基于FK方法和GP14.3震源模型的2023年土耳其M_%28w%297.8级地震宽频地震动合成.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:巴振宁()男教授博士主要从事大尺度复杂场地宽频地震动模拟研究:.文章编号:():./.基于 方法和.震源模型的 年土耳其.级地震宽频地震动合成巴振宁韩书娟赵靖轩刘 悦芦 燕陈三红(.中国地震局地震工程综合模拟与城乡抗震韧性重点实验室(天津大学)天津 .天津大学 土木工程系天津.中国地震灾害防御中心北京)摘 要:本文合成了 年 月 日土耳其.地震的地震动时空场 首先依据 网站提供的 数据和全球地壳模型.数据构建了土耳其南部地区的地下一维速度结构模型其次依据美国地质调查局()发布的断层滑动量及破裂前端分布结果构建了此次地震的.运动学混合震源模型然后采用作者提出的 方法对本次地震进行了 的宽频三分量地震动合成 通过合成结果与距离震中 范围内地震动较强的 个台站强震记录及相应反应谱的比较检验了方法的可靠性和模型的适用性最后重点分析了土耳其东南部的加济安泰普市及附近地区地震动时空场特征 结果表明:)本文计算的加济安泰普市区范围内的 向 接近/、接近 /伊斯拉希耶镇地区的 向 高达 /、高达 /地震动强度比较大)基于本文强地面运动合成结果得到的加济安泰普市区范围内的地震烈度为 度伊斯拉希耶镇地区的地震烈度高达 度与 给出的结果一致)此次土耳其.地震呈现明显的近断层地震动集中性效应、地面永久位移以及破裂方向性效应关键词:土耳其.地震宽频地震动合成近断层地震动特性频率波数域方法运动学混合震源模型中图分类号:.文献标识码:.(.().):.().:第 期巴振宁等:基于 方法和.震源模型的 年土耳其.级地震宽频地震动合成 /./.:.引言图 土耳其地震的震中及其相关的构造环境.北京时间 年 月 日 时 分土耳其发生.地震震源深度.最高烈度为度震中(北纬.、东经.)位于东南部的东安纳托利亚断裂带()东安纳托利亚断裂带位于安纳托利亚板块(亚欧板块内部的次级板块)和阿拉伯板块的交界处如图 所示是土耳其境内的一条主干左旋走滑断裂带 起于西南的哈塔伊()终止于东北的卡利若瓦()三联结点位置 东安纳托利亚断裂带地震活动频繁 世纪以来多次发生 级以上强震 同日下午 时 分再次发生.地震震源深度 最高烈度亦为度震中位于首次地震震中东北部 处 这两次地震构成了典型且罕见的“双震”地震序列此次地震震级大、震源浅和地面运动强度大造成了惨重的人员伤亡和严重的建筑结构破坏:人死亡、人受伤、超过.万栋建筑倒塌和严重受损或急需拆除 其中:位于土耳其东南部的人口密集的工业城市加济安泰普距离此次.地震震中仅 是此次地震中受影响最为严重的城市之一 针对该.地震本文采用作者提出的 方法开展 的近断层宽频地震动合成并重点分析加济安泰普地区的地震动时空场分布特征以期为该地区的震害原因分析和地震区划等工作提供参考地下结构与震源模型建立确定性物理宽频地震动模拟依赖于能激发宽频地震波的合理震源模型和能模拟宽频地震波传播的精确高效方法 震源模型采用的是.运动学混合震源模型该模型由 和()宽频带地面运动模拟方法()改进后得到(.为在当前南加州地震中心宽带平台上的更新版本名称)其能够同时考虑破裂面上低波数的确定性错动和高波数的随机性错动具备激发宽频地震波场的能力 地震波传播模拟方面采用作者提出的 法该方法是一种具有严密理论基础的地震动合成方法其适用于跨尺度一维速度结构宽频带地震波的传播模拟 本节详细介绍一维波速结构和运动学混合震源的构建.