三种非线性时变识别方法的对比研究——以2021年日本福岛地震为例

利用2021年日本福岛地震(M_JMA 7.3)中6个KiK-net台站的观测记录,分别基于移动窗解卷积法、移动窗谱比法和移动窗自相关函数法对场地非线性时变过程进行研究,分析非线性发生的阈值和程度。研究表明：三种方法识别场地非线性时变特征的稳定性不同。移动窗解卷积法更容易获得较为稳定的土体非线性时变过程,但其反映的是地表至井下平均波速的变化,识别的非线性程度偏低。对于存在强波阻抗比的浅表层土体,移动窗谱比法和移动窗自相关函数法识别的非线性程度更强;对于较低波阻抗比的浅表层土体,则不容易识别出稳定的非线性时变结果。三种方法识别的非线性最强时刻基本一致,皆位于整条记录加速度峰值附近。基于三种方法识别的6个台站的非线性阈值约在40～140 gal,剪切波速下降比在16%～53%之间,场地非线性程度较明显。     

汶川地震强余震场地非线性反应

采用汶川地震强余震26个强震动台站记录,基于H/V谱比法,计算台站场地的强、弱震作用下场地卓越频率之比R_(fp)和体现强、弱震作用下场地H/V谱比曲线差异程度的DNL,进而识别并分析场地非线性反应特征。结果显示,R_(fp)、DNL与PGA之间存在显著相关性;其中10个台站出现明显的场地非线性反应特征;大部分台站发生场地非线性反应的PGA阈值为100 cm/s~2,部分为50 cm/s~2;实例证明,因某些台站不易通过H/V谱比法识别场地卓越频率,因此采用R_(fp)识别场地非线性反应具有一定局限性。     

熊本MW7.0地震近场地表与井下地震动对比研究

选取日本熊本M_W7.0地震断层距小于200 km的82个近场KiK-net台站记录到的三分量记录数据进行基线校正后,获得近场地面运动水平向的峰值加速度PGA、峰值速度PGV及周期为0.2,1,2,3,5和10 s的加速度反应谱数据,并与美国NGA-West2的地震动预测模型相比较,研究熊本地震地表和井下地震动峰值及反应谱的衰减特征,通过比较KiK-net台站地表与井下记录结果,探讨浅层场地放大效应的影响。研究结果表明:① 对于井下观测结果,NGA-West2的地震动模型对PGA和短周期0.2 s的反应谱的预测值与井下观测值相比整体偏高,而PGV和较长周期地震动（如1,2和3 s的反应谱）的预测值与井下观测值较为吻合;② 地表观测记录的PGA,PGV和周期为0.2—3 s的反应谱残差整体上随v_S30对数值的增大呈线性减小的趋势,而周期为5 s和10 s的长周期部分,其场地效应的影响很小;③ 相对于井下记录,地表记录的地震动PGA,PGV和周期为0.2,1和2 s的反应谱有明显的放大,这种放大作用随浅层场地剪切波速的增大而减小;周期为3,5和10 s时长周期地震动的放大效应很小。      

