断层滑动分布反演及实时校正场地放大系数研究

正十五期间,我国累计部署约2 000个强震动台站,台站分布密度增加,观测技术得到很大发展。我国即将实施"国家地震预警与烈度速报工程"建设,建成后台网台间距将达到20—40 km,资料能够快速获取。但强震动数据在滑动分布反演方面尚未应用于地震应急和灾害评估中。强震动数据大量应用于实时或者近实时地震动预测系统中,在实时场地放大系数研究方面,现有研究大多利用标量值来表征场地放大系数,缺少实时校正依赖于频率的场地放大系数的研究,期望通过研究改进实现在地震应急与地震动预测中发挥重要作用。本文围绕强震动数据深入应用于断层滑动分布反演和地震动预测方面,主要研究了快速基线校正获取可靠永久位移的方法、利用近场位移进行快速滑动分布反演、实时校正依赖于频率的场地放大系数3个方面的内容。论文主要取得了以下认识和成果:(1)分析了强震动记录基线漂移的原因,总结了国内外提出的基线校正方法,针对现有基线校正方法自动化程度低,难以快速获取近场位移的问题,改进和完善了自动基线校正方法,形成了针对国内外多种强震动仪器记录数据进行快速处理获取永久位移的能力,并利用改进的基线校正方法对不同强震动台网的强震动数据进行处理,并与附近GPS台站记录的位移对比,验证了计算结果的可靠性。研究显示改进的方法能够获得近场专业强震动仪记录到的强震动记录的永久位移,同时也检测到P-alert台网近场永久位移偏离严重,显示大地震发生时MEMS传感器记录强震动数据可能难以恢复可靠近场永久位移。(2)总结了均匀半空间和水平成层半空间的同震位错理论和反演理论及方法。利用台湾CWB和NCREE强震动台网记录到的近场永久位移数据、GPS数据、 Sentinel-1A和ALOS-2In SAR数据基于单断层模型和双断层模型分别反演与联合反演得到了美浓地震滑动分布结果,对比分析不同模型下反演结果,显示本次地震单一发震断层模型结果更加合理。研究显示地震以倾滑为主,主要滑动破裂集中在9—15 km之间,并没有延伸到地表,破裂主要发生在震中西北区域,近地表最大滑动量为0.95 m,最终矩震级为6.29,平均应力降为1.21 MPa,最大应力降为6.31 MPa。(3)利用日本F-net测震数据基于考虑震源时间函数效应的矩张量反演方法反演得到了熊本主震的震源机制解。利用日本K-net和Kik-net强震动台网记录的近场永久位移、ALOS-2In SAR数据、Geonet位移数据分别建立单一断层和分段式断层模型进行滑动分布单独反演与联合反演研究,显示分段式断层模型结果更加合理,滑动分布主要在震中东北方10—30 km间,同时震中附近具有较大的滑动量,破裂延伸到地表,分段1断层模型平均滑动量为2.19 m,最大滑动量6.00 m,平均应力降19.66 MPa,最大应力降90.75 MPa。分段2断层模型平均滑动量约1.48 m,最大滑动量为4.00 m,平均应力降为15.72 MPa,最大应力降为116.62 MPa,矩震级为7.04,破裂过程在阿苏火山西南段结束。基于K-net和Kik-net快速获取的永久位移反演滑动分布结果和基于Geonet GPS位移数据、Sentinel-1A In SAR形变数据反演得到滑动分布结果都比较一致而且可靠,研究显示大震后利用高密度强震动台网后快速获取滑动分布用于震后应急响应和灾害评估是切实可行的。(4)系统总结了国内外场地放大系数校正研究现状,显示利用标量数值来校正场地放大系数的方法不能产生依赖于频率的放大系数,因此,研究实时校正依赖于频率的场地放大系数,设计因果递归无限脉冲响应滤波器(IIR)来建模场地放大系数,完成了软件实现。收集了Kiknet IBRH10与IBRH19两个台站208次地震的强震动记录,利用谱比法得到了井下台站和地面台站之间的相对场地放大系数,设计IIR滤波器对井下观测数据滤波模拟得到了自由地表地震动。利用谱比法计算IBRH10和IBRH19两个台站间的相对谱比,设计因果递归滤波器实现场地放大系数,模拟得到了IBRH10台的加速度时程和傅里叶谱。统计分析所有观测数据和模拟数据的仪器地震烈度,发现预测准确程度有较大提高。本方法很好的改进了加速度时程和仪器地震烈度的预测。为场地放大系数的实时校正提供了一种比较准确的计算方法。(5)以熊本地震为例,基于联合反演滑动分布结果,利用随机有限断层方法模拟得到了熊本地震KMMH12台站与KMMH13台站的基岩加速度时程,提出将IIR方法引入到随机有限断层地震动模拟。通过熊本地震两个台站从井下到地表的模拟和自由地表台站之间的模拟,均取得了较好的模拟结果,验证了方法的有效性。将相关工作结合起来,对更加准确的预测地震动场有重要的支持作用。     

