汶川地震强地面运动模拟＊.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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第３４卷第２期地震学报Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２２０１２年３月（２２４－－２３４）ＡＣＴＡＳＥＩＳＭＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＭａｒ．，２０１２常莹，周红，俞言祥．２０１２．汶川地震强地面运动模拟．地震学报，３４（２）２２４－－２３４．ＣｈａｎｇＹｉｎｇ，ＺｈｏｕＨｏｎｇ，ＹｕＹａｎｘｉａｎｇ．２０１２．Ｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄ－ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅ．ＡｃｔａＳｅｉｓ－ｍｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，３４（２）２２４－－２３４．汶川地震强地面运动模拟＊常莹周红俞言祥（中国北京１０００８１中国地震局地球物理研究所）摘要基于确定性震源模型的方法主要用于计算低频（＜１Ｈｚ）地震波，难以计算高频地震波；高频（＞１Ｈｚ）地震动常用经验格林函数法或随机方法，对低频地震动模拟不够准确．本文在确定性震源模型方法基础上，尝试采用分解给定的震源模型的方法来模拟宽频带（０．１１０Ｈｚ）强地面运动，即采用分级离散断层面和分解断层面破裂单元上升时间的方法，增加震源时间函数中的高频信号，从而避免了对地震记录丰富程度和准确性的依赖．文中模拟计算了汶川ＭＳ８．０地震在８个地震观测台的地震动，将模拟结果和观测记录进行了加速度时程曲线和傅里叶振幅谱的对比分析．对比结果显示，模拟估计的地震动峰值加速度和持续时间与观测记录的数据基本在５０％的精度范围内相同，傅里叶振幅谱显示模拟结果有得到１０Ｈｚ左右的高频成分．四川盆地中的台站模拟结果高频衰减比观测记录要快，原因是模拟过程没有考虑场地效应．对强地震动模拟还是要综合考虑震源、传播路径和场地的影响．研究结果表明，此改变震源输入的确定性方法可应用于模拟近断层宽频强地面运动．关键词汶川地震强地面运动模拟高频地震动震源时间函数ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７８２．２０１２．０２．００９中图分类号Ｐ３１５．９文献标志码ＡＳｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄ－ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅＣｈａｎｇＹｉｎｇＺｈｏｕＨｏｎｇＹｕＹａｎｘｉａｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎａＥａｒｔｈｑｕａｋｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｅｉｓｍｏｌｏｇｙｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃｓｏｕｒｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｍａｉｎｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｖｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｉｎｃｅｉｔｉｓｈａｒｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐｒｅｃｉｓｅｌｙ．Ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗａｖｅｃａｎｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｓｔｏｃｈａｓｔｉｃａｐｐｒｏａｃｈｏｒｕｓｉｎｇｅｍｐｉｒｉｃａｌｇｒｅｅｎ’ ｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｂｕｔｔｈｅｓｅｔｅｃｈ－ｎｉｑｕｅｄｏｅｓｎｏｔｗｏｒｋｆｏｒｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｔｒｙｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｂｒｏａｄｂａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（０．１１０Ｈｚ）ｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄ－ｍｏｔｉｏｎｂｙｓｕｂｄｉｖｉｄｉｎｇｔｈｅｓｌｉｐｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｃｒｏｓｓｔｈｅｆａｕｌｔｐｌａｎｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｔｏｄｉｓｃｒｅｔｉｚｅｔｈｅｆａｕｌｔｉｎｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒａｎｄｄｅｃｏｍｐｏｓｅｔｈｅｒｉｓｅｔｉｍｅｖａｒ－ｉａｔｉｏｎｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｏｕｒｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｓｏａｓｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｒｉｃｈｎｅｓｓｏｆｓｅｉｓｍｉｃｒｅｃｏｒｄｓ．Ｗｅｓｉｍｕ－ｌａｔｅｄｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｓｏｆＷｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｔ８ｓｅｌｅｃｔｅｄｓｔａｔｉｏｎｓｌｏｃａｔｅｄｎｅａｒ＊基金项目国家自然科学基金（４０８７４０２７，９０７１５０２０和９０９１５０１２）资助．收稿日期２０１１－０４－１２收到初稿，２０１１－０６－２９决定采用修改稿．通讯作者ｅ－ｍａｉｌｚｈｏｕｈｏｎｇ＠ｃｅａ－ｉｇｐ．ａｃ．ｃｎｔｈｅｆａｕｌｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗａｎｏｖｅｒａｌｌａｇｒｅｅｍｅｎｔｏｎｔｈｅｐｅａｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｕｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎ５０％ｔｏｌｅｒａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄａｃｃｅｌｅｒａ－ｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒａｈａｖｅｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｓｈｉｇｈａｓ１０Ｈｚ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍａｔｔｈｅｓｔａｔｉｏｎｓｉｎＳｉｃｈｕａｎｂａｓｉｎａｔｔｅｎｕａｔｅｆａｓｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｏｂｓｅｒｖｅｄｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄｄｉｄｎｏｔｃｏｎｓｉｄｅｒｓｉｔｅｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｔａｋｅａｌｌｔｈｅｓｏｕｒｃｅ，ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐａｔｈａｎｄｓｉｔｅｅｆｆｅｃｔｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｉｎｐｕｔｓｏｕｒｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｎｅａｒ－ｆａｕｌｔｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｉｎｂｒｏａｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＷｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅ；ｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｉｇｈｆｒｅ－ｑｕｅｎｃｙｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎ；ｓｏｕｒｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎ引言近场地震动的研究是跨越理论地震学和地震工程学的重要课题，是强地面运动研究的主要内容之一．中、强地震产生的近场地面运动是造成地震灾害的主要原因，如何模拟工程场地可能经受的近场强地面运动，提供设计地震的加速度图，也是工程上的客观要求．高频强地震动（＞１Ｈｚ）是工程地震学最为关心的一部分，０１０Ｈｚ的地震动是大多数结构建筑物的共振频段，这对结构工程设计非常重要．同时，在这个频段内的地震动也是引起山体滑坡和其它地震地质灾害的主要原因．模拟近断层宽频强地面运动工作是一项既困难但又很有意义的任务．根据理论基础划分，地震动模拟方法总体上有３类确定性方法、随机方法和混合方法．确定性方法基于Ａｋｉ和Ｒｉｃｈａｒｄｓ（１９８０）的表示定理、弹性位错理论和格林函数，注重震源机制和地震物理过程的模拟．该方法在模拟长周期地面运动方面非常成功，但尚难以应用于高频地震动的模拟，这是由于在地震破裂过程和地壳介质中存在着小尺度的不均匀性，震源辐射和波的传播使得短周期地震动随机性极强．单一固定的震源时间函数输入，不足以反映这些不均匀性和随机性．随机方法基于高斯带限白噪声的随机振动理论方法（Ｂｏｏｒｅ，１９８３，２００３；Ｍｏｔａｚｅｄｉａｎ，２００５），或者基于小震的经验格林函数方法（Ｈａｒｔｚｅｌｌ，１９７８；Ｉｒｉｋｕｒａ，１９８３，１９８６）及地震动参数的经验统计关系，用于短周期（高频）地震动的模拟．但它的准确程度依赖于实际地震记录的丰富程度和可靠性，不能准确模拟长周期地震动．经验格林函数方法将目标地震区记录的，适当大小的，与主震震源机制相同的，以及信噪比高的小震记录作为经验格林函数模拟地震动．这种处理方法的好处是，在小震记录的信息中，自然包括了真实地球传播介质的主要信息（震源、传播路径和场地），从而避开了计算理论格林函数的困难；不足之处是适合于地震动模拟的小震记录不易获取，此方法要求小震的震源机制须与目标大震的震源机制相似，而且拟合地震记录的有效频段取决于小震记录的信噪比，尤其是在地震记录稀疏或缺乏的地区．混合方法利用上述两种方法各自的优势，将地震动分成长周期和短周期两部分分别进行模拟．长周期地震动用确定性方法模拟，短周期（高频）地震动用随机方法模拟．模拟结果分别经低、高通滤波器滤波之后，在时域中叠加，得到宽频带的地震动（Ｐｉｔａｒｋａｅｔａｌ，２０００；王海云，谢礼立，２００８）．但混合方法要求同时具备确定性方法和随机方法的应用条件，也存在对缺少地震记录地区模拟精度不足的问题．５２２２期常莹等汶川地震强地面运动模拟我们用确定性方法，改变震源上升时间，通过增加震源时间函数中高频信号，模拟近断层宽频强地面运动．本方法发挥了确定性方法可以准确模拟长周期地震动的优点，避免了随机方法对地震记录的依赖性，同时得到高频地震动模拟结果．之前对汶川地震模拟是利用３维有限差分方法应用于复杂的３维地球结构（Ｚｈａｎｇｅｔａｌ，２００８），突出了研究范围内地形和盆地对地震动的影响，但没有模拟高频地震波．也有利用多种有限断层滑动模型，用混合模拟方法模拟计算汶川强地面运动（Ｂｊｅｒｒｕｍｅｔａｌ，２０１０），计算３种不同的有限断层滑动模型的地震动，主要分析比较复杂断层破裂过程对地震动的影响．