CN114114393A - 一种评估历史地震强度特征的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种评估历史地震强度特征的方法，包括以下步骤：通过地震监测设备记录现代地震的加速度时程，判断历史地震与现代地震的震源位置是否一致，选择通过地震监测设备获取的与历史地震发生在相同或者接近位置的小震记录作为格林函数，考虑震源参数的多种不确定因素，采用经验格林函数法进行数值模拟，多角度验证历史地震评估结果的合理性及可靠性。本申请能够再现历史地震的地震动强度特征，对于历史地震影响区的抗震设计、城市发展规划、建筑物及城市群的震害分析具有重要意义。

Description

一种评估历史地震强度特征的方法
技术领域
本申请涉及一种评估历史地震强度特征的方法，适用于防震减灾的技术领域。
背景技术
当前对于地震地面运动的模拟主要是针对现代已发生大地震的模拟，得益于现代发达的地震监测设备，可以记录到比较精准的现代大地震的加速度时程记录，通过监测仪器记录到的地震加速度记录可以指导地震影响区未来的防震减灾工作。但是对于历史大地震的地震动特征以及加速度时程的研究较少，最大的困难在于很难验证模拟结果的可靠性和合理性。因为历史地震发生的年代久远，限于当时地震监测设备的匮乏，历史地震的加速度时程记录缺失且无法准确获得。现有技术中，即便是对历史地震的地震动进行了有限的模拟，但是缺乏合理的验证模拟结果可靠性及合理性的标准或者方法，同时合成的地震动也缺少地震发生区域地下复杂的传播介质以及场地条件等信息，使得模拟出来的结果不具有很高的可信度和合理性。
另一方面，通过对某一区域历史地震的强度特征进行评估，可以模拟出当地的地震动特征以及加速度时程等信息，为当地的防震减灾事业提供参考，以尽可能避免再次地震发生时造成的破坏和损失。因此，对于无法通过地震监测设备记录的历史地震进行强度特征的模拟对于现实生活中的防震减灾具有重要的意义。
发明内容
本申请的目的是设计一种评估历史地震强度特征的方法，其基于现代实际地震记录和不确定性震源参数来评估历史地震的强度特征，能够再现历史地震的地震动强度特征，对于历史地震影响区的抗震设计、城市发展规划、建筑物及城市群的震害分析具有重要意义。
根据本申请的一种评估历史地震强度特征的方法，包括以下步骤：
(1)通过地震监测设备记录现代地震的加速度时程；
(2)判断历史地震与现代地震的震源位置是否一致；
(3)选择通过地震监测设备获取的与历史地震发生在相同或者接近位置的小震记录作为格林函数；
(4)考虑震源参数的多种不确定因素，将具备随机不确定性特征的参数采用统计学经验关系来获取，将具备认知不确定性特征的参数采用逻辑树方法进行处理；
(5)采用经验格林函数法进行数值模拟，获得合理取值范围的地震动模拟结果；
(6)多角度验证历史地震评估结果的合理性及可靠性，最终获得可能性最大的若干组地震动强度特征的评估结果。
其中，该方法采用的震源模型为有限断层震源模型和凹凸体震源模型的结合；凹凸体有至少两个，单独计算每一个凹凸体的加速度时程，然后考虑不同凹凸体相对于最大凹凸体产生的地震动在某一点的时间延迟；选择的小震和历史地震发生在相同的断层上。
其中，步骤(6)中，验证历史地震评估结果的合理性及可靠性的方法为将合成的凹凸体震源模型的PGA随断层距的变化特征与NGA-west2衰减关系做比对，或者为将合成的地震加速度反应谱与通过地震监测设备获得的现代地震的加速度反应谱进行对比，或者为将不同震源模型获得的地震评估结果与通过地震监测设备记录的现代地震的PGA随震中距的变化特征进行对比，或者为将合成的各类凹凸体震源模型对应的PGA的空间分布特征与历史地震的地震烈度进行对比。
根据本申请的一种评估历史地震强度特征的方法，既保留了经验格林函数方法的优势，使合成的大地震的地震动时程包含本地区真实的地震信息，也包括了传播介质的复杂性和场地条件的复杂性。本申请在地震应急准备、建筑物抗震设计以及场景地震的震害模拟方面具有重要的指导意义。
附图说明
图1是经验格林函数方法所用的震源模型以及大小地震相似性原理解释的示意图。
图2是本实施方式中使用的震源模型示意图。
图3是本申请评估历史地震强度特征的方法的步骤示意图。
图4是表征凹凸体参数的不确定性特征的逻辑树模型示意图。
