汶川M S 8.0地震近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特征

謝俊舉

(中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081)

汶川MS8.0地震近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)特征

謝俊舉

(中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081)

詳細(xì)研究2008年5月12日汶川8級(jí)地震近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)時(shí)空分布特征,對(duì)揭示這次地震災(zāi)害分布特點(diǎn)及其成因具有重要意義。本文較為系統(tǒng)地研究了汶川地震近斷層地震動(dòng)特性(峰值、持時(shí)、不同周期的反應(yīng)譜加速度值)的空間分布及其衰減特征,分析了斷層距、場(chǎng)地條件、方向性效應(yīng)和上盤效應(yīng)等多種因素對(duì)近斷層地震動(dòng)特性的影響,研究了近斷層速度脈沖的周期和幅值特征,提出了考慮重力影響的層間位移譜分析方法,基于此方法分析了汶川地震近斷層速度脈沖的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性。此外,還研究了近斷層地震動(dòng)強(qiáng)度和頻率時(shí)變特性,比較了不同方位近斷層強(qiáng)震波形的差異,分析了近斷層強(qiáng)震波形的震相。

(1)開(kāi)展了汶川地震強(qiáng)震記錄基線校正方法研究。以GPS同震位移作為參考對(duì)強(qiáng)震記錄進(jìn)行基線校正,分析了基線偏移對(duì)PGA,PGV,PGD,永久位移及加速度和位移反應(yīng)譜的影響。研究結(jié)果表明:①需針對(duì)強(qiáng)震記錄基線偏移的原因及偏移量大小,分別選取不同的方法進(jìn)行校正。對(duì)于距斷層較遠(yuǎn)、加速度幅值較小的記錄,可采用BAP程序進(jìn)行校正;對(duì)于主要受傾斜影響的近斷層記錄,應(yīng)采用擬合速度方法或分段校正方法;②基線的偏移對(duì)PGA影響不大,對(duì)周期小于10 s的反應(yīng)譜值影響較小,但對(duì)PGV、PGD及永久地面位移的影響較大。

(2)研究了近斷層地震動(dòng)強(qiáng)度的空間分布及其衰減特征,對(duì)比分析了豎向與水平向峰值加速度及峰值速度的空間分布及其衰減特征,利用殘差分析方法研究了場(chǎng)地條件、上盤效應(yīng)和方向性效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)峰值的影響。研究表明:①最大的地震動(dòng)峰值集中分布在以北川—映秀主斷裂為核心距斷層30 km的一個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)。龍門山地區(qū)的PGA衰減較慢,峰值速度比NGA預(yù)測(cè)的結(jié)果要小。近斷層強(qiáng)震記錄有顯著的永久地面位移,斷層南北向運(yùn)動(dòng)較東西相向逆沖運(yùn)動(dòng)要弱;②近斷層豎向地震動(dòng)強(qiáng)烈,豎向/水平向的加速度峰值之比可達(dá)1.5;③上盤效應(yīng)在斷層距60 km以內(nèi)非常顯著,上盤的PGA觀測(cè)值要比預(yù)測(cè)值大30%～40%,受方向性效應(yīng)的影響,斷層破裂的正向上地震動(dòng)PGA、PGV要比反向上明顯偏大。

(3)選取5%～95%能量持時(shí)研究了汶川地震地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度及其空間分布特征,分析了斷層距、場(chǎng)地條件、方向性效應(yīng)和上盤效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)持時(shí)的影響,對(duì)比分析了豎向與水平向地震動(dòng)持時(shí)長(zhǎng)度特點(diǎn)。研究表明:①長(zhǎng)持時(shí)是汶川地震地震動(dòng)的顯著特征,能量持時(shí)長(zhǎng)度為60～120 s,接近以往預(yù)測(cè)模型的2～3倍;②地震動(dòng)持時(shí)受場(chǎng)地條件的影響較小,不同場(chǎng)地上的持時(shí)沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)差異;③地震動(dòng)持時(shí)的分布受方向性效應(yīng)影響顯著。長(zhǎng)持時(shí)主要分布在破裂傳播方向相反的地區(qū),破裂傳播的正向上的持時(shí)明顯較短,持時(shí)長(zhǎng)度比平均值短40%左右;④地震動(dòng)持時(shí)受上盤效應(yīng)的影響較弱,在斷層上盤和下盤的持時(shí)長(zhǎng)度沒(méi)有明顯差別,持時(shí)長(zhǎng)度都接近擬合得到的平均值;⑤兩個(gè)水平分量之間的持時(shí)長(zhǎng)度差別較小,而豎向與水平分量的差別較大。

