地震动模拟过程中断层参数的敏感性分析①

王德才, 何骁慧

(1.合肥工业大学建筑与艺术学院,安徽 合肥 230601;2.中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026)



地震动模拟过程中断层参数的敏感性分析①

王德才1, 何骁慧2

(1.合肥工业大学建筑与艺术学院,安徽 合肥 230601;2.中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026)

摘要：地震发生后通常无法快速获取较准确的断层参数,这可能会对采用地震动模拟方法进行地震动强度快速评估产生影响。选取美国西部两次地震,采用两种地震动模拟方法,通过改变断层走向、滑移角、倾角和震源深度等主要断层参数进行模拟计算,分析不同参数对地震动参数和反应谱值的影响以及不同方法计算结果的准确性。结果表明:GP方法模拟的结果比EXSIM方法更接近观测值;在参数误差范围内,相比于模拟方法本身的误差,各参数对模拟结果的影响较小,地震动强度快速评估时可以利用较合理的快速反演断层参数进行地震动模拟。

关键词：断层参数； 地震动模拟； 震源深度； 反应谱

0引言

破坏性地震发生后,进行地震动强度快速评估,确定地震造成的破坏范围及不同地区的破坏程度,对实施快速有效的震后救灾部署、应急救援及灾害评估等具有重要的意义[1]。目前已有多个国家和地区开展了地震动强度快速评估工作,如美国USGS的Shakemap系统[2],日本、中国台湾地区以及意大利等地震多发地区也都开展了类似的快速评估工作,我国在部分城市和地区也已经建立了烈度速报系统[3-5]。目前采用的方法主要有两种：第一种为采用强震观测台网实时数据获得震动分布图,这种方法需要较密集的强震台网,大部分地区无法实现；第二种为由区域地震动或烈度衰减规律快速绘出地震动或烈度等震线图,主要用于无实时观测强震台网地区,结果较为粗略,目前我国大部分地区采用这种方式。此外,利用地震过后人的感受也可以进行烈度评估,如美国的“Did you feel it?”(DYFI)系统,通过网络问卷的形式收集震后人的感受并进行评价[6]。这种方式得到的烈度数据数量可能较多,但定量化不太理想、系统反应速度也较慢。

随着对震源破裂过程的认识和研究不断深入,考虑震源运动学过程、地震波传播特征及场地效应的地震动模拟方法已取得了较大的研究进展[7]。目前已发展了多种考虑震源模型的模拟方法,并且通过对实际地震的模拟,可以较好地模拟实际观测的地震动记录[8-9]。这为采用地震动模拟方法进行地震动快速评估提供了新的思路,采用快速反演得到的震源参数,结合区域的地壳结构速度模型,并考虑局部场地效应可以快速地模拟地震动,需要的观测资料较少,并且相对于采用区域地震动或烈度衰减关系得到的结果更具有物理意义。

地震动模拟方法主要有确定性方法和随机方法。由于受到地壳结构速度模型和计算速度的限制,采用的主要模拟思路有在高频段(>1 Hz)采用随机方法模拟,而低频段(<1 Hz)则采用确定性方法,然后进行合成的混合方法以及随机方法两种。Dreger等[10-11]研究了利用区域宽频带地震资料反演和约束有限源模型参数的方法和实现过程,结合格林函数方法模拟了近断层地震动时程,并应用于2003年San SimeonMW6.5地震和2004年ParkfieldMW6.0地震震动图的修正。Rhie等[12]研究了采用大地测量静态位移模拟滑动的时空变化并应用于上述模拟过程中,以获得快速可靠的近断层震动图。万柯松等[13]采用USGS发布的有限断层模型,用FK方法对一维地球计算每个子事件的格林函数,计算出模拟地面运动并给出了仪器烈度分布,与实际震害调查结果相近。崔建文等[14]采用随机有限断层方法合成了2001年云南永胜6.0级地震地震动,并采用模糊评定方法由合成地震动计算了仪器烈度分布。李俊等[15]研究了基于地形倾斜值的场地效应校正方法,并把该方法与Shake Map系统相结合,使得到的地震动分布和烈度分布更加符合真实情况,这种联合烈度快速计算方法在汶川地震的应用中取得良好的结果。