图5是不同数量的凹凸体震源模型在断层面上可能的空间分布位置示意图。
图6是合成的不同凹凸体震源模型对应的加速度反应谱。
图7是不同数量凹凸体震源模型获得的地震动与NGA-west2的两类衰减关系对比图。
图8是不同数量凹凸体震源模型获得的地震动与第五代地震动参数区划图衰减关系的特征对比图。
图9是将合成的地震加速度反应谱与通过地震监测设备获得的现代地震加速度反应谱的对比图。
图10是将不同震源模型获得的地震评估结果与现代地震的PGA随震中距的变化特征进行对比的示意图。
图11表示不同位置PGA的可能取值范围示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
根据本申请的一种评估历史地震强度特征的方法，其中将大震震源看作是由一系列子震震源构成，选择大小合适的余震或者前震记录作为格林函数，将这些小震等同于子震，按照一定的破裂方式，将这些经验格林函数叠加得到大震的地震动时程。此方法的各种参数是根据大小地震的地震矩比值、断层长度、宽度以及位错上升时间函数之间的定标关系来确定的。如图1所示，大小地震的地震矩之比为N3，主震断层面划分为N×N个单元，把主震断层分别沿长度和宽度方向分解成Nl和Nw，大震位错根据小震的位错分解成Nd个。图1中，Le和We分别是某子断层的长和宽，(ξl,ηm)表示某子断层的破裂起始位置，rlm是某子断层破裂起始点到观测点的距离，rs为小震震中到观测点的距离。将每个子震单元等同于小震，在某一平面维度上，将N个子震单元按照时间延迟进行叠加，以此来修正大小地震上升时间之间的差异，同时保证滑移速率是一致的。假定破裂的起始点位于坐标原点，小震合成大震的表达式为：
Figure BDA0003297464750000031
Figure BDA0003297464750000032
Figure BDA0003297464750000033
式中，U(t)是合成的大震记录，u(t)是小震的地震记录，rij和rs分别是子断层的震源距和小震的震源距，r0是震源到接收点的距离，ξ0是初始破裂位置，ξij是从初始破裂点到第(i,j)个子断层的破裂距离，T是大震的上升时间，上升时间与修正函数的持时有关，F(t)是以δ函数表示的修正小震的修正函数，N和C分别是断层划分个数和大小震间地震矩应力比值，M0和m0分别是大震和小震的地震矩，A0和a0分别是大地震和小地震的断层破裂面积，Vs和Vr分别是S波的靠近震源区的剪切波速和断层面上的破裂传播速度。
本申请采用上述方法作为地震动数值模拟的工具，考虑更多的不确定性因素，再现历史地震主要的强度特征。本申请的创新点主要体现在：(1)采用地震监测设备记录到的现代地震实际的加速度时程来评估历史大地震的地震动特征；(2)对于历史地震的地震动模拟，受限于地震发生的时间久远，可参考的资料较少，因此在建立震源模型的过程中，会存在较多的不确定性，本申请中考虑了震源参数的不确定性特征；(3)由于是对历史地震的模拟，因此无法直接验证模拟结果的合理性及科学性，本申请提出可以验证历史地震模拟结果可靠性的方案，增加了实际工程应用的可行性，从而多角度佐证了地震动评估结果的合理性及科学性。本申请所用的震源模型为有限断层震源模型和凹凸体震源模型的结合，再现了历史大地震的地震动强度特征，并给出地震动的合理取值范围及包含当地真实地震信息的加速度时程，为地震影响区内的防震减灾提供参考。
具体地，根据本申请的一种评估历史地震强度特征的方法，包括以下步骤：
(1)通过地震监测设备记录现代地震的加速度记录；
(2)判断历史地震与现代地震的震源位置是否一致，其中历史地震的震源信息可以通过国家地震部门的历史地震记录查询；
(3)选择与历史地震发生在相同或者接近位置的小震记录作为格林函数；其中，大地震和小地震优选为发生在相同的断层上，这样可以尽可能保持小地震与历史地震的相似性，小震的选择标准可以参照M4.0-5.6级别的地震进行选取。
(4)考虑震源参数的多种不确定因素，将具备随机不确定性特征的参数采用统计学经验关系来获取，比如震级与地震矩、断层破裂面积、凹凸体面积等；将具备认知不确定性特征的参数采用逻辑树方法进行处理，重点考虑凹凸体的数量和位置，以及初始破裂点的位置；
(5)采用经验格林函数法进行数值模拟，获得合理取值范围的地震动模拟结果；当有多个凹凸体时，考虑合理延迟在时域内叠加获得最终的加速度时程；
