强震地面运动频谱特性的统计分析

本文利用国内外56次地震的147个重要地面运动加速度记录进行统计回归分析,得到反映强震地面运动加速度富氏振幅谱和伪速度反应谱与地震震级、震中距和记录场地条件的统计关系。这些记录中7级以上大震、震中距小于20公里的近场记录和基岩场地上的记录占有一定比例,统计样本各类数据的分布比较合理。采用场地等效固有周期(以下简称场地固有周期)代替常用的场地分类形式进行统计,在一定程度上克服了场地分类标准不明确的缺点。场地固有周期依据地质钻探资料计算,从而能比较准确地反映与场地特征有关的强震地面运动的频谱特征随震级、震中距和场地固有周期的变化规律,为实际工程应用和抗震理论研究提供可靠的经验公式。     

基于小田原试验场地数据的不同基岩输入模型对预测地震动特征的影响研究

随着强震台网的密布及观测记录的增加,为研究各类局部场地地震反应预测模型的合理性提供了有效的参考依据,也使利用强震记录及场地条件研究地震动特征成为可能。选取场地地质参数资料和地震记录数据齐全的日本小田原（Ashigara Valley）盲测试验场地,通过对比不同地震动输入方式及场地反应分析模型,研究地震动特征,分析现有模型的优劣。基于1990年8月5日M5.1强震事件的地表基岩记录和地下基岩地震记录,采用地下台强震记录直接输入、地表基岩台强震记录减半为基底地震动输入、地表基岩台强震记录反演为基底地震动输入作为3种基岩地震动输入。基于局部场地条件分别建立一维等效线性模型、二维黏弹性模型及二维时域等效线性化模型等工程中常用的场地数值分析模型,进行局部场地地震反应分析,预测该盲测场地的地表地震动特征,并与对应的实测强震记录结果进行对比,分析不同基岩地震动输入方式对预测地震动特征及地表土层反应谱特征的影响,重点分析地震动输入、土体非线性、场地横向不均匀性及几何与非线性特征共同作用等因素对地表地震动特征的影响,以期为地表地震动的合理预测提供参考。     

汶川地震远场地震动特征及其对长周期结构影响的分析

汶川8．0级大地震中,中国数字强震动台网获得了大量的数字强震动记录,这些记录特别是远场记录具有丰富的长周期地震动分量。本文根据东南强震动中心获取的区域数字强震动记录,分析汶川8．0级地震的远场地震动特征,研究了基岩场地及深厚软弱场地的长周期地震动及其差异;根据长周期结构的特点,选取建于深厚软弱场地上的江苏A050强震台的超长地震记录进行结构地震反应分析,研究汶川8．0级地震对远场长周期结构的影响,并结合实际震害特点,提出了长周期结构抗震及地震安全对策中一些值得注意和思考的问题。     

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。     

汶川地震中鲜水河断裂带的隔震效应1

本文以汶川地震中的非发震断层鲜水河断裂带周边石棉地区所获取的加速度记录为依据,研究了这些记录在峰值、频谱间的差异。结果表明,以鲜水河断裂带为界,近震源侧地震动强度更大且高频更丰富。对该地区区域构造特征初步分析表明,鲜水河断裂带对汶川地震产生的地震动具有隔震效应。基于显式有限元和局部透射人工边界的二维有限元断层场地模型,对该地区的地面运动模拟结果表明,入射波动所指向的一侧地面运动更小,说明较陡的断层破碎带对斜入射地震波具有一定的隔震效应。     

黄土斜坡动力响应特征分析

斜坡动力响应特征与斜坡形态密切相关,若入射地震波主频接近斜坡卓越频率就会放大斜坡动力响应,甚至造成斜坡失稳。汶川地震对远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏,局部场地震害和地震动放大效应显著。选取汶川地震典型黄土斜坡场地,利用地形台阵流动观测和数值模拟计算相结合的方法,系统开展强震动作用下黄土斜坡场地动力响应特征研究。结果表明:坡顶卓越频率最小,其PGA放大系数甚至达到坡底的1.98,这种现象可能与斜坡高差和入射波波长之比密切相关,比值0.2时坡顶放大效应达到最大。随斜坡坡度增加,放大效应增强,坡顶反应谱卓越周期放大系数可达5,说明斜坡地形对强震地面运动有显著影响。数值计算结果与实际强震观测基本吻合,其结果对黄土地区建设工程抗震设防具有重要的科学与实际意义。     

跨断层桥梁抗震若干问题探讨

从断层时间尺度、活动性、场地效应等方面阐述跨断层桥梁的定义与内涵;从"功能性"、"制约性"、"地表破裂变异性"、"设计缺陷"4方面分析跨断层桥梁"不得不"面临较大的地震破坏风险的原因;最后以1979年Imperial Valley地震中El Centro台阵收集到的强震记录为基础,对断层破裂强震记录特征及地震动传播机理进行分析,研究断层两侧地面运动分布规律,建议跨走滑断层桥梁的地震动输入方向。本文研究结果对促进跨断层桥梁抗震设防具有借鉴意义。     

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。     

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.     

