经验格林函数方法模拟地震动研究现状

经过30多年的发展,格林已经成为被地震工作者普遍接受的模拟地震动的方法.回顾发展历史,该方法可以分为3个阶段:第1阶段是经验格林函数理论建立阶段;第二阶段是经验格林函数方法逐步得到完善阶段;第三个阶段是经验格林函数方法的广泛应用阶段,该阶段提出了用该方法预测未来地震动的一般步骤,标志着用经验格林函数方法预测未来地震动,为建筑物的抗震设防提供依据已经到了比较成熟阶段.最后,对用经验格林函数方法和随机方法模拟地震动的优势和不足进行了比较.     

经验格林函数方法理论上的改进

以往的经验格林函数方法存在着两个问题:一是要求大小地震需满足"相似"或"准相似"条件,这就限制了经验格林函数方法的适用范围。二是对大地震断层面的位错不均匀性考虑得不充分,而实际上大地震断层的位错一般是不均匀的。本文在假定大小地震不满足"相似"和"准相似"以及大地震断层面位错不均匀的前提下,对经验格林函数方法进行了改进,并应用于卢龙地震的模拟,模拟的结果与记录符合得比较好,说明改进的经验格林函数方法可以用来估计场地地震动过程。     

用改进的经验格林函数方法模拟唐山地震动

建筑物的抗震设防需要尽可能地掌握未来大地震强震动记录信息,但大地震强震动记录的匮乏阻碍了抗震设防实践的发展。经验格林函数方法作为模拟地震动的主要方法,可以提供可靠的大地震强震动记录,但也存在着许多问题,如缺乏对大地震断层滑动分布不均匀的描述、用经验确定小震数目、模拟方法受到大小地震相似条件的限制等。文中对上述经验格林函数方法存在的问题进行了研究,改进的经验格林函数方法,有效地解决了上述问题。并用其对唐山大地震进行了模拟,并把模拟的地震动时程和反应谱与实际记录相比较,发现用改进方法模拟的地震动加速度反应谱比用未改进方法模拟结果更接近实际的地震动记录加速度反应谱。由此说明改进的经验格林函数可更准确的模拟地震动。     

应用动力学拐角频率对经验格林函数法的改进

针对大小震拐角频率的差异,假设大震断层上每个子源的拐角频率与已破裂的子源个数平方根成反比,基于ω2震源谱模型,通过理论推导构建了一个函数,将动力学拐角频率引入经验格林函数法。以汶川地震余震记录为格林函数,分别用改进前和引入动力学拐角频率后的经验格林函数法合成5·12汶川大地震强地面运动。对比合成结果与观测记录,结果表明改进前经验格林函数法合成的地震动在低频部分相对实际记录偏低;引入动力学拐角频率之后的经验格林函数法合成的结果在高频基本保持不变,低频部分得到提高,并与实际记录符合。引入动力学拐角频率后,大部分合成结果很好地符合实际记录。说明动力学拐角频率可有效改善经验格林函数法的低频合成结果,同时验证了经验格林函数法对MW7.9特大地震地震动合成的有效性。     

用经验格林函数法和随机方法模拟卢龙地震的比较

在介绍用经验格林函数方法和随机方法模拟地震动的基础上,分别用这两种方法模拟了卢龙5．7级地震。模拟结果表明,用经验格林函数方法模拟地震动的结果与地震记录符合得很好。用随机方法模拟地震动在高频部分与地震动记录符合得比较好,而在中、低频部分符合得不太好。两种方法比较,经验格林函数方法模拟的结果更符合实际记录。但随机方法具有计算简单、无需小震记录的优点,因此发展随机的方法是有意义的。随机方法中中、低频部分不太符合的原因是随机方法中的很多经验关系是在美国大陆得到的。因此建议加强对中国大陆经验关系的研究,并把中国大陆的经验关系加入到随机方法中,使随机的方法成为中国大陆普适的模拟地震动的方法。     

基于改进的经验格林函数方法的地震动模拟

改进的经验格林函数方法弃掉以往完全用经验方法确定用于合成大震的小震数目的方法,考虑了大地震断层各个子断层位错的不均匀性,使得经验格林函数方法的物理意义更加清楚。用改进的经验格林函数方法,以汶川MS6.4余震记录作为经验格林函数模拟了九寨白河台、松潘安宏台、皋兰台和成都中和4个台站的加速度时程,与以往的经验格林函数方法比较,模拟结果的反应谱与记录符合得更好,证明了改进的经验格林函数方法可以反映震源位错的复杂分布,可以在工程地震中用来估计场地地震动过程。     