(4)研究了不同周期加速度反應(yīng)譜值的空間分布及其衰減特征,分析了距離、場(chǎng)地條件、方向性效應(yīng)對(duì)反應(yīng)譜形的影響,研究了豎向/水平向加速度反應(yīng)譜值之比的空間分布及不同斷層距范圍內(nèi)反應(yīng)譜比曲線特征。分析表明:①汶川地震地震動(dòng)的長(zhǎng)周期成分較弱,加速度反應(yīng)譜值隨周期增大迅速減小;②在斷層距小于60 km范圍內(nèi),反應(yīng)譜形受方向性效應(yīng)的影響較為顯著;③近斷層區(qū)域不同周期段的豎向/水平向加速度反應(yīng)譜值之比的分布有明顯差異,豎向/水平向的平均加速度反應(yīng)譜值比曲線隨周期和斷層距變化有明顯差異。

(5)研究了近斷層速度脈沖的周期、幅值特征及其結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性。①研究了汶川地震近斷層速度脈沖周期和幅值的特點(diǎn),分析表明汶川地震近斷層速度脈沖具有周期長(zhǎng)、幅值小的特點(diǎn)。②研究了重力作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響,利用Bessel級(jí)數(shù)給出了考慮重力作用下的剪切梁振動(dòng)問(wèn)題的解析解,并基于重力剪切梁模型提出了一種考慮重力影響的層間位移譜計(jì)算方法,系統(tǒng)分析了重力系數(shù)和結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)層間位移譜的影響。研究表明重力作用會(huì)增大結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng),尤其在周期小于2 s時(shí),重力作用對(duì)層間位移的影響非常顯著。層間位移譜的位移值隨結(jié)構(gòu)阻尼的增大減小,同時(shí)阻尼的增大使得層間位移譜曲線變得更加平滑。③基于本文提出的層間位移分析方法研究了汶川地震近斷層速度脈沖的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性,研究表明速度脈沖記錄的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性與非脈沖記錄的地震反應(yīng)特性有顯著的不同。速度脈沖對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的影響顯著,而非脈沖記錄對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的影響較弱,沿垂直斷層走向方向的速度脈沖層間位移譜值比平行斷層走向方向的層間位移譜值大,垂直斷層分量的層間位移譜幅值可以達(dá)到平行斷層方向的2倍。

(6)分析了汶川地震近斷層強(qiáng)震波形及其時(shí)變特性。①研究了近斷層不同方位強(qiáng)震記錄波形的差異,分析了近斷層強(qiáng)震波形的震相,進(jìn)而估算了斷層的破裂速度。分析表明沿映秀—北川斷裂,不同方位的加速度波形和速度波形差異很大,映秀—北川段斷層的平均破裂速度為3.15 km/s,在映秀—北川段,斷層的破裂由南到北是逐漸加速的。②利用強(qiáng)度時(shí)間函數(shù)和小波分析方法分析了強(qiáng)震記錄的時(shí)變特性,研究表明近斷層地震動(dòng)的強(qiáng)度和頻率時(shí)間過(guò)程具有顯著的非平穩(wěn)特征,空間方位、場(chǎng)地條件和方向性對(duì)地震動(dòng)波形的時(shí)變特性有顯著影響。

(作者電子信箱,謝俊舉:xiejunju@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.03.019

汶川地震;近斷層地震動(dòng);基線校正;反應(yīng)譜;永久位移;斷層距;方向性效應(yīng);持時(shí);空間分布;層間位移譜;小波譜;速度脈沖