加济安泰普地区地下一维速度结构模型的构建考虑到后续分析主要针对加济安泰普市地下一维速度结构基于该市进行构建相应参数表 对应的示意图如图 所示该一维地下结构模型包括 部分:)依据 网站提供的 数据确定.深度范围内的世 界 地 震 工 程第 卷一维速度结构参数其中剪切波速 取为加济安泰普市界范围内 的平均值)依据 等给出的伊斯坦布尔地区波速模型确定方法确定.及 深度范围内的一维速度结构参数:在.之间随深度 的增加以().的速率增加在 之间假定 呈线性增加通过对更密集的深度点进行线性插值、分层取均值得到每层土体的 )依据全球地壳模型.确定大于 深度范围内的一维速度结构参数:包括上地壳(.)、中地壳(.)、下地壳(.)以及地幔层(.)的、和密度 在整个地下一维速度结构模型中除.直接给出的大于 深度范围的 和密度之外、密度和品质因子的取值方式如下:的值为.土层密度的取值参考文献 波和 波的品质因子分别由/和/(的单位为/)确定表 加济安泰普地区的地下一维速度结构 地层深度范围/(/)/(/)密度/(/)(.(.(.(.(.(.(.(.(.图 加济安泰普地区的一维速度结构模型示意图.运动学混合震源模型的构建本文采用能同时考虑破裂面上低波数确定性错动和高波数随机性错动的.运动学混合震源模型该模型的建立过程如下:)基于 发布的震源机制(见表)和断层滑动量分布结果(见图)建立低波数确定性的凹凸体震源模型 震源参数包括全局震源参数、局部震源参数和其他震源参数其中:全局震源参数表示断层的形状、大小和位置等如断层走向、倾角和滑动角断层面沿走向长度、沿倾向宽度断层顶面深度断层面平均滑动量断层面划分的矩形子源尺寸等局部震源参数表示震源内部的滑动不均匀性如凹凸体的面积、凹凸体的滑动量等这些参数由断层的滑动量和分布结果来确定其他震源参数表示破裂的形成和终止如破裂起始点和破裂传播方式这些参数由破裂前端分布结果来确定其中:破裂传播方式为由破裂起始点向四周传播 以上参数详见表)在低波数确定性的凹凸体震源模型中引入高波数随机性错动确保合成宽频地面运动的带宽有效性进而构建.运动学混合震源模型 首先将已有的凹凸体断层面上滑动量的空间分布经二维傅里叶变换至波数域得到断层面上确定性的滑动波数谱 其次采用波数衰减满足 自相关函数的波数谱并引入随机数 表达断层破裂面上小尺度的随机变量 然后在波数域中结合确定性的低波数谱和随机高波数谱并利用二维逆傅里叶变换至空间域中表 发布的震源机制参数 矩震级 震源位置经纬度/()深度/矩心参数经纬度/()深度/震源机制走向/()倾角/()滑动角/().第 期巴振宁等:基于 方法和.震源模型的 年土耳其.级地震宽频地震动合成图 所给的断层破裂面上的滑动量及破裂前端分布(色谱表示滑动量幅值五角星表示破裂起始点灰色箭头表示滑动矢量等值虚线表示破裂起始时间(以秒为单位).(.)表 土耳其.地震的震源参数 .参数类型物理量单位数值全局震源走向 倾角 滑动角 沿走向长度 沿倾向宽度 断层顶面深度断层面平均滑动量子源尺寸局部震源凹凸体 面积 平均错动量 长度 宽度 沿走向中心 沿倾向中心 凹凸体 面积 平均错动量 长度 宽度 沿走向中心 沿倾向中心 其他震源破裂起始点 破裂起始点 以上引入高波数随机性错动的过程中所涉及的 指数、控制结合的锐度、沿断层走向和倾向的拐角波数 与 均参考文献进行取值进而确定断层面上的滑动量分布如图()所示 关于破裂前端的分布首先确定破裂速度的初始分布根据子源位置、初始破裂速度分布以及各子源滑动量对破裂起始时刻的时间扰动得到破裂起始时刻的空间分布(图()等值线表示间隔 的破裂前端分布)上升时间表征子源完成破裂过程所需时间本文采用 矩率函数得到各子源的上升时间后根据断层面上的平均上升时间按比例调整各子源上升时间可得其在断层面上的空间分布如图()所示世 界 地 震 工 程第 卷图 运动学混合震源.