地震动衰减关系区域性差异初步探讨

本研究以中国川滇地区、美国西部、日本、新西兰四个典型的地震区为对象,利用四个区域81次地震获取的2488组强震记录,借鉴广义反演的思想,对影响地震动幅值和地震动衰减关系的震源效应、距离衰减和场地效应3个主要因素进行了分离。通过从以上3个方面对比和分析,初步探讨了四个地区地震动特征和衰减关系的区域性差异。比较结果表明:(1)震源方面,区域震源特征的差异对T0.5 s的短周期段和T3.0 s的长周期段地震动影响尤为显著,同时,相比于小震,大震地震动受区域震源特征差异的影响更大;(2)传播介质方面:不同区域传播介质的差异性对小震影响比对大震的影响更显著,且对短周期地震动的影响比对长周期地震动影响更大;(3)局部场地方面,不同区域场地特征的差异对软土场地长周期地面运动影响更加显著。     

相对局部区域震源参数随机不确定性经验关系研究

在进行未来破坏性地震的强地面运动数值模拟时,震源参数选取的准确性对地震动预测的结果影响很大。震源参数的确定存在很多不确定性因素,既包含随机的不确定性因素,又包含认知的不确定性因素。本文在大量地震事件及文献调研的基础上,运用统计学方法对具备随机不确定性特征的震源参数进行统计研究,以震源参数经验公式的形态建立解释其随机性和不确定性的数学模型。为了研究局部地区震源参数的定标关系特征,获得更加适用于局部地震密集区域,尤其是包含中国大陆地区在内的局部区域的震源参数的经验关系,本文从GCMT地震目录中选取了1 700多个M_W≥5.5的地震事件,运用统计学方法研究地震密集地区的震源参数经验关系,包括震级、地震矩、破裂面积等,增加了相对较大的局部范围内凹凸体的地震样本数量,从统计学角度计算更加适合局部区域的震源参数的经验关系。统计结果表明:局部区域震例获得的震源参数的经验关系与不限区域震例获得的经验关系存在差异,尤其是涉及到断层破裂面积、凹凸体相关参数时差异较大,局部区域内震例获得的震源参数的经验关系将更具有代表性。应用本文获得的相对局部区域的经验公式计算未来破坏性地震的强地面运动所需的震源参数时,获得的地震动预测结果将更能体现目标区域真实的地震动特征,进而提高地震动预测结果的可靠性。      

地震动震源、路径及场地效应分析的广义反演方法研究进展

震源、传播路径及近地表场地效应是影响地震动的关键因素,相关研究始终是地震学、地震工程学领域的研究热点,理解其物理过程、基本原理对地震动预测至关重要,直接服务于建筑结构的抗震设计.在频域上同时分离震源、传播路径及场地效应的广义反演方法近年来应用十分广泛,已取得了大量有价值的研究成果.本文介绍了广义反演方法的基本原理与发展历程,总结相关研究成果,主要包括震源参数相似关系、区域性品质因子及地震动场地效应等;最后探讨了该方法的应用局限性以及未来发展前景.     

伽师及周围地区现代构造应力场特征研究

对伽师及周围地区内震源机制解、钻孔崩落、断层滑动资料等地应力数据进行统计,分析了区域构造应力场的总体方向特征. 3类地应力数据给出的水平最大主应力方向差异不大,表明该地区构造应力场在水平向上总体呈南北向挤压. 利用137个地震震源机制解数据,对伽师及周围地区现代构造应力场的时空变化特征进行了反演分析. 反演计算结果表明, 伽师周围地区区域现代构造应力场最大主应力sigma;1为北北西-南南东向,方位角为162deg;. 在1997——2003年的伽师巴楚地震前, 伽师震源区最大主应力sigma;1和最小主应力sigma;3的方向,相对于周围区域构造应力场发生了顺时针偏转, 最大主应力sigma;1变为北北东——南南西向,方位角为25deg;. 在这一构造应力场的控制下, 发生了包括1997年伽师强震群在内的一系列地震. 其后,伽师震源区构造应力场可能又一次发生了调整,控制2003年伽师巴楚地震的构造应力场与周围地区区域现代构造应力场相一致.      

