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.     

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。     

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。     

地震动模拟的两步随机经验格林函数方法研究

合理预测未来可能发生的地震中工程场地的地震动是地震危险性分析的关键,近年来提出的两步随机经验格林函数方法得到了广泛应用并成功模拟了一些地震的地震动,但是该方法仍然存在一些亟待解决的问题。本文基于两步随机经验格林函数方法开展地震动模拟的相关研究,重点解决该方法目前存在的一些问题,包括:地震应力降的表示、模拟地震动不确定性的定量分析、震源破裂方向性的模拟、缺乏经验格林函数的处理,本文旨在为两步随机经验格林函数方法在地震危险性分析中的应用打下基础。本文主要工作如下:(1)给出了用于地震动模拟的应力降估计模型并检验了模拟结果的有效性。基于地震应力降的研究结果,将地震应力降表示为服从对数正态分布的数据集,标准差(log10)确定为0.2—0.6,平均应力降根据地震平均滑动位错与破裂面纵横比的关系近似估计。基于两步随机经验格林函数方法模拟了2013年MW6.6芦山地震、2008年MW6.9岩手宫城内陆地震和2016年MW7.1熊本地震的地震动,震源模型只考虑高应力降的凹凸体区域。模拟结果发现,短周期(2.0 s)模拟地震动与观测记录较为一致或相差不大,长周期(2.0 s)模拟地震动则明显偏低,这可能与经验格林函数缺乏长周期信号有关,凹凸体之外的低应力降破裂区域对模拟地震动的贡献很小。(2)定量给出了两步随机经验格林函数方法模拟地震动的不确定性。首先采用不同应力降比值(0.5—8.0,固定间隔1.5)分别模拟芦山、熊本和岩手宫城内陆地震的地震动,发现模拟地震动随应力降比值的增大而增大,模拟地震动的残差与应力降比值的自然对数有明显的线性负相关,据此建立了模拟地震动与应力降比值的定量关系。其次,采用蒙特卡罗随机抽样方法随机给出服从对数正态分布的目标地震应力降,其中应力降标准差(log10)分别为0.2—0.6,分别模拟上述3次地震的地震动,建立了模拟地震动标准差与应力降标准差的定量关系,结果发现应力降标准差越大则模拟记录的标准差相对越小,长周期模拟地震动的不确定性更小;当应力降标准差为0.2—0.6时,模拟记录的标准差约为0.11—0.37。最后,讨论了随机破裂过程引起的模拟地震动的不确定性,根据K-S检验证实多次随机过程模拟地震动服从对数正态分布,200次随机过程模拟地震动的对数标准差约为0.05—0.15,且随周期(0.05—2.0 s)增大而增大。(3)提出了利用两步随机经验格林函数方法模拟震源破裂方向性的技术思路。首先,选取两次震源破裂方向性显著的芦山地震余震(EQⅡ和EQⅢ)作为经验格林函数模拟主震地震动,模拟结果发现模拟地震动表现出显著的方向性效应,且与小震方向性特性一致,说明经验格林函数的选取有必要考虑小震震源破裂方向性的影响。其次,提出以视拐角频率替代拐角频率改进现有的两步随机经验格林函数方法,基于改进方法采用EQⅢ的记录再次模拟芦山地震,结果显示模拟地震动并未表现出明显的方向性效应,且与实际观测记录较为一致,证实改进方法有效地表示(消除)了小震震源破裂方向性的影响。最后,基于改进方法模拟了一系列震源破裂方向性特征不同的地震,模拟地震动表现出相应的破裂方向性效应,主破裂前方的模拟地震动普遍高于主破裂后方,验证了改进方法实现地震动方向性效应模拟的可行性。(4)探索性地提出了广义经验格林函数的概念,并将其应用于唐山地震的地震动模拟。为弥补小震记录缺乏对经验格林函数方法的限制,提出了不考虑大小地震震源位置差异的广义经验格林函数的概念。分析日本强震动记录与中国地震动衰减关系的事件内残差,结果表明中国东部强震区和青藏地震区与日本地区传播路径差异对震中距150 km的地震动PGA的影响可近似忽略,对PSA有很小的影响,说明日本地区的强震动记录可近似作为中国地区目标地震的广义经验格林函数。选取K-NET台站及KiK-net井下基岩台站记录分别模拟芦山地震具体台站的地震动及地震动场,结果表明,观测记录大体上位于模拟地震动平均值加减一倍标准差范围内,初步检验了广义经验格林函数的可靠性。最后,选取KiK-net井下基岩台站的记录作为模拟1976年MS7.8唐山地震基岩面地震动的广义经验格林函数,模拟地震动(3.0 s)与地震动预测方程预测值较为一致,且模拟地震动PGA等值线与宏观烈度较为一致。     