模型的适用性验证分析本节通过将地震动合成结果与 个台站的观测记录对比有效检验了宽频地震动模拟的可靠性和模型参数(包括地下一维速度结构模型和混合震源模型)的适用性且 法的精度及高频稳定性本文作者在文献中已广泛验证 首先基于建立的.运动学混合震源模型采用 法计算了距离此次.地震的震中 范围内地震动较强的 个台站的加速度时程(台站位置信息见图 和表)其次将地震动合成结果和 提供的强震记录及其反应谱进行对比 该次计算的时间步距取为.时间步的数量为 这里需要说明的是:本文所选取的台站记录来源于 网站截止至 月 日的强震记录数据图 所验证的 个台站的位置.表 所验证的 个台站的信息 台站代码位置震中距/(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).(.).图 对比了本文计算的 个台站的三分量加速度时程和强震记录黑线代表强震记录红线代表本文合成结果每条加速度时程的时长均为 均标注于曲线的右上方单位为/强震记录及本文计算结果均经 阶 低通滤波至 从地震动时程比较可知:前 个为记录完整的台站合成地震动在 台站偏小在其它 个台站符合较好 和 台站记录虽然存在部分缺失但因其记录到了主要波形成分而仍具有一定的参考意义本文合成的两个水平方向的地震动与观测记录前段呈现的幅值和波形特征基本上一致但竖向的地震动比观测记录明显偏小除 台站的 方向、台站的 方第 期巴振宁等:基于 方法和.震源模型的 年土耳其.级地震宽频地震动合成向、和 台站的 方向的上的计算结果和强震记录的 相差较大之外其他的计算结果和强震记录符合较好、和 台站处的计算结果和强震记录在强震段持时符合较好但其他台站处有一定差别 总体上本文计算的加速度时程与强震记录有一定的一致性图 模拟地震动时程与强震记录对比.世 界 地 震 工 程第 卷图 对比了本文合成结果与强震记录的阻尼比加速度反应谱 为便于比较和观察将所有 分量缩小 倍以及 分量缩小 倍 由图 可知:和 台站处的竖向合成结果的短周期段小于观测记录 和 方向的合成结果在.内均与观测记录符合较好除 和 台站外的其他 个台站的三个方向的合成结果在短周期段内均与观测记录符合较好而、和 这 个台站的三个方向的合成结果在长周期段内高于观测记录 综上所述从平均意义上来看:计算的地震动的短周期段与观测记录符合较好而长周期段有一定程度的高估现象 根据上述对地震动时程、峰值和反应谱的比较分析表明:本文所构建的一维速度结构模型和混合震源模型适用于 年土耳其.地震的宽频地震动模拟可进一步用于近场特性的分析图 模拟地震动反应谱与强震记录对比.加济安泰普及附近区域地面运动场合成及分析图 模拟区域布置示意图(黑色矩形表示断层投影面、星号表示破裂起始点).()本节对土耳其.地震进行了三分量宽频地震动合成 本节设定研究目标区域为加济安泰普及附近区域并在上一节研究基础上合成了该区域内的地面加速度峰值、速度峰值以及烈度分布 首先设定目标区域:如图 所示设定东西向 南北向 的目标矩形区域(红色矩形面积为 )以 间隔均匀设置 共计 个计算点其次采用本文方法及模型合成了目标区域地面运动场最后给出了目标区域的三分量加速度和速度峰值分布分析了其空间分布特征及近断层效应给出了目标区域的烈度分布图并与 给 出 的 土 耳 其.