震源参数对基于有限断层长周期地震动数值模拟的影响研究

本课题将进行基于有限断层的长周期地震动数值模拟方法的研究，主要内容包括：（1）收集汶川地震强震记录和该地区地下三维速度结构和地形资料，对申请人提出的三维地震动数值模拟方法和编制的相关软件的可行性和准确性进行验证；（2）从波速有限的概念出发，对波动方程的时域数值模拟提出一种新的非规则网格节点递推公式，以提高三维地震动模拟有限元数值计算效率和计算精度。（3）通过大量三维地震动数值模拟结果的统计，研究断层面上Asperity和Barrier的分布对地震动的影响，提出Asperity和Barrier的分布和地震动强度分布之间的关系。（4）研究断层的埋深、破裂方式、初始破裂点位置、不同的断层类型对地震动分布及地震动衰减规律的影响。最终为基于震源破裂机制与传播效应的强地震动场建模理论与数值计算方法应用于地震危险性分析及工程结构抗震设防提供基础和科学依据。

随着强地震记录的不断完善和震源破裂过程研究的发展，一种考虑震源破裂机制与传播效应的强地震动场建模理论与数值计算方法已成为当前研究的一个新的方向。在根据确定性断层进行强地震动场计算时，目前碰到的最大困难之一是：震源模型参数的确定及其对地震动数值模拟的影响。. 本课题主要进行了基于有限断层的长周期地震动数值模拟方法及其基础上的震源模型参数对地震动数值模拟的影响的研究，主要取得了如下成果：.（1）提出了基于有限断层的三维长周期地震动有限元模拟方法，该方法将断层位于计算区域外部，本课题简称为“外源法”。考虑震源破裂过程的地震动模拟常采用基于位错源矩张量的等效荷载法，该方法需将震源包含在计算区域中，模拟计算过程中可以考虑震源下方地壳分层界面引起的反射波的影响，但计算区域大，计算量大，尤其是断层埋深较深的情况。外源法假定断层所在区域为均匀介质，将移动位错源在全空间辐射的地震波作为震源上部地层结构的入射波,也可以得到考虑断层破裂过程的地震动数值模拟结果。这种方法可以大大减小计算区域, 从而提高计算效率。.（2）对断层下地壳分层结构引起的反射波的影响进行了分析，分别对改变断层下方介质的密度和波速两个参数的模拟结果进行了对比，结果表明：断层下方地壳分层结构引起的反射波对地表观察点地震动时程的影响很小，可以忽略，从而验证了采用外源法的可行性。.（3）对基于位错源得到的均匀弹性全空间的解析解和基于“外源法”的有限元模拟结果进行了比较，验证了“外源法”的计算精度。.（4）通过对比不同震源时间函数的频谱特点，及对不同震源时间函数对地震动模拟结果的影响进行比较，提出了进行地震动数值模拟时采用钟形函数更合适。.（5）通过对其他震源参数情形下强地面震动数值模拟，如断层的埋深、破裂方式和初始破裂点位置等对地震动分布影响研究，发现：不同的破裂过程会产生差别甚大的强地面运动分布,一次确定性震源参数的模拟结果不能作为活动断层地震危害性评价的指标，只有通过大量三维地震动场模拟计算，给出地面震动评估的统计结果，才是比较合理的发展方向。.（6）“外源法”的应用。“外源法”可用于历史地震震源参数的确定和震后城市地震动场快速评估。从而为地震危险性分析及工程结构抗震设防提供了一种新的方法。