基于频率衰减补偿的微地震定位方法

本文分析了不同频率的震源子波在传播过程中频率衰减与传播距离的关系,提出了地震波频率衰减补偿的微地震定位方法.该方法通过对地震波频率衰减的补偿,间接获取微地震事件的道间时差,避免了微地震事件的信号识别与走时拾取,实现了对微地震事件的定位.本文提出了方法的基本原理和计算方法,并通过理论计算和误差分析表明该方法是合理的和有效的.     

近地震波的小波相对能量分布特征分析

地震波具有非平稳信号特征,能量分布在一个有限带宽范围内.本文根据小波变换的时频特性和分层分解关系,得到了近地震(震中距小于300 km)峰值能量的频率主要集中在3～6 Hz频段这一初步结果.统计分析结果证明了这种方法对于近地震波分析的有效性和可靠性,同时也表明基于小波变换的地震相对能量分布特征可以更准确的给出地震信号的细节.结果对于地震震源及地震波传播规律的研究以及工程抗震设计具有一定的参考意义.     

SH波地形效应特征的研究

许多实际的地震中已经观测到地表地形对地表地震动产生影响(地形效应),这种影响背后的成因、影响因素、影响规律至今还不太清楚,因此地震学中、地震工程学中都围绕这一课题展开了相应的研究.本文以地震波模拟为手段,以点力源激发下的SH横波地震波传播为对象,研究地形形态、震源的物理特征对SH波地表地震动的影响,研究内容主要包括:地形陡度和地形复杂度对地形效应的作用;震源所处位置、震源频率与地形效应的关系,揭示出地形效应的成因受局部地表张角的控制,张角越小地形的放大作用越强.     

由长时间连续记录不压制地震信号提取近似格林函数的可行性研究

从地震背景噪声、地震波直达波或者地震波尾波的相关函数中提取近似格林函数(Estimated Green's Function)已经成为地震学研究的一个热点.由近似格林函数中提取面波频散曲线,进而研究地壳和上地幔结构,已经成为地震学研究地球内部结构的一种新方法,其尺度由最初的几十千米发展到全球尺度.从原理上,只要由充分漫射波场的数据计算得到的互相关函数都可以得到近似格林函数,但在地震背景噪声数据的实际处理过程中,需要通过时间域的归一化处理压制地震信号的影响,然后利用频率域归一化压制单色噪声源影响和提高信噪比.但是时间域归一化的常用方法均为非线性,影响进一步提取噪声互相关函数(NCF)中的有效信息.我们通过对比有无时间域归一化和频率域归一化对不同数据进行计算得到了相似的NCF,发现时间域归一化处理并非必需,在此基础上频率域归一化处理也可以省略,由此得到一个简化的处理流程,直接计算长时间的地震记录的互相关函数得到近似格林函数,并且最大限度保留了原始振幅信息,可以更有效地用于研究噪声源.     

复杂地表边界元-体积元波动方程数值模拟

复杂近地表引起来自深部构造的地震反射信号振幅和相位的异常变化,是影响复杂近地表地区地震资料品质的主要原因.本文采用边界元-体积元方法,通过求解含复杂地表的波动积分方程,来模拟地震波在复杂近地表构造中的传播.其中,边界元法模拟地形起伏和表层地质结构对地震波传播的影响;体积元法模拟起伏地表下非均质低降速层的影响.与其他数值...     

黄土丘陵河谷场地地震动特征研究

研究黄土丘陵河谷场地在地震作用下强地面运动特征的变化情况,可以揭示强震对该类场地上震害的触发机理。结合黄土高原的地貌特征,建立具有代表性的动力数值分析模型,通过输入不同幅值、频谱特性和持续时间的地震波,对起伏地形和覆盖黄土层共同影响下的黄土河谷场地进行地震反应分析。结果表明:黄土层和地形耦合作用控制了地表的PGA变化,使其趋于复杂,在同一输入波不同振幅作用下,与基岩河谷各测点相比,黄土覆盖河谷场地的地震动频谱幅值均有所增加,并且频谱主峰均向高频移动。在不同地震波输入下,场地不同部位的固有频率受地形高程和土层影响;而地震动大小和频谱幅值不仅与场地的基本频谱和地形起伏有关,也与输入地震波的频谱成分相关。输入波PGA与地震频谱特征都不变时,同一场地输出的地震频谱形状具有相似的特征,随着地震持时增长,能量向场地基本频率附近集中,从而可能导致场地上相应频率建筑物震动幅值增加,造成累积破坏。     