本文的研究方法是根据震源破裂过程，细化微调震源时间函数的上升时间，通过震源引入高频信息，用确定性方法模拟强地面运动高频成分．用本文方法模拟的汶川地震的近断层强地面运动结果，可以与汶川地震记录到的丰富的强地面运动观测资料进行对比分析，表明本方法可以应用于预测近断层强地面运动．１方法简介对于近场、大地震问题，位错面的线性尺度与位错源至观测点的距离以及所涉及的地震波的波长是可比的，因此点源近似不再适用，必须计算有限尺度破裂面源产生的地震波波场．沿用Ｏｌｓｏｎ和Ａｐｓｅｌ（１９８２）的基本思想，用点源叠加方法合成有限断层的近场强地面运动地震波．但是常规的确定性地震动模拟方法对于高频成分丰富的地震动加速度时程的模拟并不成功．简单的位错模型不能很好地模拟高频强地震动，地震震源模型需要描述断层破裂面上滑动的不均匀分布．在对震源了解并不很详细的情况下，为得到高频地震动模拟结果，体现断层破裂面上滑动的不均匀分布，本文以确定性的方式考虑震源时间函数和破裂传播在断层面上不规则的分布，并在震源参数中引入随机性，在合理范围内，随机给定震源时间函数的上升时间．在能获得高频成分的同时，通过波动方程解析解，可以看到位移波形的波谱（傅里叶变换的绝对值）在低频区域很平坦，它的高度正比于Ｍｏ＝μ珔ｕＡ地震矩．这个结果对任何Δｕ（ ξ，ｔ）都正确，它与断层面破裂过程的细节无关，这就保证计算结果在低频的正确性（Ａｋｉ，Ｒｉｃｈａｒｄｓ，１９８０）．利用点源合成有限断层地震动的思想来合成有限断层的近场强地面运动地震波的公式为ｕ（ｘ，ｔ）＝ ∑ Ｍｉ＝１∑ Ｎｊ＝１ｓ（ｔ）ｕｉｊ（ｘｉｊ，ｔｉｊ）（１）沿断层面走向和倾向离散为Ｍ和Ｎ个小的子破裂单元．这些子破裂单元作为有限断层模型的一级网格．一级网格震源点直接利用Ｃｈｅｎ（１９９９）的广义反透射方法计算分层地球介质的格林函数．为了模拟到１０Ｈｚ的高频地震波，（ｉ，ｊ）子单元再次离散为Ｋ和Ｌ个次级破裂单元，生成（ｋ，ｌ）二级网格单元，一级网格上的地震矩平均分配到二级网格．对于二级网格震源点的格林函数，我们认为它是一级震源格林函数的调幅和延迟，即ｕｉｊ（ｘｉｊ，ｔｉｊ）＝ ∑ Ｋｋ＝１∑ Ｌｌ＝１（ｒｉｊ／ｒｋｌ）Ｇｉｊ（ｘｉｊ，ｔｉｊ－ｔ ξ－ｔｄ）ｔ ξ＝ｒ／ｖｓ＋ξｋｌ／ｖｒ，ｔｄ＝（ｋ－１）τｎｋｉ（２）这里，调幅（ｒｉｊ／ｒｋｌ）、延迟ｔ ξ和ｔｄ同于经验格林函数方法（谢礼立等，２００１；章文波，于湘伟，２０１０；赵志新等，２００６）．Ｋ和Ｌ是每个一级子断层在走向和倾向上离散的网格数，由一级６２２地震学报３４卷子断层破裂过程的上升时间大小决定Ｋ和Ｌ取值．ｎｋｉ是第ｋ个二级单元的上升时间占第ｉ个一级子破裂单元上升时间的比例．ｘｉｊ，ｔｉｊ分别是一级子断层的中心点位置和破裂时间．Ｇ是利用广义反射率方法计算层状半空间的点源的解析解．ｒｉｊ和ｒｋｌ分别是一级子破裂单元中心和其二级网格单元中心到观测点的距离．τ是（ｉ，ｊ）子破裂单元格的上升时间．图１为有限断层模型离散示意图．盖增喜和陈晓非（２００７）的研究结果表明，震源上升时间越长（频率越低），断层面破裂传播速度越高，对面源离散的精细程度要求越低．文中计算的一级网格尺寸是１０ｋｍ１０ｋｍ，二级网格Ｋ和Ｌ最小为３０，最大为５０，即二级网格单元最大尺度为０．３３ｋｍ０．３３ｋｍ，最小尺度为０．２５ｋｍ０．２５ｋｍ，满足面源离散的精细程度要求．地震破裂过程是由震中开始，沿断层走向向两侧传播的过程．在倾向上，相同走向位置点的震源时间函数相同．对一级子破裂单元再次离散，即第（ｉ，ｊ）个子破裂单元沿走向分割成Ｋ块，沿倾向分割成Ｌ块，相应震源时间函数的上升时间τ分割为τｋ＝τｎｋｉ， ∑ Ｋｋ＝１ｎｋｉ＝１．每个二级网格单元的上升时间就是τｎｋｉ．图２表示二级网格离散过程保持地震矩不变，不会改变目标地震动大小．图３是震源上升时间为０．５ｓ和１０ｓ的加速度波形和傅７２２２期常莹等汶川地震强地面运动模拟里叶谱．上升时间为０．５ｓ震源时间函数高频信号更多，这就使得模拟结果有丰富的１１０Ｈｚ的高频信号．为使合成地震波不集中在某频段凸出，对一级子破裂单元采用不均匀离散方式，利用０１的随机数给出二级网格单元的划分比例．２汶川地震震源模型利用前面介绍的计算方法，以２００８年５月１２日汶川ＭＳ８．０大地震为例，进行了近断层强地震动模拟计算．汶川大地震断层长度超过３００ｋｍ，破裂开始于汶川县的映秀镇地面下方约１５ｋｍ处，终止于震中东北方向的青川县，地震破裂持续时间长达９０ｓ，最大滑动量发生于汶川和北川附近．