伽师强震群震源破裂特征的初步分析

为深入研究1997年新疆伽师地区连续发生的强震群的震源破裂特征,利用全球数字地震台网(GDSN)宽频带数字资料及区域台网资料,较详细地研究了伽师强震群的震源机制及震源破裂特征.结果表明:伽师强震群的震源机制解主要有走滑和正倾两种破裂类型,其共同特点是主压应力轴方向沿北北东向,主张应力轴沿北西向,与区域构造应力场方向存在差异,具有明显局部特征;从震源破裂特征来看,伽师强震的滑动尺度、上升时间和持续时间均较小,震源破裂面积不大,是由一点向四周快速扩散的脆性破裂,无明显伸展方向;伽师强震群的破裂断层面为北东向,与震源深度梯度变化带、地壳接触变形梯度变化带、等烈度线以及地震扩展方向吻合;伽师强震群是在近南北向挤压环境下,在震源区附近剪切和张扭应力作用下发生的多次沿北东向的脆性快速破裂,从而造成了伽师强震群以张性破裂和左旋走滑为主的震源特征.     

新疆伽师地区非弹性衰减、场地响应与震源参数研究

本文用伽师地区11个数字地震台记录的地震波形资料,用Atkinson方法反演该地区地震波的非弹性衰减;用Moya方法反演11个台的场地响应。扣除地震记录中的传播路径、场地响应与仪器响应后,用遗传算法测定参与计算的76次地震震源参数。分析结果表明:伽师地区Q0值小于天山中东段地区Q0值,这表明该地区构造运动要比天山中东段剧烈,地震活动反映的情况也是如此;11个台的台基都有不同程度的放大效应。在单对数坐标下,76次地震震级与地震矩、震源尺度成正相关关系,与拐角频率成反相关关系。地震震级与应力降之间没有明显依赖关系,表明该地区地震应力降值可作为一个参数为地震预测服务。     

马衔山北缘断裂西段地震动场估计的震源模型

为估计近场地震动场,研究了设定在邻近兰州市马衔山北缘断裂西段一个6.5级地震的震源模型。在这个混合震源模型中有2类震源参数。全局参数主要根据区域地壳结构、区域地震活动性和半经验标定公式确定。局部参数分两组,一组是描述凹凸体的,主要根据详细的活断层探查资料和标定公式确定;另一组是k平方模型参数,依标定公式估算。文中展示了生成震源模型的6个例子。最后,依选定的计算点随机合成的地震动反应谱选定了代表平均特征的震源模型。     

《强地震动模拟及工程应用专辑》前言

强地震动模拟分析涉及地震学、岩石力学、土动力学等多个学科,是工程地震学的核心内容之一,国内外学者在该领域已取得较多重要进展.近年来,随着国家韧性城乡建设的需要,区域复杂场地地震区划及重大工程建设对地震动场的准确模拟提出了更高要求.综合考虑震源、路径和场地效应的区域尺度地震动模拟以及场地-结构(群)地震相互作用等已成为当...     

冀东南堡油田设计地震动参数研究

新发现的冀东南堡油田位于地震和断裂活动较强的渤海湾地区,抗震设防问题不容忽视。本文分析了油田所在地区的地震活动和地震构造环境,并在此基础上划分出了潜在震源区,确定了地震动衰减关系,进行了地震危险性分析。然后根据油田周边相关工程的工程地质条件特征,建立了场地土动力模型,进行了土层地震反应计算,确定了场地设计地震动参数。结果表明,局部场地条件对地震动峰值和反应谱的影响较大,需对场地工程地质条件进行详细研究。     