基于强震动记录的汶川地震场地效应研究

场地效应一直以来是地震工程领域研究的热点。利用数值模拟和理论计算的方法进行这方面的研究已极为普遍。由于不需要太多的假设和简单的计算过程,基于强震动记录的场地效应分析方法越来越得到认可而被广泛应用。2008年汶川地震中,我国强震动观测网络(NSMONS)在主震和余震中分别获得了大量高质量的自由场加速度记录。这些记录为研究汶川地震场地效应提供了良好契机。本文以此为基础数据,从场地类别划分、场地反应广义反演和场地反应非线性识别3方面开展研究,旨在拓宽强震动记录在我国科学研究和工程实践领域的应用范围,推进强震观测事业的发展。主要工作如下:(1)在总结了目前国内外3种常用的HVSR场地分类方法优缺点的基础上,提出了一种新的分类方法——谱比熵权决策法,改进了现有方法。采用这4种方法划分了汶川地震中54个强震动固定台站和66个流动台站的场地类别。通过比较不同分类结果的差异,验证了新方法较以往方法更具合理性。(2)提出了一种新的基于HVSR形状的场地分类标准。在汶川地震强震动流动台站的场地分类中,证实了新标准可提高分类准确率,有效地解决了以往方法当HVSR曲线出现多个峰值或没有峰值的情况下无法适用的局限性。另外分类结果还表明,HVSR方法识别的场地自振周期TG与台站高程存在一定的相关性,总体上,高海拔地区的台站场地TG相对较小。(3)选取了28个强震动台站在汶川地震余震中的96个地震中获取的602组记录,采用广义反演法(GIT法)分离了其震源、路径、场地3项因素。针对台站062WUD,采用标准谱比法(SSR法)估计其场地反应并与GIT法的结果进行比较,显示两者较为一致,验证了广义反演结果的可靠性。将GIT法获得的28个台站的场地反应与HVSR法获得的结果进行比较,发现HVSR法计算的台站场地卓越频率与GIT法较一致,但场地反应幅值大都低于GIT法,验证了HVSR法能很好地估计场地卓越频率但会低估场地反应幅值的已有认识。在对数刻度下回归了1.0~5.0Hz、5.0~10.0Hz及1.0~10.0Hz频率段内的平均场地放大因子与上地表土层20m深度的等效剪切波速VS20值的线性关系,结果显示两者具有较好的相关性。(4)在运用广义反演法对汶川地震场地非线性反应进行识别与分析的过程中,定义了一种新的表示场地至地震源(site-to-source)距离的形式——凹凸体距,并验证了其相比目前常用的破裂距、断层距和震源距更能科学近似地表示大震中场地至地震源的距离,解决了广义反演方法不适用于大地震的局限性。(5)提出了将S变换应用于场地地震反应的非线性识别与分析的研究思路,与GIT法和HVSR法分别对33个强震动台站在汶川地震主震中的场地地震反应进行非线性识别与分析。结果表明,当地震动PGA300cm/s2或PGV20cm/s时,场地地震反应出现明显的非线性现象,对应台站051AXT、051GYS、051GYZ、051JYC、051JYD、051JYH、051JZW、051MXN、051SFB和062WUD,在汶川地震主震中产生了显著的场地非线性反应。通过与GIT法和HVSR法的研究结果进行比较,证实S变换在时域内可有效地进行场地反应的非线性识别,并且较频域方法具有能识别非线性发生的具体时间的优点。(6)在对汶川地震场地地震反应进行非线性识别过程中,分析了GIT法和HVSR法获得的弱、强地面运动作用下的场地卓越频率之比RFp与地震动水平PGA、PGV以及场地系数VS20、VS30之间的相关性。结果显示,RFp与PGA、PGV存在较强的正相关性,却与VS20、VS30弱相关。提出了一种新的定义场地反应非线性程度的参数——ADNL,计算了各台站的ADNL值以及其他类似参数fNL、DNL和PNL,并与地震动参数PGA进行经验回归分析,结果显示,各参数与PGA都存在强烈相关性。     

2012年彝良Ms5.7、Ms5.6地震场地地震动反应

2012年9月7日云南昭通彝良发生了M_s5.和、M_s5.6级两次地震,此次地震引发了极其严重的滑坡和崩塌等地震地质灾害,同时地震波放大效应还引起高烈度异常区。利用彝良地震烈度圈内6个台站记录到的主震加速度时程,通过截取S波窗,采用标准谱比法和水平垂直谱比法研究其场地地震动反应。结果表明:两种方法能给出较为一致的谱比曲线和卓越频率,但场地反应数值差异较大,标准谱比法的结果受到参考台站自身场地反应的影响;靖安台的软弱土层对地震动的放大作用较为显著,是造成烈度异常的主要原因。     

2016年日本本州东岸近海MS7.2地震前后的地壳运动

2016年11月22日日本本州东岸近海发生东日本M_W9.0大地震的M_S7.2强余震。本文利用美国内华达大学内华达大地测量实验室网站获得此次大地震周围共30多个GPS连续观测站及其它台站的IGS08全球参考框架坐标时间序列,采用北京附近的GPS连续观测站BJSH作为区域位移参考框架的核心站,获取了此次M_S7.2强余震的同震水平位移和区域参考框架位移时间序列,得到了此次强余震前后的位移时空变化图像。结果显示:尽管本州东岸近海M_S7.2地震作为东日本M_W9.0地震的强余震,受其震后形变的影响强烈,但其地壳水平形变的前兆规律与已观测到的大地震一致;不同的是东日本M_W9.0地震前的垂直位移无积累,而本州东岸近海M_S7.2地震前后的垂直位移保持M_W9.0地震后均匀而缓慢的衰减变化;临震前震中附近的GPS连续观测站的东西分量明显减速,有的甚至减至零,是明显的短期前兆异常。此外,本文还进一步讨论了两种同震位移及其成因,并推断地壳水平运动挤压是此次地震的成因。      