含起伏地形地层中点源激发的震电响应研究

地震诱导电磁现象是国内外地学领域十分关注的前沿问题,前人对地震波和电磁场耦合波场的认识主要是基于规则模型获得的.为研究含起伏地表和地下界面的地层中震电波场激发、传播特性,本文采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟点震源激发的电磁场.首先给出频率域二维SHTE模式震电耦合方程组,然后利用COMSOL软件建立计算模型,并求解出点力源激发震电波场的频率域响应,最后利用FFT变换得到地震波场和电磁场的时间域波形.模拟结果表明,震电波场中存在三种类型的电磁信号,第一种是震源直接激发的电磁波;第二种是地震波在分界面处激发的电磁波(包括自由表面、地下不同介质分界面);第三种是伴随地震波的同震信号,前两种电磁波比地震波更早到达远处观测台站,对地震预警有重要意义.此外,研究还发现:当地震波传播至地表并沿着地表传播时,在地表附近空气层中同样记录到了伴随地震波传播的电磁扰动信号,该信号与相同水平源距条件下、地下观测点接收到的电磁信号相同,这与前人的一些观测结果相符.本文研究结果为今后地震电磁信号的解释提供了理论证据.     

紫坪铺水库地区蓄水前后视应力标度率变化研究

本文利用紫坪铺水库台网记录到的波形资料,计算了2004～2008年170个M_L≥1.0级地震的震源参数.紫坪铺水库震源参数计算结果与其他大陆地区有明显不同:(1)拐角频率远低于其他大陆地区结果,表明库区地震波传播经过了较强的衰减过程;(2)视应力计算结果比其他地区小3个数量级,可能是由于库区地震波的高频成分衰减强烈,低估了能量集中在高频的小地震的地震辐射能量.分析了蓄水前后拐角频率和地震矩以及视应力和地震矩关系(视应力标度率)变化,结果表明:相同地震矩的地震蓄水后拐角频率增加,地震高频成分相对丰富;蓄水前视应力与地震矩的关系不明显,蓄水后视应力随地震矩的增加而增加.视应力标度率的改变可能是蓄水后地震震源物理过程逐渐改变的直接反映.     

日本M_w9.0大地震激发全球地震波传播特性的数值模拟研究与对比分析

2011年3月11日日本东北部海域发生Mw9.0级特大地震,并诱发海啸.本文利用Centroid Moment Tensor(CMT)震源机制解作为震源项,以地震波传播理论为基础,基于横向各向同性PREM地球模型,考虑地表地形及海洋等地球特性,利用谱元法结合高性能并行计算,对日本大地震激发的地震波传播特性进行了数值模拟研究.计算结果显示了全球地震波的传播形态.将数值模拟结果与理论模型的走时曲线和实际观测数据进行拟合对比,验证了模拟结果的可靠性和可行性.分别就考虑海洋和不考虑海洋两种数值模型下的地震波传播特性进行了对比分析.结果显示,海洋的存在对地震波强地面运动存在明显的影响.海洋会使P波运动位移峰值和速度峰值相对较小;海洋对S波的影响较复杂,不考虑海洋效应时使得位移和波速随时间推移迅速减小.因此,对沿海地区的地震灾害评估应该考虑海洋效应.此外,考虑地球重力因素情况下,对数值计算得到的2004年印尼苏门答腊地震、2008年汶川地震及2011年日本福岛大地震激发的球型场和环型场特征进行对比研究,通过对功率谱密度结果的观察并与理论值的对比分析,可以清晰的看到三个大地震释放的能量有很明显的不同,同时认识到数值模拟结果可以较准确重现长周期理论频率值,主要表现在0T2～0T13的环型振型及0S7～0S31的球型振型.结果显示数值模拟方法可以成功的用于地球自由振荡研究,未来可以作为一个主要工具深入探讨地球的横向不均匀性等特性对地球自由振荡特性的影响.     

