地震动特性和地面运动不一致性以及结构P-Δ效应等因素影响,将成为隔震结构动力反应分析和结构抗震设计新的研究方向。     

汶川8.0级特大地震的断裂特性与强地面运动的关系

2008年汶川8级地震的发震构造是高角度铲形逆冲断层,伴随这种类型地震的远近场强地面运动在中国是第1次被记录到。综合汶川地震发震构造、破裂过程和强地面运动峰值加速度的资料,探讨高角度铲形逆冲断裂作用与强地面运动的关系。结果显示,龙门山断裂带内强地面运动峰值加速度明显大于断裂带外的台站,前者可达后者的2倍多。同时,该地震强地面运动具有很大的垂直分量,近断层垂直分量大于水平分量。结合远场资料,发现龙门山断裂带上盘峰值加速度垂直分量总体上大于下盘,上盘垂直分量的衰减比下盘慢。不考虑远场的高值异常,水平分量似乎也存在上盘效应,但目前无证据表明这些异常应该被剔除。另外,远场地面运动特征显示,相对于反方向,沿同震断层扩展方向(NNE)的峰值加速度水平分量衰减较慢,垂直分量的这种方向效应不明显。考虑到汶川地震破裂浅、断面陡和以垂直形变为主这3个显著的同震构造特性,近场和远场地面运动记录反映出位错类型和台站的实际断层距的控制作用。正因为汶川地震高角度铲形逆冲断裂结构的特殊性,导致其地面运动与普通逆断型地震强地面运动的同震效应在某些分量上相同,其他分量存在差异。     

埋藏基岩断裂对地震波动影响的超声模拟研究

地球表层的地质构造对地震波动有不容忽视的影响，研究其规律，对于探查地壳结构乃至了解地球表层动力学特征具有重要意义。应用超声模拟方法，从基岩断裂对波传播和波场分布的影响以及基岩断裂倾向对地表地震动频率的影响三个方面研究了埋藏基岩断裂对地震波动的影响，揭示了一系列现象和规律。     

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.      

不同倾角断层对场地动力放大效应的分析

一般认为断层有一定的隔震作用,但是也有不少震害表明断层附近的破坏反而比较严重。为探讨其中机理,采用有限元方法分别建立包含不同倾角无厚度断层的场地模型,并分析了在各种频率入射波的作用下该场地的动力反应。计算结果表明,断层对场地的动力反应有一定的放大作用,特别是当入射波的频率与场地的基频接近时,放大效应更为明显。计算结果还表明,断层的倾角对场地的动力反应也有影响,随着断层倾角的减小,断层出露点附近的动力放大效应增大。     

逆断层地震作用下三维沉积盆地地震动谱元法模拟

近断层地震动对近场区域会造成严重的地震灾害,尤其区域内存在沉积地形时会进一步加重灾害。目前,针对释放能量更大、破坏力更强的逆冲断层地震作用下沉积盆地的地震动响应研究还未见报道。本文即采用谱元法,研究了动力学逆断层地震作用下的三维沉积盆地的动力响应。文中以椭球形沉积盆地为例,对其逆断层地震动响应特性进行了分析,并探讨了改变内外介质波速比和沉积厚度时沉积盆地内部观测点地震动时程和峰值变化规律。研究表明:①沉积内外介质波速比对沉积盆地的地震动影响显著,当沉积内部介质波速比降低时,盆地内部地表的峰值响应增大,地震动持续时间明显延长,尤其是位于盆地中心加速度峰值放大2.08倍,持时延长1.97倍;②沉积盆地厚度同样对其地震动响应产生影响,当沉积厚度增加时盆地中心位置地震动响应减小,加速度峰值缩小约0.64倍,而盆地边缘区域的地震动响应明显增大,峰值放大约1.35倍。      

断层几何形态和自发破裂的动力学参数对地震波场的影响

断层的自发破裂及其产生的地震波场是地震学研究的重要内容.断层几何形态和自发破裂过程中的动力学参数不同,往往会导致不同的震源破裂过程,进而对地震波场产生显著的影响.本文基于不同几何形态的断层上的自发破裂过程,通过计算研究其产生的地震波场的特征.针对弯折和分叉的断层系统,我们考察了初始成核区位置以及超剪切破裂对于地震波场的...     