断层面的大面积、大幅度、贯穿到地表、以逆冲为主的断层错动是汶川大地震断层的主要特征（张勇等，２００８；Ｎａｋａｍｕｒａｅｔａｌ，２００９）．对于如此大规模地震的近场，点源模型不足以描述其地震动特征．因而，对于具有一定规模的地震应采用有限断层模型来代表地震的震源过程．根据汶川地震震源破裂过程的反演结果，断层面沿走向长４９０ｋｍ，沿倾向长４０ｋｍ，划分为４９４的网格，单元格尺寸为１０ｋｍ１０ｋｍ，这是计算过程中的一级网格．计算中保证每个单元格内地震矩Ｍ０不变，分解每个单元格的总上升时间为若干微小时间（０．００６８３．０９８ｓ），划分二级网格．反演的震源破裂过程显示，汶川大地震断层面上的滑动量和上升时间分布不均，滑动量大、上升时间长的一级网格再次划分为二级网格个数为５０５０，相对滑动量小、上升时间短的划分二级网格个数为３０３０．为了使得每个子破裂单元都有频率为０．１１０Ｈｚ的宽频段地震波，最后叠加一级网格的地震波结果得到近断层宽频强地面运动模拟结果．计算采用的模型参数及结构的物理参数见表１和表２．表１汶川大地震计算的震源模型参数Ｔａｂｌｅ１ＦａｕｌｔｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅ震中位置走向／倾角／滑动角／大断层尺度（长宽）／ｋｍ子断层尺度（长宽）／ｋｍ断层面的滑动量、破裂时间和滑动持续时间３０．９８６Ｎ，１０３．３６４Ｅ２２５３９１２０４９０４０１０１０参见张勇等（２００８）结果表２计算采用的断层地区地层介质参数Ｔａｂｌｅ２Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒｅｄｈａｌｆ－ｓｐａｃｅｍｏｄｅｌｉｎｆａｕｌｔａｒｅａ深度／ｋｍ密度／ｇｃｍ－３ｖＳ／ｋｍｓ－１Ｑ值０．０００２．２００１．５００１５０．００．１００２．５００２．８００２００．０１．１００３．０００３．２００３５０．０６．１００３．２００３．６００４００．０３近场强地面运动模拟结果建立汶川地震断层破裂面的网格模型后，挑选了８个近断层台站来模拟地震动波形．图４为震中和台站相对断层位置分布图．表３给出了各台站的震中距和断层距．首先为了检验建立的震源模型的合理性及确定网格划分的尺度，模拟计算了两个地震台（郫县走石山台和宝兴台）位置的地震动．通过模拟结果与实际记录的对比，可看出利用文中方法计８２２地震学报３４卷算近断层宽频强地震动的合理性．郫县走石山地震台是离断层最近的基岩强震台，对这个地震台的观测记录模拟计算，可以很好地反映我们进行近断层强地震动宽频带模拟是否合理．而宝兴台位于断层破裂方向的后方，模拟宝兴台的地震记录也可作为对本模拟方法的一个检验．图４断层、震中和台站相对位置图．红色星号为震中位置，蓝色三角是台站位置，绿色线为断层面与地表交线Ｆｉｇ．４Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｌｅｃｔｅｄｓｔａｔｉｏｎｓ（ｔｒｉａｎｇｌｅｓ）ｎｅａｒｔｈｅｆａｕｌｔ．Ｓｏｌｉｄｇｒｅｅｎｌｉｎｅｓｈｏｗｓｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｓｓｕｍｅｄｆａｕｌｔｐｌａｎｅ；ｓｔａｒｄｅｎｏｔｅｓｅｐｉｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅＷｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅ表３震中距、断层距一览表Ｔａｂｌｅ３Ｄｉｓｔａｎｃｅｓｆｒｏｍｒｅｃｏｒｄｉｎｇｓｉｔｅｓｔｏｅｐｉｃｅｎｔｅｒａｎｄｔｈｅｆａｕｌｔ台站名称震中距／ｋｍ断层距／ｋｍ郫县走石山３８．７３７９１．８６６９宝兴７６．０９７９３．９９６９松潘１８５．８８３０１２４．４６５０广元石井台２７０．０９１６２２１．６９１８文县２４２．７３５７２０２．１０８９新津梨花台７８．８８３９１４．２３０４茂县地办９０．１４３９１７．４８６０成都中和８６．４５７１１９．７３９２图５是郫县走石山台观测记录与模拟结果的对比图．模拟地震动的峰值加速度与观测记录相差在５０％范围内；模拟的傅里叶振幅谱总体下降趋势与观测记录一致，整体数值偏低．