圆弧形沉积谷地在平面SV波入射下地震响应的有限元分析

详细介绍了求解复杂地形在地震波作用下无量纲频率动力响应的有限元方法,并通过与解析解的比较,验证了本文方法的可行性.同时采用本文的方法,计算了圆弧形沉积谷地在平面SV波入射下的地震响应,分析了沉积谷地厚度、地震波入射角度和频率等因素的影响,结果表明:(1)沉积谷地上方的放大系数明显比两侧的大,两侧的放大系数受沉积谷地的影...     

有限元算法在声波方程数值模拟中的频散分析

针对有限元算法在地震波数值模拟中的数值频散问题,利用集中质量矩阵双线性插值有限元算法,推导了二维声波方程的频散函数.在此基础上采用定量分析方法,对比分析了网格纵横长度比变化时的入射方向、空间采样间隔、地震波频率以及地层速度对数值频散的影响.数值算例和模型正演结果表明:当采用集中质量矩阵双线性插值有限元算法时,为了有效地压制数值频散,在所使用震源子波的峰值频率对应的波长内,采样点数目应不少于20个;减小网格长度的纵横比可以有效地抑制入射角(波传播方向与z轴的夹角)较小的地震波的数值频散;地震波频率越高,传播速度越慢,频散越严重,尤其是当相速度与其所对应的频率比值小于2倍空间采样间隔时,不仅会出现严重的数值频散,还会出现假频现象.      

三维沉积盆地对地震动的放大效应间接边界元法模拟

基于一种高精度间接边界元法(IBEM), 实现了沉积盆地三维地震响应的频域、 时域精细求解, 并以半空间中椭球形沉积盆地对平面P波和SV波的散射为例, 着重探讨了入射角度、 入射波型、 入射频率、 盆地长宽比和深宽比对沉积盆地地震动放大效应的影响规律． 结果表明: 盆地形状对地震波的放大效应和空间分布状态具有显著影响, 且具体规律受控于入射波频段． ① 随着盆地深度增大, 盆地边缘面波发育更为充分, 在较宽频段内均会出现显著的地震动放大效应, 且深盆地的放大区域集中于盆地中部． ② 圆形盆地对地震波的汇聚效应最为显著, 而狭长盆地对地震波的汇聚作用相对较弱, 高频情况下可在盆地内部形成多个聚焦区域． ③ 不同波型入射下, 盆地对地震动放大效应的机制有所差异: P波入射下, 竖向位移放大主要是由于盆地边缘面波由四周向中部汇聚所致; SV波入射下, 边缘面波汇聚效应相对较弱, 而当盆地较深时, 底部透射体波和边缘面波易形成同相干涉从而显著放大地震动． 按盆地内外介质波速比为1/2, P波和SV波垂直入射下频域最大放大倍数分别为25和15, 时域放大倍数约为4.0和3.7(雷克子波)． ④ 低频波入射下, 位移从盆地中部向边缘逐渐减小, 且浅层沉积盆地对地表位移幅值的放大作用不明显． ⑤ P波和SV波的入射角度对盆地地震动放大幅值及空间分布特征也具有显著影响．      

SV波斜入射下凸起地形对地震动特性的影响分析

针对10种不同坡角的凸起地形,采用基于透射边界的有限元-有限差分计算方法,研究了局部凸起在SV波斜入射时,地震动峰值加速度放大倍数和反应谱谱比随入射角度的变化规律。结果表明:①地震波以一定的角度斜入射时,地表大部分观测点的峰值加速度放大倍数大于垂直入射的情况;②在计算模型宽高比一定的情况下,最不利入射角度与坡角有一定关系,且地表最不利位置随坡角增大由凸起台地边缘向中心移动;③入射角度对凸起地形地震反应谱特性的影响十分显著,不但影响谱比的幅值,也影响谱比曲线的形状,斜入射时各关键节点大部分周期点的谱比值大于垂直入射,入射角度对反应谱中的高频成分影响较为显著,而对长周期成分影响不大。     

