物理地震危險(xiǎn)性分析中的地震動(dòng)模擬方法研究進(jìn)展

李 奇，陳學(xué)良，高孟潭，李宗超

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

地震災(zāi)害是全世界都要面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。破壞性地震在全世界范圍內(nèi)都曾發(fā)生過(guò)，如1906 年的舊金山大地震、1923 年的關(guān)東地震、1976 年的唐山地震、1999 年的臺(tái)灣集集地震、2008年的汶川地震和2016年的熊本地震［1－9］等，這些地震給全世界造成了重大生命財(cái)產(chǎn)損失。盡管工程建筑水平以及抗震措施相對(duì)于以前已經(jīng)有了很大的改善，但是破壞性地震依然會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)嚴(yán)重的損失。

因此，防震減災(zāi)工作任重道遠(yuǎn)。造成地震災(zāi)害的原因除了抗震措施不足外，主要是人們?nèi)狈?duì)地震的清楚認(rèn)知，未能夠正確設(shè)防，即使在地震研究充分的地區(qū)，仍然沒(méi)能很好地解決。雖然地震難以精確預(yù)測(cè)，但能通過(guò)歷史地震以及地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)來(lái)推斷區(qū)域未來(lái)可能發(fā)生的地震動(dòng)特點(diǎn)和最大震級(jí)，這種方法稱為地震危險(xiǎn)性分析。地震危險(xiǎn)性分析是評(píng)定某一區(qū)域內(nèi)工程在有效使用期內(nèi)遭受一定地震動(dòng)強(qiáng)度的危險(xiǎn)性，分析結(jié)果并以設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)地震動(dòng)表示，為工程抗震設(shè)計(jì)、震害預(yù)防和城市規(guī)劃提供地震動(dòng)輸入［10－11］。由此可見(jiàn)：地震危險(xiǎn)性分析是城市規(guī)劃和抗震設(shè)防的重要手段，能夠?yàn)榭拐鹩鶠?zāi)提供科學(xué)的依據(jù)。在面對(duì)城市遭受過(guò)破壞性地震的慘痛背景下，我國(guó)極為重視并在21世紀(jì)初全面開(kāi)始和研究大城市的活動(dòng)斷裂探測(cè)和地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于地震波傳播過(guò)程中存在非常復(fù)雜的隨機(jī)性和不確定性，但又必須了解和研究地震動(dòng)的特點(diǎn)，因此地震工程學(xué)家需要深入研究地震動(dòng)特點(diǎn)來(lái)為建筑物等結(jié)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析［12－18］。通過(guò)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研究地震動(dòng)特點(diǎn)是常用方法，但在實(shí)際分析應(yīng)用上仍然存在一定的局限性，而隨著數(shù)值模擬發(fā)展越發(fā)成熟以及計(jì)算條件越發(fā)優(yōu)越，數(shù)值模擬已成為研究地震動(dòng)重要方法之一。地震動(dòng)數(shù)值模擬應(yīng)用廣泛，可用于抗震設(shè)計(jì)、強(qiáng)地震動(dòng)基本參數(shù)標(biāo)定、建筑物震害分析、地震動(dòng)參數(shù)輸入以及地震危險(xiǎn)性分析等［19－22］，本文主要敘述地震動(dòng)數(shù)值模擬在地震危險(xiǎn)性分析中的應(yīng)用。

