基于地震学的基岩场地PGA混合衰减关系

发布时间：2020-04-06 20:29

【摘要】：地震动衰减关系描述地震动场的分布,为工程场地地震安全性评价和地震区划提供技术支撑。区域的经验性衰减关系研究和发展主要依赖于大量的强震观测数据。除了美国西部和日本外,世界上大多数国家或地区尚缺少足够强地震动数据,难以直接统计建立区域经验性衰减关系。建立基于地震学的衰减关系是一个解决方案。美国NGA-East项目做了有益的探索,尚有一些需要进一步改进、完善的问题。本文指出NGA-East地震动衰减关系加权方案的不足是没有表达点源模型适用于中小地震和远场地震动估计、而有限断层源模型适用于预测大地震近断裂强地震动这一重要共识,提出了一个表达点源和有限断层源各自适用范围的加权方案,在震级(6.0,7.0)范围内对借助两种震源模型估计的地震动PGA加权平均,与震级[5.0,6.0]点源得到的PGA与[7.0,8.5]有限断层震源模型计算的PGA组合,建立了四川地区的PGA混合衰减关系。论文主要包括两部分,(1)借助有限断层震源模型合成6.0级以上地震的地震动,涉及研发震源模型参数的定标律、建立区域地震动衰减关系需要的26个震级相应的有限断层震源模型以及合成192个地表点上各30条地震动加速度时程;(2)研究将7.0级以下地震有限断层源估计的地震动平均PGA与点源估计的PGA加权平均的方法,采用恰当形式表达混合衰减关系。首先,借助近年发表的新数据建立震源参数的定标律。收集NGA数据库中的震源全局参数,补充形成分别包含189个地震的数据1和204个地震的数据2,分三种破裂类型、三(四)个震级段,统计得出矩震级与破裂面的面积、宽度、长度以及破裂面上平均错动量四个参数之间的经验关系和半经验关系。通过与9个地震公开发表的数据比较,说明了在四川地区使用的可行性。从eQuake-RC的有限断层源破裂模型数据库等来源收集、整理了全球范围的211个地震的错动分布,逐一从中提取局部震源参数。区分板内地震和俯冲带地震,建立了三种破裂类型的凹凸体参数,包括最大凹凸体和其它凹凸体的面积、长度、平均错动量、最大凹凸体中心及破裂起始点的坐标等,与相应全局参数的定标律。指出了局部参数与全局参数的关系比与矩震级的关系离散性小得多;6.5级以上地震大多数有多个凹凸体,6.5级以下的多是单凹凸体;其它凹凸体中心坐标根据最大凹凸体中心在破裂面上的位置分左右统计可以避免凹凸体的重叠,破裂起始点坐标不再限制在凹凸体之外。通过与公开发表的4个地震局部参数的比较,说明了本文定标律在四川地区的可行性。随后,归纳了为研发区域地震动衰减关系建立有限断层震源模型的思路、步骤。通过对四川地区的区域地震构造条件分析、归纳,结合敏感性分析,选用破裂面倾角值70°、破裂类型All,并提出了破裂面上缘埋深的估算方法。统计得到四川地区平均震源深度为16 km,指出破裂面宽度上限应该取32 km。借助截断的正态分布考虑定标律的不确定性,估算每一个震级的30组震源参数值,生成30个破裂面上错动的分布。对6.0≤M_w≤8.5,间隔0.1级,共26个震级,各建立了30个有限断层震源模型。在整理子源引起地表地震动合成方法、改进各子源引起的地震动在时间域叠加公式表达的基础上,逐一合成了26个震级、四个方向上各48个地表点的地震动,得到每一震级、192个地表点上各30个PGA的平均值。经比较论证,合并归纳出长轴、短轴两个方向的衰减关系。借助二维表格形式表达地震动衰减关系,震级[5.0,6.0]的直接采用点源得到的PGA,[7.0,8.5]的采用有限断层震源模型计算的PGA,(6.0,7.0)的采用两类PGA的加权平均。随震级的递增,点源结果的权系数从1.0线性递减至0.0,有限断层源结果的权系数从0.0线性递增至1.0。体现了中小地震的震源可以用点源表达,大地震的需要用有限断层源表达的共识,其间要有一个过渡的处理。得出了可供工程应用的四川地区基岩场地PGA混合衰减关系,完成了在我国发展基于地震学的地震动衰减关系的最后也是最关键的一步。最后,通过与四川地区一定数量的强地震动观测数据和全国地震区划图编制中对四川地区采用的衰减关系的比较,论证了本文改进的效果,对大地震PGA衰减的估计有很明显的优势。通过三个具体工程场地的地震危险性评估结果与采用逻辑树加权方法结果的比较,进一步论证了本文加权方案的改进在实际应用中的可行性,展示了避免大量重复计算的优势。
【图文】：

衰减曲线,随机误差项,衰减关系,标准差

图 2-1 四十年中发表的衰减关系随机误差项标准差σ的汇总（Douglas，2003）大量数据显示，相同震级、相同距离、甚至相同场地条件的地震动仍有很大的不确定性。例如，Boore（2005）发表的美国加州 2004 年发生的一次 6 级地震中观测到的地震动数据相对衰减关系表现出的离散，如图 2-2 所示。图中圆点表示实际记录的 PGA，衰减曲线是根据美国西部广泛使用的加速度衰减关系计算的，粗实线表示的是平均值，细实线和虚线分别表示了在此基础上加减一个、两个标准差的范围。从中可以看出，地震动衰减表现出的离散性相当大，距离相同的两个地点的 PGA 可能相差若干倍，，在近距离处土层场地上甚至可能差十倍。在大致相同的距离上，土层场地上的 PGA 有的大于基岩场地的，有的小于基岩场地的。考虑到地震波从震源传播到观测点经过非常复杂的途径，至距离相同的点可能会有完全不同的传播途径、传播介质也有较大差别，土层场地的速度结构的差别可能更大，图中展示的地震动衰减的不确定性是完全能够理解的。显然，不确定性中有相当一部分是随机的，也肯定有认识上不够清楚的成分。

衰减曲线,场地,随机误差项,途径

年中发表的衰减关系随机误差项标准差σ的汇总（Do示，相同震级、相同距离、甚至相同场地条件如，Boore（2005）发表的美国加州 2004 年发数据相对衰减关系表现出的离散，如图 2-2 所，衰减曲线是根据美国西部广泛使用的加速度平均值，细实线和虚线分别表示了在此基础上中可以看出，地震动衰减表现出的离散性相当能相差若干倍，在近距离处土层场地上甚至可层场地上的 PGA 有的大于基岩场地的，有的震源传播到观测点经过非常复杂的途径，至距播途径、传播介质也有较大差别，土层场地的示的地震动衰减的不确定性是完全能够理解的随机的，也肯定有认识上不够清楚的成分。
【学位授予单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU435

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