渭河盆地中土层场地对地震动的放大作用

土层场地对地震动的影响较大,建(构)筑物的选址及其抗震设防必须考虑土层场地的放大作用,以避免或减轻其震害.汶川地震中,布设在渭河盆地中的数字强震动台网共有27个台站(包括2个基岩台站和25个土层台站)获得良好的主震加速度时程.利用这些加速度时程,选择汤峪台做为参考场地,基于考虑几何衰减的传统谱比法分析研究了25个土层场...     

场地地震动水平/竖向谱比与地表/基底谱比差异及修正水平/竖向谱比法研究

局部场地条件是决定场地地震动强度和频谱的重要因素，基于强震动和脉动记录的统计分析，获取表征场地条件影响的特征参数已成为确定工程场地设计地震动的较经济和实用方法，特别是对于大范围或难以开展现场勘测的工程场地。利用日本KiK-net台网强震动记录计算分析了台站场地地震动水平/竖向谱比（HVSR）与地表/基底谱比（SBSR）的差异，揭示SBSR/HVSR与HVSR呈对数线性分布的统计特征，并给出其定量关系，据此提出表征场地对地震动影响的修正水平/竖向谱比法。修正水平/竖向谱比法具有仅需地表观测记录的优势，并进一步考虑了场地竖向地震效应对水平/竖向谱比法精度的影响，更能合理地表征场地对地震动的影响。     

基于谱比法的江苏强震动台站场地特征分析

选取江苏省强震动台网近年来获得的强震动记录,基于水平竖向谱比法(HVSR),计算了22个强震动台站的速度反应谱平均谱比曲线,采用谱比形状一致法进行场地分类,并结合典型台站场地的工程地质资料进行对比分析。研究结果表明,平均谱比曲线的卓越周期、场地放大等特征与台站场地地质资料相吻合,与传统场地分类方法相比,基于谱比法的场地特征分类方法能够突出不同场地的地震动反应特征,较好地体现了台站的场地反应特征。     

利用宁洱地震强震记录分析场地响应

采用Nakamura方法,利用2007年6月3日宁洱地震强震动记录S波资料和脉动观测资料,计算了宁洱震区一些强震动台的场地响应.结果表明,当台站场地为基岩或覆盖层较薄时,由脉动数据和S波数据分别计算的谱比曲线一致性很好.当覆盖层大于35 m的时候,两者的谱比值有差异,即用S波计算的场地放大响应要明显大于用脉动计算的场地响应.     

2018年2月12日河北永清4.3级地震强震动记录分析

2018年2月12日河北省廊坊市永清县发生4.3级地震,震中位于廊固凹陷内的河西务断裂附近,国家强震动台网中心获取74组强震动记录,本文对触发台站进行场地分类,结果显示大部分为Ⅰ类场地(51.35%),其次为Ⅱ类场地(35.14%)和Ⅲ类场地(13.51%)。根据5个典型台站加速度时程记录及反应谱分析本次地震强震动特征,并对各台站峰值加速度反应谱与方位角和震中距的关系进行分析。采用克里格插值方法绘制地震仪器烈度分布图,由于台站分布不均,导致极震区附近烈度影响场计算缺值现象,本文通过拟合本次地震强震动记录得到该地区地震动衰减关系,在空白区域建立空间随机假设台站进行补点插值,解决了计算缺值问题,为缺少台站记录的震区提供准确快速制作烈度分布图的思路,为震害调查和地震应急救援提供重要依据。     

汶川地震远场地震动场地相关性与分析方法评价

为考查远场地震动的场地相关性并评价一些场地特性分析方法的适用性,采用不同方法对汶川地震山东省12个远场台站的强震记录进行了分析.选取台站分别位于按建筑抗震设计规范(CBC)场地划分中的Ⅰ—Ⅲ类场地上.地震动记录的分析方法包括傅里叶幅值谱法,地震反应谱法,水平与竖向谱比率法,参考点谱比率法,以及尾波分析等.结果表明,按傅里叶幅值谱法,地震反应谱法,水平与竖向谱比法计算得到的卓越周期均远大于台站场地的卓越周期,不同方法得到的结果之间也有较大差别,且主要反映长周期地震动的卓越频率;参考点谱比率法的结果未反映地震动的卓越周期,也与场地的卓越周期差别较大;对完整记录尾波分析所得的结果比较接近场地的卓越周期.希望本文能为考虑远场地震作用时设计谱的建立,以及场地特性估计时地震动分析方法的选取提供参考依据.     

2020年7月12日唐山古冶5.1级地震揭示的北京城区地震动场地效应分析

局部场地条件对地震动特性影响显著,深厚的软弱覆盖层引起的地震动场地效应会显著放大中长周期反应谱。采用谱比法,对2020年7月12日唐山古冶5.1级地震中获得的部分强震动记录进行统计,发现在本次地震中北京城区的地震动场地效应显著,深厚覆盖层明显放大了加速度反应谱,在T=1.2 s左右反应谱放大倍数可达4.0,说明北京地区的场地和盆地效应使得远场地震动的中长周期成分显著放大。此外,发现参考基岩场地记录是否与土层场地处遭受的基岩地震动一致,仍然是制约统计结果可靠性的关键因素。      

汶川地震汉源县城高烈度异常区基岩地震动输入

合理的地震动输入是定量解释震害和烈度异常的基础.以汉源老县城震害为评价基准,确定了汉源老县城高烈度异常区的汶川地震基岩地震动输入.基于汉源老县城周边的九襄、清溪、宜东和乌斯河4个强震台站记录,采用LSSRLI-1程序反演给出了各自台站的水平向基岩地震动;选取汉源县城典型场地,利用LSSRLI-1程序计算给出了不同强震台站基岩地震动作用下的场地地表加速度时程和反应谱,以最可能引起汉源老县城震害的强震台站基岩地震动作为汉源县城的基岩地震动输入.研究结果表明:九襄台站反演的基岩地震动最可能反映汶川地震时汉源老县城的基岩地震动特性,因而用九襄台站的基岩地震动作为汉源老县城的地震动输入解释汉源县城高烈度异常现象是合理的.本文的研究思路为定量解释震害的地震动输入确定提供了重要参考.     

福建地区中小地震加速度反应谱衰减规律

本文基于收集福建省地震监测台网7个基岩台站从1999年至2007年获得的94个地震(ML=2.8～4.9,△=13～462 km) 的1974条宽频带速度记录,利用实时仿真方法得到了相应的加速度记录,进而得到了福建地区基岩场地中小地震绝对加速度反应谱的衰减关系.对基岩反应谱有影响的因素主要有震源、传播途径,本文简要分析这两个因素对地震动的影响.此项工作对于福建省抗震设防具有重要的意义.     

基于小田原试验场地数据的不同基岩输入模型对预测地震动特征的影响研究

随着强震台网的密布及观测记录的增加,为研究各类局部场地地震反应预测模型的合理性提供了有效的参考依据,也使利用强震记录及场地条件研究地震动特征成为可能。选取场地地质参数资料和地震记录数据齐全的日本小田原（Ashigara Valley）盲测试验场地,通过对比不同地震动输入方式及场地反应分析模型,研究地震动特征,分析现有模型的优劣。基于1990年8月5日M5.1强震事件的地表基岩记录和地下基岩地震记录,采用地下台强震记录直接输入、地表基岩台强震记录减半为基底地震动输入、地表基岩台强震记录反演为基底地震动输入作为3种基岩地震动输入。基于局部场地条件分别建立一维等效线性模型、二维黏弹性模型及二维时域等效线性化模型等工程中常用的场地数值分析模型,进行局部场地地震反应分析,预测该盲测场地的地表地震动特征,并与对应的实测强震记录结果进行对比,分析不同基岩地震动输入方式对预测地震动特征及地表土层反应谱特征的影响,重点分析地震动输入、土体非线性、场地横向不均匀性及几何与非线性特征共同作用等因素对地表地震动特征的影响,以期为地表地震动的合理预测提供参考。     

Site response in the Qionghai Basin in the Wenchuan earthquake

Amplification effects of soil site response can significantly impact ground motions, and must be considered in the seismic fortification of buildings/structures to prevent or mitigate this potential seismic hazard. Utilizing acceleration time histories from the main shock of the Wenchuan earthquake recorded at four stations (i.e., one on bedrock and three on soil) in the Qionghai Basin, the site responses from three soil sites are studied by using the traditional spectral ratio method. The bedrock site is selected as a reference site. This study found that peak ground accelerations (PGAs) on the soil sites are much larger than on bedrock, with EW, NS and UD components of 3.96–6.58, 6.27–10.98, and 3.17–6.66 times those of the bedrock site, respectively. The amplification effects of the soil sites on ground motions in the frequency range of 0.1 Hz to 10 Hz are significant, depending on the thickness of the soil layer and the frequency content of the site. A significant amplification occurs with high frequency components of ground motion at shallow soil sites, and low and high frequency components of ground motion at intermediate soil sites.     