目前，工程地震大多使用的是經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)的地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程來(lái)量化未來(lái)地震的震動(dòng)強(qiáng)度，并將得到的地震動(dòng)作為工程的地震動(dòng)輸入［23－24］。經(jīng)驗(yàn)方法雖然成熟，但是在沒(méi)有觀測(cè)記錄的情況下，經(jīng)驗(yàn)方法是有局限性的，如深沉積盆地的影響［25－26］，而地震動(dòng)數(shù)值模擬是有可以突破這些限制。SCEC/CME就利用地震動(dòng)數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)可能發(fā)生的地震動(dòng)［27－30］。這種基于物理實(shí)際和真實(shí)速度結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)數(shù)值模擬［31－32］，能夠很好的反應(yīng)地層速度結(jié)構(gòu)、斷層的幾何真實(shí)異質(zhì)性和盆地效應(yīng)等影響［25，33－36］，雖然處在發(fā)展完善階段，但其已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，在沒(méi)有很好觀測(cè)條件的情況下，能夠很好地校正經(jīng)驗(yàn)方法并得到相對(duì)更加合理的結(jié)果。不過(guò)這種方法同樣也面臨著重大挑戰(zhàn)，如最大截至頻率為1Hz、如何將研究區(qū)域擴(kuò)大和如何設(shè)置凹凸提參數(shù)等。南加州地震中心（SCEC）的CyberShake 項(xiàng)目利用真實(shí)斷層構(gòu)建的震源模型和地區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)模擬了未來(lái)地震動(dòng)并繪制地震危險(xiǎn)性曲線，相對(duì)于傳統(tǒng)地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程，CyberShake能夠更好地模擬出方向性效應(yīng)和反應(yīng)盆地效應(yīng)等波的傳播特征，能夠?yàn)樘囟▓?chǎng)點(diǎn)提供更加可靠的設(shè)防依據(jù)。

隨著計(jì)算科學(xué)和地震科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，大量的地震數(shù)據(jù)處理和地震動(dòng)模擬不再像以前那樣困難。除了美國(guó)的CyberShake 項(xiàng)目，還有日本的Recipe 方法等，都在嘗試用基于物理的地震動(dòng)數(shù)值模擬的方法來(lái)計(jì)算地震危險(xiǎn)性。目前來(lái)看：基于地震動(dòng)數(shù)值模擬的地震危險(xiǎn)性分析雖然存在不足，但是不能忽略其在未來(lái)的發(fā)展?jié)摿?。本文綜述了前人的研究成果，舉例介紹了正在進(jìn)行的研究，探討未來(lái)該方法的研究趨勢(shì)。

1 地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

地震危險(xiǎn)性問(wèn)題是對(duì)研究區(qū)域的在未來(lái)可能發(fā)生的地震引發(fā)的地震動(dòng)評(píng)估，這種地震動(dòng)危險(xiǎn)性分析目前最常用的有兩種方法：一是概率性方法是以概率的方式分析、評(píng)價(jià)與表述未來(lái)地震危險(xiǎn)性；二是確定性方法由給定的距離和震級(jí)下的設(shè)定地震引起的地震強(qiáng)度。確定性方法包括歷史地震法和地震構(gòu)造法，取結(jié)果之大者作為地震動(dòng)危險(xiǎn)性確定性分析的結(jié)果。

1.1 概率性地震危險(xiǎn)性分析方法

早在20 世紀(jì)60 年代，CORNELL［23］就提出了概率性地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法（PSHA）和潛在震源的概念，并且分點(diǎn)源、線源和面源探討了其他地震危險(xiǎn)性的計(jì)算方法。自從CORNELL 提出PSHA 以來(lái)，就在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，包括地震區(qū)劃圖的繪制、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用和核電設(shè)施的安全性評(píng)價(jià)等。20 世紀(jì)70年代，美國(guó)繪制了基于PSHA的全國(guó)性地震動(dòng)區(qū)劃圖。隨著概率性地震危險(xiǎn)性不斷發(fā)展和完善，不同學(xué)者也做了相關(guān)研究。KIUREGHIAN 等［37］提出了大地震的破裂長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算的危險(xiǎn)性有顯著影響；REITER［38］把PSHA 大致分為四個(gè)環(huán)節(jié)：（1）劃分潛在震源區(qū)；（2）確定潛在震源區(qū)地震活動(dòng)性參數(shù)；（3）估計(jì)地震影響；（4）計(jì)算場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性，通過(guò)這四個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)計(jì)算地震危險(xiǎn)性。

PSHA 引入中國(guó)后，高孟潭［39］對(duì)PSHA 進(jìn)一步研究并改進(jìn)已讓其符合中國(guó)國(guó)情—CPSHA，基于該方法編制了“中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖（1990）”。但是概率性地震危險(xiǎn)性分析方法存在諸多的不確定性等問(wèn)題［40－49］，如何更好地完善PSHA是學(xué)者們不斷研究和探究的重點(diǎn)。

