基于谱元法的地震动地形效应研究

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地震动的地形效应问题属于局部场地条件对地震动影响的范畴。汶川地震之后,记录到了大量主、余震的盆地、山体地震动记录。结合场地工程勘察资料,对地震动的局部地形效应进行了系统分析研究,取得了初步定性认识和结论。  1、通过对盆地台阵强地震记录频谱分析,采用HVSR谱比法,研究地震动的盆地效应:  1)对汶川主震记录进行了初步的波形分析和数据统计,从强震记录的波形特点、仪器的开始/停止触发阀值等,分析了出现记录不完整的原因,并给出了数字强震仪预存贮参数设置的建议。  2)以武都盆地地形观测台阵汶川余震数据为基础,采用HVSR谱比法,研究盆地地形对场地地震动的影响。盆地内台站的全时程地震波频谱分析显示,频谱峰值出现在约4-7Hz左右的频率范围内,接近场地固有频率,表明场地覆盖层厚度变化不大;盆地边缘台站的全时程地震波频谱分析显示,频谱放大系数偏大,有可能受到相邻山体的影响。P波、S波和尾波频谱分析表明,盆地地形对S波和尾波的放大效应明显。  2、以汶川地震为背景,基于遥感地形数据建立真实地形场地模型,采用谱元法模拟三维地震波传播,搭建高性能计算集群,构建三维地震波传播的谱元法数值模拟实验平台。通过科学数据的可视化,重现地震波产生和传播过程,分析地形效应对地震动影响因素和规律。  3、通过DEM模型和平面模型的地震波场快照,地震动峰值分布,地形放大分布和波形比较的系统分析,总结了地形形态对地震动的影响因素和规律。  1)近场区地震动上盘效应明显。  2)山脉起伏地表对P波的反射和散射不明显,却使得S和面波波出现的扭曲和异常。  3)山脊、沟谷地形的走向和地震波传播方向的相互关系影响地震动的放大效应。东北-西南走向的龙门山脉对N-S向的地震波场的作用明显大于E-W向。  4)与平面地表相比,山顶地震动强度增强,沟谷地震动强度减弱。山脉地表的PGA的相对放大系数约为20%,而龙门山脉区域出现了大面积的相对放大系数高达200%的区域。山脊较陡的一侧的PGA的增幅大于平缓的一侧,而沿山峰四周的沟谷位置的PGA减弱;但也存在个别山顶未出现放大,沟谷也没有出现降低的现象,可能因为真实地形起伏变化复杂,对PGA的相对放大效应复杂。  4、从震源深度、震源频率和震源类型三个方面,通过PGA放大分布和波形对比,定性和定量的分析震源特性对地表地震动的影响因素和规律。  1)震源越深,地形对地表地震动的影响越明显。总体上PGA放大系数约为2倍,而山脉区域随着震源变深,PGA放大范围逐渐变大,且放大程度逐渐增强,个别山顶地震动强PGA放大达到5倍,沟谷地震动减弱的程度随着震源越深越明显。  2)10Hz的震源模型放大区域远远大于1Hz的震源模型。1Hz的震源模型,放大区域集中在山脉区域,且山顶出现了几个放大倍数较高的点,沟谷出现衰减。可能山体频率更接近1Hz。  3)通过爆炸和双力偶震源模型分析表明,山脉地形对S波放大效应大于对P波放大效应。
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