The response law of far-field seismic ground motion of the Wenchuan earthquake and its damaging mechanism in the Loess Plateau

A series of housing collapses and other serious damage was caused by the 2008 Wenchuan M_S 8.0 earthquake in the seismic intensity Ⅵ areas of the Loess Plateau, which is hundreds of kilometers away from the epicenter, and which showed a remarkable seismic intensity anomaly. The seismic disasters are closely related to the seismic response characteristics of the site, therefore, the systematic study of the far-field seismic response law of the Wenchuan earthquake in the Loess Plateau is of great significance to prevent the far-field disaster of great earthquake. In this paper, the seismic acceleration records of several bedrock stations and loess stations from the seismogenic fault of the Wenchuan earthquake to the Loess Plateau were collected, and the attenuation law of ground motion along the propagation path and the characteristics of seismic response on the loess site are studied, and the mechanism of amplification effect of ground motion is analyzed based on the dynamic feature parameters of the loess site obtained through the HVSR method. Taking a typical loess site of thick deposit as the prototype, a series of shaking table tests of dynamic response of loess site models with different thicknesses were carried out. Amplification effect, spectral characteristics of acceleration in model sites were analyzed under the action of a far-field seismic wave of the Wenchuan earthquake. The results show that seismic attenuation on the propagation path along the NE strike of the seismogenic fault to the Loess Plateau is slower than that in other directions, and the predominant period range of ground motion on bedrock site of the Loess Plateau presents broadband characteristics. Because the natural periods of loess sites with thick deposits are within the predominant period range of bedrock input wave, loess sites appear significant amplification effect of ground motion, the horizontal acceleration of ground motion exceeds 0.1 ?g, the seismic intensity reaches 7°. The thicker the loess deposit is, the more significant the change of spectral characteristics of ground motion on loess sites, and the narrower the predominant period range of ground motion becomes, and the closer it is to the natural period of loess sites. Therefore, for some old houses on thick loess sites, the poor seismic performance and strong seismic response eventually led to their collapses and damages because their natural periods are very close to the predominant period of ground motion of the Wenchuan earthquake on thick loess sites; For these damaged high-rise buildings, the resonance effect might be the main reason for their damages because their natural periods are included in the predominant period range of ground motion of the Wenchuan earthquake on thick loess sites.These research results would provide a basis for seismic disasters prediction and evaluation and seismic design of construction engineering in the Loess Plateau.     

山西地区非弹性衰减系数、场地响应和震源参数的初步研究

利用山西数字测震台网“十五”数字化之后34次 ML2.5～ML5.2级地震波形资料,采用Atkinson方法反演出非弹性衰减Q值随频率f的关系为Q( f)=469.5df0.3141;采用Moya方法反演得出41个台站的场地响应,结果显示出仪器安置在山洞且地处外界干扰小的台站没有明显的放大效应,而其它台站尽管都是基岩台...     

2017年九寨沟MS7.0地震场地特征分析

场地条件对地震动具有较大影响, 研究不同场地条件下的地震动特征对地震动的校正具有重要意义。 本文以九寨沟地震为例, 收集了66个台站的198条三分量强震观测记录和SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)公里格网的DEM(Digital Elevation Model)数据, 从多个角度对场地特征进行分析。 首先根据坡度法使用DEM数据对九寨沟特征进行了场地分类, 然后讨论了不同场地类型下的加速度时程、 加速度反应谱、 地震动衰减等地震动特征。 研究表明, 缺少实测资料的情况下, 地形坡度可以作为Vs30(地表以下30 m范围的平均剪切波速度)的一种替代指标, 利用坡度法可以较快速地对场地进行分类; 利用强震观测记录能够从多角度对台站的场地特征进行分析, 不同场地类型对地震动影响不同, 其中, 土层对地震动具有明显的放大效应。 该结论可以为地震动结果的校正提供依据。     