含峭壁V形峡谷对地震SH波散射的解析解

地表地形常引起地震动的局部放大,这是由于地震波传播至局部地形时产生了散射现象.本文利用波函数展开方法和区域匹配技术,提出了含峭壁V形峡谷对平面SH波散射问题的解析解,并进行了退化验证.通过频域内的参数分析,揭示了峭壁深度、入射波频率和角度等因素对峡谷场地地面运动的影响规律,发现上部峭壁会增强峡谷对地震动的地形放大效应.研究结果不仅为数值方法提供了验证基准,还可为含峭壁峡谷周边建筑物的抗震设计提供顺河向地震动输入.     

2015年4月25日尼泊尔地震波场传播及烈度初步模拟分析

2015年4月25日尼泊尔发生Mw7.9地震.本文采用三维曲线坐标网格有限差分方法,依据USGS给出的震源运动学反演结果和震源区域地形数据,模拟了尼泊尔地震波场传播过程,得到震源区域烈度分布模拟结果,与实际观测的地表峰值速度(PGV)大体吻合.结果表明:地震烈度的空间分布整体上受控于震源的单边破裂特征,高烈度区域主要分布在破裂传播方向上,即震源东半部.震源南侧到东南侧近场,由于受到震源和地形的双重影响,形成最大烈度分布区域,最大烈度约为IX.南侧平原受低速沉积层影响形成高烈度区域.震源西侧及盆地内烈度相对较低.     

有薄疏松复盖层的弹性半空间中地震波的传播问题

本文将地表疏松风化层看作是附在弹性介貭上的一种有慣性而无弹性的薄层,当扰动在弹性介貭中传播吋,风化薄层跟随振动;討論了弹性半空間內点震源产生的地震波和疏松薄层对地震波反射的影响。     

Effects of source and cavity depths on wave fields in homogeneous half spaces

In homogeneous half spaces excited by small buried, spherically symmetric P-wave sources, Rayleigh waves (R-waves) could be generated. The effects of the source depth on the induced wave pattern and propagation behavior of R-waves are analyzed using the thin layer method. When a cavity is present in a homogeneous half space, R-waves could be formed in the scattered wave field. It is found that the energy of R-waves in the incident (direct) surface wave-field is related to the ratio of the source depth to the wavelength of R-waves; R-waves have relatively strong energy when the ratio is less than 1; the buried source induced R-waves approximately travel at the velocity of the planar R-waves in the range of the offset beyond about one wavelength; the energy of R-waves in the back-scattered surface wave-field depends on the ratio of the depth of cavity to the wavelength of R-waves; and for the case of the cavity presented at depths less than one wavelength, R-waves can be clearly observed in the back-scattered wave field. The results are helpful for selecting the source depth and the frequency component in seismic surveys and interpreting both the incident wave and the scattered wave patterns.     

地震数据的反射波动方程最小二乘偏移

基于反射波动方程,本文提出了一种估计地下反射率分布的地震数据最小二乘偏移方法.高频近似下,非齐次的一次反射波动方程的源项是由反射率与入射波场的时间一阶导数相互作用产生的.根据反射波动方程,利用线性最小二乘反演方法由地震反射数据重建出地下产生反射波的反射源,再结合波场正演计算出的地下入射波场,得到地下反射率分布的估计.在地下反射源的线性最小二乘反演重建中,我们采用迭代求解方法,并以地震波的检波器单向地下照明强度作为最小二乘优化问题中Hessian矩阵的近似.     

场地地震动局部地形效应研究进展

本文对地震动地形效应的影响因素及其规律进行了阐述和分析.主要对局部地形几何形状,入射波的入射角度、频率,震源相对位置及震源深度等因素对地形效应影响的国内外研究现状进行了综述.同时,介绍了地震数值模拟在地震动地形效应研究中的应用,并对进一步研究提出了一些建议.