表层沉积物特性对地震地面运动的影响研究

建立包含震源、沉积盆地和表层低速沉积层的二维模型,采用交错网格有限差分/伪谱混合方法求解地震波传播,讨论沉积层厚度和速度对地震地面运动的作用。结果表明:沉积层内产生的地震波的多重反射以及转换会引起地面运动持续时间的延长,它们的相干叠加会造成地面运动峰值的放大;随着沉积层速度的增加,多重反射与转换波的能量减小,地面运动持续时间减小,但是不同速度或者不同厚度的低速层模型均显示出一致的地面运动峰值放大特征。结果说明,在包含震源、沉积盆地和沉积层的模型中,沉积层对地面运动的作用机理更复杂。在实际应用中有必要同时考虑这些因素的综合作用。     

地震波传播的三维伪谱和高阶有限差分混合方法并行模拟

基于交错网格伪谱法和高阶精度有限差分方法,发展了模拟非均匀介质地震波传播的三维伪谱和有限差分混合算法.该方法在两个水平方向利用交错网格伪谱算子计算空间微分,保留了该方法高效、高精度的优势,在垂直方向采用交错网格高阶精度有限差分算子实现空间微分计算．利用有限差分方法的局部性特征,将三维计算区域在垂直方向上划分为一系列子区域,并分配给不同的处理器,实现了在并行计算机集群上的三维并行计算．通过模拟算例,与离散波数法比较,检验了该算法的精度．为了检验该方法的实用性,在64个处理器上,对三维沉积盆地模型进行了67108864个网格点的并行计算,模拟的波场主频率为1.25Hz,讨论了沉积盆地深度对三维沉积盆地地面运动的影响．      

2013年6月2日台湾南投地震强地面运动模拟

2013年6月2日台湾省南投县发生一次里氏6.5级地震,这次地震是最近几年内发生的最大的一次地震,台湾大部分地区以及中国大陆东南沿海城市均有明显震感.为了更深入的理解此次地震的地震波能量传播过程以及强地面运动过程,本文采用三维有限差分方法对此次地震的强地面运动过程进行了模拟.结果显示,台湾中央山脉起伏的地形对此次地震的强地面运动分布特征具有较大的影响,出现了比较明显的地形放大效应;此外,台湾的平原和盆地中的沉积层也对地震波有较强的放大效应.     

震源深度对二维盆地放大的影响研究

基于谱元法,采用4种不同倾角的盆地模型,研究了不同震源深度走滑地震非平面波入射时二维盆地放大规律,分析了盆地边缘放大的峰值及其位置与无量纲频率和盆地倾角的关系。结果表明：①随着震源深度的增大,水平方向上速度峰值比的最大值逐渐增大,在震源深度为10km时达到最大,随后减小,且水平向和竖直向速度峰值比的最大值位置逐渐偏向盆...     

福州盆地强地面运动特征的有限元数值模拟

区域性地震波强地面运动的量化数值模拟分析结果可以用来指导城市规划建设,并在防震减灾中发挥重要作用. 本文采用有限元数值模拟方法来模拟由地震激发的区域地震波强地面运动过程,并得到地表峰值速度和加速度的分布特征.考虑到福州是东南沿海的重要省会城市,其明显的盆地结构特征使它很容易遭受强地震灾害的影响. 因此本文以福州盆地为主要研究对象,假定盆地的主要断层某一位置在未来可能发生灾害性地震,则该地震会激发地震波的强地面运动,并由于地形、沉积层等主要影响,在盆地内部发生放大.通过对地震波传播过程的数值模拟和后处理分析,给出了该盆地的地表峰值位移、峰值速度和峰值加速度分布图谱.该图谱可为未来的福州城市规划和抗震减灾提供定量科学参考依据.     

沉积盆地中地面运动估计的复合方法：墨西哥城地震动的定量模拟

为估计二维横向不均匀，非弹性介质的地面运动，将振型叠加法和有限差分方法相结合，发展一种复合技术，无论震源距大小，都可以计算地震形成的局部波场，它可考虑震源、路径和局部场地土的影响。     

基于有限断层模型的芦山“4·20”7.0级强烈地震强地面运动特征

基于芦山地震的震源破裂过程反演结果,利用有限断层模型,以芦山地区三维地壳速率结构模型为基础,对芦山“4·20”7.0级强烈地震引起的强地面运动进行了模拟.对这次地震中由典型盲断层引起的强地面运动数值模拟结果反映了与实际震害相近的分布特征:断层上盘的宝盛、龙门及芦山以北位于极震区,也是强地面运动的高强度集中区,特别是垂向分量的速度、加速度峰值均在该地区达到了最大值,最能反映地表震害特征的竖向地震加速度在龙门一带达到了350gal,与极震区Ⅸ度的烈度相当,而在芦山以北龙门一带,瞬时竖向位移峰值高达110cm,这些特征与实际震害分布是非常相近的.综合分析认为,这次地震强地面运动表现出了明显的逆冲断层引起的强地面运动的分布特征,同时在强地震动传播过程中,由于高陡峭地形地貌特征及四川盆地内山间盆地的影响,地形地貌和盆地效应对地震波的反射和放大作用明显加强,也是该地区地震破坏强度增大的重要因素.     