(6)多角度验证历史地震评估结果的合理性及可靠性，最终获得可能性最大的若干组地震动强度特征的评估结果。
实施例：
某区域曾在1850年前发生过M7.5级地震，2018年再次发生M5.1级地震。通过地震台网的地震监测设备完整记录到了2018年现代地震的强震动加速度时程，两次震中位置非常接近。将现代地震作为格林函数，该地震的震源机制、震源深度、地震矩等参数都可以通过计算获得。1850年的震源参数，例如震级、地震矩、断层破裂面积等可以根据震源参数间的经验关系获得。
本申请重点考虑的不确定性参数为凹凸体的相关参数，包括凹凸体的数量、位置、初始破裂位置等。因为历史地震的凹凸体相关详细参数无法获知，因此本申请将凹凸体多种可能的结果都考虑在内，建立如图4所示的逻辑树模型来表征凹凸体参数的不确定性特征。凹凸体在断层面上实际的空间位置如图5所示，图5所示的凹凸体的位置除了最大凹凸体的位置相对固定以外，其余凹凸体的空间位置具备一定的随机性。需要说明的是，凹凸体相关参数的逻辑树模型在评估具体的历史地震时都是不一样的，图4和图5只是展示本实施例的凹凸体参数的逻辑树模型。
当凹凸体的数量有2个以上时，需要单独计算每一个凹凸体的加速度时程，然后考虑不同凹凸体相对于最大凹凸体产生的地震动在某一点的时间延迟。次级大的凹凸体相对于最大凹凸体的时间延迟计算模式，主要是考虑S波的剪切波速和断层破裂综合的时间延迟，最终获得相应凹凸体模型对应的某一点的加速度时程记录及对应的加速度反应谱，如图6所示。
重点考虑凹凸体震源参数的不确定性特征获得多组地震动强度特征的评估结果以后，需要验证评估结果的合理性及可靠性。当对历史地震进行地震动特征评估时，由于无法获取历史地震实际的地震记录，只能通过其他角度侧面佐证地震动评估结果的合理性。本申请主要从以下几个方面来验证地震动评估结果的合理性及可靠性，分别为PGA衰减关系、加速度反应谱、同一大构造背景下相似震级地震、其他相似震级地震的对比验证以及破坏性大地震的共性特征。下面逐一进行说明：
PGA衰减关系
图7是将合成的四大类凹凸体震源模型的PGA随断层距的变化特征与NGA-west2衰减关系做比对，图8是将合成的四大类凹凸体震源模型的PGA随断层距的变化特征与2015年颁布的国家强制标准-中国第五代地震动参数区划图做比对，以此来验证合成的地震动强度是否具备该区域的PGA衰减关系。图7中选取两种典型的衰减关系，即BSSA和Idriss衰减关系做比对。本实施例中，4类凹凸体模型整体上与先行衰减关系都是处在相同的破坏能力量级上。当凹凸体数量为1个或者2个时，合成的地震动时程可靠性更好。
加速度反应谱
如图9所示，将合成的地震加速度反应谱与通过地震监测设备获得的现代地震加速度反应谱进行对比，两个地震所对比的台站、震中距相似，各自台站所处位置的场地土类别也一样。本申请认为，如果合成的相应位置的加速度时程破坏能力一致，也可以从反应谱的角度来验证历史地震评估结果的合理性。
相似震级的大地震的PGA随震中距的变化特征
将不同震源模型获得的地震评估结果与具备实际地震记录的现代地震的PGA随震中距的变化特征进行对比。如图10所示，在不同的震中距范围，都有匹配较好的模型。
替换地，还可以将合成的各类凹凸体震源模型对应的PGA的空间分布特征与历史地震的地震烈度进行对比，以佐证地震动评估结果的可靠性。需要说明的是，历史地震的地震强度评估结果不是单一的或者准确的数值，而应该是某一合理取值范围的地震动评估结果。图11表示不同位置PGA的可能取值范围，两条曲线之间的范围表示PGA可能性较大的取值范围。
本申请既保留了经验格林函数方法的优势，使合成的大地震的地震动时程包含本地区真实的地震信息，也包括了传播介质的复杂性和场地条件的复杂性。本申请在地震应急准备、建筑物抗震设计以及场景地震的震害模拟方面具有重要的指导意义。