天津简易烈度计地震预警试验区建设

通过建设80个简易烈度计观测点,与天津行政区内具备实时传输能力的测震台站和强震动台站共同组建了天津地震预警观测网络,初步实现了地震预警功能,提升了天津行政区的防震减灾能力,同时开展地震预警信息服务试验,为政府和社会提供地震预警信息。本文介绍了天津简易烈度计地震预警试验区的建设情况、台站分布情况、仪器性能指标、数据处理及数据记录情况,并探讨了简易烈度计在预警台网中的应用,获得了初步认识。     

CDSN台站的大震报警软件

实时监视地震波形和大震报警结合在一起,可以有效地提高工作效率。通过软件实时监视地震事件,台站分析人员既可以真实地看到高灵敏度的地震波形,又可以根据需要压缩放大波形,也可以做任意频段选择和滤波处理,保证了波形连续。对于大地震实施软件报警,使得台站可以根据本台的背景噪声,适当地选择报警幅度,既可避免过多的小震报警,又可以减少盲目、频繁地操作调用查看波形。适合台站工作,为台站人员提供了方便。     

基于台阵记录的土层山体场地效应分析

选取2008年5月25日至8月7日期间由甘肃省文县上城山地形效应台阵获取的12次汶川地震余震事件(M_S≥4.0),在分析其地震动基本参数的基础上,采用参考场地谱比(RSSR)法和水平-竖向谱比(HVSR)法,研究了不同地震作用下上城山地形台阵的场地效应.分析结果显示:随着高程和覆盖层的增加,记录台站地震动的PGA呈增大趋势,地震频谱形状由宽变窄;上城山台阵记录到的地震波在地形基阶频段(2—4 Hz)和浅部土层频段(7—9 Hz)的幅值明显放大,RSSR曲线显示山顶NS向的土层频段谱比大于山体地形频段谱比;由于土层山体竖向地震动在中高频段放大,使得HVSR方法谱比结果在中高频段较RSSR方法所得结果明显偏低,而在山体基阶频段附近两种方法的谱比值接近.松散土层山体的台阵记录特征体现了地形和土层对地震动的联合作用,揭示了强震区起伏地形场地震害加重及地震滑坡集中发生的原因所在.      

Real-time risk assessment in seismic early warning and rapid response: a feasibility study in Bishkek (Kyrgyzstan)

Earthquake early warning systems (EEWS) are considered to be an effective, pragmatic, and viable tool for seismic risk reduction in cities. While standard EEWS approaches focus on the real-time estimation of an earthquake’s location and magnitude, innovative developments in EEWS include the capacity for the rapid assessment of damage. Clearly, for all public authorities that are engaged in coordinating emergency activities during and soon after earthquakes, real-time information about the potential damage distribution within a city is invaluable. In this work, we present a first attempt to design an early warning and rapid response procedure for real-time risk assessment. In particular, the procedure uses typical real-time information (i.e., P-wave arrival times and early waveforms) derived from a regional seismic network for locating and evaluating the size of an earthquake, information which in turn is exploited for extracting a risk map representing the potential distribution of damage from a dataset of predicted scenarios compiled for the target city. A feasibility study of the procedure is presented for the city of Bishkek, the capital of Kyrgyzstan, which is surrounded by the Kyrgyz seismic network by mimicking the ground motion associated with two historical events that occurred close to Bishkek, namely the 1911 Kemin (M?=?8.2; ±0.2) and the 1885 Belovodsk (M?=?6.9; ±0.5) earthquakes. Various methodologies from previous studies were considered when planning the implementation of the early warning and rapid response procedure for real-time risk assessment: the Satriano et al. (Bull Seismol Soc Am 98(3):1482–1494, 2008) approach to real-time earthquake location; the Caprio et al. (Geophys Res Lett 38:L02301, 2011) approach for estimating moment magnitude in real time; the EXSIM method for ground motion simulation (Motazedian and Atkinson, Bull Seismol Soc Am 95:995–1010, 2005); the Sokolov (Earthquake Spectra 161: 679–694, 2002) approach for estimating intensity from Fourier amplitude spectra; and the Tyagunov et al. (Nat Hazard Earth Syst Sci 6:573–586, 2006) approach for risk computation. Innovatively, all these methods are jointly applied to assess in real time the seismic risk of a particular target site, namely the city of Bishkek. Finally, the site amplification and vulnerability datasets considered in the proposed methodology are taken from previous studies, i.e., Parolai et al. (Bull Seismol Soc Am, 2010) and Bindi et al. (Soil Dyn Earthq Eng, 2011), respectively.