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北京及周边地区的结构建模与地震动模拟研究

谭毅培  
【摘要】: 地震所造成的灾害,是全人类共同面对的重要问题。近断层的强地面运动,是造成建筑物破坏的主要动力,也是造成各种地质灾害的主要原因。以北京为中心的首都圈地区,是我国的政治文化中心,同时又是强震多发地区,防震减灾工作面临严峻的挑战。 北京地区自有记载以来,曾多次发生大地震,对当时的社会经济造成了严重的破坏,同时威胁着当地人民的生命安全。我国历史资料中关于地震的记载很多,这些资料中历史地震的发震断层,一般可以认为至今仍活动的断层,存在今后发生类似强震的可能。因此本论文在收集多种资料基础上,构建了北京地区地壳三维速度结构模型,进而利用数值模拟方法对历史强震所产生的强地面运动进行了数值模拟,分析了沉积层分布、地下介质速度结构等因素对地面强震动的影响,以期为利用模拟结果分析不同地区的地震危害性,为有效预防地震灾害和地震灾害评估提供科学依据。 地震数值模拟,就是依据已知的地下介质结构模型和相应的物理参数,模拟研究地震波在地下介质中的传播规律,并计算地面各观测点的数值地震动记录的正演分析方法。本文首先从北京地区地下介质结构建模入手,综合基础地理信息数据、数字化地质图、沉积层的地脉动探测结果、人工地震测深和宽角折射等多种资料,在对数据进行分析和整理的基础上,利用建模工具软件GoCAD,建立了北京地区(115.5°E—117.5°E,39°N—41°N)地壳及上地幔顶部P波速度结构和地质界面模型。在模型建立的过程中,分析了人工地震剖面数据的地学统计特性,并应用适合离散光滑插值(DSI)约束点权重的估计方差对模型的插值结果进行了统计评估;分析了北京地区地壳上地幔速度结构的特征,又将速度结构模型与层析成像结果进行对比,表明所构建的模型较好地反映了北京地区的地下结构。 本论文使用时域伪谱法(PSTD)模拟北京地区强震的地震动。时域伪谱法利用傅里叶变换逼近空间域偏导数,在时间域使用交错网格进行数值模拟。其主要优点体现在空间域精度高,比传统有限差分方法所需的网格密度低很多,节省了计算机的运算和存储空间。时域伪谱法对震源函数和波传播介质的平滑性要求较高,因此本论文通过对不同震源子波所调制的波形的对比分析,确定了实际地震动模拟时使用的子波。 本论文以历史地震资料较为丰富的1730年北京西郊6 12级地震为例,针对两条可能的发震断层(北东向清河断裂和北西向东北旺一小汤山断裂),分别模拟计算了由此产生的地表峰值水平加速度,与历史记录的地表破坏程度及其等震线进行对比,推论清河断层为主要发震断层。接着通过对不同地下介质结构模型的模拟分析,证实了沉积结构对地震破坏程度的重大影响,展示了沉积层对地震动的放大效应,尤其是第四纪沉积厚度对地表强地面运动的影响较大,放大倍数会随着第四纪地层的加厚而增大。


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