考虑区域特征的地震动模拟 ——以2020年伽师MS6.4地震为例

为研究伽师地区地震动的区域特征,提高地震动预测的可靠性,文中利用伽师地区近10a收集的强震动观测记录,采用非参数谱反演方法分离了地震动的震源、传播路径及场地影响,建立了反映伽师地区地震动区域特征的路径衰减、路径持时、场地线性反应等经验模型,并给出了伽师地区46次地震的震源参数(矩震级、拐角频率和应力降).文中确定的伽师...     

基于数值模拟的设定地震场地谱时程拟合方法

本文将确定性数值模拟方法与地震动预测方程相结合,提出了一种重大水电工程场址设定地震的地震动时程生成方法。该方法基于场址设定地震,首先采用地震动预测方程确定场址的场地相关反应谱;其次建立包含震源和场址的场地模型,通过确定性数值模拟方法生成场址地震动时程;最后对生成的场址地震动时程进行调整,使其反应谱与设计谱相一致,用于工程抗震分析。这一方法生成的地震动时程既考虑了震源机制、传播路径以及局部场地效应等物理背景,又与场地相关的设计地震反应谱保持一致,为重大工程抗震分析与评价提供了一种新的思路。     

北天山地区S波非弹性衰减和场地效应研究

采用中小地震的数字观测资料,依据地震观测谱和震源谱、传播路径衰减因子及场地效应的关系式,在对场地效应约束的条件下,反演S波非弹性衰减和软基岩场地效应,确定研究区路径、 场地参数. 该方法确定的参数, 避免了台站地形效应的影响,真实地反映了研究区自由软基岩场地的地震效应和传播路径非弹性衰减的影响. 研究区的平均软基岩场地效应, 在2~4 Hz频率范围为1.5倍左右; S波品质因子为QS=278 f 0.346.这些参数可以直接用于研究区的地面运动随机模拟.      

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。     

滇西南地区品质因子、场地反应与震源参数研究

为深入了解滇西南地区地震动影响因素特征,更好地服务于目标区的抗震设防工作与地震预测等相关研究,利用两步非参数化广义反演方法对滇西南地区2007—2019年242组三分量强震记录进行分析,通过对地表观测地震动在频域内的分离求解,给出了该地区0.5～20 Hz的品质因子经验关系,获得了26个强震台站在研究频段内的场地反应,并与HVSR法揭示的场地放大结果进行对比分析。基于网格搜索法确定了35次地震事件的地震矩M0、拐角频率fc及震源模型参数$ \gamma $,拟合得到了部分震源参数之间的定标关系。研究结果表明,滇西南地区品质因子Q值与频率的关系为Q=94.23f 0.43;相较于HVSR法,非参数化广义反演方法确定的场地反应整体偏高,但2种方法得到的场地反应谱形较一致;拐角频率、地震矩及应力降等震源参数互相具有一定依赖性。     

云南地区S波非弹性衰减Qem值研究/

地震波衰减性质的研究是地震学研究的重要课题.地震台站(地震仪)记录到的地震波,包含了地震震源效应、地震波的传播路径效应、台站场地响应及仪器响应.在使用地震波资料研究震源性质时,必须要扣除地震波传播路径效应、台站场地响应及仪器响应的影响.地震波传播的路径效应(地震波衰减),除了随距离存在几何衰减外,还有一个重要的影响因素--即介质的非弹性衰减,用介质品质因子Q值来度量.Q值是地球介质的基本物理参数之一,是对地震进行定量和研究震源性质(如震源参数的测定等)所必需的重要参数,在震源物理和工程地震研究中具有重要应用价值.     

考虑椭圆模型MW≥5.5地震震源参数时域计算方法

为提高时效性,地震预警系统对震源的处理一般采用“点源”假定,不考虑震源尺度、破裂方向和震源区应力降,对震源参数简化处理使得预测地震动参数分布过于粗略,特别是对破坏性大震.本文应用日本地震(M_W≥5.5)强震动数据,考虑椭圆震源模型,提出了一种适用于中、大地震矩震级、拐角频率和应力降等震源参数时域计算方法,并分析了场地效应、地震动传播衰减、震源效应和滤波频带等因素对时域方法的影响.结果表明,该方法能利用P波信息快速获取震源能量释放过程,量化随破裂传播震源谱拐角频率、应力降和破裂面积的演化过程,为地震动预测提供更多重要的震源参数.     

浅壳与上地幔地震的水平加速度谱阻尼修正系数模型

对日本K-net和KiK-net台网中6 466条浅壳与上地幔地震动记录进行了统计分析,考虑四种场地类别分别建立了浅壳与上地幔地震的加速度谱阻尼修正系数模型,并利用随机效应模型将模型总残差分离为事件间残差、事件内残差（分为场地间残差和场地内残差）,计算其相应的标准差,探究地震震源、路径、场地等因素对模型误差的影响。研究结果显示:所提出的模型能较好地拟合实际计算值,其随机误差整体随谱周期和阻尼比的增大而增大;震源效应导致的随机误差在谱周期小于2.0 s时小于其它效应;在大部分谱周期上,场地效应导致的随机误差小于路径效应及其它效应;事件间残差与震源和震源深度显著相关,场地内残差与震源距显著相关。      