随机点源方法和随机有限断层方法模拟地震动的比较

在对用随机点源方法模拟地震动和随机有限断层方法模拟地震动比较的基础上,介绍了2种方法的局限性和优越性.分别用2种方法对卢龙和宁河地震进行了模拟结果表明:用随机点源方法模拟结果仅在某些频段与记录符合得比较好,而在其它频段内与记录符合得不好;用随机有限断层模型方法模拟结果无论在低频还是在高频都与记录符合得很好.因此加强研究中国大陆的地震动经验关系对提高随机点源方法在中国大陆的适用性是有益的,用有限断层方法模拟地震动的结果与记录符合得比较好,说明现在可以用该方法大量地模拟中国大陆地震动.     

经验格林函数方法的理论探讨

通过比较经验格林函数和理论格林函数模拟地震动方法,认为经验格林函数方法能比理论格林函数更好地模拟地震动。同时亦指出用经验格林函数方法模拟地震动时出现两个问题:(1)模拟的结果高频不稳定。(2)模拟的结果有一个"人造周期"。地震工作者提出选择适当的频响函数,比较有效地解决了模拟结果高频不稳定的问题;还提出了完备经验格林函数集的概念,以提高模拟结果与记录的符合程度。但完备经验格林函数集提出了每个大震子断层上都有小震记录的过于苛刻的要求,使得完备经验格林函数集的获得只能靠理论和经验关系结合的办法。本文通过对大震断层滑动速度函数的理论分析认为:可以用多个不同滑动速度和不同上升时间的小震合成经验格林函数,用这种经验格林函数合成的地震动不会产生"人造周期"。但需要加强对小震记录的反演工作并获得丰富的小震参数。     

随机方法模拟地震动的应用研究

对随机方法模拟地震动的实际应用进行了研究。通过实际模拟验证,此方法简单有效,可为结构抗震设计提供验算依据,同时为设计反应谱的拟合提供参照数据,有一定的实用性,但仍存在一定的不足。     

卢龙地震动场的预测

分别用经验格林函数方法和随机方法对卢龙ML5.7地震的地震动进行模拟对比研究,结果显示:用经验格林函数方法模拟得到的波形和反应谱都与原始记录接近,用该方法模拟的地震动,无需掌握场地的具体情况;对于无小震记录的地区,如果知道了其场地情况与附近有小震记录地区相似,可以用该小震记录作为经验格林函数模拟地震动。对于不能用经验格林函数方法模拟地震动的地区,可以用随机方法模拟地震动。用随机方法模拟地震动具有简单、方便、无需小震记录的优点。根据卢龙场地具体条件,尝试用两种方法结合预测了卢龙地震加速度场,结果比较好地反映了断层周围加速度的峰值分布规律。     

考虑凹凸体理论的经验格林函数方法

以15次地震资料为基础,回归得到断层上所有凹凸体地震矩与凹凸体面积的关系;研究经验格林函数方法中凹凸体子源的应力降,提出基于断层凹凸体理论的经验格林函数方法;以唐山地震余震（Ms=6.9）作为经验格林函数,合成1976年唐山地震（Ms=7.8）的地震动,比较合成结果与观测记录表明,该方法符合断层破裂过程,计算结果可靠．      

断层附近强地震动半经验合成方法的研究

本文对利用经验格林函数法合成断层附近的强地面运动等问题做了初步研究。基于云南施甸5.9级主震和余震强震观测记录和本文提出的移动窗技术对断层附近的主震记录进行了分析识别，发现大震的Asperity(凸凹体）与小震在时程和Fourier幅值谱上存在一定程度的相似性。这种相似性从理论上，可以解释为这种小震视为大震Asperity的“种子”，大震的Asperity是由这些“种子”发育而成的。在此基础上合成了云南施甸距震中仅为1.1公里的主震记录，同时也提出以断层附近小震作为经验格林函数存在着一些缺陷。     

用经验格林函数方法研究台站的场地响应

本研究利用成都遥测数字地震台网数字地震波形数据资料,采用经验格林函数方法研究台站的场地响应,并与计算台站场地响应的常规方法-Moya方法得出的结果进行了比较。结果表明,两种方法得到的结果是比较相似的。本研究所采用的经验格林函数方法简单、有效,得到的台站场地响应结果真实可靠。     