大震近场地震动数值模拟的不确定性研究

地震动数值模拟是研究地震发生、发展特征和规律性的基础研究,涉及震源、传播路径、场地三方面的一系列基本问题。研究结果可以直接用于强地震动基本参数的标定和地震动的工程预测以及地震危险性分析,是防震减灾中一项很重要的基础工作。当前考虑断层模型中的几个重要震源参数模拟未来地震动成为热点。例如,不管是随机有限断层方法,还是经验格林函数方法,都特别重视震源参数的选取,但当前对于强地面运动的数值模拟大多是对已发生地震的反演,反演所需的震源参数多是根据地震发生后的观测资料、经验关系推断或者人为的假定得到的。地震动特征预测的好坏,关键也在于震源参数的选取是否可靠,针对工程应用,对未来近断层地面运动的预测应当考虑参数选取的不确定性。强震动数值模拟方法已经比较成熟,比如随机有限断层法、经验格林函数法、混合方法等。但这些模拟地震动的方法多是确定性方法,对模拟过程中各个环节的不确定性因素考虑较少,尤其是断层震源参数的选取都是精确的数值,模拟结果自然不能综合表征未来地震发生时的地震动特征。另外一种地震动特性表征形式是利用地震动预测方程来表现参数的衰减关系,但是预测方程也会受观测数据、模型选取、随机因素的影响,不确定性无法避免。在地震动预测中每个步骤都带有很大的不确定性,主要包括认知的不确定性和随机的不确定性。震源模型的建立依赖各种专家的观点和意见,这种观点和意见往往相互差别很大,有很大的人为不确定性。地震资料的完整性、可靠性,以及理论模型等的建立也会造成很大的不确定性。因此,本论文的研究内容重点在预测未来大震近场地震动时震源环节的不确定性因素,系统地研究影响大震近场地震动数值模拟不确定性的影响因素,以期建立描述影响大震近场地震动数值模拟不确定性影响因素的模型,并将考虑不确定性因素的震源模型应用在破坏性大地震的地震动特征预测中去。针对地震发生时震源参数具有的随机不确定性,通过统计学方法得到震源参数间的经验关系。同时由于地球内部的不可入性以及观测技术手段的限制,地震震源模型还存在很多的认知不确定性因素,我们采用逻辑树方法处理认知不确定性因素,引入强震生成区的概念,重点分析Asperity的认知不确定性因素并在此基础上建立Asperity震源模型,取多种方案结果的最优值作为地震动的预测结果。论文具体的研究内容有以下5点:(1)在Hiroe Miyake工作的基础上,用经验格林函数法模拟了1997年日本九州鹿儿岛县的MJMA6.5地震,验证了经验格林函数法模拟强地面运动的有效性。数据使用的是日本K-NET强震台站数据。选择此次地震以及用日本K-NET数据的原因是日本的地震记录比较丰富,台站收集到的地震记录质量相对较好。同时分析了地震动模拟值中在工程领域使用较多的参数,表明模拟结果较好地反映了真实的地震动记录。证明经验格林函数预测未来强地震动是切实可行的。(2)本论文在大量地震记录及文献调研的基础上,运用统计学方法,通过统计回归分析得到地震密集区域震源参数间的经验关系,重点统计了包含龙门山断裂带在内的中国西南地区震源参数间的经验关系。为了得到更加适应于中国大陆区域的局部震源参数的经验关系,我们将地震样本局限在一定的区域内,缩小统计区域的范围,同时得到多个Asperity等局部震源参数的经验关系。(3)研究和分析各不确定性因素对地震动结果的影响程度对提高地震动预测的可靠性和准确性意义重大。本论文以2016年发生的日本熊本7.3级地震为例,通过参数敏感性分析技术筛选了对拟合结果有决定性影响的关键模型参数。未来地震动预测时会考虑在这几个不确定性因素中加入更高的权重,以提高地震动预测的可信度和准确性。(4)基于汶川地震资料,研究分析Asperity的认知不确定性对地震动预测的影响,运用逻辑树方法建立了考虑不确定性因素的Asperity震源模型。采用Hiroe Miyake提出的强震生成区的概念,将Asperity区域等同于强震生成区域,主要从Asperity的面积、数量、应力降、上升时间等方面进行了认知不确定性的分析研究,得到了针对强震的可能性较大的Asperity的面积和数量的最佳搭配形式。本文的创新点将概率地震危险性分析中不确定性因素的处理方法应用到未来大震近场地震动数值模拟中去。随机不确定性因素用统计学方法处理,认知不确定性用逻辑树方法处理。模拟结果能更好地表征未来大震近场的地震动特征,地震动参数的模拟结果在未来抗震设防及灾害预防中会有更好、更高的参考价值。考虑不确定性因素预测未来破坏性大地震,从而定量地评价发生地震时近场地面运动的综合特征,为防震减灾提供科学的依据,为工程设计决策提供参考依据。     

