直下型断层的破裂速度对盆地地震效应的影响

首先基于有限断层破裂下的运动学震源模型,对比验证了三维谱元法对于近场地震动的模拟精度。 进而通过含盆地模型与不含盆地的一维水平成层模型的地震动强度之间和放大系数分布特征之间的对比,详细研究了直下型断层的破裂速度对盆地地震效应的影响。结果表明,盆地的存在会显著改变近断层地震动的分布特征,同时盆地内不同分量强地震动的分布特征变化较大。断层破裂速度对盆地地震效应影响显著,随破裂速度的增大盆地地震动强度逐渐增加,但不同分量上地震动强度的增加速率显著不同,受盆地效应的影响,放大系数表现出与强地震动不同的分布特征。盆地放大系数整体表现出随破裂速度的增加而减小的趋势,但不同分量放大系数所受影响程度差异明显。同时,盆地内地震动强烈放大区域的位置也受破裂速度的显著影响,但其总体上集中在断层两侧区域及垂直于破裂方向的盆地边缘附近。      

考虑阻抗比影响的三维沉积盆地地震动时-频放大特征

基于三维谱元法模拟了三维沉积盆地模型在点源作用下的地震动响应,通过分析地表速度峰值、放大系数以及特征频率处的谱比分布,研究了不同阻抗比(IR)下盆地的地震动放大特征。结果表明：1)地震动峰值并非随阻抗比的增加而单调递减,且最强烈地震动位置均随阻抗比的减小而向盆地内部移动。2)地震动放大系数与峰值分布总体一致,IR在0.08～0.44的范围内,盆地地表地震动幅值可达基岩半空间地震动幅值的3.68倍。但小阻抗比时三维盆地地震效应会引起某些分量上放大系数的显著不同的分布特征。3)最大放大频率随阻抗比而变化,IR=0.26～0.33时的主要放大频率为IR=0.08时的3倍。4)三维盆地地震效应、阻抗比和一维等效自振频率共同决定了盆地地震动的时-频域放大特征。比较而言,阻抗比较小时更应考虑三维盆地的地震效应。     

考虑土体非线性及倾角影响的盆地地震响应研究

基于二维沉积盆地模型,采用D-P弹塑性模型模拟盆地的非线性特征。利用显式有限元与黏弹性边界结合的方法,通过改变盆地边缘倾角,在时域和频域内分析盆地地表的地震动响应,对比线性与非线性盆地地震反应的差异。结果表明:(1)土体非线性对整个盆地范围内地震动的影响都较显著。考虑非线性时地震动放大系数明显降低,降低幅度在30%~50%。同时,考虑非线性和倾角影响时最强烈放大区域的范围和位置变化,且很小倾角下的分布特征显著不同。(2)两分量的放大系数都有随边缘倾角的增大而增强的趋势,但均是盆地边缘区域受非线性的影响最为显著。此外,真实地震波输入下显著放大区域的范围及线性与非线性结果的差异程度相对更大。(3)考虑非线性时,对于不同频率地震波的放大系数差别明显,但都表现出从低频到高频谱比分布越来越复杂的现象,同时盆地倾角的影响程度随频率的增大更加明显。(4)考虑土体非线性并未改变地震波传播的总体特征,但各震相强度相对降低。     

基于动力学震源模型的三维沉积盆地直下型断层地震动模拟

沉积盆地与近断层地震共同作用会增加地震破坏的风险水平,尤其是盆地下方直下型断层发震情况。采用动力学震源模型刻画断层破裂发震过程,开展沉积盆地直下型断层谱元法地震动模拟研究,探讨不同断层面初始剪应力和成核区位置下三维沉积盆地地表响应规律。研究结果表明,断层面应力降对盆地地表地震动的影响显著,在断层面强度一定的情况下,随着初始剪应力的增大,即应力降增大,盆地地表峰值响应增大,原因在于应力降的改变影响了断层破裂释放能量,进而引起断层破裂速度改变,最终导致盆地地表响应发生变化;改变断层面成核区位置会对盆地内部地震动分布规律产生影响,当成核区位置从断层中间向断层左侧移动时,盆地左侧地震动逐渐减小,而右侧地震动逐渐增大,最终表现为盆地右侧地震动显著高于盆地左侧,原因在于改变成核区位置后,导致近断层地震动的方向性效应发生变化。     

近断层沉积盆地强地震动谱元模拟

近断层强地震动特性与远场地震动特性具有显著差别。关于近断层沉积盆地地震响应规律,目前尚未厘清。为此利用基于有限断层假定的动力学震源模型,采用谱元法,详细研究了不同沉积内外介质波速比、走滑断层倾角下近断层沉积盆地地表的地震动时程和峰值变化规律。计算结果表明:近断层沉积盆地对地震动幅值具有显著的放大作用,在盆地内部,地震动持时明显延长以及空间分布更为复杂,同时出现多次长周期速度脉冲。断层倾角变化对地震动有着显著影响,在30°~90°范围内,整体上看:随倾角增大,盆地内部峰值加速度和峰值速度逐渐减小,而位移峰值受倾角的影响相对要小。另外,随近断层沉积盆地内部介质波速降低,盆地内部地表的地震加速度和速度会明显增大。     