1.2 確定性地震危險(xiǎn)性方法

確定性地震危險(xiǎn)性方法（DSHA）分為兩類：歷史地震法和地震構(gòu)造法。歷史地震法是基于歷史資料和調(diào)查資料選取最大地震動(dòng)。地震構(gòu)造法是基于區(qū)域內(nèi)大地震的構(gòu)造條件，評(píng)估區(qū)域內(nèi)最大潛在地震。由于DSHA 是基于地震科學(xué)基礎(chǔ)，因此在實(shí)際地震危險(xiǎn)性分析中也得到了廣泛應(yīng)用。美國(guó)在編制新一代的地震區(qū)劃圖時(shí)用確定分析的結(jié)果修正PSHA 結(jié)果。因此基于DSHA 的危險(xiǎn)分析方法在抗震御災(zāi)上發(fā)揮著重要作用。WANG等［50］用DSHA繪制臺(tái)灣地區(qū)的地震動(dòng)危害圖，發(fā)現(xiàn)50年超越概率10%的平均PGA（峰值加速度）和PSHA 計(jì)算結(jié)果基本一致；ZUCCOLO 等［51］將DSHA 和PSHA 預(yù)測(cè)結(jié)果和真實(shí)地震活動(dòng)做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)DSHA 預(yù)測(cè)結(jié)果更加貼近真實(shí)記錄；MUALCHIN［52］和MURMAN 等［53］建議在地震設(shè)計(jì)中使用DSHA。所以即使在PSHA占據(jù)主要評(píng)定方法的情況下，DSHA的作用也不能忽視。

2 地震動(dòng)數(shù)值模擬

豐富的地震記錄能夠在研究地震時(shí)起到關(guān)鍵作用，但是對(duì)于地震記錄稍顯不足或稀缺的地區(qū)（包括地震活動(dòng)性處在相對(duì)較弱時(shí)期的地震帶），越發(fā)成熟的數(shù)值模擬是彌補(bǔ)這些區(qū)域地震危險(xiǎn)性研究的必要方法。目前地震動(dòng)數(shù)值模擬方法主要分為：確定性方法、隨機(jī)性方法和混合方法。

2.1 確定性方法

確定性方法是在基于AKI等［54］的彈性動(dòng)力學(xué)表示定理，將地震動(dòng)表達(dá)為震源函數(shù)與格林函數(shù)的時(shí)空卷積。目前確定性方法主要包括，有限元方法、有限差分法、離散波數(shù)法和譜元法等［55－66］。眾多的學(xué)者用確定性方法研究了斷層的盆地效應(yīng)和滑沖效應(yīng)、速度大脈沖等地震動(dòng)特征［67－73］。

對(duì)于長(zhǎng)周期地震動(dòng)（＜1Hz），確定性方法能夠很好的模擬，然而對(duì)于短周期分量，確定性方法表現(xiàn)較差，這是因?yàn)樵诙讨芷诘卣饎?dòng)包含較強(qiáng)的隨機(jī)性，地殼模型和破裂過(guò)程中存在不均勻性，因此單一固定的震源時(shí)間函數(shù)不能反映隨機(jī)性和不均勻性。

2.2 隨機(jī)性方法

隨機(jī)性方法是基于高斯帶限白噪聲的隨機(jī)振動(dòng)理論方法［74－75］，或者是基于小震的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)方法［76－78］，該方法適用于短周期（頻率一般大于1Hz）地震動(dòng)。前者在小震和遠(yuǎn)距離觀測(cè)的情況下考慮為點(diǎn)源模型［79］，在大震和近距離時(shí)考慮為有限斷層模型［80－81］。經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法是將研究區(qū)域符合要求的（主震震源機(jī)制和信噪比高的小震記錄等）地震記錄作為經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)模擬地震動(dòng)［82－83］，經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法已經(jīng)包含了場(chǎng)地效應(yīng)和路徑效應(yīng)等信息，因此不用再計(jì)算復(fù)雜的理論格林函數(shù)。經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的不足之處是難以模擬小震記錄匱乏的地區(qū)。