基于H/V谱比法的乌恰地区场地分类研究

场地条件对于地震动特性影响显著,在工程地震领域中强震记录与之对应的场地条件在研究中十分重要。利用H/V谱比法对新疆乌恰地区12个强震台站场地进行场地分类计算,并与实际钻孔剪切波速的场地分类结果对比分析,H/V谱比法和实际钻孔波速分类结果还是有很好的对应关系,为研究区域内缺乏钻孔剪切波速测试资料的场地进行场地分类提供了参考依据。     

基于KiK-net记录的PGA与Sa场地影响因子分布研究

场地条件对地震动有着重要的影响,它一般通过地表峰值加速度PGA或者谱加速度Sa在不同场地条件下的放大系数表示。以往的相关研究中缺少大量的实测地震动数据分析;没有明确给出PGA和Sa在不同场景下的适用性;较少赋予其放大系数分布概率含义。选取KiK-net台网1997—2019年记录的210多万条地震动信息,通过PGA与Sa放大系数的分布分析了其在不同场景下的适用性,然后基于控制变量法和回归方法对每个台站的PGA放大系数进行拟合分析,最后对不同场地类别的PGA放大系数进行了概率分布函数拟合。研究结果表明：场地条件不变情况下,地震动放大系数的分布有很好的规律性;Sa较PGA放大系数分布离散程度更小,且随着Sa周期增加,其离散程度呈现逐渐减小趋势,在建筑物周期确定的情况下,Sa具有更高的适用性;Ⅰ、Ⅱ类场地且周期大于1.0 s的Sa放大系数具有较高的稳定性;相同场地条件下,PGA放大系数呈非线性分布,随着基岩PGA(PGA_R)的增加逐渐减少;PGA放大系数趋于指数正态分布。研究结果可用于未来更加准确地估计损失与描述场地条件对地震动的影响。     

评估地震场地响应中土体的非线性行为：KiK-net台网强震数据的统计分析

通过日本KiK-net台网数据库的各种地震记录,研究了土体的非线性行为对场地响应的影响。这个台网由不少于688个地表—井下仪器构成,从这个台网还获得了直到井孔深度的剪切波和压缩波速度剖面的特征。为了通过计算每个场地的地表与井下频谱比来表征土体的线性行为,我们挑选了井下台站地震动峰值加速度（PGA）〈10cm/s2的事件。使用强震动事件（PGA〉50cm/s2）计算的场地响应曲线相对线性表征的变化被认为是由非线性土体行为造成的。为了描述每个事件土体非线性行为对场地响应的影响,我们提出了场地响应曲线相对线性估计的变化（放大或衰减）百分比（PNL ev,非线性百分比）和有关的位移频率（Sh ev）。这些参数被用于估计非线性场地响应显著区别于相应线性场地响应的概率。我们发现,不管何种场地,这个概率即使对低输入地震动峰值加速度（井下传感器的值不小于30cm/s2）也是重要的。这表明,在中强地震动场地响应评估中必须考虑非线性土体行为。此外,对记录了至少两个强震事件（井下PGA〉50cm/s2）的KiK-net台网数据库的54个场地,我们定义了每个场地的表征土体非线性行为对场地响应影响的另外4个参数：（1）地震动峰值加速度阈值（PGA th）,定义为PNL ev高于10%的地震动峰值加速度值;（2）地震动峰值加速度为50cm/s2的特定场地的PNL（PNL site）;（3）地震动峰值加速度为50cm/s2的卓越频率的特定场地移位（Sh site）;（4）在非线性和线性场地响应之间观测到衰减的频率（fNL）。我们观察到在fNL之下的频率,非线性土体行为可增强放大作用。我们发现fNL介于场地响应基频率和卓越共振频率之间,近地表具有V S反差的场地触发低地震动峰值加速度输入阈值的非线性行为。这些结果表明,非线性行为多发生在地表土层中。此外,通过研究地表的地     