用随机方法模拟唐山7.1级余震地震动场

在系统介绍用随机方法模拟地震动的基础上,用该方法模拟了唐山7.1级余震地震动场。模拟结果表明,唐山地区发生MS7.1级余震时,该地区产生了强烈的地震动,很多区域加速度峰值超过400cm/s2,地震断层面长65km,宽13.5km,地震过程中断层面的平均滑动为1.08m。模拟与记录的地震动持时符合得不好,其原因是随机方法中的经验关系大都是在美国大陆得到的,所以建议加强中国大陆相应的地震动经验关系的研究,使随机方法能更好地适用于中国大陆。尽管如此,由于用随机方法模拟的地震动峰值和反应谱与记录符合得比较好,这些模拟结果可以作为建筑物抗震设防的地震动输入。     

用格林函数方法模拟卢龙地震

建筑物的抗震设防需要地震动的输入,但往往在抗震设防区缺少地震记录,这就需要地震动的模拟.在总结现有经验格林函数方法的基础上,提出了改进的经验格林函数方法,并用该方法对卢龙地震进行了模拟.模拟的结果表明:模拟的结果无论是地震动加速度时程还是反应谱与实际地震记录都符合得比以往好.说明改进的格林函数方法是模拟地震动的有效方法,可以在工程实践中应用推广.     

经验格林函数方法模拟地震动研究

地震动模拟研究的目的是为建筑物的抗震设计提供未来地震动的时程或反应谱。本研究在总结了经验格林函数方法和随机方法模拟地震动的基础上,对所存在的问题进行了系统研究,得到如下成果:1改进了经验格林函数方法,提高了经验格林函数方法的严密性用经验格林函数方法模拟地震动的结果在高频部分偏低的部分原因是由于假设大小地震的滑动分布都是相     

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。     

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。     

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.     

九寨沟MS7.0地震强地震动模拟及漳扎镇地震动强度预测

破坏性地震强度预测可用于工程领域抗震设防以及地震危险性分析评估,是防震减灾中一项很重要的基础工作.为了再现九寨沟地震的地震动强度,评估缺失强震记录的九寨章扎台站的地震动强度,本文用经验格林函数法对九寨沟地震进行了数值模拟.选取了震源周边地震动峰值加速度超过10 Gal的10个强震台站进行模拟.因未得到九寨沟地震的余震,初次尝试将汶川地震和定西地震的余震作为格林函数模拟九寨沟地震.模拟结果整体上可以反映各台站地震动的强度特征,尤其是地震动高频成份拟合较好.模拟值的地震动峰值加速度、时程数据、反应谱等与观测值拟合较好.预测结果显示漳扎镇的地震动峰值加速度值约为180~200 Gal.预测结果也表明在缺少大震的余震记录时,经验格林函数法使用其他大震的余震同样可以再现目标地震的强度特征.本研究也为经验格林函数方法在缺乏小震记录地区的使用积累了经验.最后总结了格林函数的选取标准,为经验格林函数方法来预测未来强震动特征积累了经验.     

