汶川M S 8.0地震近断层强地面运动特征

谢俊举

(中国地震局地球物理研究所,北京 100081)

汶川MS8.0地震近断层强地面运动特征

谢俊举

(中国地震局地球物理研究所,北京 100081)

详细研究2008年5月12日汶川8级地震近断层强地面运动时空分布特征,对揭示这次地震灾害分布特点及其成因具有重要意义。本文较为系统地研究了汶川地震近断层地震动特性(峰值、持时、不同周期的反应谱加速度值)的空间分布及其衰减特征,分析了断层距、场地条件、方向性效应和上盘效应等多种因素对近断层地震动特性的影响,研究了近断层速度脉冲的周期和幅值特征,提出了考虑重力影响的层间位移谱分析方法,基于此方法分析了汶川地震近断层速度脉冲的结构地震反应特性。此外,还研究了近断层地震动强度和频率时变特性,比较了不同方位近断层强震波形的差异,分析了近断层强震波形的震相。

(1)开展了汶川地震强震记录基线校正方法研究。以GPS同震位移作为参考对强震记录进行基线校正,分析了基线偏移对PGA,PGV,PGD,永久位移及加速度和位移反应谱的影响。研究结果表明:①需针对强震记录基线偏移的原因及偏移量大小,分别选取不同的方法进行校正。对于距断层较远、加速度幅值较小的记录,可采用BAP程序进行校正;对于主要受倾斜影响的近断层记录,应采用拟合速度方法或分段校正方法;②基线的偏移对PGA影响不大,对周期小于10 s的反应谱值影响较小,但对PGV、PGD及永久地面位移的影响较大。

(2)研究了近断层地震动强度的空间分布及其衰减特征,对比分析了竖向与水平向峰值加速度及峰值速度的空间分布及其衰减特征,利用残差分析方法研究了场地条件、上盘效应和方向性效应对地震动峰值的影响。研究表明:①最大的地震动峰值集中分布在以北川—映秀主断裂为核心距断层30 km的一个狭长的区域内。龙门山地区的PGA衰减较慢,峰值速度比NGA预测的结果要小。近断层强震记录有显著的永久地面位移,断层南北向运动较东西相向逆冲运动要弱;②近断层竖向地震动强烈,竖向/水平向的加速度峰值之比可达1.5;③上盘效应在断层距60 km以内非常显著,上盘的PGA观测值要比预测值大30%～40%,受方向性效应的影响,断层破裂的正向上地震动PGA、PGV要比反向上明显偏大。

(3)选取5%～95%能量持时研究了汶川地震地震动持续时间长度及其空间分布特征,分析了断层距、场地条件、方向性效应和上盘效应对地震动持时的影响,对比分析了竖向与水平向地震动持时长度特点。研究表明:①长持时是汶川地震地震动的显著特征,能量持时长度为60～120 s,接近以往预测模型的2～3倍;②地震动持时受场地条件的影响较小,不同场地上的持时没有呈现出明显的系统差异;③地震动持时的分布受方向性效应影响显著。长持时主要分布在破裂传播方向相反的地区,破裂传播的正向上的持时明显较短,持时长度比平均值短40%左右;④地震动持时受上盘效应的影响较弱,在断层上盘和下盘的持时长度没有明显差别,持时长度都接近拟合得到的平均值;⑤两个水平分量之间的持时长度差别较小,而竖向与水平分量的差别较大。

(4)研究了不同周期加速度反应谱值的空间分布及其衰减特征,分析了距离、场地条件、方向性效应对反应谱形的影响,研究了竖向/水平向加速度反应谱值之比的空间分布及不同断层距范围内反应谱比曲线特征。分析表明:①汶川地震地震动的长周期成分较弱,加速度反应谱值随周期增大迅速减小;②在断层距小于60 km范围内,反应谱形受方向性效应的影响较为显著;③近断层区域不同周期段的竖向/水平向加速度反应谱值之比的分布有明显差异,竖向/水平向的平均加速度反应谱值比曲线随周期和断层距变化有明显差异。

(5)研究了近断层速度脉冲的周期、幅值特征及其结构反应特性。①研究了汶川地震近断层速度脉冲周期和幅值的特点,分析表明汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点。②研究了重力作用对结构地震反应影响,利用Bessel级数给出了考虑重力作用下的剪切梁振动问题的解析解,并基于重力剪切梁模型提出了一种考虑重力影响的层间位移谱计算方法,系统分析了重力系数和结构阻尼对层间位移谱的影响。研究表明重力作用会增大结构的层间位移响应,尤其在周期小于2 s时,重力作用对层间位移的影响非常显著。层间位移谱的位移值随结构阻尼的增大减小,同时阻尼的增大使得层间位移谱曲线变得更加平滑。③基于本文提出的层间位移分析方法研究了汶川地震近断层速度脉冲的结构反应特性,研究表明速度脉冲记录的结构地震反应特性与非脉冲记录的地震反应特性有显著的不同。速度脉冲对长周期结构的影响显著,而非脉冲记录对长周期结构的影响较弱,沿垂直断层走向方向的速度脉冲层间位移谱值比平行断层走向方向的层间位移谱值大,垂直断层分量的层间位移谱幅值可以达到平行断层方向的2倍。

(6)分析了汶川地震近断层强震波形及其时变特性。①研究了近断层不同方位强震记录波形的差异,分析了近断层强震波形的震相,进而估算了断层的破裂速度。分析表明沿映秀—北川断裂,不同方位的加速度波形和速度波形差异很大,映秀—北川段断层的平均破裂速度为3.15 km/s,在映秀—北川段,断层的破裂由南到北是逐渐加速的。②利用强度时间函数和小波分析方法分析了强震记录的时变特性,研究表明近断层地震动的强度和频率时间过程具有显著的非平稳特征,空间方位、场地条件和方向性对地震动波形的时变特性有显著影响。

(作者电子信箱,谢俊举:xiejunju@163.com)

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.03.019

汶川地震;近断层地震动;基线校正;反应谱;永久位移;断层距;方向性效应;持时;空间分布;层间位移谱;小波谱;速度脉冲