2022年9月5日泸定MS6.8地震宽频带地震动谱元法模拟

2022年9月5日12时52分四川甘孜州泸定县发生M_S6.8地震,此次地震造成泸定县及其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡。为重现此次地震的地震动影响场,分析近场强地面运动的空间分布特征,将确定性的凹凸体震源模型与随机震源模型结合得到有限断层运动学混合震源模型,进而将上述混合震源模型开发到SPECFEM 3D谱元法开源代码中,实现了基于谱元法和运动学混合震源模型的泸定M_S6.8地震的全过程宽频带(0.1—5 Hz)地震动模拟,通过与六个台站的时程记录、对应的反应谱以及NGA-West2地震动衰减曲线进行比较检验了方法的精度和适用性;进而给出了此次地震的三分量速度波场快照图,再现了地震波传播时近场地震动的方向性效应和局部场地效应;最后给出了震中100 km×100 km范围内的地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)云图,分析了泸定地震近场强地面运动的空间分布特征,并给出了基于模拟结果的地震烈度分布图。结果显示,震中PGA接近600 cm/s²,PGV接近50 cm/s,烈度达到Ⅸ度,且由于泸定地区内高山峡谷地形对地...     

2008年青海大柴旦Mw6.3地震地面运动模拟

2008年11月10日在青海柴达木盆地北缘发生了大柴旦M_W6.3地震,为了研究该地震的区域地震波传播与地面运动特征,本文利用地质资料和地壳速度结构研究成果,构建了柴达木盆地及周边区域三维传播介质模型,采用有限差分方法模拟了大柴旦地震波场传播过程以及地面运动分布特征.结果表明,柴达木盆地对波场传播有明显影响,表现为地震波传入盆地后在边界产生次生面波,盆地沉积物对地震波具有围陷作用,地震地面运动在盆地内振幅增大、持时延长.模拟结果给出的地震地面运动峰值速度分布以及理论地震图均和观测结果符合较好,反映数值模拟较好地给出了观测地面运动的主要特征以及传播介质模型的合理性.     

柴达木盆地东部地震地面运动放大效应

柴达木盆地是青藏高原东北部大型断陷山间盆地,该地区的流动观测记录了2008年11月10日发生于大柴旦附近的M_W6.3地震。和附近的基岩上的记录相比,盆地内部的记录显示出非常显著的地面运动放大效应,表现为峰值速度的增大、持续时间的延长,其呈现出长持续时间的后续震相。傅里叶频谱分析表明盆地内部显著的后续震相的频率和直达波相比较低,地面质点运动轨迹图显示后续震相为面波运动特征。为了解释地面运动的差异,构建二维模型,通过交错网格高阶有限差分方法计算了地震波在盆地内部的传播过程,结果显示盆地内部低速层的存在造成直达波的放大以及多次反射与转换,盆地边缘结构造成的波的相干叠加产生了强烈的次生面波,其低频、大振幅、长持续时间的特征是盆地内部地面运动放大的主要原因。     

基于图形处理器的伪谱和高阶有限 差分混合方法地震波数值模拟

伪谱和高阶有限差分混合方法, 在垂直方向采用交错网格有限差分算子, 利用其并行程度高的特点, 在水平方向采用伪谱算子, 保留其高精度的优势, 是计算地震波场的有效方法. 图形处理器(graphic processing unit, 简写为GPU) 由于其高度并行性, 在计算此类问题中有显著的优势. 由英伟达(NVIDIA)公司推出的统一计算设备架构(compute unified device architecture, 简写为CUDA)平台极大地简化了GPU编程的难度. 为提高计算效率, 本文实现了基于CUDA 平台的混合方法二维地震波场模拟. 然后基于二维均匀介质模型将CPU与GPU版本的运行时间进行对比. 实际测试结果表明, 基于CUDA 的并行模拟方法在保证计算精度的同时显著地提高了计算速度, 为开展大规模非均匀地球介质地震波传播数值模拟提供了一种可选的方法.      