基于我国强震动数据的地震动持时预测方程

基于2007—2015年间我国数字强震动观测台网记录到的M_W5.0—6.6地震事件中的强震动记录,综合考虑震源、传播路径及场地的影响,采用随机效应回归分析方法建立了适用于中国大陆地区的地震动显著持时预测方程,并与其它地区的预测方程进行了对比分析。结果显示:显著持时随震级和距离的增大而增大,硬土场地的地震动持时整体上略小于软土场地,而且本文给出的地震动显著持时随预测变量的变化趋势与其它研究地区具有一定的相似性。      

河南小浪底大坝的设计地震动参数

本文基于以坝址为中心,320公里范围内地质构造、历史地震和地震活动性的分析结果,研究了地震活动性模型,给出了影响小浪底大坝场地地震的空间和震级的分布,采用中国东部地区中强地震动记录和历史地震烈度观测资料,研究了地震动的衰减公式,并考虑了近场和远场震源的烈度与加速度之间的关系。在地震危险性分析中,应用概率方法,确定以10~(-4)年超过概率作为大坝地震危险性评定准则,可得到坝址场地地震动峰值加速度。考虑了各潜在震源离坝址的距离、最大震级和近场或远场震源等场地特征,选取大坝场地反应谱和地震动加速度时程曲线的包络线。最后,应用非随机过程的数学模型逐渐逼近目标谱的方法,得到近场和远场的每一组10条地震动时程曲线。这些人造地震动时程曲线可作为大坝的设计地震动的工程参数。     

一种改进的近断层脉冲型地震动模拟方法

本文基于小波包技术的随机地震动模拟方法,提出一种改进的参数化随机近断层脉冲型地震动模拟方法。然后,通过识别和提取近断层脉冲型地震动数据库中脉冲型地震动的特征参数,建立了基于震源、传播路径和场地特征等参数的脉冲模型参数预测方程。最后,通过模拟实际记录和误差分析检验了改进的模拟方法的有效性。结果表明:应用改进的模拟方法得到的地震动时程无论在波形、频率特性还是峰值上均与实际记录具有较好的一致性。改进的模拟方法在保留地震动时频非平稳性的基础上,能够有效地提高近断层脉冲型地震动的模拟效果,并且能够很好地体现脉冲型地震动的主要特征。     

震源机制参数对模拟地震动场速度脉冲的影响

近断层区域脉冲型地震动对于大跨度工程结构地震响应具有重要影响,然而大震近场记录的匮乏使得探究脉冲型地震动的特征较为困难．本文借助基于运动学震源模型的地震动合成方法,合成不同震源机制参数情况下的近场地震动场．采取基于能量的速度脉冲识别方法,提取合成地震动场中的速度脉冲并计算脉冲周期和幅值,分析震源机制参数对速度脉冲空间分布及脉冲特征参数的影响规律．研究表明：断层走向变化主要影响脉冲型地震动的方位;倾角和滑动角主要影响脉冲型地震动的数量和分布方位;脉冲型地震动更易出现在与断层走向斜交的方向上,在垂直断层走向方向上脉冲型地震动分布相对较少;走向对脉冲特征参数影响很大;相对于脉冲周期,断层倾角对脉冲幅值影响更显著;倾滑断层引起的垂直分量脉冲周期明显大于其他震源机制情况．     

