四川地区场地放大系数特征分析及在强地震动模拟中的应用——以2022年芦山Ms6.1地震为例.pdf
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1、基于四川地区6 2 个强震动台站的场地资料,依据中国抗震规范及美国下一代衰减的Geomatrix(GMX)场地分类方法将台站场地进行了划分,并以台站的场地放大系数和高频衰减参数(ko)为基础数据,研究了不同场地类型的场地放大系数平均特征.结果显示,在中国II类场地中,受狭窄山间谷底地形效应影响,满足GMX的C类场地在大于10 Hz的高频段有明显放大;受深厚软弱沉积层影响,满足GMX的D类场地在小于5Hz的低频段放大效应显著.考虑震源滑动模型、山区和盆地品质因子差异、局部场地效应,采用区域内余震平均应力降,通过随机有限断层法模拟了2 0 2 2 年芦山Ms6.1地震中9个断层距(Rrup)10
2、0 k m 的强震动台站的加速度时程、傅里叶振幅谱(FAS)和反应谱(PSA).结果显示,模拟结果与观测加速度时程的S波部分符合良好.在8 s以下周期范围内模拟与观测FAS和PSA形状和幅值基本一致.较好地模拟结果支持此次地震为2 0 13年芦山Ms7.0芦山地震的一次余震.另外,模拟结果体现了此次地震在Rrup35km范围内有明显的方向性效应,与观测数据相符.最后,考虑各类场地的场地放大系数和ko的平均特性,比较了此次地震中Rrup150km的16 7 个盆地和130 个山区烈度台观测和模拟峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV),以及周期为0.5S、1.0 s、5.0 s 和8.0 s的P
3、SA幅值随断层距的衰减特性.结果显示,山区和盆地的地震动参数随距离的衰减特性较为相似,山区和盆地的PGA、PG V 强度相当.但是,在周期大于1.0 s的长周期段,盆地的反应谱幅值整体上大于山区.关键词芦山Ms6.1地震;场地效应;强地震动;随机有限断层法;方向性效应doi:10.6038/cjg2022Q0435Analysis of site amplification coefficient characteristics of Sichuan and its applicationin strong ground-motion simulation:A case study of 20
4、22 Lushan M,6.1 earthquakeFU Lei,XIE JunJu,CHEN Su?,ZHANG Bin,ZHANG Xu,LI XiaoJun?*1 Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China2Faculty of Urban Construction,Beijing University of Technology,Beijing 1o0124,China3 Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geologic
5、al Sciences,Beijing 10008l,ChinaAbstract Following the site classification methods proposed the Chinese seismic code(Codel6)and the Next Generation Attenuation(GMX),the site conditions of 62 strong motion observation基金项目国家自然科学基金重大项目(52 192 6 7 5)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(DQJB22B28)联合资助.第一作者简介傅磊,男,198 6 年
6、生,副研究员,主要从事强地震动模拟和地震动预测方程等方面的研究E-mail:f u le i l1 c e a-i g p.a c.c n*通讯作者李小军,男,196 5年生,研究员,主要从事地震工程学和地震学等方面的研究E-mail:b e e r l i v i p.s i n a.c o m中图分类号P315收稿日期2 0 2 2-0 6-0 9,2 0 2 2-11-0 1收修定稿2934stations located in Sichuan,China were classified based on their site conditions.Then,the siteamplif
7、ication coefficients and high-frequency attenuation parameters(ko)of these selected stationswere used to investigate the local site effect characteristics of each site classes in average sense.The result shows that,in the range of Codel6 site class II,at frequencies above 1o Hz,theamplification of G
8、MX site class C is significantly enhanced by the topographical effect due tonarrow mountainous valley site condition;whereas at frequencies below 5 Hz,the amplificationof GMX site class D is noticeably enhanced by the deep soft sediments.Considering the sourceslip model,the differences of quality fa
9、ctor between mountainous and basin aeras,the local siteeffects,and the average stress drop of regional aftershocks,the acceleration time series,FourierAmplitude spectrum(FAS)and 5%-damped pseudo-spectral acceleration(PSA)of 9 stationslocated within 100 km rupture distance(Rr u p )r a n g e w i t h r