估计震源破裂模型的经验格林函数法

用经验格林函数法模拟断层破裂过程，合成近场地面运动，并通过合成结果和真实记录的时程曲线、反应谱、傅氏谱的对比，估计断层破裂模型。     

用经验格林函数方法从红山地震台数字化资料提取隆尧地震的震源时间函数

2002年4月22日在邢台老震区隆尧县境内发生了一次ML4．8地震，这次地震邢台地区震感强烈，随后又发生15次小的余震。我们从这些余震中任意选择了5次余震分别作经验格林函数，提取了该地震的震源时间函数，目的是从这个地震来反映邢台震区的地质构造和震源情况。结果表明：无论以哪次余震的记录作为经验格林函数，结果都相当一致。发生于2002年4月22日的ML4．8地震只是老震区断层的单次破裂，此次事件的持续时间较短，只有0．7s左右，上升时间约为0．5s。为了验证所提取的震源时间函数的稳定性和可靠性，作者用5个小余震的UD，EW，NS方向分别作经验格林函数处理，结果相当一致；同时用全波、P波和SH波进行提取震源时间函数的对比，结果表明，用全波和SH波效果较好，所得结果非常一致，而用P波提取的震源时间函数效果不很理想。即同一台站的不同震相求得的震源时间函数的幅度存在差异。     

应用经验格林函数研究禄劝余震震源参数

本文采用经验格林函数研究1985年禄劝地震的16个M_L3.0至4.1级较大余震的震源参数。地震矩为0.2至3.5×10~(21)达因厘米,应力降为3巴至59巴。沿北64°西的主震断裂面的余震应力降显示出典型的时空变化图象。     

2021年日本福岛县冲地震的震源破裂过程分析基于采用经验格林函数方法的波形反演

利用中小震作为经验格林函数,选取0.2~2.0 Hz频段的强震数据进行波形反演,获得了2021年福岛县冲地震的破裂过程。结果表明:该地震的破裂主要集中在断层面距离震源约25 km的区域内,沿震源向东北延伸约5 km,向西南延伸约20 km;在该区域内,识别出两个滑动量集中的区域,均分布在距离震源约15 km西南侧,主要滑动量集中区域最大滑动量约3.2 m,深度基本与震源一致;次要滑动量集中区域略比主要滑动量集中区域浅约18 km。该震源模型对应矩震级M_w7.3,破裂速度为2.4 km/s。通过选择不同的中小震组合进行波形反演,结果对该震源模型特性无显著影响,揭示了该震源模型的稳健性;基于该震源模型合成反演分析中未使用的强震观测台站强震动,获得的合成波形与观测波形有很好的相关性,充分证明了该震源模型时空特征的可靠性。     

用余震作为经验格林函数从GDSN长周期波形资料中提取1999年集集地震的震源时间函数

1999年9月20日17ｈ47minUTC（北京时间9月21日01ｈ47min）中国台湾省南投县集集镇发生Mw7.6地震，随后又发生许多中强余震．我们从这些余震中选择了Mw6.1和Mw6.2两次余震分别作为经验格林函数，并从包括IRIS，GEOSCOPE和CDSN在内的全球数字地震台网的长周期波形资料中提取了主震的震源时间函数．对于发生在9月22日的Mw6.1余震，有26个台站的78条记录的97对震相清晰可用；对于发生在9月25日的Mw6.2余震，有24个台站的72条记录的81对震相清晰可用．对于每个台站，从Ｐ和Ｓ两种震相中提取震源时间函数，分别称之为Ｐ波震源时间函数和Ｓ波震源时间函数．这样，利用两次余震从长周期波形资料中共提取了178个震源时间函数．从这些震源时间函数可以看到，除在特殊方位的几个震源时间函数由于主震和余震的震源机制的差别引起较大的畸变外，大多数台站的震源时间函数都具有相似性；同时，其形状随方位发生一定程度的变化．这两种特征都是对所提取的震源时间函数的稳定性和可靠性的客观反映．通过分析确认，这次地震由两次子事件构成，总持续时间约26ｓ．第二次事件比第一次事件晚大约7ｓ，第一次事件的矩释放率比第二次事件大15％．      

经验格林函数法与随机有限断层法在合成近场强地震动中的联合运用

本文采取将经验格林函数法与随机有限断层法相结合的方式,突出体现了各自方法的优点,通过经验格林函数法确定地震震源参数,用随机有限断层法计算参数、检验其合理性。利用1998年新疆阿图什M6．9级地震的肘L4．7级余震记录,合成了这次地震的最大余震Ms6．0级地震的加速度记录,并将合成的结果与实际记录在频域和时域做了对比,分析研究了地震动特征和这次最大余震的可能破裂特征。同时对经验格林函数法需进一步改进的方向进行了探讨。