汶川地震區(qū)地震動估計經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h1>
2013-03-26 22:01喻畑
地震科學(xué)進(jìn)展 2013年6期
喻 畑
(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)
2008年5月12日，我國四川省汶川縣遭遇了MW7.9級大地震，強烈的地震動以及所帶來的地質(zhì)災(zāi)害，致使房屋、橋梁等結(jié)構(gòu)物和構(gòu)筑物倒塌不計其數(shù)，受災(zāi)地區(qū)人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展蒙受巨大損失。地質(zhì)災(zāi)害和結(jié)構(gòu)破壞的主要誘因是汶川地震區(qū)的強地面運動(又稱強地震動)。地震動的研究是地震工程學(xué)中很重要的一部分?；谪S富的汶川地震動數(shù)據(jù)研究好汶川地震的地震動參數(shù)對我國的其他地震區(qū)、帶的地震動研究有很大的借鑒意義。
地震動是一個復(fù)雜的結(jié)合體，它是震源效應(yīng)、地球介質(zhì)衰減以及場地效應(yīng)三者聯(lián)合作用的產(chǎn)物。地震動的長周期成分具有明顯的確定性，一般用表示定理給出。表示定理給出的地震動能較好地擬合地震動長周期波形。但是地球介質(zhì)的復(fù)雜性導(dǎo)致根據(jù)物理模型求解的格林函數(shù)精度有限。同時，由于震源破裂過程的復(fù)雜性、地球介質(zhì)的非均勻性、地形以及場地類別的多樣性導(dǎo)致地震動的高頻成分具有很強的隨機性。因此，地震動場的預(yù)測和估計更多地依靠經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>
經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕譃閮煞N，衰減關(guān)系模型和隨機模型。對于強震動記錄豐富的地區(qū)，衰減關(guān)系模型比較可靠，如美國加州、日本及中國臺灣地區(qū)。我國強震動觀測工作起步較晚，大震級的強震動數(shù)據(jù)較少，制約了我國在衰減關(guān)系模型的研究，導(dǎo)致大部分衰減關(guān)系并非根據(jù)我國強震動記錄數(shù)據(jù)擬合而來，而為根據(jù)其他資料轉(zhuǎn)換得到。然而，地震動有很強的地域性，這種轉(zhuǎn)換方法的有效性需要未來大量地震數(shù)據(jù)的檢驗。對于強震動記錄較少的地區(qū)，隨機模型成為常用方法。國內(nèi)應(yīng)用隨機模型的研究大部分參考國外的震源參數(shù)、衰減函數(shù)以及場地放大系數(shù)進(jìn)行計算。但是，震源參數(shù)受目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地殼應(yīng)力場分布、發(fā)震斷層類型等影響，衰減函數(shù)也受地殼厚度、地質(zhì)構(gòu)造等影響，由于地表土層參數(shù)對場地反應(yīng)影響甚大，場地放大系數(shù)具有強烈的地域性特點。因此，采用其他地區(qū)的隨機模型來模擬我國地震動場的方法需要用我國未來的強震動數(shù)據(jù)復(fù)核以及改進(jìn)相應(yīng)的模型參數(shù)。
本論文分別從衰減關(guān)系和隨機模型兩方面擬合汶川地震強余震數(shù)據(jù)，建立了基于汶川地震強余震(MS3.8～6.3)的地震動經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并?yīng)用有限斷層隨機模型重演了汶川地震主震地震動場。
本文采用的衰減關(guān)系模型為NGA Campbell-Bozorgnia模型，它用Vs30參數(shù)衡量場地特征。而汶川地震震感強烈的四川、甘肅地區(qū)大部分臺站鉆孔數(shù)據(jù)小于20 m，為了獲得較為準(zhǔn)確的Vs30，本文基于147個四川、甘肅地區(qū)強震動觀測臺的建臺報告，統(tǒng)計了我國西南地區(qū)淺硬土層場地的平均場地參數(shù)，得到了地區(qū)Vs30估計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。該模型可以為我國西南地區(qū)強震動記錄數(shù)據(jù)結(jié)合國外的經(jīng)驗?zāi)Ｐ吞峁﹫龅胤诸愐罁?jù)。結(jié)合Vs30的估計結(jié)果，利用NGA Campbell-Bozorgnia模型擬合汶川地震的強余震記錄數(shù)據(jù)，得到了汶川地震強余震的地震動衰減關(guān)系。
基于汶川余震序列的震源集中、臺站數(shù)據(jù)密集等特點，分析了地震動衰減關(guān)系模型擬合的誤差，將誤差分解為震源誤差、路徑誤差、場地誤差及偶然誤差。分析結(jié)果表明：基于單一路徑的數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減關(guān)系研究，可以將誤差的方差減小50%。