10、 e s p e c t t o t h e 2 0 2 2 Lu s h a n M s 6.1earthquake were simulated using the stochastic finite-fault simulation method.The result showsthat,the simulated time series fit well with the S-wave portion of observation.Moreover,atperiod shorter than 8 s,the shapes of simulated FAS and PSA matched
11、 those of observations.The satisfactory simulation result supported that the current earthquake is most likely to be anaftershock of the 2013 Lushan Ms7.O earthquake.Moreover,the simulation result captured theobvious directivity effect observed when Rrup35 km.Finally,taking the average site amplific
12、ationsand ko values of each site classes into account,the attenuation characteristics with respect to Rrupof simulated and observed peak ground acceleration(PGA),peak ground velocity(PGV),andspectral acceleration at periods of 0.5 s,1.0 s,5.0 s,and 8.0 for 167 basin and 130 mountainstations with Rru
13、p 150 km were compared.The result indicates that,the attenuation rate ofground motion parameters and the levels of PGA and PGV of basin and mountain stations aresimilar.However,at period longer than 1.O s,the spectral accelerations of basin are systematicallylarger than those of mountain area.Keywor
14、ds Lushan Ms6.1 earthquake;Site effect;Strong ground motion;Stochastic finite-fault0引言破坏性地震引起的强烈地面运动(也称强地震动)是地震诱发山体滑坡、泥石流等自然灾害,以及造成建(构)筑物破坏的根本原因.因此,对地震动特性及其产生机理的探究,以及对未来破坏性地震产生的地震动强度、时空分布特征的预测,是地震学和工程学共同关注的科学难题.地震动主要受震源效应、地震波在传播路径中的衰减以及局部场地效应等三个物理过程控制(王海云,2 0 10).但是,受孕震构造环境、地壳介质性质和近地表地质条件等客观因素复杂性影响,
15、以上三个物理过程间的耦合效应使不同区域的地震动特性往往存在显著差异.赵翠萍等(2 0 11)分析得到中国大陆主要地震活动区中小地震的应力降(。)主要分布区间为0.110.0 MPa,不同区域1Hz处的品地球物理学报(Chinese J.Geophys.)method;Directivity effect66卷质因子(Q。)分布区间为191.8 6 94.0.针对日本岛全域6 个分区和3种地震类型的研究也表明,日本全域的Q。分布区间为57.117 5.8;地壳地震、俯冲带板间地震和板内地震的平均c依次为1.0MPa,5.5 MPa 和 5.0 MPa(Nakano et al.,2015).吴微
16、微等(2 0 17)计算了川滇菱形块体4个主要活动断裂带的,结果显示不同断裂带的平均o分布区间为1.0 6.4MPa.Ji等(2 0 17)采用水平分量和竖向分量的速度反应谱比值计算了中国大陆17 8 个强震动台站的局部场地放大系数,并据场地卓越频率分布区间将场地类型划归为三类.Xie等(2 0 2 2)根据建筑抗震设计规范(GB50011-2010)(Co d efor Seismic Design of Buildings 2016,Code16),对中国西部6 7 8 个强震动台站的场地类型进行了划分(中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2 0 10)
17、.结果显示,按照Code16,中国西部地区7 6.5%和13.7%的强震7期傅磊等:四川地区场地放大系数特征分析及在强地震动模拟中的应用一以2 0 2 2 年芦山Ms6.1地震为例动台站可分别划分为II类和III类场地.Fu等(2 0 19)采用四川地区36 个测震台站的观测记录反演了川西高原和四川盆地基岩场地的平均场地放大系数.结果显示,在0.52 0.0 Hz频率范围内,川西高原基岩场地的平均场地放大系数在1附近波动;在0.53.0 Hz频率范围内,四川盆地基岩场地的平均场地放大系数达到34.另外,研究表明,四川地区不同II类场地台站的场地放大系数存在显著差异(Renetal.,2 0 1
18、3;W a n g e t a l.,2 0 18;傅磊等,2 0 18).因此,为了减小四川地区地震动预测方程(Ground-motion prediction equations,G M PE)中场地项的不确定性,获取更准确的场地调整系数,有必要对我国的场地类型划分方法进行更深人地探索和细分.另一方面,大量典型大地震观测记录和GMPE的比较研究表明,采用大尺度区域(比如中国西部、北美东部、欧洲和中东地区)的观测记录统计得到的GMPE在开展工程地震学关心的距离范围内(通常小于50 0 km)破坏性地震的地震动参数衰减特性预测时,往往存在不可忽略的偏差(王玉石等,2 0 13;Renetal.
