基于宽频带地震动数值模拟的强地面地震动预测与震害快速评估

Seismic ground motions are strongly influenced by the earthquake source process, wave propagation path and local site conditions (the three factors in strong ground motion). And earthquake forecasting and predictability play a key role in a seismic hazard analysis and assessment. In this study, we will propose a methodology that predicts strong ground motion and rapidly assesses an earthquake disaster based on broadband strong ground motion simulation assembling the three factors. We will focus on development of a fast inversion method on the kinematic source model, and more realistic implementation of dynamic or kinematic representations of fault rupture, refining physics-based simulation methodology on high frequency (1-10 Hz), incorporating a more realistic three-dimensional structure for the seismic wave propagation, linear and non-linear models of soil response. We will choose the region around Sichuan and Yunnan Provinces as our study target area and will apply our methodology to the two great earthquakes happened in this region: the 2008 M8.0 Wenchuan earthquake and the 2013 M7.3 Lushan earthquake.

“震源过程、传播途径和场地效应”是影响地震所产生的强地面地震动的“三要素”，地震灾害的防御与减轻最直接、最有效的方法是地震预报与预测。本项目申请将研究综合考虑地震“三要素”的影响来进行宽频带地震动的数值模拟方法。项目将以川滇地区为研究目标区域，以2008年汶川大地震和2013年芦山大地震为研究目标事件，着重研究基于多种地球物理观测资料（强震记录、测震记录、GPS等）快速反演震源破裂过程的方法，并构建具有明确物理意义的震源动力学破裂模型；收集研究区域的地下介质参数数据，构建较为符合真实情况的三维速度构造模型；研究目标区域的局部场地条件对地震动的影响的（地形影响、土层的线性与非线性反应）。综合上述研究结果、利用地震波传播理论数值模拟地震所产生的宽频带强地面地震动（0-10赫兹），进而提出基于宽频带地震动数值模拟的强地面地震动预测与震害快速评估的方法。

“震源过程、传播途径和场地效应”是影响地震所产生的强地面地震动的“三要素”，地震灾害的防御与减轻最直接、最有效的方法是地震预报与预测。项目针对近期国内外发生的破坏性大地震（2008年汶川地震、2010年玉树地震、2017年九寨沟地震、2016年日本熊本地震及2016年新西兰Kaikoura地震等），研究了基于多种地球物理观测资料（强震记录、测震记录、大地测量观测资料等）联合快速反演震源破裂过程的方法，基于多时间窗线性反演方法，提出了差分平滑约束条件的改进形式，发展了改进策略的联合反演方法，并应用于反演了2017年中国九寨沟地震。针对具有明确物理意义的震源动力学破裂模型开展了研究，编制了基于曲线网格有限差分方法的断层动力学破裂模拟相关程序，从而实现了对断层动力学破裂过程及相应地面地震动的数值模拟。基于震源动力学模型，研究了全空间中控制断层破裂传播过程的关键因素，并得到了全空间断层破裂相图；在此基础上，模拟了自由地表作用下，不同断层埋深、不同断层倾角、断层应力分布的非均匀性，特别是局部山体地形等情形下的断层动力学破裂过程及相应的地面地震动，探讨了上述因素对断层破裂过程尤其是超剪切破裂的产生及地面地震动的具体影响；数值模拟了2010年青海玉树地震的断层动力学破裂过程。基于近年来在川滇地区获取的地震震相关数据，开展了川滇地区地下速度结构场的研究，反演了川滇南部的三维P波地壳速度结构，为构建较为符合真实情况的三维速度构造模型奠定了基础。项目综合研究结果提出了利用地震波传播理论数值模拟地震所产生的宽频带强地面地震动思路，并将研究成果应用于了活动断层地震危害性分析工作。研究发现，数值模拟的强地面地震动场速度峰值（PGV）的分布特征比数值模拟的强地面地震动场加速度峰值（PGA）的分布特征更符合实际地震震害分布特征，提出了基于宽频带地震动数值模拟的强地面地震动预测PGV的震害快速评估的方法。