2.3 混合方法

混合方法是將確定性方法和隨機(jī)性方法結(jié)合起來(lái)利用各自的優(yōu)勢(shì)，在高頻段采用隨機(jī)性方法，在低頻段用確定性方法，在分別模擬后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母咄ê偷屯V波之后，在時(shí)域中疊加合成寬頻帶的強(qiáng)地震動(dòng)［84－88］。雖然混合方法利用了確定性方法和隨機(jī)性方法的優(yōu)點(diǎn)，但是混合方法也存在一定的局限性［89］，比如確定性信號(hào)結(jié)束與隨機(jī)信號(hào)開(kāi)始的銜接處容易產(chǎn)生反應(yīng)譜的畸變，而這段頻率往往是工程上關(guān)注的頻段范圍，因此混合方法還需要不斷地優(yōu)化。

3 地震動(dòng)數(shù)值模擬在物理地震危險(xiǎn)性分析的應(yīng)用

3.1 CyberShake項(xiàng)目

OWENS［90］提出將計(jì)算科學(xué)和地震科學(xué)結(jié)合起來(lái)之后，南加州地震中心（SCEC）的CME（Community Modeling Environment）項(xiàng)目頗受關(guān)注［29］。CME 項(xiàng)目旨在系統(tǒng)地研究地震科學(xué)，其重要目標(biāo)就是研究區(qū)域地震危險(xiǎn)性并為未來(lái)工程建設(shè)和震害防御提供科學(xué)依據(jù)。初期項(xiàng)目開(kāi)展后，SCEC 分為兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)。前者開(kāi)發(fā)基于Java程序的算法—OpenSHA［91］。OpenSHA 能實(shí)現(xiàn)多種地震危險(xiǎn)性概念計(jì)算包括ERF（地震預(yù)測(cè)模型）、IMR（烈度度量關(guān)系）和IMT（烈度度量類型），OpenSHA 能為CME 提供了更加靈活的建模環(huán)境，讓其在復(fù)雜計(jì)算需求下仍能適用。后者構(gòu)建南加州的三維速度模型（CVM-V3.0）［92－93］，其能反應(yīng)真實(shí)地層的起伏并為地震動(dòng)數(shù)值模擬提供更高的計(jì)算精度。模擬地震動(dòng)與觀測(cè)記錄的對(duì)比表明精細(xì)的三維速度結(jié)構(gòu)能更好地模擬地震動(dòng)的傳播。

烈度度量關(guān)系（IMRs）和地震破裂預(yù)測(cè)模型（ERFs）是計(jì)算PSHA 的兩個(gè)關(guān)鍵。ERF 是在給定確定場(chǎng)點(diǎn)條件下，能夠生成該區(qū)域可能發(fā)生的地震集合。此外，還能給出每一個(gè)地震的震級(jí)和發(fā)生概率等。這些地震的集合是根據(jù)歷史地震、斷層活動(dòng)性和斷層尺度等來(lái)確定的。IMR 是地震波隨距離的衰減關(guān)系。起初，IMR 使用的是經(jīng)驗(yàn)衰減關(guān)系，后來(lái)基于波形的IMR 發(fā)展起來(lái)（即后來(lái)的CyberShake 項(xiàng)目），SCEC 科學(xué)家們希望CyberShake能夠取代傳統(tǒng)的衰減關(guān)系來(lái)推測(cè)未來(lái)南加州地區(qū)的地震危險(xiǎn)性。

近年來(lái)，SCEC/CME 還開(kāi)展了多項(xiàng)研究。面向工程的地震動(dòng)模擬寬頻帶平臺(tái)（Broadband Plantform）［94－98］，基于物理的全概率地震危險(xiǎn)性分析項(xiàng)目——CyberShake［99－100］，高頻帶擴(kuò)展項(xiàng)目（High-F）［101］，基于三維層析成像技術(shù)的三維速度結(jié)構(gòu)模型（F3DT）等［31，102］。其中：CyberShake將確定性震源和波傳播效應(yīng)納入地震動(dòng)模擬中，由此來(lái)計(jì)算地震危險(xiǎn)性，計(jì)算流程見(jiàn)表1。為了更好地構(gòu)建南加州地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的地震危險(xiǎn)概率分析的精度和提高模擬的頻率上限，CyberShake 也在不斷的發(fā)展和完善，如ERF 的更新?lián)Q代和構(gòu)建更加精細(xì)的CVM等。