复杂地形条件对强地震动特征的影响

基于甘肃文县获得的汶川地震强余震记录分析和FLAC3D软件模拟场地地震反应的方法研究了地形条件对地震动的影响.首先结合文县流动地震台强余震记录,分析了文县山包场地的地震动分布特征;其次对该山包进行了地形测量、地震勘探和土样采取,根据实测资料建立了FLAC3D三维场地数值模型,采用实际基岩记录输入,研究了山包不同部位地震动的分布特征.研究表明:数值计算与观测的结果在一定频段范围内有较好一致性;其时域峰值加速度放大比接近,反应谱谱比结果放大趋势一致,1 ～10Hz的地震动放大最明显;FLAC3D软件能够有效地模拟三维场地的地震反应.     

我国强地震动记录特征综述

本文概述了我国强地震动台网的发展历程, 总结了唐山地震的强地震动记录特征和2007年以来我国数字台网获取的强地震动记录特征, 重点分析了近年来发生的几次典型破坏性地震的强地震动记录特征． 结果表明: 我国近场地震动记录体现了近场的方向性效应、 上/下盘效应、 速度脉冲、 局部场地效应等多样性特征, 可以进一步服务于地震工程领域的科学研究与工程应用．      

Comparison of strong-motion records and damage implications between the 2014 Yunnan M_S6.5 Ludian earthquake and M_S6.6 Jinggu earthquake

Serial destructive earthquakes have caused heavy casualties and economic losses to the city in southwestern of China. The Ludian M_s 6.5 earthquake and the Jinggu M_s6.6 earthquake occurred in Yunnan province in 2014. There is a question of why the two events with almost the same level of magnitude caused differences in earthquake damage. To understand the uniqueness of the phenomenon,this paper focuses on the characteristics of the ground motions and post-earthquake field investigation for the two events.Firstly, we present an overview of the residuals between the Ludian earthquake and the Jinggu earthquake based on the YW06 Ground Motion Prediction Equation(GMPE), and explain the unusual destructiveness of the strong ground motion. Then we analyze the ground motion recordings at selected typical station, based on the strong motion parameters: equivalent predominant frequency and Arias intensity. The result exhibits a good agreement with the Chinese seismic intensity scale. This study would be helpful to gain a better knowledge of the characteristics and variability of ground motions for M_S6 class earthquakes in China and to understand the implications to future earthquakes with similar focal mechanism and local condition.     

2012年云贵彝良-威宁MS5.5和MS5.6地震的地震动随机特性

2012年9月7日我国西南云贵交界彝良-威宁地区连续发生两次M_S5.5和M_S5.6中强地震,其时间间隔短,震中位置接近,震级相差很小,为中强地震地震动的随机特性分析研究提供了难得的强震动数据. 本文从集系与样本函数两方面考虑,通过加速度时程的相关函数研究了地震动随机过程的相关特性. 结果表明: 两次地震集系的相关矩阵均为随机相关,互相关矩阵较自相关矩阵表现出更强的随机性;两次地震在同一个台站记录的加速度时程所构成的集系,其相关性较两次地震单独构成的集系好;样本函数的相关函数均呈现不规则震荡衰减的特点,且两个采样值间时滞越大,其样本函数相关性越小. 相比大震(如我国台湾地区的集集地震),中强地震地震动记录的相关矩阵及分解后的自相关函数均表现出不同的特点. 由于这两次地震的地震动幅值相比大震较小,土层非线性影响较弱,故本文结果为认识地震动的随机特性提供了新的参考依据.      

2008年汶川地震后的三次强余震地表峰值加速度衰减场研究

利用甘肃省强震动台站获取的2008年汶川地震后的三次强余震记录资料,分别研究了在甘肃南部地区的地表自由场加速度衰减场,认为地震引起的地表峰值加速度(PGA)随震中距的衰减基本都遵从幂指数规律,衰减的形式基本相同,但是三次强余震的衰减指数之间也存在着一定的差异.因此要得到陇南地区的中强地震动衰减的普遍规律,尚需做进一步的研究.     