不同震源入射角对海底盆地地震响应的影响

为研究地震作用对海底盆地的影响,在分析网格大小和PML边界厚度对计算精度影响的基础上,综合考虑了海水、盆地内不规则地形以及多层介质等因素,运用谱元法理论建立了礼乐盆地地震动分析二维模型,研究了盆地在不同震源入射角下的响应。结果表明：在考虑流固耦合的情况下,网格尺寸为四分之一波长时即可取得较高精度,PML边界厚度至少为2个波长时方可达到理想效果。震源的不同会影响放大系数的大小及频谱特征。当地震波从盆地中部入射时,随着震源入射角的增大,放大系数逐渐减小;在不同震源入射角下,盆地不同位置的加速度时程及频谱特征差异较大。当地震波从左侧入射时,放大系数的分布规律与地震波从盆地中部入射时有所不同;在不同的震源入射角下,盆地不同位置的加速度时程及频谱特征差异较小。在研究盆地地震相关问题时,海水、地形以及多层介质的影响是不可忽视的。     

基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明：层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。     

复杂场地条件下震源参数对断层附近长周期地震动的影响

基于显式有限元方法和运动学震源模型并利用昆明盆地三维地下构造模型,本文研究了震源参数对断层附近长周期地震动的影响.结果表明,断层的破裂方式、埋藏深度、破裂速度以及断层面上位错的不均匀分布对断层附近长周期地震动有重要影响.不同破裂方式下,破裂的方向性强的区域分布不同,由于破裂的方向性效应和复杂场地条件的共同作用,导致不同破裂方式的断层附近地震动分布差别很大.随着破裂速度的增加,方向性效应更加明显,断层附近的长周期地震动也随之增大;对于浅源地震,随着断层埋深的增加,地震动明显下降.对于埋藏深度很浅的断层,当Asperity靠近断层上沿时,会显著增大其在地表投影附近的长周期地震动.能否合理地估计这些基本震源参数,是预测未来发震断层周围地震动场的关键.     

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.     

震源破裂方式和断层性质对近场强地震动特征的影响

基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法,以1994年Northridge地震断层面上位错量的不均匀分布模式和该地区的地层剪切波速度结构为震源模型和计算模型,做了两个方面的模拟研究:(1)直立走滑断层(断层倾角为90°)情况下,模拟分析了有限断层单侧破裂模式和双侧破裂模式对强地震动特征——破裂方向性和上盘效应的影响;(2)对于倾斜断层(倾角为45°),模拟分析了正断层、逆断层和走滑断层情况下,单侧破裂模式对其强地震动主要特征——破裂方向性效应和上盘效应的影响.结果表明:断层的破裂方式直接影响着地表地震动峰值和矢量分布;在近场区无论直立断层还是倾斜断层,其地表地震动峰值分布所表达的破裂方向性效应显著,位于破裂传播前方的地震动强度大,反映了波前被压缩的趋势,破裂后方地震强度明显变小;倾斜断层引起的上盘效应明显,NS向分量和竖向分量的地表地震动峰值的最大值出现在上盘靠近断层迹线处,EW向分量的峰值在断层迹线两侧呈不对称分布,且逆断层引起的地震动峰值最大,走滑断层的次之,正断层的最小.     

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.     

Three-dimensional simulations of strong ground motion in the Shidian basin based upon the spectral-element method

The strong motion of a small long and narrow basin caused by a moderate scenario earthquake is simulated by using the spectral-element method and the parallel computing technique.A total of five different geometrical profiles within the basin are used to analyze the generation and propagation of surface waves and their relation to the basin structures in both the time and frequency domain.The amplification effects are analyzed by the distribution of peak ground velocity(PGV)and cumulative kinetic energy(Ek) in the basin.The results show that in the 3D basin,the excitation of the fundamental and higher surface wave modes are similar to that of the 2D model.Small bowls in the basin have great influence on the amplification and distribution of strong ground motion,due to their lateral resonances when the wavelengths of the lateral surface waves are comparable to the size of the bowls.Obvious basin edge effects can be seen at the basin edge closer to the source for constructive interference between direct body waves and the basin-induced surface waves.The Ek distribution maps show very large values in small bowls and some corners in the basin due to the interference of waves propagating in different directions.A high impedance contrast model can excite more surface wave modes,resulting in longer shaking durations as well as more complex seismograms and PGV and Ek distributions.     

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.     

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...     

Directional dependence of site effects observed near a basin edge at Aegion,Greece

We study site effects using 520 weak motion earthquake records from a vertical array in Aegion, Greece. The array is inside a basin, has four stations in soil, and one in bedrock (178 m depth). The site is marked by high seismicity and complex surface geology. We first use the records to establish the downhole accelerometer orientations and their evolution with time. Then we estimate site effects using empirical spectral ratios with and without a reference site (standard and horizontal-to-vertical spectral ratio). We find significant site amplification which cannot be accounted for by 1D model predictions, along with a significant difference in the amplification level between the two horizontal components. These are indications of 2D effects, namely surface waves generated at the basin edge. The difference in amplification between the horizontal components is maximised when these are rotated with respect to the orientation of the basin edge. The strongest amplification takes place in the direction parallel to the basin edge (SH, or out-of-plane motion), and is up to 2 times higher than in the perpendicular direction (SV, or in-plane motion). This directional effect on the amplification is corroborated by numerical 2D modelling using incident SH and SV waves, with the former possibly generating strong Love waves. In the records, the directionality is clear for windows containing the largest amplitudes of the records (S waves and strong surface waves), while it tends to vanish for coda-wave windows. This directionality is also observed when using response spectral ratios rather than Fourier ratios. We compute soil-to-rock amplification factors for peak ground acceleration (PGA) and find it is significantly higher than what is predicted by current design codes. We attribute this difference to the basin edge amplification, linear soil behaviour, and to the inability of simple scalar values like PGA to describe complex amplification effects. Finally, we analyse the earthquake records at a surface station near the slope crest and do not observe significant topographic amplification.