表1 CyberShake的計(jì)算流程［99］Table 1 The workflows of CyberShake

CyberShake 計(jì)算地震危險(xiǎn)性時(shí)，采用的是確定性震源，大量的計(jì)算不可避免，計(jì)算范圍內(nèi)的地震震級(jí)越大，產(chǎn)生的破裂變化也越多，因此計(jì)算會(huì)消耗大量的計(jì)算內(nèi)存和時(shí)間。為了能夠降低計(jì)算成本，利用互易定理（reciprocity）產(chǎn)生大量的格林應(yīng)變張量（SGT）來(lái)合成地震圖從而節(jié)約計(jì)算成本［34，103－104］。雖然利用互易定理降低了計(jì)算成本，但是互易定理的計(jì)算要求是彈性介質(zhì)［105－107］，難以反應(yīng)非彈性非線性的性質(zhì)。為了能將非彈性的性質(zhì)考慮進(jìn)地震動(dòng)模擬中，將近斷層的非彈性性質(zhì)納入到破裂模型的震源效應(yīng)里，將近地表的非彈性性質(zhì)納入到路徑效應(yīng)里，這樣即能保證其彈性介質(zhì)要求又能考慮非彈性影響。SCEC 還采用了一種新的范式（paradigm）來(lái)取代傳統(tǒng)震源效應(yīng)、路徑效應(yīng)和場(chǎng)地效應(yīng)的解耦計(jì)算［108－109］，在新的范式下，地震動(dòng)模擬可以計(jì)算非線性響應(yīng)，并且震源、路徑和場(chǎng)地效應(yīng)是耦合計(jì)算的，通過(guò)新的paradigm 能夠更加恰當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)斷層外的非彈性性質(zhì)和淺表地層的流變性質(zhì)。

不過(guò)，CyberShake 項(xiàng)目仍然具有局限性：①波動(dòng)場(chǎng)的計(jì)算模型是偽動(dòng)力學(xué)（運(yùn)動(dòng)學(xué)）震源模型，并非真正意義上的動(dòng)力學(xué)模型；②相對(duì)于工程感興趣的頻段（1～10 Hz），項(xiàng)目計(jì)算的最大截止頻率為1 Hz；③彈性計(jì)算條件限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的非彈性計(jì)算條件。這些都是需要面對(duì)的巨大難題，相信隨著認(rèn)識(shí)的增加和計(jì)算效率的提升，CyberShake會(huì)不斷地完善和發(fā)展有望在未來(lái)地震危險(xiǎn)性分析中扮演重要角色［110－115］。

確定性震源的地震動(dòng)模擬方法能夠模擬出盆地效應(yīng)和速度大脈沖等特征，能反應(yīng)特定地質(zhì)構(gòu)造下的地震動(dòng)特征，這是衰減關(guān)系難以做得到，但是CyberShake 目前還處在發(fā)展階段存在限制和不足如：地層速度結(jié)構(gòu)不夠精細(xì)和斷層系統(tǒng)的理解局限等，未來(lái)會(huì)隨著計(jì)算能力的加強(qiáng)和認(rèn)識(shí)探索的不斷深入，CyberShake極具潛力。

3.2 Recipe方法

ERC（Earthquake Research Committee）在2005 年出版了兩種日本國(guó)家地震災(zāi)害圖［116］：一種是基于PSHA的地震災(zāi)害圖；另一種則是指定震源斷層的地震災(zāi)害圖。前者是表明全國(guó)不同地區(qū)可能發(fā)生的強(qiáng)烈地震的可能性，而后者想要預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)各個(gè)地震共同作用下的強(qiáng)地震動(dòng)，ERC 把這種預(yù)測(cè)強(qiáng)地震動(dòng)的方法稱為Recipe 方法。Recipe 方法是由IRIKURA［117－118］提出的，其將地震動(dòng)的長(zhǎng)周期和短周期分量分別用有限差分法和隨機(jī)格林函數(shù)法計(jì)算，然后借此來(lái)預(yù)測(cè)由活斷層引發(fā)的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)。Recipe 方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于震源模型的建立，IRILURA 把震源參數(shù)分為三類：外部震源參數(shù)（outer fault parameters）、內(nèi)部震源參數(shù)（inner fault parameters）和額外震源參數(shù)（extra fault parameters）。