震源断层参数对地震动模拟的准确性具有重要影响,而快速反演得到的断层参数可能具有一定的偏差。本文拟分别采用混合方法和随机方法两种地震动模拟方法,以两个典型地震事件作为模拟对象,通过改变震源模型断层参数,分析不同断层参数对模拟结果的敏感性,为采用模拟方法进行地震动快速评估提供参考。

1选择的震例和计算方法

以美国西部1989年10月17日Loma PrietaMW6.9和1994年1月17日NorthbridgeMW6.7两次典型地震作为震例。这两次地震均获得了大量的近场强震观测地震动记录,并且具有较准确的地壳速度结构模型,可以与模拟计算结果进行较好地对比。地震动模拟方法采用研究较成熟的Graves and Pitarka(2010)的混合方法(GP方法)[9]和Motazedian and Atkinson(2005)的随机方法(EXSIM方法)[16]。表1为两次地震的参考震源断层参数。

表1　震例参考断层参数

2参数及台站的选取

本文主要研究走向、倾角、滑移角以及震源深度等重要震源参数对模拟计算结果的影响。改变两次震例震源断层参数的走向、倾角、滑移角以及震源深度,采用两种方法计算不同模型的地面运动加速度。每次改变一个参数值,另外三个保持不变。其中走向和滑移角的变化范围为以参考值为中心增减15°,每3°取一次值；倾角的变化范围为以参考值为中心增减10°,每2°取一次值；震源深度的变化范围为以参考值为中心增减5 km,每1 km取一次值。每个参数改变11次。一共计算的事件数为11次×4个参数×2个震例×2种方法=176个。对两次震例,取方位角覆盖良好的台站进行计算,Loma Prieta地震和Northridge地震事件分别选取50个和52个台站(图1),基本分布于断层周围。

图1　选取的观测台站位置Fig.1　Location of observation stations selected in the study

3评价参数和评价指标

地震动强度或仪器烈度计算主要采用峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)或谱加速度等地震动参数进行表达。本文主要分析不同断层参数对PGA、PGV以及加速度反应谱的影响,地震动参数均采用两水平方向的几何平均值。采用模型偏差和标准误差参数进行评价,模型偏差可以表示为：

(1)

式中:N为总台站数;j表示第j个台站;pj,obs表示地震动参数实际观测值;pj,sim为地震动参数模拟计算值。标准误差可以表示为:

(2)

反应谱计算采用5%阻尼比,计算的周期范围为0.05～6s。对于某一周期点Ti,模型偏差可表达为:

(3)

式中:SAj,obs(Ti)和SAj,sim(Ti)分别为Ti周期点处实际观测和模拟得到的加速度反应谱值。标准误差可表示为：

4参数敏感性分析

4.1不同参数对PGA和PGV的影响

以表1所列的参考断层参数为基准,在设定的误差范围内,改变某一断层参数,其他参数维持不变,采用GP和EXSIM方法计算两次震例的不同台站地震动加速度时程,并与实际观测记录进行对比,计算评价参数和评价指标。

