新疆北天山地区宽频带地震动模拟关键技术研究

摘要

近年来，我国强震动观测记录数据库有了大幅扩充，一定程度上满足了重大工程抗震设防对宽频带地震动输入的迫切需求。然而，对于地震频发、强震动观测记录少的地区，宽频带地震动的数值模拟仍是确立合理地震动输入的重要途径。北天山地区是新疆经济社会发展的核心区域，现有强震动观测记录难以满足该区重大建设工程的抗震设防需求。研究构建考虑北天山地区震源机制、地质构造以及场地特征的宽频带地震动模拟方法对于高地震风险的北天山地区具有重要工程应用价值。
　　宽频带地震动模拟方法由具有强区域特征的高频地震动随机模拟方法及基于求解无限域波动问题的低频地震动模拟方法组成。本文围绕北天山宽频带地震动模拟方法构建中的关键问题展开研究:针对高频地震动模拟，主要研究中小震震源模型的构建及非平稳地震动合成所需的群速度模型;针对低频地震动模拟，主要研究无限域波动数值模拟中高精度人工边界的构建，以尽可能缩减模拟工作区和提高计算效率。取得的研究成果如下:
　　1.北天山地区震源和路径传播模型构建。利用该地区2009-2015年843个ML≥3.0地震记录，采用多台多地震联合反演方法建立了该地区的路径衰减、台站场地响应以及震源谱模型。结果表明，北天山地区中小震震源谱具有分段特性:4级以下地震的震源谱与引入震源谱高频衰减因子(κ=0.003)的Brune模型在统计意义上基本一致，4级以上地震的震源谱逐渐偏离Brune模型，呈现较为明显的双拐角频率特性;另外，震源谱存在分区差异，库拜盆地、塔里木盆地内地震的震源谱在高频段衰减更为显著。
　　2.北天山地区等效群速度模型构建。在已有基于等效群速度模型合成地震动的工作基础上，引入震相微分计算方法改进了等效群速度的计算方法;提出应用测震记录P波到时构建最快波群速度模型，分析了最快波群速度选取对等效群速度模型构建的影响;基于北天山地区的强震动观测记录，统计得到该地区的等效群速度模型。等效群速度模型引入到高频随机模拟方法的算例结果表明，基于等效群速度模型考虑地震动非平稳特征可给出更为合理的地震动模拟结果，对于面波发育的深厚覆盖层场地影响尤为突出。
　　3.高精度人工边界条件完美匹配层构建。完美匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到，其构建过程相互独立，可能出现匹配不合理而引发的数值失稳、计算精度低下等问题。为此提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法。弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件，规避了变换后所得场方程与界面条件的匹配不合理问题。新方法可直接给出弱形式匹配层，结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案。利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性。
　　4.新源-和静6.6级地震地震动场的数值模拟。2012年6月30日新源-和静地震是北天山地区近50年来发生的最大地震，测震及强震动观测记录均较为丰富。本文应用反演所得滑动分布和随机滑动分布分别拟合了强震动台站的地震动时程，对比分析了拟合反应谱与观测记录反应谱的差异性;模拟了该地震的烈度分布图，分析其与实际调查烈度图和基于新疆常用地震烈度衰减关系计算的烈度图之间的差异，探讨了破坏性地震发生后应用高频随机有限断层方法生成地震烈度分布图的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 宽频带地震动模拟研究现状

1．2．1 经验法

1．2．2 地震学方法

1．2．3 新疆北天山宽频带地震动模拟研究现状及存在的问题

1．3 主要内容及章节安排

第二章 北天山地区震源谱模型、路径衰减及场地响应研究

2．1．1 震源谱E(M0，f)

2．1．2 路径衰减函数P(R，f)

2．2 高频随机模拟方法中相关参数的确定

2．2．1 方法简介

2．2．2 北天山地区的地震活动和地震地质环境概况

2．2．3 地震记录及台站分布概况

2．3 反演结果

2．3．1 几何衰减模型

2．3．2 场地响应

2．3．3 震源谱

2．4 讨论

2．4．1 平均震源谱与Brune模型的对比

2．4．2 台站场地响应的分析

2．4．3 震源谱的分区特点

2．5 本章小结

第三章 基于等效群速度的强地震动时程合成

3．1 引言

3．2 等效群速度计算方法简介

3．3 北天山地区等效群速度的拟合

3．3．1 强震资料与处理

3．3．2 区域等效群速度的拟合

3．3．3 最大群速度的影响与确定

3．4 等效群速度模型在合成地震动时程时的应用

3．5 本章小结

第四章 弱形式时域完美匹配层

4．1 无限域弹性波动方程及其弱形式

4．2 弱形式完美匹配层

4．3 基于勒让德谱元的弱形式时域PML时空离散方案

4．4 数值模拟

4．4．1 均匀弹性全空间点源波传播问题-稳定性分析

4．4．2 二维均匀半空间模型-精度分析

4．4．3 二维问题——成层半空间模型

4．4．4 三维问题——均匀半空间模型

4．4．5 三维问题——成层半空间模型

4．5 本章小结

第五章 2012年6月30日新源-和静6．6级地震地震动模拟

5．1 引言

5．2 地震概况

5．2．1 震区地貌及地震构造

5．2．2 强震动记录

5．2．3 已有震源参数反演结果及发震构造

5．3 宽频带地震动的模拟

5．3．1 高频随机有限断层模拟

5．3．2 低频地震动模拟

5．3．3 拟合结果及对比分析

5．4 地震烈度分布图的拟合

5．4．1 新源-和静6．6级地震的地震烈度分布图

5．4．2 地震烈度分布的预测

5．4．3 与已有烈度衰减关系的对比

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

附录

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士期间发表的文章

攻读博士期间参与的科研项目