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北京地区近断层强地震动研究

潘波  
【摘要】: 近断层强地震动研究是近十多年来地震学和地震工程学中非常活跃的领域。上世纪末发生的许多破坏性大地震在近断层区域造成了严重破坏,同时也表现了一定的近断层强地震动特征,这促使研究人员研究近断层强地震动的基本特征和分布规律、近断层强地震动的模拟和预测方法,从而预测未来发震断层附近的强地震动分布区域和地面运动时程,为城市规划和结构抗震以及震害预防服务。本论文作为“城市活断层试验探测”中地震危险性评价里的子专题,目的为北京地区的城市规划和结构抗震提供参考,同时也为全国各大城市开展的城市活断层地震危险性评价提供技术储备。 本论文以1679年三河-平谷8级地震的发震断层—夏垫新断裂为震源研究对象,以北京的中东部地区地下地质结构为传播介质研究对象,且分别建立相应的模型;利用日本活断层中心的有限差分程序和中国地震局工程力学研究所的有限元程序对各自模型进行了计算,并对计算结果进行了分析检验,验证了模拟结果的合理性,同时也反映了近断层强地震动的基本特征,以下就所开展的工作做简要介绍。 本次研究范围包括了北京中东部和河北省的小部分区域,面积约7800平方公里。研究区北部和东北部为山区,地层出露主要为前寒武系变质岩和燕山期的花岗岩,中部和东南部为平原区,大部分被全新世松散沉积物所覆盖。北京市市区位于研究区的西南部,是我们重点关注地区。研究区内活动构造大量发育,为一地震频发区,区内已探测到的大断裂主要分为NE向和NW向两组。其中NE向的新夏垫断裂被认为是1679年的三河-平谷8级地震的发震断层,是我们此次研究的目标。 发生于康熙十八年(公元1679年)的三河-平谷8级大地震是京津唐地区有历史记录以来最大的一次地震。对于此次地震,不仅当时的史料给予了详细记载,现代地震工作者也震开展了大量的科学研究工作,为我们近断层强地震动震源模型的建立提供了丰富的资料。通过多方面的收集整理,我们得到了: (1)三河-平谷8级地震的历史记录和依据历史记录与中国地震烈度表(GB/T17742-1999)绘制的历史等震线; (2)地表10余公里地震破裂带的野外实测和利用矢量分解与合成转变对数据的分析计算结果,以及在此区域内开展的深浅地震勘探资料; (3)同处于华北地块,所受区域构造应力与破裂模式相似的1976年7.8级唐山地震的资料; (4)华北地区乃至世界性的震源参数之间的经验关系及公式;四个方面的资料。利用这些资料先后建立了有限差分震源模型与有限元震源模型。有限差分中我们试验性的建立了六个震源模型,并分别进行了计算,模拟过程为有限元模型建立积累了经验。有限元方法充分利用以上资料建立一个相对合理的震源模型,各项参数为:断层走向N40°E,倾向倾角SE78°,断层长度56km,宽度22km,平均位错3m,距地表高度3km,地震距1.48*10~(20)N.m,滑动角219°,破裂速度2.6km/s,上升时间2s,凹凸体面积270 km~2,初始破裂点位于潘各庄附近地下15km处。 传播介质模型建立中,我们收集整理了研究区内的区域地质资料,穿过研究区的13条速度或密度测线和第四纪,上第三纪,下第三纪,结晶基地G界面和中地壳稳定界面C的等深度线图,综合分析这些资料建立了研究区内的三维地下速度结构模型。并根据不同介质的不同属性,分别设定了波速、密度、伯松比与阻尼比等参数。 利用日本活断层中心的三维有限差分程序和哈尔滨工程力学研究所的三维有限元程序对建立的有限差分与有限元震源模型和传播介质模型分别进行了计算。有限差分模拟中共将传播介质模型划分为220万个网格,对6个不同的震源模型分别在工作站上进行了计算,计算单个模型耗时约4小时,计算得到了研究区的地震动峰值速度分布。有限元法的模拟是在中国地震局工程力学研究所的40节点并行计算机上进行,共划分2187万个单元格,计算用时81.6小时,计算得到地表各点各时刻的速度时程,并通过后处理程序获得了研究区的峰值速度分布图和地表各时刻的地震动等值线图。 通过对有限差分六个模型模拟结果的分析处理,发现结果很好的反应了近断层强地震动的基本特征: (1)近断层效应:地震动高峰值主要集中在沿发震断层两侧的一个狭窄范围内,随着断层距的增加,峰值迅速衰减; (2)上盘效应:对于倾滑断层,处于上盘的点的地震动值比下盘的点要大,同时上盘点的地震动衰减相对于下盘要缓,强地震动的分布区域也比下盘大; (3)方向性效应:当断层面破裂时,从某一点开始朝着另一个方向开始破裂,位于破裂方向前方的点的地震动值大于后方的点; (4)盆地效应:盆地中松散沉积物对地震波的放大作用和盆地边缘效应,使盆地内的地震动值明显高于了盆地周边地区的值。 计算结果与近断层强地震动基本特征的吻合,验证了模拟结果的合理性。另外,模拟中也暴露了一些存在的问题,为后续有限元模拟提供了经验。 通过对有限元法模拟得到的地表地震动速度值的分析处理,绘制了两条测线24个点的速度时程图和峰值速度等值线图。首先我们利用首波到时和弹性回跳理论,检验了两排测线点的正确性;同时,从测线点上观察到(1)盆地效应:北京凹陷内点的地震动峰值大于距离断层更近盆地外的点的值,且地震动持时明显大于盆地外各点的值:(2)方向性效应:位于断层一端平谷地区测点的地震动速度值达到了1.0m/s,而在距初始破裂点更近点的地震动速度值却约0.5m/s。另外,通过历史等震线与据模拟结果和“中国地震烈度表”绘制的等震线的吻合检验了模拟结果的正确性。最后,我们绘制了每一时刻的速度等值线图,并连接成小影片对震后60s内的地表地震动进行了演示。在影片中再次体现了近断层强地震动的方向性效应、边界效应、盆地效应等基本特征,同时,在55s后出现了边界失稳问题,且这一问题目前仍未得到解决。 通过对有限差分与有限元模拟结果的分析检验,验证了我们模拟结果的合理性和方法的可信性,同时也证明了震源模型与传播介质模型建立和参数设置的合理性。另外,模拟中还存在需要进一步改进和加强研究的地方。例如,发震断层的破裂过程和其参数的设定没有清楚地解决;模拟中高频部分的计算和边界失稳等问题有待理论和方法上的突破。但作者相信,这些都会随着资料的积累和研究的深入逐步得到解决,使近断层强地震动模拟更加完善。


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