首先，在地震应急方面，评估历史大地震的步骤和评估设定地震或者场景地震的步骤可以是一致的。对历史地震和未来设定地震的信息都了解甚少，发展评估历史大地震的地震动特征的方法同样可以应用在未来设定地震的地震动模拟过程中，进而可以应用在地震应急救援。当前的地震应急中，对地震灾害的评估主要存在以下问题：(1)参考单一参量或方法的地震灾害评估方案难以全面表征地震动的主要特征；目前的强震台网密度较低，大部分国土面积未有合理的强震台网分布，一些重大基础设施、山区重要交通要道以及人口稠密的居民区等地，在震后无法快速获得精准的地震动及地震灾害信息，易导致地震应急严重滞后；一些强震台站以及固定台站密度分布较好的区域已有较好的中小地震记录，这些中小地震一般不会造成明显的地震灾害，因此这些记录的应用价值易被低估，事实上这些中小记录是可以在震后地震动快速评估时发挥重要作用。破坏性大地震发生后，采用该地区现代已有的中小地震的加速度记录，可以快速获取关键区域的地震动强度特征，对应急救援、减轻地震灾害有重要意义。通过建立某地区包含实际复杂的地震信息的中小地震的格林函数数据库，当破坏性大地震发生时，即时调用该地区格林函数数据库的小震记录，快速模拟重点区域的较高概率的多元化的地震动关键信息，例如加速度时程、反应谱、PGA等，用于快速评估重特大建筑工程、生命线工程、高密度居民区等的震害特征，指导地震应急救援，减少因获取震害信息不及时而导致的震后救援不及时。
其次，在建筑物抗震设计以及场景地震的震害模拟方面。历史地震发生的地区几乎都是缺少大地震的加速度记录，而历史地震影响区内建筑物的抗震设计或者震害模拟所需的地震加速度输入一般都是随机合成或者用其他地方的地震记录，自然不能合理的表现本地区内地下介质和场地条件的复杂性。本申请输出的地震动加速度时程是采用地震监测设备获得的本地加速度记录作为格林函数，合成的大地震加速度记录包含了本地区真实的地下复杂的介质信息、场地信息等，将更具有本地区地震记录特征的代表性，更适合作为本地区地震动的加速度输入。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种评估历史地震强度特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过地震监测设备记录现代地震的加速度时程；
(2)判断历史地震与现代地震的震源位置是否一致；
(3)选择通过地震监测设备获取的与历史地震发生在相同或者接近位置的小震记录作为格林函数；
(4)考虑震源参数的多种不确定因素，将具备随机不确定性特征的参数采用统计学经验关系来获取，将具备认知不确定性特征的参数采用逻辑树方法进行处理；
(5)采用经验格林函数法进行数值模拟，获得合理取值范围的地震动模拟结果；
(6)多角度验证历史地震评估结果的合理性及可靠性，最终获得可能性最大的若干组地震动强度特征的评估结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法采用的震源模型为有限断层震源模型和凹凸体震源模型的结合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，凹凸体有至少两个，单独计算每一个凹凸体的加速度时程，然后考虑不同凹凸体相对于最大凹凸体产生的地震动在某一点的时间延迟。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，选择的小震和历史地震发生在相同的断层上。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，验证历史地震评估结果的合理性及可靠性的方法为将合成的凹凸体震源模型的PGA随断层距的变化特征与NGA-west2衰减关系做比对。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，验证历史地震评估结果的合理性及可靠性的方法为将合成的地震加速度反应谱与通过地震监测设备获得的现代地震的加速度反应谱进行对比。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，验证历史地震评估结果的合理性及可靠性的方法为将不同震源模型获得的地震评估结果与通过地震监测设备记录的现代地震的PGA随震中距的变化特征进行对比。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，验证历史地震评估结果的合理性及可靠性的方法为将合成的各类凹凸体震源模型对应的PGA的空间分布特征与历史地震的地震烈度进行对比。
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