Effects of Impedance Contrast and Soil Thickness on Basin-Transduced Rayleigh Waves and Associated Differential Ground Motion

This paper presents the effects of impedance contrast (IC) across the basin edge, velocity contrast between the basin and underlying bedrock, Poisson’s ratio and soil thickness on the characteristics of basin-transduced Rayleigh (BTR) waves and associated differential ground motion (DGM). Analysis of simulated results for a two-dimensional (2D) basin revealed complex mode transformation of Rayleigh waves after entering the basin. Excellent correlation of frequencies corresponding to different spectral ratio peaks in ellipticity curves of BTR waves and spectral amplification peaks was obtained. However, such correlation was not observed between values of peaks in ellipticity curves and spectral amplification at the corresponding frequencies. An increase of spectral amplification with IC was obtained. The largest spectral amplification was more than twice the IC in the horizontal component and more than the IC in the vertical component in the case of large and same impedance contrast for P- and S-waves. It was concluded that the frequency corresponding to the largest spectral amplification was greater than the fundamental frequency of soil by around 14% and 44% in the vertical and horizontal components, respectively. Spectral amplification of the vertical component was negligible when soil thickness was less than around 15–20 times the S-wave wavelength in the basin. The largest values of peak ground displacement (PGD) and peak differential ground motion (PDGM) were obtained very near the basin edge, and their values with offset from the edge were strongly dependent on the IC across the basin edge, Poisson’s ratio, velocity contrast between the basin and underlying bedrock (dispersion), damping and soil thickness. The obtained value of PDGM for a span of 50 m in the horizontal and vertical components due to the BTR wave was of the order of 0.75 × 10^?3 and 1.32 × 10^?3 for unit amplitude (1.0 cm) in the horizontal component of the Rayleigh wave at rock very near the basin edge.     

Parallel PSM/FDM Hybrid Simulation of Ground Motions from the 1999 Chi-Chi,Taiwan, Earthquake

-- A new technique for the parallel computing of 3-D seismic wave propagation simulation is developed by hybridizing the Fourier pseudospectral method (PSM) and the finite-difference method (FDM). This PSM/FDM hybrid offers a good speed-up rate using a large number of processors. To show the feasibility of the hybrid, a numerical 3-D simulation of strong ground motion was conducted for the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake (M_w 7.6). Comparisons between the simulation results and observed waveforms from a dense strong ground motion network in Taiwan clearly demonstrate that the variation of the subsurface structure and the complex fault slip distribution greatly affect the damage during the Chi-Chi earthquake. The directivity effect of the fault rupture produced large S-wave pulses along the direction of the rupture propagation. Slips in the shallow part of the fault generate significant surface waves in Coastal Plain along the western coast. A large velocity gradient in the upper crust can propagate seismic waves to longer distances with minimum attenuation. The S waves and surface waves were finally amplified further by the site effect of low-velocity sediments in basins, and caused the significant disasters.     

徐州市埋藏基岩斜坡对地震动的影响

本文在分析了徐州地区地震地质背景的基础上,用经作者扩展的SAP 5程序,重点分析了地震小区划中提出的埋藏基岩斜坡地形对地震地面运动的影响问题。初步认识到:这种复杂地形可产生不可忽视的竖向运动;水平向运动分布依其与基岩山丘的距离而不同;地震反应谱形状呈有规律的变化;输入多方向震波的影响比输入单方向震波时的影响要大     

基于OpenSees的地震动对软土震陷影响研究

软土具有高灵敏度、低强度等特性,在地震过程中极易产生震陷。基于OpenSees数值模拟方法对软土场地的震陷反应进行非线性动力有限元分析,通过改变地震动峰值加速度、频谱特性、输入方式来研究其对软土震陷的影响。结果表明,地震动峰值加速度对地基土的不均匀震陷有显著影响,地震动峰值加速度越大,震陷量显著增大,震陷影响深度更大,对水平地表造成的破坏范围也更大;地震动频谱特性对软土震陷有重要影响,当地震动卓越频率与场地自振频率相近时,其幅值越大,产生的震陷越严重;水平、竖向同时输入地震动的方式能更好地反映土体的振动及震陷响应。该研究成果对探索软土震陷的机理有一定的指导意义。     

断层位置对三维盆地地震效应的影响

采用谱元法模拟了盆地模型和一维水平成层模型的地震动强度和放大系数的分布特征,探究了直下型断层与盆地的相对位置对盆地地震效应的影响.结果显示:盆地地震动受断层位置的影响显著,特别是当断层邻近且平行于盆地边缘时,盆地地表地震动的边缘效应更加明显,强烈地震动区域的位置随断层位置的移动而改变明显;不同分量放大系数的分布特征差别...     

裂缝诱导双相HTI介质地震波场错格伪谱法模拟与波场特征分析

裂缝诱导的双相具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质模型是由一组平行排列的垂直裂缝嵌入到统计各向同性的流体饱和多孔隙岩石中而组成的,它综合考虑了裂缝型储层岩石的各向异性和孔隙性.高精度的地震波场数值模拟技术是研究该介质中地震波传播规律的主要方法.本文结合错格伪谱法和时间分裂法,求解描述该介质中地震波传播的一阶速度-应力方程.模拟了单层和双层模型中的地震波场,并对其进行了特征分析.研究结果表明:错格伪谱法能有效消除标准网格伪谱法波场模拟结果中出现的数值伪影现象,与时间分裂法结合能够获得稳定的、高精度的模拟结果;裂缝诱导双相HTI介质中的地震波场兼具裂缝各向异性介质和双相介质中传播的地震波的波场特征.