基于断层破裂过程分解法模拟近断层宽频地震动

论文摘要

在工程地震学中,特别着重研究较大地震或大地震产生的宽频地震波,因为这些波是地震引起建筑物与结构物破坏的主要原因,合理有效的近场强地震动预测有利于减轻未来大地震所造成的灾害以及帮助重大工程的抗震设计和地震危险性分析。论文介绍比较了现有的近断层强地震动估计的研究方法,主要有确定性方法(包括理论和经验格林函数方法),随机方法和混合法。介绍了三种方法的理论基础,分析比较了各种方法的特点和优势。目前,理论格林函数方法主要用于计算低频(<1Hz)地震波,受计算条件限制,很少应用于计算高频地震波；高频(>1Hz)地震动常用经验格林函数法或随机方法。经验格林函数法要求有相同震源机制的、高信噪比的小震记录；随机方法没有考虑实际地壳速度结构对传播中波的影响,对低频段地震动模拟不够准确。本文通过计算理论格林函数,尝试采用分解给定的震源时间函数的方法来模拟宽频带(0.1~10Hz)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,来模拟断层破裂的细节过程,增加震源时间函数中的高频信号,进而得到宽频带地震图。这种方法避免了对地震记录丰富程度和准确性的依赖,同时可以保证结果体现明确的体波和面波到时,有利于在缺少或者没有强地震动记录数据的地区中使用。本文以2000年9月3日的美国Yountville地震(Mw5.0)为算例,进行了近场强地震动模拟计算。首先根据断层破裂面积、断层尺度及平均滑动与地震矩的关系经验半经验关系式,确定模拟的断层模型。模拟计算了近断层50km内的10个台站的地震图,比较了模拟结果和观测记录的加速度时程和傅里叶振幅谱,分析了加速度时程的特点,通过傅里叶振幅谱的对比结果,看到改变输入震源时间函数的新确定性方法可以模拟到0.1~10Hz宽频段地震动。作为对大地震近断层强地震动模拟的应用,模拟计算了汶川地震在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,模拟估计的地震动加速度峰值和持续时间与观测记录的数据基本在±50%的精度范围内相同,傅里叶振幅谱显示模拟结果有得到10Hz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,在地形复杂地区的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。同时为反应近断层附近的地震动特点,计算了断层距为20km的两条测线,模拟结果显示出地震动的方向性效应和上下盘效应；进一步计算了近断层200km范围内的PGA分布图,比较地震烈度分布图,模拟结果合理显示了汶川地震动的分布特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 近断层强地震动估计的研究意义
• 1.2 近断层强地而运动模拟方法介绍
• 1.2.1 确定性方法
• 1.2.1.1 理论格林函数的求解
• 1.2.1.2 小震记录作为经验格林函数的半经验方法
• 1.2.2 随机法
• 1.2.3 混合法
• 1.3 本文模拟近断层宽频地震动的创新点
• 1.4 研究思路与内容安排
• 第二章 近断层宽频地震动模拟的模型参数
• 2.1 强地震动特性
• 2.1.1 地震动振幅
• 2.1.2 持时
• 2.1.3 频谱
• 2.2 地震动频率成分的影响因素
• 2.3 计算点源模型的宽频带强地震动
• 2.3.1 地震位移场在层状半空间介质模型下的半解析解
• 2.3.2 基于断层破裂过程的分解震源模型
• 2.4 有限断层模型计算高频地震动
• 2.5 本章小结
• 第三章 Yountville地震动模拟
• 3.1 Yountville地震的基本情况
• 3.1.1 Yountville地震断层参数
• 3.1.2 Yountville地震近场台站的强地震动模拟
• 3.2 台站观测到的实际记录与模拟结果对比
• 3.3 本章小结
• 第四章 汶川地震近断层宽频地震动模拟
• 4.1 汶川地震概况
• 4.1.1 汶川地震震源参数
• 4.1.2 强地震动数据
• 4.2 基于断层破裂过程的震源分解
• 4.3 模拟结果同观测数据对比
• 4.3.1 加速度时程和傅里叶振幅谱对比
• 4.3.2 速度结果对比
• 4.3.3 速度测线
• 4.4 峰值加速度等值线图对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要工作及相关结论讨论
• 5.2 文中的不足和今后进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参加课题与撰写论文
• 参加的课题
• 参加的学术会议
• 撰写的论文