外部斷層參數(shù)包含整個(gè)斷層的幾何尺寸和地震矩。參數(shù)可由下式計(jì)算［119－120］：

式中：M0為地震矩；為平均應(yīng)力降；S為斷層面積；W和L分為是斷層的寬度和長(zhǎng)度；a和b分別取1.4 ×10-2和1。式（1）適用于地震矩小于1019Nm的情況和式（2）用于大于1019Nm的情況。

內(nèi)部斷層參數(shù)有凹凸體參數(shù)（包括面積、應(yīng)力降等）和加速度震源譜幅值（amplitude of acceleration source spectrum level）。內(nèi)部斷層參數(shù)表征斷層非均質(zhì)性的特點(diǎn)。參數(shù)可由下式計(jì)算［121－123］：

式中：Δσa為凹凸體上的應(yīng)力降；Sa為凹凸體面積；A0和Aa0分別是加速度震源譜幅值和凹凸體上的加速度震源譜幅值；β和vr分別是介質(zhì)中的S波傳播波速和破裂速度。對(duì)于內(nèi)陸地震SaS取0.22，對(duì)于俯沖型地震SaS取0.25。

額外斷層參數(shù)為破裂起始點(diǎn)和破裂速度。由這兩個(gè)參數(shù)定義破裂傳播的規(guī)律。對(duì)于內(nèi)陸地震，破裂規(guī)律主要和活斷層的特征相關(guān)［124］，其中俯沖型地震更多是參考?xì)v史地震的破裂規(guī)律。

Recipe方法預(yù)測(cè)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的流程圖和震源參數(shù)設(shè)置步驟分別如圖1-2所示。由①②求得特定地震的震源模型；由②③來(lái)估計(jì)格林函數(shù)。利用震源模型和格林函數(shù)預(yù)測(cè)地震動(dòng)，再由歷史地震數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬地震動(dòng)的合理性［125－130］。Recipe方法已經(jīng)在多次歷史地震上成功驗(yàn)證［131－132］，并且提出了多尺度空間異性的方法來(lái)驗(yàn)證更大型的地震（≥M8.0）［133－134］。對(duì)于歷史記錄缺乏的區(qū)域，由于震源模型難以預(yù)估，采用不確定性來(lái)刻畫(huà)未知震源參數(shù)［135］，隨著方法不斷修正完善，Recipe 方法適用性會(huì)更強(qiáng)。不過(guò)Recipe 方法仍然存在缺陷如：凹凸體的數(shù)量無(wú)法確定，在沒(méi)有地震記錄的地區(qū)，震源模型參數(shù)如何設(shè)置，地層速度結(jié)構(gòu)不夠精細(xì)等。

圖1 震源參數(shù)設(shè)置步驟Fig.1 The steps of setting source parameters

Recipe 方法利用了豐富的觀測(cè)資料和地層數(shù)據(jù)來(lái)刻畫(huà)震源參數(shù)，由此來(lái)模擬未來(lái)可能發(fā)生的地震動(dòng)。Recipe 方法充分利用地震記錄豐富的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)大量地震數(shù)據(jù)反演斷層震源信息，在應(yīng)用到未來(lái)可能發(fā)生的地震上。但是該方法在地震記錄較少的地方應(yīng)用困難，而且該方法對(duì)斷層內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定仍需要完善。

圖2 Recipe方法預(yù)測(cè)地震動(dòng)流程圖Fig.2 The flow chart of ground motion prediction by Recipe method

4 物理地震危險(xiǎn)性分析中地震動(dòng)數(shù)值模擬方法的展望

過(guò)去地震動(dòng)的模擬或預(yù)測(cè)在面對(duì)地震觀測(cè)記錄稀少、對(duì)地層速度結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有限和計(jì)算能力匱乏時(shí)，非常難以實(shí)現(xiàn)基于物理的地震動(dòng)模擬和預(yù)測(cè)。想要實(shí)現(xiàn)大范圍的多線程的計(jì)算從計(jì)算上和理論上都是比較困難的。地震動(dòng)數(shù)值模擬在近20 年來(lái)，發(fā)展極為迅速，不斷更新的計(jì)算模型和優(yōu)越的計(jì)算條件都為應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題提供了基礎(chǔ)。未來(lái)，地震動(dòng)數(shù)值模擬會(huì)是研究地震危險(xiǎn)性的重要手段，甚至朝向取代經(jīng)驗(yàn)衰減關(guān)系的目標(biāo)發(fā)展。雖然利用數(shù)值模擬在計(jì)算地震危險(xiǎn)性上存在許多的不足與局限，但不否認(rèn)其發(fā)展的潛力，在震害防御、抗震設(shè)防和工程結(jié)構(gòu)抗震中都會(huì)有廣闊的發(fā)展前景?；谏鲜鼋榻B，未來(lái)數(shù)值模擬在地震危險(xiǎn)性分析中的研究及發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

