三维沉积盆地地震效应研究

摘要

震害实例及观测记录表明沉积盆地对其内部的地震动有显著影响。国外已开展大量三维盆地地震响应的数值模拟工作，并取得丰硕成果，但在我国相关的研究还较少。本文综合既有资料建立考虑盆地基底深度分布的三维模型，并基于高精度的并行谱元方法对我国的两个典型盆地——施甸盆地与四川盆地的地震效应进行详细研究，主要工作如下：
　　1.对三维沉积盆地的各种地震效应，如盆地的次生面波、边缘效应、聚焦效应、共振效应等的形成原因以及相关的研究现状作出详细总结。
　　2.将多阶精度的多次透射边界（MTF）结合到高精度的谱元方法中，给出具体的结合过程，并在通用的并行谱元程序SPECFEM2D和SPECFEM3D中实现。利用改进后的谱元程序模拟了二维和三维波源问题的响应，结果表明：结合MTF的谱元程序显著提高了对面波及大角度入射的体波的吸收效果，消除了原程序中粘性边界存在的漂移现象。
　　3.利用最新的三维施甸盆地模型，研究了设定地震下盆地内地震波的传播特点，以及盆地基底的几何形状和盆地内外介质阻抗比的变化对地震动的影响。结果表明：
　　（1）在盆地的东西、南北边缘处均有较大幅值的次生面波产生，面波与经松散的第四系覆盖层放大的直达体波之间的干涉导致盆地边缘区域形成条带状强地震动带。此外，施甸盆地的狭长拐角处也是捕捉地震能量较多的区域之一。
　　（2）沿东西及南北向传播的面波及被捕捉在盆地中来回传播的体波使得盆地内强震动持时大幅延长。
　　（3）横向传播的面波间的干涉导致盆地内的小型凹陷处易出现一维或多维的横向共振，共振频率由凹陷横向的尺寸决定。共振现象使得凹陷处地震动被强烈放大，尽管覆盖层厚度中等，但幅值显著大于未发生共振的覆盖层厚度最大的区域。此外，多维共振的幅值大于一维共振，而具体出现哪种共振与面波的波长和凹陷的尺寸相关。
　　（4）对三维盆地，不同模态的Rayleigh波和 Love波的激发频率不同。基阶和一阶的Rayleigh波的激发频率为等效土层的基阶自振频率，二阶模态的Rayleigh波的激发频率为等效土层的一阶自振频率。对于Love波，不同模态的激发频率为同等阶等效土层的自振频率。此外，无论 Rayleigh波还是 Love波，不同模态面波的幅值与剖面位置和盆地内外介质阻抗比有关。
　　（5）覆盖层波速盆地内影响高阶模态面波的产生。相同的输入下，低波速模型中会形成更高阶模态的面波，高阶面波的出现使得盆地内的地震动分布更加复杂；而高波速模型仅出现基阶面波，地震动分布较为平滑。
　　（6）盆地内的地震动分布受震源辐射方式及地震波的入射方向影响明显。
　　（7）对于施甸盆地，其内部的三个局部凹陷及盆地边缘区域是放大作用最强烈的区域，在抗震设计中应予以考虑。
　　4.考虑四川盆地的第四系及盆地结晶基底深度的分布，并综合地表地形、近地表沉积层及地壳分层构造等资料，建立较细化的三维四川盆地模型，为开展四川盆地三维地震效应的模拟提供基础。
　　5.利用以上盆地模型模拟了汶川地震中四川盆地对于低频地震波（<0.5Hz）的放大效应。结果表明：（1）第四系成都平原和四川盆地基底深度的分布对盆地内强地震动分布有显著影响。（2）断层面上不同位置辐射的地震波在盆地内的干涉使得盆地内形成两个条状强地震动带，是影响盆地内地震动分布的重要因素。（3）盆地边缘效应、破裂方向性效应及断层面上不同子源辐射的地震波的干涉三者间的共同作用导致在四川盆地边缘的都江堰、绵竹、安县等地产生强烈地震动。（4）相比不考虑盆地存在的基岩场地模型，四川盆地对于水平分量的最大放大系数为9.6，若考虑盆地内外介质波阻抗差异的影响，则盆地效应引起的放大系数最大为2左右，且位于第四系厚度最大的竹瓦凹陷及盆地最大基底深度边缘。（5）垂直分量的地震动受盆地效应影响相对较小，而主要由地形效应控制。（6）在模拟频段内，成都平原主要对0.3Hz以上的地震动有影响，而四川盆地基底则主要影响0.3Hz以下的地震动。此外，模拟结果与地震记录、烈度图及其他研究结果的对比验证了本文建立的四川盆地模型及模拟结果的合理性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文的研究内容及篇章结构

第二章 沉积盆地地震效应

2.1 引言

2.2 沉积盆地地震效应

2.3 讨论

2.4 本章小结

第三章 透射边界与谱元法的结合

3.1 引言

3.2 谱元法理论

3.3 多次透射公式及与谱元法的结合

3.4 结合透射边界的谱元程序的精度

3.5 结论

第四章 施甸盆地三维强地震动研究

4.1 引言

4.2 施甸盆地模型

4.3 设定地震

4.4 计算方法

4.5 模拟结果

4.6 讨论

4.7 结论

第五章 汶川地震中四川盆地的地震效应

5.1 引言

5.2 四川盆地模型的建立

5.3 四川盆地模型及计算方法

5.4 汶川地震震源模型

5.5 模拟结果

5.6 讨论

5.7 结论

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 尚需进一步研究的工作

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士期间参与的科研项目

攻读博士期间发表的文章