图2(a)～(d)分别为断层走向、倾角、滑移角和深度对PGA模型偏差的影响,图2(e)～(f) 为断层走向和深度对PGV模型偏差的影响。从图中可以看出,GP方法模拟计算得到的PGA和PGV比EXSIM方法更接近观测值,对于不同的地震采用GP方法模拟大于或小于观测值都有可能,而EXSIM方法对两个震例的模拟值均小于观测值。GP方法模拟的PGA的模型偏差在-0.12～0.37个对数单位之间,EXSIM方法则在0.45～0.65个对数单位之间。随着断层参数的改变,两种方法模拟PGA的模型偏差最大值和最小值之间大部分相差小于0.1个对数单位,只有GP方法模拟Northbridge地震时的偏差有三个参数在取不同值时稍大,但小于0.2个对数单位。PGV的偏差与PGA的特征类似,相对于PGA模拟值比观测值偏差更大,GP方法的偏差在-0.4～0.4个对数单位之间,而EXSIM方法则约在0.6～0.8个对数单位之间。 但是断层参数的改变对偏差的影响仍然较小,均在0.2个对数单位以内。GP方法对参数的敏感性要稍大于EXSIM方法,断层走向和震源深度的敏感性稍大于滑移角和倾角。图3(a)、(b)为断层走向和倾角对PGA模拟结果标准误差的影响,图3(c)为深度对PGV模拟结果标准误差的影响。从图中可以看出,模拟结果的离散性并没有一定的规律,不同模拟方法的标准误差也没有明显差别,采用GP方法模拟的Northbridge地震PGA和PGV的标准误差相对较小。PGA的标准误差范围在0.35～0.55个对数单位,PGV的标准误差范围在0.35～0.75个对数单位。从上述分析可以看出,采用GP方法模拟的精度要高于EXSIM方法,但是模拟结果的离散性相差不大。在设定的误差范围内,改变断层参数对模拟得到的PGA和PGV的误差远小于模拟方法本身产生的误差。

图2　不同断层参数对PGA和PGV偏差的影响Fig.2　Effect of different fault parameter on the bias of PGA and PGV

图3　不同断层参数对PGA和PGV标准误差的影响Fig.3　Effect of different fault parameter on the standard error of PGA and PGV

4.2不同参数对反应谱值的影响

计算不同台站地震动时程的加速度反应谱,并选取周期分别为0.1、0.5、1.5和4 s的谱值进行对比分析研究,这四个周期分别代表短周期、中等周期、中长周期和长周期反应谱特征值。图4为模拟Northbridge地震断层走向对不同周期反应谱值模型偏差的影响。可以看出GP方法模拟的不同周期点反应谱值比EXSIM方法更接近观测值,短周期谱值相差不大,长周期反应谱值的模拟精度相对高于短周期。GP方法对0.1、0.5和1.5 s反应谱值模拟的模型偏差约为0.2～0.3个对数单位,4.0 s的模型偏差小于0.1个对数单位;随着断层走向的变化,模型偏差变化范围约为0.1个对数单位;EXSIM方法计算结果的变化规律类似。图4为断层走向对不同周期反应谱值标准误差的影响。从图中可以看出,GP方法随着断层走向角度的增加标准误差不断增大,而EXSIM方法没有较明显的变化规律,两种方法计算结果的离散性相差不大。采用参考的断层走向参数并没有改善计算结果的精度和离散性。

图4　模拟Northbridge地震时断层走向对反应谱值偏差和标准误差的影响Fig.4　　　Effect of the fault strike on the the bias and standard error of the response spectrum during　　　the Northbridge earthquake simulation

图5(a)、(b)分别为模拟Loma Prieta地震时断层倾角、滑移角对不同周期反应谱值的模型偏差。采用不同的模拟方法,改变倾角和滑移角对反应谱值的影响较小,基本保持不变。GP方法模拟得到的长周期反应谱值偏差远小于EXSIM方法。图5(c)、(d)为改变深度的影响,GP方法模拟受深度的影响要明显大于EXSIM方法,而且深度的影响相对于倾角和滑移角对反应谱值也更明显,长周期谱值的变化比短周期的明显。采用参考断层参数,两种方法都没有得到更准确的反应谱值。因此,从不同周期反应谱值的偏差来看,改变断层倾角和滑移角对模拟结果几乎没有影响,GP方法改变断层走向和深度对模拟结果有一定影响,深度的影响相对更明显,但是相对于模拟方法本身的偏差仍然较小。图6(a)～(d)为断层倾角、滑移角和深度对不同周期反应谱值的模型标准误差。不同模拟方法得到的短周期和中短周期谱值的标准误差相差不大,但是GP方法模拟得到的中长周期和长周期的谱值的标准误差则小于EXSIM方法。因此,从模型标准误差看,周期较短时两种模拟方法计算结果的离散性相差不大,周期较长时离散性则有一定差别。