新疆北天山地区宽频带地震动模拟关键技术研究

近年来,我国强震动观测记录数据库有了大幅扩充,一定程度上满足了重大工程抗震设防对宽频带地震动输入的迫切需求。然而,对于地震频发、强震动观测记录少的地区,宽频带地震动的数值模拟仍是确定合理地震动输入的重要途径。北天山地区是新疆经济社会发展的核心区域,现有强震动观测记录难以满足该区重大建设工程的抗震设防需求。研究构建考虑北天山地区震源机制、地质构造以及场地特征的宽频带地震动模拟方法对于高地震风险的北天山地区具有重要工程应用价值。宽频带地震动模拟方法由具有强区域特征的高频地震动随机模拟方法及基于求解无限域波动问题的低频地震动模拟方法组成。本文围绕北天山宽频带地震动模拟方法构建中的关键问题展开研究:针对高频地震动模拟,主要研究中小震震源模型的构建及非平稳地震动合成所需的群速度模型;针对低频地震动模拟,主要研究无限域波动数值模拟中高精度人工边界的构建,以尽可能缩小模拟工作区和提高计算效率。取得的研究成果如下:(1)北天山地区震源和路径传播模型构建。利用该地区2009—2015年843个M_L≥3.0地震记录,采用多台多地震联合反演方法建立了该地区的路径衰减、台站场地响应以及震源谱模型。结果表明,北天山地区中小震震源谱具有分段特性:4级以下地震的震源谱与引入震源谱高频衰减因子(κ=0.003)的Brune模型在统计意义上基本一致,4级以上地震的震源谱逐渐偏离Brune模型,呈现较为明显的双拐角频率特性;另外,震源谱存在分区差异,库拜盆地、塔里木盆地内地震的震源谱在高频段衰减更为显著。(2)北天山地区等效群速度模型构建。在已有基于等效群速度模型合成地震动的工作基础上,引入震相微分计算方法改进了等效群速度的计算方法;提出应用测震记录P波到时构建最快波群速度模型,分析了最快波群速度选取对等效群速度模型构建的影响;基于北天山地区的强震动观测记录,统计得到该地区的等效群速度模型。等效群速度模型引入到高频随机模拟方法的算例结果表明,基于等效群速度模型考虑地震动非平稳特征可给出更为合理的地震动模拟结果,对于面波发育的深厚覆盖层场地影响尤为突出。(3)高精度人工边界条件完美匹配层构建。完美匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,其构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发的数值失稳、计算精度低下等问题。为此提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法。弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,规避了变换后所得场方程与界面条件的匹配不合理问题。新方法可直接给出弱形式匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案。利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性。(4)新源—和静6.6级地震地震动场的数值模拟。2012年6月30日新源—和静地震是北天山地区近50年来发生的最大地震,测震及强震动观测记录均较为丰富。本文应用反演所得滑动分布和随机滑动分布分别拟合了强震动台站的地震动时程,对比分析了拟合反应谱与观测记录反应谱的差异性;模拟了该地震的烈度分布图,分析其与实际调查烈度图和基于新疆常用地震烈度衰减关系计算的烈度图之间的差异,探讨了破坏性地震发生后应用高频随机有限断层方法生成地震烈度分布图的可行性。     