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。     

地震波时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型的建立

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了远场3类不同场地上地震波的时变谱特征,分析发现对于硬场地上的远场地震波在时域内平稳段较短,下降段衰减较快,而在频域内则具有较大的中心频率和较宽的频带.利用均匀调制非平稳模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数具体取值以及参数函数集的具体表达式.为了定量地确定模拟模型的精度,定义了误差函数,验证了所提时变谱参数识别方法的精度,给出了与建筑抗震规范相对应的不同场地不同烈度下多遇和罕遇地震的谱强度因子的大小.最后提出了利用求解时变线性微分方程组来合成非平稳地震波的方法.     

Strong ground motion simulation of the 2003 Bam, Iran, earthquake using the empirical Green’s function method

The 2003 Bam, Iran, earthquake caused catastrophic damage to the city of Bam and neighboring villages. Given its magnitude (M _w ) of 6.5, the damage was remarkably large. Large-amplitude ground motions were recorded at the Bam accelerograph station in the center of Bam city by the Building and Housing Research Center (BHRC) of Iran. We simulated the Bam earthquake acceleration records at three BHRC strong-motion stations—Bam, Abaraq, and Mohammad-Abad—by the empirical Green’s function method. Three aftershocks were used as empirical Green’s functions. The frequency range of the empirical Green’s function simulations was 0.5–10 Hz. The size of the strong motion generation area of the mainshock was estimated to be 11 km in length by 7 km in width. To estimate the parameters of the strong motion generation area, we used 1D and 2D velocity structures across the fault and a combined source model. The empirical Green’s function method using a combination of aftershocks produced a source model that reproduced ground motions with the best fit to the observed waveforms. This may be attributed to the existence of two distinct rupture mechanisms in the strong motion generation area. We found that the rupture starting point for which the simulated waveforms best fit the observed ones was near the center of the strong motion generation area, which reproduced near-source ground motions in a broadband frequency range. The estimated strong motion generation area could explain the observed damaging ground motion at the Bam station. This suggests that estimating the source characteristics of the Bam earthquake is very important in understanding the causes of the earthquake damage.     

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。     

2013年乌鲁木齐MS5.6和MS5.1地震强地震动模拟研究

利用基于动力学拐角频率的随机有限断层法,针对2013年3月29日和8月30日乌鲁木齐发生的M_S5.6和M_S5.1两次地震,选择不同机构的震源参数对23个台站的45条强震记录进行强地震动模拟,对比分析加速度时程和反应谱,并计算模型偏差.通过与实际场点记录进行对比的结果显示:选取的不同机构震源参数模型得到的模拟加速度时程在持时和形状上与实际记录有一定差距,对于近震源的台站,模拟结果的峰值加速度(PGA)比观测结果小,对于稍远的台站,结果基本能够保持一致;而加速度反应谱,模拟结果与观测结果具有较好一致性; 随机有限断层模型的误差在±0.5以内,拟合效果较好,而且高频段的拟合效果要好于低频段;采用不同机构震源参数模型得到的模拟结果与观测结果得到的PGA分布特征较为一致,但模拟结果的峰值加速度要低于观测结果.      

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．      

基于工程特性的主余震型地震动降维模拟

余震是由主震孕育而来,两者之间存在着一定的关联性,如何构造主余震型地震动模型,是工程结构抗震分析的基础。着眼于地震动的工程特性,根据主余震之间的峰值加速度、强震持时、场地卓越频率等要素,分别建立主震和余震自身的演变功率谱模型,基于非平稳随机过程的谱表示,通过引入随机函数降维模拟方法,实现仅用三个基本随机变量即可精确模拟主余震型地震动过程。研究表明,采用该降维模拟方法的效率和精度均满足工程需求,且与实测主余震型地震动记录的反应谱和幅值谱拟合一致,验证该模型与方法的优越性,为工程结构在主余震型随机地震作用下的抗震分析提供有效途径。