景谷M_S6.6、M_S5.8和M_S5.9地震强震动记录初步分析与场地效应研究

2014年云南景谷先后发生M_S6.6、M_S5.8和M_S5.9中强地震,云南强震动台网获取了丰富的加速度记录。本文整理了各次地震中固定台和流动台获取的强震动加速度记录资料,分别进行了地震动衰减关系和加速度反应谱分析,结果表明,所观测到的加速度峰值比云南地区地震动衰减关系预测值高,反应谱谱值随震级的增加有增大趋势。最后将益智强震台作为典型台站,分析了该台站在地震中的场地放大效应。     

Characterization of Earthquake Strong Ground Motion

— Some underwater landslides are triggered by strong ground motions caused by earthquakes. This paper reviews current concepts and trends in the characterization of strong ground motion. Improved empirical ground motion models have been derived from a strong motion data set that has grown markedly over the past decade. However, these empirical models have a large degree of uncertainty because the magnitude-distance-soil category parameterization of these models often oversimplifies reality. This reflects the fact that other conditions that are known to have an important influence on strong ground motions, such as near-fault rupture directivity effects, crustal waveguide effects, and basin response effects, are not treated as parameters of these simple models. Numerical ground motion models based on seismological theory that include these additional effects have been developed and extensively validated against recorded ground motions, and used to estimate the ground motions of past earthquakes and predict the ground motions of future scenario earthquakes.     

Characterization of Stress Drops on Asperities Estimated from the Heterogeneous Kinematic Slip Model for Strong Motion Prediction for Inland Crustal Earthquakes in Japan

Dense strong motion observation networks provided us with valuable data for studying strong motion generation from large earthquakes. From kinematic waveform inversion of seismic data, the slip distribution on the fault surface of large earthquakes is known to be spatially heterogeneous. Because heterogeneities in the slip and stress drop distributions control the generation of near-source ground motion, it is important to characterize these heterogeneities for past earthquakes in constructing a source model for reliable prediction of strong ground motion. The stress changes during large earthquakes on the faults recently occurring in Japan are estimated from the detailed slip models obtained by the kinematic waveform inversion. The stress drops on and off asperities are summarized on the basis of the stress change distributions obtained here. In this paper, we define the asperity to be a rectangular area whose slip is 1.5 or more times larger than the average slip over the fault according to the previous study for inland crustal earthquakes. The average static stress drops on the asperities of the earthquakes studied here are in the range 6?C23?MPa, whereas those off the asperities are below 3?MPa. We compiled the stress drop on the asperities together with a data set from previous studies of other inland earthquakes in Japan and elsewhere. The static stress drop on the asperity depends on its depth, and we obtained an empirical relationship between the static stress drop and the asperity??s depth. Moreover, surface-breaking asperities seemed to have smaller stress drops than buried asperities. Simple ground motion simulations using the characterized asperity source models reveal that deep asperities generate larger ground motion than shallow asperities, because of the different stress drops of the asperities. These characteristics can be used for advanced source modeling in strong ground motion prediction for inland crustal earthquakes.     

欧洲中小震基岩水平向地震动衰减关系研究

大震与中小震之间的地震动衰减规律有所不同.本文使用了132条欧洲基岩水平向记录研究中小震地震动衰减规律.震级范围在地方震级4～6级,距离在震源距70km以内.本文得到了峰值加速度和5%阻尼比、周期0.04～4.00秒之间的加速度反应谱的衰减关系.通过与欧洲和美国西部地震动衰减关系对比,分析了在地震活动性不同的地区内,大震与中小震之间存在的差异有何不同.     

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。      

Estimation of strong ground motions from hypothetical earthquakes on the Cascadia subduction zone,Pacific Northwest

Strong ground motions are estimated for the Pacific Northwest assuming that large shallow earthquakes, similar to those experienced in southern Chile, southwestern Japan, and Colombia, may also occur on the Cascadia subduction zone. Fifty-six strong motion recordings for twenty-five subduction earthquakes ofM _s7.0 are used to estimate the response spectra that may result from earthquakesM _w<81/4. Large variations in observed ground motion levels are noted for a given site distance and earthquake magnitude. When compared with motions that have been observed in the western United States, large subduction zone earthquakes produce relatively large ground motions at surprisingly large distances. An earthquake similar to the 22 May 1960 Chilean earthquake (M _w 9.5) is the largest event that is considered to be plausible for the Cascadia subduction zone. This event has a moment which is two orders of magnitude larger than the largest earthquake for which we have strong motion records. The empirical Green's function technique is used to synthesize strong ground motions for such giant earthquakes. Observed teleseismicP-waveforms from giant earthquakes are also modeled using the empirical Green's function technique in order to constrain model parameters. The teleseismic modeling in the period range of 1.0 to 50 sec strongly suggests that fewer Green's functions should be randomly summed than is required to match the long-period moments of giant earthquakes. It appears that a large portion of the moment associated with giant earthquakes occurs at very long periods that are outside the frequency band of interest for strong ground motions. Nevertheless, the occurrence of a giant earthquake in the Pacific Northwest may produce quite strong shaking over a very large region.