浅论基于数值格林函数方法的近场长周期强地震动模拟

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1、中国地震局工程力学研究所博士学位论文基于数值格林函数方法的近场长周期强地震动模拟姓名：张冬丽申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：陶夏新;周正华20050501攥要摘要强地震动研究洞察地震中地表及近地表振动发生、发展特征和规律性，涉及对震源的了解和认识、地震波在地壳中的传播和介质的影响、局部场地条件影响等三个方面若干关键科学问题。近场地震动受震源的影响最显著，研究的难度最大；工程抗震也最为关注。我国“城市活断层探测与地震危险性评价”项目迫切需要一套具体可行的近场强地震动模拟技术方法，本文在强地震动随机合成、近场强地震动模拟的随机震源

2、模型研究的基础上，研究基于数值格林函数方法的近场长周期强地震动模拟方法，全面实现近场强地震动模拟总体思路。强地震动观测数据显示，高频段突出表现出随机性，低频段主要受传播途径和局部场地条件的影响。后者的模拟主要靠数值方法，能够处理三维地壳波速结构及复杂的局部场地条件，受计算机资源的限制，目前只能在1．0秒以上的长周期段比较准确地模拟强地震动。为了提高计算效率和精度，对计算模型和方法进行了合理的简化，在省局计算中心设备条件下可以实现全部计算的近场强地震动模拟方法。1．分两步计算，{鼯化数假格林函数的计算方法将有限断层麓源、断艨深度范围内的地

3、壳均匀介质、盖层地巍三维速度结构综念在一个计算模型中，分嚣大步宠成三维近场长周期强地震动模拟。第一步，在包括震源的介质均匀区，采用解析方法，计算所肖子源程盏朕底面嚣点引起的位移反应，形成三维波动有限元数值模拟的输入场。第二步，程盖层介质不均匀区，聚用对、空解耦的显式波动有限冗模拟方法，结合多次透射人工边界条件，计算盖层地表的长周期强地震动。这种简化方法肖效扩大了计算酝域，摄高了计算速度，节省了数据存储空闯。2．系绞确定有限凝屡的予源滑动黠间蘧数有限断层面上的滑动不均匀特征可以源过子源平均位错量的不均匀分鸯，破裂传援煞辩空不搀麓往来表达。

4、本文采臻Brune粼，售赘上舞跨麓T中国地震局工程力学研究所博士学位论文与介质刚度∥、剪切速度K、子源的平均位错量万和应力降Act的理论关系，确定各子源位错的上升时间，：借助各子源与破裂起始点的几何关系、考虑破裂扩展速度计算时间延迟ddt(i√)，确定了各子源的滑动时间函数，继而构建了时、空不均匀分布的断层滑动模型。3．无限均匀介质中矩张量源引起的位移场为了在震源模型中充分考虑断层的产状及破裂类型的影响，本文引入地震矩张量源，代替以往使用的简单的双力偶位错源，以确切表达有限断层上作用于每个子源的力与滑动方向及滑动时间函数的关系。断层位错

5、与地震矩张量具有等效性，本文将位错源用具有9个力偶组合的等效三阶矩张量来表达，充分包含了断层走向、倾角和滑动方向等信息，可以更接近真实地描述震源的性质。无限均匀介质中，根据三阶格林函数的解析式，叠加九个力偶产生的格林函数，它与子源滑动时间函数在一定深度和范围内的时空卷积，即得到有限断层上每个子源引起的位移场。有限断层震源模型在盖层底面引起的位移可以由所有予源产生的位移综合而成。4．多方验证本文篱纯蠢法的逡弼往移爵靠桎(1)采用1994年北岭Mw6．7地震的震源参数和震隧地壳波速结构，在凭限均匀弹性介质中，分别用本文提出静方法和解拆方法计

6、算了一个予源引起的格林函数，两者的结果相当一致，证明了本文简化计算方法的可靠往。<2)测用本文发展的方法，模拟了1994年jE岭地震的近场四个基辫台站的长周期地藏动。模拟得出的加速度、速度时程与实际记录的时程在有效持时、地震动幅值和包络线形状上都符合较好，产生了明显的加速度和速度脉冲，表达了地震动的上掇效应和破裂方尚往，与记录盼加速度、迷度频谱媳符合褥较好。(3)分别考虑不同断层产状和破裂类趟，对獯直断层的单侧和双侧邂滑破裂，羧斜歪羧层、道叛屡秘走漏凝屡破裂计冀了近场长周期强地震动。分析、归纳的近场长周期地震动峰值分布特征和波形特征都充

7、分表达了破ll’裁委裂的方向性效应和上盘效应的基本特征；模拟的地震动识表现了一般的特点，平行断层破裂面走向的分量幅值最大，垂鲞走向和轻向的懈值相差不大；逆断层引起的地震动幅值稍大于走滑断层引起的地震动，正断层的地震作用最小。(4)对2001年施甸地震中的二维盆地进行了近场长周期地震动模{彗I。横拟近场长周期强地震动的幅值、持时和频谱特征中表达的盆地效应，与实际地震中观测到的总体特征一致。以上四个方丽的分析充分试明了本文方法用于长周期强地震动模拟研究与预测的适用·陡和可纛性。或论文毂最后，辩本文己做工{乍遴行了全疆总结，并在此基础上提出了

8、尚需燃续深入研究的问题和Z作展望。关键运：近场长周裁强地震动，数壤接蘸爨数，矩张量，瀵凌对瓣涎数，三维地壳波遮结构，盆地效应础中国地震局工程力学研究所博士学位论文ABSTRACTStronggroundmo