（1）將非彈性響應(yīng)嵌入到對(duì)應(yīng)計(jì)算程序中；構(gòu)建更加精細(xì)的三維速度模型；更好地確定震源參數(shù)。在彈性介質(zhì)中，如何將非彈性非線性的地震動(dòng)波動(dòng)現(xiàn)象高效和集中地模擬出來(lái)，是即將面對(duì)的一個(gè)難題。此外，還需要對(duì)三維速度結(jié)構(gòu)（特別是淺表地層）做更深的探索，比如采用密集節(jié)點(diǎn)列陣、光纖傳感器或者是激光雷達(dá)的方式來(lái)完善地層結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)這些措施增加對(duì)斷層系統(tǒng)的理解，提高計(jì)算頻率等。對(duì)于基于凹凸體的地震動(dòng)預(yù)測(cè)方法，如何更好的確定內(nèi)在斷層參數(shù)（凹凸體位置和數(shù)量等參數(shù)），也是需要面臨的重大挑戰(zhàn)，這將會(huì)是未來(lái)研究的一個(gè)方向。

（2）與經(jīng)驗(yàn)衰減關(guān)系的博弈?；跀?shù)值模擬的地震危險(xiǎn)性分析還處在一個(gè)研究、探索、驗(yàn)證和完善的過(guò)程。那么不可避免地會(huì)與經(jīng)驗(yàn)衰減關(guān)系作比較，最近的研究表明數(shù)值模擬的方法是可行的。那么到底是用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系還是地震動(dòng)數(shù)值模擬的結(jié)果作為預(yù)測(cè)參考？本人認(rèn)為目前還是以經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為主，地震動(dòng)數(shù)值模擬的方式作為修正。因?yàn)榈卣饎?dòng)數(shù)值模擬的方式尚處在發(fā)展和探索階段，并且研究區(qū)域較小，如若要擴(kuò)大應(yīng)用范圍、實(shí)際應(yīng)用到工程之中需大量時(shí)間和基礎(chǔ)工作。因此，在未來(lái)，基于地震動(dòng)數(shù)值模擬的地震危險(xiǎn)性分析會(huì)成為計(jì)算地震危險(xiǎn)性的常規(guī)手段，只不過(guò)還需不斷地發(fā)展、完善和論證。

（3）對(duì)我國(guó)的啟示。我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震活動(dòng)十分活躍，同時(shí)也是全球地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家。隨著西部戰(zhàn)略和海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，越來(lái)越多大型建筑都在山區(qū)及復(fù)雜地形環(huán)境中開(kāi)展建設(shè)，那么抗震設(shè)計(jì)可能難以適應(yīng)這些特殊地區(qū)的工程設(shè)防要求，而地震動(dòng)數(shù)值模擬能夠很好地彌補(bǔ)這一缺陷，通過(guò)震源模型和速度結(jié)構(gòu)模擬出地震波的傳播效應(yīng)，從而為特殊區(qū)域提供地震危險(xiǎn)性分析和提供設(shè)防依據(jù)。因此，地震動(dòng)數(shù)值模擬會(huì)是研究區(qū)域地震危險(xiǎn)性的重要手段之一。

數(shù)值模擬在物理地震危險(xiǎn)性分析上的發(fā)展還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。作為涉及計(jì)算科學(xué)和地震科學(xué)等多學(xué)科、具有重要現(xiàn)實(shí)意義和廣泛應(yīng)用的研究領(lǐng)域，研究地震危險(xiǎn)性將會(huì)成為地震動(dòng)數(shù)值模擬的重要研究方向。