汶川地震區(qū)地震動(dòng)估計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h1>
2013-03-26 22:01:18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(jí)大地震，強(qiáng)烈的地震動(dòng)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(jì)其數(shù)，受災(zāi)地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)(又稱強(qiáng)地震動(dòng))。地震動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)研究好汶川地震的地震動(dòng)參數(shù)對(duì)我國的其他地震區(qū)、帶的地震動(dòng)研究有很大的借鑒意義。
地震動(dòng)是一個(gè)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(dòng)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(dòng)能較好地?cái)M合地震動(dòng)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(shí)，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(dòng)的高頻成分具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此，地震動(dòng)場的預(yù)測(cè)和估計(jì)更多地依靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕譃閮煞N，衰減關(guān)系模型和隨機(jī)模型。對(duì)于強(qiáng)震動(dòng)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(tái)灣地區(qū)。我國強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)工作起步較晚，大震級(jí)的強(qiáng)震動(dòng)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(qiáng)震動(dòng)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(dòng)有很強(qiáng)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(yàn)。對(duì)于強(qiáng)震動(dòng)記錄較少的地區(qū)，隨機(jī)模型成為常用方法。國內(nèi)應(yīng)用隨機(jī)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(jì)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(duì)場地反應(yīng)影響甚大，場地放大系數(shù)具有強(qiáng)烈的地域性特點(diǎn)。因此，采用其他地區(qū)的隨機(jī)模型來模擬我國地震動(dòng)場的方法需要用我國未來的強(qiáng)震動(dòng)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(jī)模型兩方面擬合汶川地震強(qiáng)余震數(shù)據(jù)，建立了基于汶川地震強(qiáng)余震(MS3.8～6.3)的地震動(dòng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?yīng)用有限斷層隨機(jī)模型重演了汶川地震主震地震動(dòng)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(qiáng)烈的四川、甘肅地區(qū)大部分臺(tái)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(gè)四川、甘肅地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)的建臺(tái)報(bào)告，統(tǒng)計(jì)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(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型可以為我國西南地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)結(jié)合國外的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁﹫龅胤诸愐罁?jù)。結(jié)合Vs30的估計(jì)結(jié)果，利用NGA Campbell-Bozorgnia模型擬合汶川地震的強(qiáng)余震記錄數(shù)據(jù)，得到了汶川地震強(qiáng)余震的地震動(dòng)衰減關(guān)系。
基于汶川余震序列的震源集中、臺(tái)站數(shù)據(jù)密集等特點(diǎn)，分析了地震動(dòng)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(gè)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(gè)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(qiáng)余震的點(diǎn)源隨機(jī)模型。通過點(diǎn)源隨機(jī)模型與衰減關(guān)系模型的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)源隨機(jī)模型能更好估計(jì)近場地震動(dòng)。
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(dòng)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(dòng)，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(cè)將來該地區(qū)的大地震地震動(dòng)場。
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基于汶川余震序列的震源集中、臺(tái)站數(shù)據(jù)密集等特點(diǎn)，分析了地震動(dòng)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(gè)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(gè)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(qiáng)余震的點(diǎn)源隨機(jī)模型。通過點(diǎn)源隨機(jī)模型與衰減關(guān)系模型的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)源隨機(jī)模型能更好估計(jì)近場地震動(dòng)。
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(dòng)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(dòng)，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(cè)將來該地區(qū)的大地震地震動(dòng)場。
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