根據(jù)13個汶川余震序列，反演了松潘-甘孜地塊和四川盆地的Q模型、13個余震序列的震源參數(shù)以及淺硬土層場地和深厚土層的平均放大系數(shù)和高頻衰減系數(shù)，構(gòu)建了基于汶川地震強余震的點源隨機模型。通過點源隨機模型與衰減關(guān)系模型的對比，發(fā)現(xiàn)點源隨機模型能更好估計近場地震動。
論文最后應(yīng)用有限斷層模型重現(xiàn)了汶川地震主震地震動場。結(jié)果表明，有限斷層模型能較好地模擬汶川地震主震近場地震動，可以為汶川地震中的結(jié)構(gòu)破壞研究提供數(shù)據(jù)保障，也可用于預(yù)測將來該地區(qū)的大地震地震動場。
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地震動是一個復(fù)雜的結(jié)合體，它是震源效應(yīng)、地球介質(zhì)衰減以及場地效應(yīng)三者聯(lián)合作用的產(chǎn)物。地震動的長周期成分具有明顯的確定性，一般用表示定理給出。表示定理給出的地震動能較好地擬合地震動長周期波形。但是地球介質(zhì)的復(fù)雜性導(dǎo)致根據(jù)物理模型求解的格林函數(shù)精度有限。同時，由于震源破裂過程的復(fù)雜性、地球介質(zhì)的非均勻性、地形以及場地類別的多樣性導(dǎo)致地震動的高頻成分具有很強的隨機性。因此，地震動場的預(yù)測和估計更多地依靠經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>
經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕譃閮煞N，衰減關(guān)系模型和隨機模型。對于強震動記錄豐富的地區(qū)，衰減關(guān)系模型比較可靠，如美國加州、日本及中國臺灣地區(qū)。我國強震動觀測工作起步較晚，大震級的強震動數(shù)據(jù)較少，制約了我國在衰減關(guān)系模型的研究，導(dǎo)致大部分衰減關(guān)系并非根據(jù)我國強震動記錄數(shù)據(jù)擬合而來，而為根據(jù)其他資料轉(zhuǎn)換得到。然而，地震動有很強的地域性，這種轉(zhuǎn)換方法的有效性需要未來大量地震數(shù)據(jù)的檢驗。對于強震動記錄較少的地區(qū)，隨機模型成為常用方法。國內(nèi)應(yīng)用隨機模型的研究大部分參考國外的震源參數(shù)、衰減函數(shù)以及場地放大系數(shù)進(jìn)行計算。但是，震源參數(shù)受目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地殼應(yīng)力場分布、發(fā)震斷層類型等影響，衰減函數(shù)也受地殼厚度、地質(zhì)構(gòu)造等影響，由于地表土層參數(shù)對場地反應(yīng)影響甚大，場地放大系數(shù)具有強烈的地域性特點。因此，采用其他地區(qū)的隨機模型來模擬我國地震動場的方法需要用我國未來的強震動數(shù)據(jù)復(fù)核以及改進(jìn)相應(yīng)的模型參數(shù)。
本論文分別從衰減關(guān)系和隨機模型兩方面擬合汶川地震強余震數(shù)據(jù)，建立了基于汶川地震強余震(MS3.8～6.3)的地震動經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并?yīng)用有限斷層隨機模型重演了汶川地震主震地震動場。
本文采用的衰減關(guān)系模型為NGA Campbell-Bozorgnia模型，它用Vs30參數(shù)衡量場地特征。而汶川地震震感強烈的四川、甘肅地區(qū)大部分臺站鉆孔數(shù)據(jù)小于20 m，為了獲得較為準(zhǔn)確的Vs30，本文基于147個四川、甘肅地區(qū)強震動觀測臺的建臺報告，統(tǒng)計了我國西南地區(qū)淺硬土層場地的平均場地參數(shù)，得到了地區(qū)Vs30估計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。該模型可以為我國西南地區(qū)強震動記錄數(shù)據(jù)結(jié)合國外的經(jīng)驗?zāi)Ｐ吞峁﹫龅胤诸愐罁?jù)。結(jié)合Vs30的估計結(jié)果，利用NGA Campbell-Bozorgnia模型擬合汶川地震的強余震記錄數(shù)據(jù)，得到了汶川地震強余震的地震動衰減關(guān)系。
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根據(jù)13個汶川余震序列，反演了松潘-甘孜地塊和四川盆地的Q模型、13個余震序列的震源參數(shù)以及淺硬土層場地和深厚土層的平均放大系數(shù)和高頻衰減系數(shù)，構(gòu)建了基于汶川地震強余震的點源隨機模型。通過點源隨機模型與衰減關(guān)系模型的對比，發(fā)現(xiàn)點源隨機模型能更好估計近場地震動。
論文最后應(yīng)用有限斷層模型重現(xiàn)了汶川地震主震地震動場。結(jié)果表明，有限斷層模型能較好地模擬汶川地震主震近場地震動，可以為汶川地震中的結(jié)構(gòu)破壞研究提供數(shù)據(jù)保障，也可用于預(yù)測將來該地區(qū)的大地震地震動場。
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