云南分区地震动衰减关系

受震源特性、传播路径等因素的影响,地震动特征具有很强的区域性。在近年来获取的强震动记录的基础上,根据地震地质特征和强震动记录的分布情况,将云南划分为3个区域．采用统计法和映射法,分别构建了这3个区域的地震动峰值衰减关系,并时其进行了分析和对比。     

基于震源-河谷波场数值模拟的坝址地震动参数确定方法

针对目前高坝坝址地震动参数确定方法的一些不足,本文尝试了一种基于地震学理论的坝址区三维地震动场生成方法.基本思路是将地震学和工程学结合,针对设定地震,建立震源-传播介质-坝址峡谷场地数值模型,通过超大规模的数值计算,模拟地震波从发震断层破裂开始到坝址场地的物理传播过程,生成坝址区的三维地震动参数.与传统基于衰减关系的地震动参数确定方法相比,这一方法可以考虑震源机制、传播介质和坝址峡谷场地效应等三大要素的影响.对于特定的坝址,可以生成符合实际地质构造、区域岩体动力特性以及坝址峡谷地质地形条件的地震动荷载分布,具有针对性,为重大高坝枢纽工程遭遇极端地震荷载作用时的抗震安全性提供了一种新的分析手段.     

西北黄土地区河谷城市地震动参数小区划研究——以兰州为例

以兰州为例研究了中国西北黄土地区河谷城市的地震动参数小区划特征,论证了选择输入地震动的重要性以及地震动参数分区和当地场地特征、土层分类以及地貌分区的关系。根据兰州市区的场地条件和大量的计算结果将市区划分为三个小区,给出了各小区的设计地震动参数,编制出设计地震动参数小区划图。     

青藏工程走廊地震危险性对比分析及区划

潜在震源区地震活动性参数、地震动衰减关系对地震危险性分析结果至关重要。以中国第五代地震动区划图潜在震源区划分方案为基础,采用2类震级分档分别建立自编及五代图潜在震源区空间分布函数,收集4组青藏高原及周缘地区地震动衰减关系,采用不同组合对青藏工程走廊沿线的81个场点进行概率地震危险性分析计算,得到50年超越概率10%(地震重现期475年)的各场点基岩地震动峰值加速度(PGA),并转换为一般场地(Ⅱ类)PGA,对计算结果进行对比分析,并与第五代地震动区划图归档上下限值进行比较。结果显示:采用我国西部地区地震动衰减关系计算得到的PGA最大,采用云南地区地震动衰减关系得到的PGA最小,采用川藏地区及青藏高原东北缘地震动衰减关系时居中;在同一地震动衰减关系下,采用自编空间分布函数计算得到的PGA普遍略大于采用第五代图空间分布函数时;在震级上限为8.5的潜在震源区及附近地区,潜在震源区空间分布函数震级分档对计算结果有显著影响。综合分析表明,采用自编Ⅱ型震级分档空间分布函数方案与川藏地区地震动衰减关系组合方案的计算结果最为理想。最后,采用该组合方案对青藏工程走廊50年超越概率10%的基岩场地PGA及一般场地PGA进行了区划。     

近场地震动频谱特征周期研究

基于999条具有完整信息的欧洲及其毗邻地区的近场强震动记录,对反映地震动频谱特性的不同特征周期参数(反应谱卓越周期T。、平滑化反应谱卓越周期T_o、傅氏幅值谱平均周期T_m)进行了研究,分析了场地条件、地震震级等因素对近场水平向及竖向地震动频谱特征周期的影响,并探讨了我国现行规范中设计反应谱特征周期T_g取值的合理性问题。统计结果表明:在近场区域场地和震中距仍是影响地震动频谱特征周期的重要因素,因为近场地震动的复杂性,震级对地震动频谱特征周期的影响不是很明显;近场区域竖向与水平向地震动的频谱特征周期有明显差别,且场地越软竖向与水平向地震动频谱特征周期的比值越小;我国现行抗震规范中设计反应谱的特征周期取值偏低,可能是偏于不安全的。