地 震 的 进行对照给出了部分位置的时程结果分析此次地震造成的地面永久位移及近断层速度脉冲特征.地面运动峰值分布图 给出了目标区域地面加速度峰值()分布和速度峰值()分布图其中从左到右依次是、和竖向()分量从上到下依次是 和 图中矩形和星号分别表示断层面的地表投影范围和震中位置蓝色虚线区域为加济安泰普市绿色虚线区域分别为加济安泰普市区区域和伊斯拉希耶镇区域黑色虚线表示主要道路第 期巴振宁等:基于 方法和.震源模型的 年土耳其.级地震宽频地震动合成图 地震动场 和 分布.从图 中可以看:加济安泰普的市区范围内的 向 接近/接近/说明加济安泰普市区范围内的地震动强度较小 分析其原因为:走滑型断层破裂释放的能量主要集中在破裂前方区域垂直断层走向两侧的区域聚集能量较小且远离断层投影区域后地震动幅值衰减较快该市区虽距震中十分近但其位置在这条西南东北走向的东安纳托利亚断裂带的东南方向不属于破裂前方区域故该市区的地震动强度较小这也与报道中提及的“加济安泰普市区极少建筑出现崩塌或明显损毁大部分楼房从外部都看不出明显损伤”的现象相符合 由图 还可知:位于加济安泰普的西南部、直接处于地震断层带上的伊斯拉希耶镇(.)地区内的 向 高达 /高达 /这与附近 台站的观测记录(向./向./)较为接近说明该地区的地震动强度较大 此外从图 的空间分布样式来看:峰值较大区域集中在断层投影面附近这与震源模型的凹凸体位置相对应体现了凹凸体对地面运动峰值的主导控制作用以及近断层地震动的集中性效应.烈度分布在地震发生的初期通常可利用烈度与强地面运动参数之间的转换关系来快速获取地震烈度分布特征以快速可靠地估计烈度分布 本节基于强地面运动合成结果应用 等给出的加速峰值()、速度峰值()和烈度()的经验关系式()给出震区的烈度分布图.().().().().()式中:单位为/的单位为/为场地的烈度 基于上式即可将得到的地表水平/转换为相应的地震烈度值图()和图()分别为 给出的土耳其.地震的 和本文基于强地面运动合成结果得到的地震烈度分布图 将图()范围缩小至本文目标区域的大小以便于本文结果与其对比 从图()中给出的烈度分布结果可看出:加济安泰普市区范围内的地震烈度为 度与图()中加济安泰普市区范围的烈度一致处于西南部的伊斯拉希耶镇地区的地震烈度高达 度与图()中伊斯拉希耶镇地区的烈度一致且与图 所反映的伊斯拉希耶镇地区的地震动强度较大的结论相符世 界 地 震 工 程第 卷图 烈度分布.这里需要说明的是:本文所构建的.运动学混合震源模型没有考虑弯折为简单连续的平面断层而 最终更新的震源模型是包含三段的弯折断层这也是造成本文一些地震动合成结果与台站观测记录存在一定差距的主要原因.时程结果分析据报道加济安泰普一西部城镇努尔达伊附近出现几百米长的地表断裂水平位移约 本节首先计算努尔达伊镇中心(.)地表上一观测点的时程结果如图 所示其中从左到右依次是平行走向、垂直走向和竖向分量从上到下依次是加速度、速度和位移时程 从图 所合成的时程结果中可发现:在水平方向上有比较明显的永久位移:平行于断层走向的地表永久位移达到了 垂直于断层走向的地表永久位移达到了 而竖向的地表永久位移约为 合成结果所反映的现象说明近断层效应较为明显且这种现象可能导致建筑发生更加明显的破坏图 .土耳其地震中努尔达伊地区的三方向的加速度、速度和位移时程.