图６是宝兴台观测记录与模拟结果的对比图．模拟结果的峰值加速度和观测记录同样在一个数量级内，但模拟的持续时间偏小．这是因为宝兴台位于断层破裂后方，计算中９２２２期常莹等汶川地震强地面运动模拟断层东北段的成分相对西南段衰减快，这也造成了模拟的傅里叶振幅谱值比观测记录的低．模拟两个地震台观测记录后，确定了本方法对相关参数的选取，进而又计算了６个近场强震台的强地面运动，并与观测结果进行了对比．观测台站记录的选取原则主要是看其观测记录完整性，地震动特征明显性，以及台站场地条件是基岩或接近基岩水平等．图７图９是３个近断层基岩地震台模拟计算结果与观测数据对比图，这３个台站距离断层较近，模拟的时程曲线与观测记录符合较好，持续时间长度、加速度幅值及地震动０３２地震学报３４卷波动形状上都很相似．位于四川盆地中的新津梨花台和成都中和台观测记录傅里叶振幅谱显示高频成分衰减很慢，由于没有考虑场地条件，模拟结果的频率成分衰减过快．图１０图１２是断层距大于１００ｋｍ的３个地震台模拟计算结果与观测数据对比图．傅里叶谱的对比显示，模拟结果的频率可以达到１０Ｈｚ，但拐角频率较观测数据低．估计是因为计算模型没有考虑场地条件和目标地震的拐角频率．模拟计算的汶川地震８个地震台的时程曲线与傅里叶谱对比图，表明我们提出的计算近场强地面运动高频地震波方法对汶川地震的模拟计算合理．傅里叶谱的对比结果显示，对二级网格划分采用随机方式，可以避免频谱局部峰值的出现，模拟计算的地震动频率成分达到了工程地震关心的１０Ｈｚ．４讨论与结论本文利用有限断层模型，采用理论地震学方法，通过将震源总上升时间分割成若干微１３２２期常莹等汶川地震强地面运动模拟小时间过程来增加震源时间函数中的高频信号成分，模拟了汶川大地震的近断层宽频强地面运动．模拟结果与实际观测记录的加速度时程曲线对比显示，模拟估计的地震动峰值加速度和持续时间与观测记录的数据基本在５０％的精度范围内相同，傅里叶振幅谱显示模拟结果有得到１０Ｈｚ左右的高频成分．四川盆地中的新津梨花台和成都中和台模拟结果高频衰减比观测记录要快，其原因可能是模拟过程没有考虑场地效应．因此对强地震动模拟也是要综合考虑“ 震源、传播路径和场地条件” 三要素的影响．另一方面，模拟地震波的傅里叶谱在＞４Ｈｚ段，比观测值小，其原因可能由于本方法采用的断层模型为利用单一机制有限断层模型所致．汶川发生ＭＷ７．９大地震的龙门山断裂带长约５００ｋｍ、宽约３０５０ｋｍ，断层滑动模型复杂．应用更为具体多段断层滑动模型计算，应该可以得到更加符合观测记录的模拟结果．本文提出了一种宽频带近断层强地面２３２地震学报３４卷运动的确定性模拟方法，通过汶川ＭＳ８．０地震的算例，表明了此方法可以模拟工程地震所关心的０．１１０Ｈｚ宽频带的地震动．此方法可在缺少或者没有观测记录数据的地区应用，科学合理地预测大地震所产生的强地面运动．参考文献盖增喜，陈晓非．２００７．利用点源叠加合成有限尺度运动源的理论地震图［Ｊ］．北京大学学报，２（４）１－－６．王海云，谢礼立．２００８．近断层地震动模拟现状［Ｊ］．地球科学进展，２３（１０）１０４３－－１０４９．谢礼立，陶夏新，王国新．２００１．强地震动估计和地震危险性评定［Ｊ］．东北地震研究，１７（１）１－－８．章文波，于湘伟．２０１０．１９９９年台湾集集大地震强地面运动的模拟［Ｊ］．地震工程与工程振动，（３）１－－１１．张勇，冯万鹏，许力生，周成虎，陈运泰．２００８．２００８年汶川大地震的时空破裂过程［Ｊ］．中国科学Ｄ辑，３８（１０）１１８６－－１１９４．３３２２期常莹等汶川地震强地面运动模拟赵志新，赵昭，徐纪人，久保田隆二．２００６．用数值模拟格林函数方法合成近源地面运动地震图［Ｊ］．科学通报，５１（１８）２１８１－－２１８８．ＡｋｉＫ，ＲｉｃｈａｒｄｓＰＧ．１９８０．ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＳｅｉｓｍｏｌｏｇｙＴｈｅｏｒｙａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ［Ｍ］．ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏＮｅｗＹｏｒｋＷＨＦｒｅｅ－ｍａｎ＆ＣｏＬｔｄ８００－８４８．ＢｊｅｒｒｕｍＬＷ，ＳｏｒｅｎｓｅｎＭＢ，ＡｔａｋａｎＫ．２０１０．Ｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄ－ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ１２Ｍａｙ２００８ＭＷ７．９Ｗｅｎｃｈｕａｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｕｓｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｓｌｉｐｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．ＢｕｌｌＳｅｉｓｍＳｏｃＡｍｅｒ，１００（５Ｂ）２３９６－－２４２４．ＢｏｏｒｅＤＭ．１９８３．Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｓｅｉｓｍｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｒａｄｉａｔｅｄｓｐｅｃｔｒａ［Ｊ］．ＢｕｌｌＳｅｉｓｍＳｏｃＡｍｅｒ，７３（６Ａ）１８６５－－１８８４．ＢｏｏｒｅＤＭ．２００３．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｕｓｉｎｇｔｈｅｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＰｕｒｅＡｐｐｌＧｅｏｐｈｓ，１６０（３）６３５－－６７６．ＣｈｅｎＸＦ．１９９９．ＳｅｉｓｍｏｇｒａｍＳｙｎｔｈｅｓｉｓｉｎｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒｅｄｈａｌｆ－ｓｐａｃｅＰａｒｔ ⅠＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＥａｒｔｈｑｕａｋｅＲｅ－ｓｅａｒｃｈｉｎＣｈｉｎａ，（０２）５３－－７８．ＨａｒｔｚｅｌｌＳ．１９７８．ＥａｒｔｈｑｕａｋｅａｆｔｅｒｓｈｏｃｋｓａｓＧｒｅｅｎ’ｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＧｅｏｐｈｓＲｅｓＬｅｔｔ，５（１）１－－４．ＩｒｉｋｕｒａＫ．１９８３．Ｓｅｍｉ－ｅｍｐｉｒｉｃａｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｏｎｇｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇｌａｒｇｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ［Ｊ］．ＢｕｌｌＤｉｓａｓＰｒｅｖＲｅｓＩｎｓｔ，ＫｙｏｔｏＵｎｉｖ，３３（Ｐａｒｔ２），Ｎｏ２９８６３－－１０４．ＩｒｉｋｕｒａＫ．１９８６．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｔｒｏｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｏｔｉｏｎｕｓｉｎｇｅｍｐｉｒｉｃａｌＧｒｅｅｎ’ ｓｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃ７ｔｈＪａｐａｎＥａｒｔｈｑＥｎｇＳｙｍｐ１５１－－１５６．ＭｏｔａｚｅｄｉａｎＤ，ＡｔｋｉｎｓｏｎＧＭ．２００５．Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｆｉｎｉｔｅ－ｆａｕｌｔｍｏｄｅｌｉｎｇｂａｓｅｄｏｎａｄｙｎａｍｉｃｃｏｒｎｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｊ］．ＢｕｌｌＳｅｉｓｍＳｏｃＡｍｅｒ，９５（３）９９５－－１０１０．ＮａｋａｍｕｒａＴ，ＳｅｉｊｉＴ，Ｙｏｓｈｉｙｕ

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汶川地震强地面运动模拟＊.pdf

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