5结论

选取了美国西部Loma Prieta和Northbridge两个地震震例作为模拟对象,采用GP和EXSIM方法进行模拟计算。在一定误差范围内改变震源深度、断层走向、滑移角和倾角等主要断层参数进行模拟计算,分析了这些参数对PGA、PGV和反应谱值的影响以及不同方法计算结果的准确性。将台站的实际观测结果与模拟计算结果进行了对比分析,得到以下结论：

图5　模拟Loma Prieta地震时断层倾角、滑移角和震源深度对反应谱值偏差的影响Fig.5　Effect of the dip, rake, and focal depth on the bias of the response spectrum during the Loma Prieta earthquake simulation

图6　模拟Loma Prieta地震时断层倾角、滑移角和震源深度对反应谱值标准误差的影响Fig.6　　　Effect of the dip, rake, and focal depth on the standard error of the response spectrum during　　　the Loma Prieta earthquake simulation

(1) 采用GP方法比EXSIM方法模拟计算的结果更接近于实际观测值,主要是由于EXSIM方法高频和低频段均采用的是随机方法,而GP方法仅在大于1 Hz的高频段采用了随机方法,在低频段则采用了物理意义更明确的确定性方法。进行地震动强度快速评估时,由于EXSIM方法计算速度较快,可以初步采用EXSIM方法模拟结果进行评估,使用GP方法模拟结果进行进一步修正。

(2) 随着断层参数的改变,计算结果没有明显的变化规律,并未出现使用某一参数值出现计算结果与实际观测值更接近,或者标准误差更小。

(3) 采用GP方法时,断层走向和震源深度相对于滑移角和倾角,对模拟计算的结果影响稍显明显;而采用EXSIM模拟方法时改变不同的断层参数值均没有明显影响。相对于模拟方法本身误差和离散性,断层参数的改变对计算结果的影响并不明显。

因此,在采用地震动模拟方法进行地震动强度快速评估时,由于断层参数的影响并不明显,选取较合理的断层参数快速反演结果进行模拟,可以得到较合理的评估结果。由于GP模拟方法断层走向和震源深度的影响稍显明显,应尽量采用较为准确的断层走向和震源深度参数。

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Sensitivity Analysis of Fault Parameters during Ground Motion Simulation

WANG De-cai1, HE Xiao-hui2

(1.CollegeofArchitectureandArt,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230601,Anhui,China;2.SchoolofEarthandSpaceSciences,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)

Abstract：It is not usually possible to obtain accurate fault parameters after an earthquake,and this has a negative effect on the ability to make a rapid assessment of ground motion intensity after an earthquake when using a ground motion simulation method.Two earthquakes that occurred in western USA were selected for simulation using two different methods.Parameters such as strike,rake,dip,and focal depth were varied and the influence of the different fault parameters on the ground motion intensity index and value of response spectra were analyzed,and the accuracy of the different methods was determined.Results of simulations show that the GP method provides values that are closer to observed values than the EXSIM method.In comparison with the errors caused by the simulation methods,the influence of fault parameters on the simulated results is small within a reasonable error range of different fault parameters.It is thus considered that fault parameters through rapid inversion can be used in ground motion simulation for a rapid assessment of seismic intensity.

Key words：fault parameter; ground motion simulation; focal depth; response spectrum

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0212

中图分类号:P315

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)02-0212-07

作者简介：王德才(1982-)，男，博士，副研究员，主要从事地震工程与工程结构抗震研究。E-mail:wdecai@hfut.edu.cn。

基金项目：地震行业科研专项(201308013)

收稿日期:①2015-03-23