19、,2 0 18).因此,发展具有区域特色的震源、地震波传播路径和局部场地模型,是地震动预测或模拟的主要发展方向之一。中国大陆强震动观测台网自2 0 0 8 年正式运行以来,截至2 0 16 年已收集到超过三万条强震动记录(Lie t a l.,2 0 0 8;解全才等,2 0 17).但是,因为震级大于6 级的观测记录依然较少,直接采用经验统计方法建立GMPE极具挑战.以数据最为丰富的中国西部地区为例,强震动记录在6.37.8 的矩震级(M w)范围内非常稀缺,且每个地震的平均记录个数仅为5.4(Lanetal.,2 0 19).因此,发展融合观测记录和强地震动模拟的GMPE构建技术具有重要的
20、应用前景.强地震动模拟作为研究地震动空间分布特征和预测设定地震场景地震动影响场的主要科学手段之一,近年来得到了蓬勃发展.随机有限断层法(Stochastic finite-fault simulation method,SFFSM)作为强地震动模拟方法的重要分支,受到越来越多中国学者的关注.最初,SFFSM由Beresnev和Atkinson(1997)提出.随后,Motazedian和Atkinson(2 0 0 5)和Boore(2009)将动态拐角频率引入SFFSM中并对相关的标度因子进行了改进,解除了震源破裂面释放能量受子断层尺寸影响的限制.近2 0 年来,许多学者对SFFSM进行了改
21、进,但SFFSM的核心仍然是半理论、半经验的傅里叶振幅谱模型(Boore,29352003),即:FAS(f,R)=E()P(R,)S(f),其中,FAS表示傅里叶振幅谱,f和R分别表示频率和震源距,E(f)、P(R,f)和S(f)依次表示震源项、传播路径项和场地项.采用SFFSM,中国学者对2008年汶川Ms8.0地震(Sunetal.,2 0 13;傅磊和李小军,2 0 17),2 0 13年芦山Ms7.0地震(ZhouandChang,2 0 19;W a n g e t a l.,2 0 2 1),2 0 14年鲁甸Ms6.5地震(王宏伟等,2 0 2 1;Tang,2 0 2 2),
22、2 0 17 年九寨沟 Ms7.0 地震(Sun et al.,2 0 18;D a n g e t a l.,2 0 2 0)和2021年Ms6.4漾濞地震(强生银等,2 0 2 1;周红等,2021)等典型破坏性地震均开展了模拟研究工作.尽管以上研究的模拟结果均在不同程度上与观测记录符合良好,但是对场地放大系数的考虑均较为简化,主要归纳为三类方法:(1)四分之一波长法计算的平均地壳放大系数;(2)与Vs3o(地表下30 m的平均S波速度)相关的经验模型;(3)基于强震动记录或环境噪声观测记录的水平向/竖向谱比法(Horizontal-to-vertical spectral ratio,H
23、VSR).其中,四分之一波长法首先以地壳和局部场地的S波速度模型为基础构建区域平均速度模型,然后通过考虑水平均匀层状介质间S波的波阻抗变化表征地壳介质对地震波能量的放大作用(Boore andJoyner,1997).但是,该方法只考虑了地震波传播过程中的能量透射,忽略了折射、衍射和散射等更复杂的地震波传播效应的影响,因此得到的地壳放大系数难以体现局部场地对地震波在特定频率的放大或抑制效应.另一方面,尽管Vs3o是目前最被广泛采用的场地参数,但是它与局部场地效应的对应关系具有明显的区域性差异,并且与地震动长周期部分的相关性较弱(张齐等,2 0 18).最后,大量研究已表明,虽然HVSR可以得到
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