2010年新西兰MW7.0主震与2011年MW6.1余震近场强地面运动特征比较分析

2010年9月3日16时35分46秒新西兰南岛Greendale附近发生了M_W7.0地震, 震源深度约10.0 km. 2011年2月21日新西兰南岛又发生了M_W6.1地震, 为2010年M_W7.0主震后最大的一次余震, 震源深度约5.0 km, 发震断层为Christchurch南约9 km一条近东西走向逆冲的隐伏断层, 该地震造成Christchurch城内多处建筑物严重损毁. 本文分析了2010年新西兰地震事件M_W7.0主震与M_W6.1余震强地面运动的特征. 新西兰M_W6.1余震近场强地面运动整体高于M_W7.0主震. 将主震和余震的强震观测记录分别与新一代衰减关系(NGA)进行对比, 发现余震强震观测数据整体高于其震级对应的NGA. 分别选取距离主震和余震震中最近且强震观测记录最高的两个台站(GDLC台站和HVSC台站)作为参照台站, 建立动态复合震源模型(DCSM)及有限断层随机振动模型(SFFM)进行强地面运动的模拟计算, 分析两种模型的模拟结果并对比二者的优势及局限, 以便在未来工作中更好地通过模型计算强地面运动特征, 实现区域化特征快速、 实时分析及局部重点、 细致分析相结合的目标.      

日本MW9.0地震震区及其周缘2002—2015年卫星重力变化时空特征

本文在考虑全球陆面数据同化系统陆地水储量变化影响后,利用2002年4月—2015年4月GRACE卫星RL05月重力场模型获取了2011年日本M_W9.0地震震中及其周边区域的重力场信息;然后给出了日本及其周边2003—2015年的年度累积重力变化和差分重力变化,并且利用经验正态函数方法深入分析了该地震过程中同震重力变化对区域重力场的贡献. 结果显示:日本M_W9.0地震前研究区域出现了幅值高达2×10-8 m/s2的异常重力变化,其同震效应的时间和空间特征均出现在第一模态,且同震重力变化和震后区域重力场变化特征显著,这充分表明该地震对区域重力场的影响显著.      

日本东北MW9.0地震的PI模型参数设置与预测效能回溯性检验

以日本局部地区（32.0°N—46.0°N,136.0°E—148.0°E）为研究区域,应用图像信息（PI）方法,获得了不同计算参数模型下包含2011年3月11日日本东北M_W9.0地震的多组预测窗热点图像。以0.5°×0.5°和1.0°×1.0°的网格尺度和5—10年预测窗长为主要参数变量,并以R值和受试者工作特征（ROC）方法检验不同参数模型下PI方法的预测效能。结果表明,多组参数模型下M_W9.0地震所在预测窗内,其震中所在网格及其摩尔邻近网格均曾出现热点图像,表明PI方法可对日本东北M_W9.0地震作出预测。综合R值评分和ROC检验分析可知,网格尺度相对较大、预测窗长相对较长的模型,其预测效果更好。      

基于图像信息方法的日本东北MW9.0地震回溯性预测研究

以日本局部地区(32.0°~46.0°N, 136.0°~148.0°E)为研究区域, 应用图像信息方法, 选用8 a滑动预测窗长, 1°×1°网格为主要计算参数, 系统计算了研究区域内2000年以来的“地震热点”(显著异常地区)并获得了区域内7级以上大震特别是2011年日本东北M_W9.0地震的热点演化图像。 结果表明: ① 包含M_W9.0地震的预测时间窗内, 其震中的邻近网格持续有热点出现, 并且其中有4个连续滑动的窗口中该地震震中所在网格亦存在热点。 ② 在回溯时间段内发生的21个M≥7.0地震中, 除2004年9月5日发生于日本近畿南岸近海的M7.1地震前无地震热点外, 绝大多数在震前皆有热点出现。 ③ 与其他M≥7.0地震相比, M_W9.0地震前热点图像分布范围更广, 稳定性更好, 持续时间更长。     