利用广义叠加反演方法估算长岛震群应力降

地震应力降是表征震源特性的一个重要参数,通常由震源谱计算得到.但如何从大量地震的观测谱中校正路径和台站效应,准确地分离出震源谱并计算应力降,仍是一个难题.本文采用广义叠加反演方法通过分阶段叠加从观测谱中迭代分离出震源项、台站项和路径项,并利用分震级的叠加震源项与理论谱的拟合得到经验格林函数,再利用由经验格林函数校正后的真实震源谱估算出应力降.该方法不需要知道仪器响应、场地响应和传播路径上的衰减系数,并且不用事先假设震源具有自相似的恒应力降特征,计算效率很高,适用于反演大量地震的震源参数.我们将广义叠加反演方法应用于长岛震群,利用S波谱估算了1431个M_L≥1.0地震的应力降.结果表明,广义叠加反演方法获得的震源参数和用传统方法得到的结果一致;长岛震群地震的应力降较小（中值是0.3 MPa）,变化范围很大（0.009~3.04 MPa之间）,属于低应力降事件集;同时应力降中值随地震矩增大而增大,偏离了自相似理论.应力降空间变化不均匀,高应力降事件主要集中在震群的端部（NW端）,到最近断层距离的依赖性不强,在9、10 km处的应力降中值略高于其他深度.根据应力降的变化特征和区域构造条件,我们推测地下流体在长岛震群的活动中起到一定的作用.

     

《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...     

基于广义反演方法的复杂板块构造下地震动衰减特性

为研究构造复杂的关东盆地及其周边地区的地震动衰减特性,根据地震震源机制解和Slab1.0模型,依据前人提出的日本地区地震构造类型划分方法给出所研究地震的构造类型,并依据地震构造类型及空间分布划分了3个研究区域。利用单步非参数化广义谱反演方法分析了3个区域的地震动衰减特性。结果表明:区域Ⅰ中发生于陆地的浅地壳地震的地震动路径衰减较弱,远距离处近似不出现路径衰减,频率相关的非弹性衰减较弱,品质因子Q=92.33f~( 1.87);区域Ⅱ中,发生于陆地的上地幔地震的地震动路径衰减的下降速率随距离增大而增大,频率相关的非弹性衰减较强,Q=27.75f~( 1.08);区域Ⅲ中,发生于近海的浅层地壳和上地幔地震的地震动路径衰减兼具区域Ⅰ、Ⅱ的衰减属性,Q=58.07f~( 0.89)。     

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.

     

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。      

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。     

汶川地震强地面运动模拟

基于确定性震源模型的方法主要用于计算低频(11 Hz)地震动常用经验格林函数法或随机方法,对低频地震动模拟不够准确．本文在确定性震源模型方法基础上,尝试采用分解给定的震源模型的方法来模拟宽频带(0.1——10 Hz)强地面运动,即采用分级离散断层面和分解断层面破裂单元上升时间的方法,增加震源时间函数中的高频信号,从而避免了对地震记录丰富程度和准确性的依赖．文中模拟计算了汶川MS8.0地震在8个地震观测台的地震动,将模拟结果和观测记录进行了加速度时程曲线和傅里叶振幅谱的对比分析．对比结果显示,模拟估计的地震动峰值加速度和持续时间与观测记录的数据基本在plusmn;50%的精度范围内相同,傅里叶振幅谱显示模拟结果有得到10 Hz左右的高频成分. 四川盆地中的台站模拟结果高频衰减比观测记录要快,原因是模拟过程没有考虑场地效应.对强地震动模拟还是要综合考虑震源、传播路径和场地的影响．研究结果表明,此改变震源输入的确定性方法可应用于模拟近断层宽频强地面运动．      

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。     

1999年台湾集集大地震强地面运动的模拟

利用有限断层模型对1999年台湾集集大地震所产生的近场强地面运动进行了数值模拟,尝试了将具有明确物理意义的震源动力模型的研究结果应用于描述震源过程。计算结果显示,基岩台或接近工程基岩台的计算模拟记录同观测记录符合得很好。进一步研究表明,当综合考虑场地效应对地震动影响时,模拟计算结果得到了明显的改善,同实际观测记录更为相符。本文的研究结果说明,为了科学合理地预测大地震所产生的强地面运动,应综合考虑影响地震所产生的地面运动的"三要素",即:震源过程、传播路径及场地效应。     

长周期地震动盆地效应表征模型的数值模拟

地震动是由震源释放出来的地震波引起的地表附近土层的振动,地震动是震源、地震波在地球介质传播及场地响应这一复杂系统的的产物.地震动研究是跨理论地震学和工程地震学的课题,它不仅有重要的理论意义,同时又有很大的应用价值.     

衰减、场地响应等地震波传播信息综合研究

地震激发的波,经过传播路径、仪器、场地等因素的调制作用成为台站地震记录,即台站记录是震源、路径、仪器、场地等多种因素的耦合,而基于地震记录研究震源信息、路径衰减、场地响应等则是逆向的解耦过程。基于地震学理论、通过各种计算技术,从地震波形资料中解析出关于地震震源力学参数、地震波传播介质及台站场地响应信息是地震研究的重要内容,也是认识地震孕育、发生、发展过程,了解地震孕育背景构造特征等的有效途径。本文在地震学前沿理论方法的基础上使用最新计算机技术开展了以下3个方面的工作。     

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。