图 分别给出了在地表上沿断层西南东北走向以 的间隔均匀设置的 个观测点的位置以及观测点平行断层走向、垂直断层走向两个方向的速度时程 如图()所示 观测点位于破裂起始点在地表的投影处 分别对应震中距为、和 的第 期巴振宁等:基于 方法和.震源模型的 年土耳其.级地震宽频地震动合成各个观测点 图()为本文所合成的平行于断层走向的速度时程结果在速度时程中可看到单向速度脉冲(特别是 这四个观测点)图()为本文所合成的垂直于断层走向的速度时程结果可看到明显的双向速度脉冲这是因为此次地震的断层为倾角较大的走滑断层方向性速度脉冲主要体现在垂直断层走向的分量上特别是位于破裂前端的 这三个观测点满足方向性效应的条件双向速度脉冲现象更为明显 由图()和图()可以看出:在破裂起始点于地表的投影处(观测点)速度脉冲现象不明显在距离断层破裂起始点一定的距离后开始看到较为明显的速度脉冲比如距断层破裂起始点 处的 观测点速度脉冲已经很明显图 震中距分别为、和 的各观测点.、结论针对 年 月 日土耳其南部.地震开展了近断层宽频地震动合成研究 综合考虑 数据及全球地壳模型.构建了土耳其东南部城市加济安泰普及附近地区的地下一维速度结构模型 依据 发布的信息建立了.运动学混合震源模型进而采用作者提出的 方法合成了 个台站的三分量加速度时程通过与台站的时程记录及其反应谱对比验证了本文方法的可靠性及模型的适用性 最后计算并分析了加济安泰普附近 目标区域内的地震动场得到如下结论:)本文合成的加济安泰普市区范围内的 向 接近 /接近 /本文合成的位于加济安泰普的西南部和直接处于地震断层带上的伊斯拉希耶镇地区的 向 高达 /高达 /与附近 台站的观测记录一致)此次土耳其.地震呈现明显的近断层地震动集中性效应、地面永久位移以及破裂方向性效应)基于强地面运动合成结果得到的地震烈度分布显示:加济安泰普市区范围内的地震烈度为 度处于西南部伊斯拉希耶镇地区的地震烈度高达 度)从努尔达伊地区的地震动合成结果中可发现在水平方向上有比较明显的永久位移由于本文震源模型未考虑实际弯折同时采用的方法也不能考虑起伏地表的影响和地下结构的横向非均匀性这些因素可能是造成本文模拟结果与强震记录在某些台站差异还较大的主要原因 因此在接下来的地震动模拟研究中有必要对震源进行深入研究并考虑复杂地形的影响以建立更为可靠的模型进行更精细化的复杂场地地震动模拟为地震区划和抗震设防等工作提供参考参考文献:./王茗册 何仲秋 陈庭.东安纳托利亚断裂带近期库仑应力演化及与 年埃拉泽.地震的触发关系.大地测量与地球动力学 ():.():.().():.世 界 地 震 工 程第 卷 姜浩峰.罕见“双震”裂痕上的土耳其.新民周刊():.():.()新华网.土耳其南部发生.级地震/.:././.:./.().:.巴振宁 刘悦 赵靖轩 等.年漾濞.级近断层宽频地震动模拟:一种改进的 方法/.岩土工程学报:.:./.:.:.:./.()曹泽林 陶夏新 陶正如.年玛多.级地震近断裂三分量地震动场合成.世界地震工程 ():.():.().().():.():./.:./.():.:.():.(/):./.:./.:.巴振宁 赵靖轩 张郁山 等.基于.运动学混合震源模型和 谱元法的宽频地震动模拟.地球物理学报():.():.().:.:.():./.:./澎湃新闻.现场钢筋交错、电线裸露地震断裂带上的小镇伊斯拉希耶/.:././.:./().():./.:./网易新闻.土耳其强震 城市位移超 米 德国研究机构报告:震后总损失超过 亿美元/.:./.:/.:./.()赵晓芬 温增平.近断层速度脉冲型地震动相关问题研究.地震学报 ():.():.()