SV波全反射作用下地震动的合成及振动特性

越来越多的研究表明来自基岩的地震波并不是垂直地面向上传播的。地震波在斜入射与垂直入射时所产生的场地效应有很大不同,由于存在全反射现象,SV波在斜入射时产生的场地效应更为复杂。文章基于均匀弹性半空间地震波传播理论,分别推导得到SV波入射角在小于、大于等于临界角时地震动的计算表达式,通过模型算例研究SV波全反射作用下的地震动特性。研究发现：由SV波产生的地震动主要由入射波和反射波构成,滑行波作用可以忽略;地面运动轨迹具有面波旋转振动特点;随着入射角的增大,地面震动从以水平方向振动为主逐渐过渡到以垂直方向振动为主,两个方向的振动均小于入射波峰值的2倍。     

2014年2月12日M_w6.9于田地震震源破裂过程及对周围断层的应力影响

2014年2月12日,在新疆于田县发生了里氏7.3级地震.在该地震震中附近,前人研究证明发育了大量规模不同的活动断层(如康西瓦断裂与贡嘎错断裂等).根据地震触发理论,地震发生后因地壳同震变形会导致其周边不同性质断裂破裂应力发生变化,进而影响其地震的潜在危险性.本文利用地震远场波形记录,反演了该地震滑动模型.之后,根据弹性无限半空间位错理论,计算了该地震在近场范围内活动断裂上的同震应力变化.其目的在于讨论于田地震引起的附近断裂上的库仑应力变化以及这些活动断裂可能潜在的地震危险性.在地震发生后,从国际地震学联合会(IRIS)地震数据中心,下载了震中距离介于30°~90°的地震远场波形记录,为保证台站方位角分布均匀,从中挑选了27个不同方位角的高信噪比地震记录参与理论地震图的生成和波形反演过程.我们采用广义射线理论计算生成远场理论地震波形数据.每个子断层参数的反演则利用基于全局化反演的快速模拟退火反演方法.在有限断层反演过程中,我们采用了强调波形拟合的相关误差函数作为待反演的目标函数,拟合的断层参数使目标函数为最小.之后,根据弹性无限半空间位错理论,以库仑破裂准则为基础,结合反演得到的地震震源机制解和地震位错模型,计算该地震引起的近场断层面上库仑应力的变化.由远场波形计算结果可以看到,于田地震的震源深度为10km,地震断层的倾角约71.9°,破裂面上最大的同震位移达到210cm,以左旋走滑为主并具有正倾滑分量,地震能量主要在前15s内释放.由此得到该地震的地震矩为2.91×1019 N·m,地震震级为Mw6.9.于田地震引发的余震,大致分布在三个区域内:普鲁断裂北部、康西瓦断裂东部和贡嘎错断裂中部.弹性应力计算结果表明,于田地震导致阿尔金断裂西段、普鲁断裂中段、康西瓦断裂东段和贡嘎错断裂中段的静态库仑应力明显增加,其中以康西瓦断裂东段和贡嘎错断裂中段应力增量为最大,分别达到了0.05 MPa和0.04 MPa.大量研究证明,当地震所导致的库仑应力变化大于0.01 MPa时将具有明显的地震触发作用.根据本文结果,2014年于田Mw6.9地震使普鲁断裂、贡嘎错断裂和康西瓦断裂上的库仑应力增量均超过了触发阈值,具有被触发出地震的潜在危险.因此,在以后的地震学研究中,应加强对该三条断裂地震危险性的研究和监测.此外,近6年以来,研究区域发生了3次6级以上的地震.这些地震均沿着贡嘎错断裂,由南西向北东迁移,逐步靠近阿尔金断裂,并且逐渐由正倾滑型地震转变为走滑型地震.阿尔金断裂的走滑速率达到了9mm·a-1,所以,尽管本次地震导致的阿尔金断裂库仑应力增量小于0.01 MPa,阿尔金的地震危险性也应该加强监测.     

Effect of seismic super-shear rupture on the directivity of ground motion acceleration

The effect of seismic super-shear rupture on the directivity of ground motions using simulated accelerations of a vertical strike-slip fault model is the topic of this study. The discrete wave number/finite element method was adopted to calculate the ground motion in the horizontal layered half space. An analysis of peak ground acceleration （PGA） indicates that similar to the sub-shear situation, directivity also exists in the super-shear situation. However, there are some differences as tbllows： （1） The PGA of the fault-normal component decreases with super-shear velocity, and the areas that were significantly affected by directivity in the PGA field changed from a cone-shaped region in the forward direction in a sub-shear situation to a limited near-fault region in a super-shear situation. （2） The PGA of the fault-parallel and vertical component is not as sensitive as the fault-normal component to the increasing super-shear velocity. （3） The PGA of the fault-normal component is not always greater than the fault-parallel component when the rupture velocity exceeds the shear wave velocity.