2004年印尼苏门答腊MW9.0地震前地震活动增强现象及其与地球自转的关系

选取2004年12月26日印尼苏门答腊M_W9.0地震的余震分布空间范围为研究区域,该区域位于缅甸小板块中部,纬度范围为2°N~15°N.根据USGS地震目录,研究了2004年印尼苏门答腊M_W9.0地震前地震频次的时空变化,并分析了地震活动与地球自转的关系.结果显示:1)在余震区域范围内,地震频次自2000年开始出现了明显的上升趋势变化,反映了地震活动的增强过程,临近地震发生前,地震频次有一定幅度的回落;2)通过地震频次空间扫描,发现震前在震中附近区域地震活动增强显著;3)在1990~2004年的15年中,单位时间内发生的地震数在地球自转季节性变化减速时段与加速时段之比值r_da在震前出现明显的上升过程:1998年~2002年r_da缓慢上升,2002年底r_da快速上升达最高值,之后,r_da呈现下降趋势,直至苏门答腊M_W9.0地震发生;4)2000年1月~2004年11月间,在纬度1°N~7°N的空间范围内的震中附近地区, 5.5级以上地震都发生在地球自转季节性变化减速时段内;5)地震活动累积年频次相对于其长期平均值的变化量ΔN与地球自转"十年起伏"变化关系表现为地球自转减速时ΔN上升,地震活动增强,加速时ΔN下降,地震活动减弱.这些现象并非偶然,可能预示着地球自转减速与苏门答腊M_W9.0地震之间存在着某种联系,这些结果对地震孕育过程的认识和地震预测研究具有一定的价值.     

利用GPS和InSAR数据反演2011年日本东北MW9.0地震断层的同震滑动分布

本文首先对Envisat/ASAR数据进行干涉处理, 获取2011年日本东北M_W9.0地震的地表InSAR同震形变场; 然后通过对InSAR同震形变数据重采样方法的深入分析, 选择条纹率法结合干涉图的空间相干性对InSAR同震形变数据进行重采样; 最后基于弹性半空间位错模型, 联合InSAR与GPS形变数据, 采用最小二乘法反演发震断层的滑动分布. 研究结果表明: 考虑相干性的条纹率重采样方法, 更适用于形变场中存在除断层外的有限边界、 且形变场范围较大的InSAR数据重采样处理; 断层滑动主要发生在地表以下50 km范围内, 最大滑动量为49.9 m, 矩张量为4.89×1022 N·m, 所对应的矩震级为M_W9.1, 与地震学反演的结果比较吻合.      

基于条件均值反应谱的特大地震强震记录的选取及调整方法

在PEER地震动数据库(PGMD)的基础上, 结合近几年国内外特大地震的地面运动记录, 建立了地面运动数据库, 同时根据日本M_W9.0特大地震获得的141组记录进行统计回归建立加速度反应谱衰减关系, 并采用条件均值反应谱法, 即设定地震与结构概率需求结合的方法选择地面运动. 选波实例表明, 当设定地震为特大地震时, 基于条件均值反应谱法选取地面运动记录时, 扩展数据库中大震记录并建立符合大震记录加速度反应谱的衰减关系是十分必要与迫切的. 该思路为进一步研究结构动态时程分析中地面运动记录选取问题及所选记录提供了依据.      

根据构造环境应力场预测峰值水平加速度

在分析了对峰值加速度 PGA 的影响因素之后,我们发现构造环境剪应力场参数τ₀对 PGA起了重要的作用,将τ₀引入 PGA 的预测公式中,同时考虑了 PGA 对频率的依赖性。大地震的PGA 的优越频率 f_a 较低,小地震的 f_a 较高.因此,小地震的衰减系数较大,PGA 衰减较快。基于上述两点改进,提出了新的 PGA 预测公式。在该公式中,构造环境应力场、震级、距离和场地条件是预测将来强地面运动的重要变量。此公式有很大的适用范围,可以用于大地震（矩震级 M_w=6-7.8）,也可以用于较小地震（M_w=3-6）的 PGA 预测;在考虑了世界各个地区不同的构造环境应力值水平以后,新预测公式可以应用于世界不同地区（例如美国加州和中国华北、西南等）。用实际观测资料检验结果表明,预测效果良好。