震源初始破裂位置对地表地震动影响分析

胡进军， 谢礼立,2

(1. 中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨　150080；2. 哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨　150090)



震源初始破裂位置对地表地震动影响分析

胡进军1， 谢礼立1,2

(1. 中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨150080；2. 哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨150090)

地震时引起的地面运动是造成工程结构破坏的主要原因，因此对于地震动，特别是近场地震动的研究对于工程结构抗震有重要的意义。虽然目前全球已经获得了大量的强震记录，但是由于每次地震的强震记录都很有限，而且每次地震的震源参数和传播路径、场地条件也不尽相同，仅依据实际地震动研究各种因素对地震动的影响很困难，不能满足研究震源参数的变化对地震动影响的研究，因此采用数值方法模拟和合成不同震源参数产生的地震动是常用的手段之一[1-4]。

影响地震动的因素诸多，包括震源、传播过程、和场地条件等，在地震动数值模拟中，特别是对于采用运动学方法的数值模拟时，地震的主要震源参数一般是根据断层勘察或者地震定标律得到，而一些相对比较难以得到的局部参数仅作一般的假定，或者根据平均值得到。比如对于断层的初始破裂位置往往很难确定，但是不同的初始破裂位置可能会对地震动有重要的影响，而且实际地震表明不同的初始破裂位置造成的地面运动的分布和强度也有差别。因此，本研究的目的是采用数值模拟方法计算设定地震断层下不同初始破裂位置的地震动特征，从而为地震动模拟时合理选取地震震源参数提供参考依据[5-8]。

目前，在大多数工程结构的抗震设防地震动的确定和预测中，多是依靠经验的方法来确定设计地震动参数；但是对于一些重要的工程结构，需要精细化的地震动模拟方法，随着地震学和地震工程学等相关学科的发展，考虑地震震源破裂过程、地震波的传播过程，以及场地条件等来模拟和预测近断层强地面运动是解决实际近场工程问题的一个重要手段。近断层地震动由于受到诸多近场因素的控制和影响已经不能简化为一个点源。运动学模型方法、动力学模型方法和随机方法都是具有物理基础的理论模拟方法，根据采用的数值方法不同又可以分为有限元、有限差分等方法。由地震学家发展起来的运动学模型方法在模拟时需要详细的地震断层破裂过程的描述，比如，滑动分布、上升时间和破裂速度等，因此适合于场地相关地震动的模拟，且对于低频部分(<1Hz)的地震动模拟的较好。

1模拟方法和震源模型

本研究采用离散波数有限元法DW/FE[9]计算地震波在介质中传播的格林函数，考虑体波和面波，之后根据文献[10-12]的方法和表示定理计算有限断层产生的地震动。此方法可将断层的破裂过程设置的比较复杂，可考虑震源机制、断层破裂速度、倾角、滑动分布等参数的变化。

采用数值模拟方法分析断层的不同初始破裂位置对地震动的影响，需要首先建立了一个有限断层模型，为了便于产生方向性效应，本研究采用典型的垂直走滑断层模型，断层的局部和全局震源参数根据经验统计关系得到[6,8]，具体震源参数见表1，断层模型见图1，此模型与矩震级为6.4级的地震相当。

本研究设定了几个典型的震源初始破裂位置，初始破裂位置的设置依据来自于以下两点：① 本研究的主要目的是分析不同破裂初始点位置对地表地震动，特别是方向性效应的影响，而产生方向应效应的最有利条件是单侧破裂[2]，因此，将初始破裂位置设置在断层的端部；② 根据以往的对断层震源位置的反演和统计结果[8]表明，断层的初始破裂位置一般都在沿着断层下倾(宽度)方向的中下部位。因此，基于上述原因，设定了3个典型的初始破裂深度，将断层的初始破裂点分别设置在不同位置，包括沿着断层下倾方向的中心(H=5 km)、中下部(H=7 km)和底部(H=9 km)三种工况，其中H为破裂起始点到断层上界的距离。

地表观测点设置在沿着断层走向长120 km和垂直于断层走向70 km的范围内，间距为5~10 km。地壳速度结构采用典型水平成层速度模型[5,11-12]，参数见表2。由于介质模型中不包括土层参数，因此本研究分析中暂不考虑土层的影响。基于上述种工况，分别计算不同初始破裂位置下地表基岩观测点的地震动时程。

表1　模拟地震震源参数

表2　速度结构

图1　不同破裂起始点位置的断层模型和破裂时间等值线图Fig.1 Contour map of rupture time for different rupture initiation point

2地震动基本参数的分析

选取地震动的几个典型工程参数进行分析，包括峰值，反应谱和持时参数。并且分别对地震动的不同分量进行特征对比和分析，包括两个水平分量和一个竖向分量，下文选取有代表性的结果进行说明。

2.1时程特征

地震动时程曲线包含了地震动的诸多信息，包括峰值、频谱特性和持时特性，为了从整体上对比不同破裂初始点位置对整个时程特征的影响，图2以H=5.0 km和H=9.0 km两种工况为例，给出了与断层走向平行排列的一行观测点的垂直断层(FN)分量的加速度时程曲线，并将同一台站记录的不同初始破裂位置情况下的时程同时表示在一个图中进行对比，其中蓝色的实线代表H=5.0 km的时程，红色的点划线代表H=9.0 km的时程，图中Xs代表观测点到震中的水平距离。从图中可以看出，断层的破裂起始点位置对地震动的峰值有一定影响，破裂起始点靠近地表，地震动的峰值大，另外，破裂起始点位置对速度和位移时程的影响与加速度相似，但影响程度较小，故未列出图形。

图2　H=5.0和H=9.0 km时加速度时程的对比(FN分量)Fig.2 Variation of acceleration time histories for H=5.0 and H=9.0 km (FN component)

2.2峰值特征

峰值是地震动的最主要参数，一般认为其随着距离逐渐衰减。为了分析不同初始破裂位置对地震动随距离变化的影响，图3给出了平行于断层走向的一行观测点的地震动峰值变化情况。通过对比表明，断层的破裂起始点位置对地震动FN分量的峰值影响较大，即随着初始破裂位置的下移地震动FN分量的峰值降低，但是破裂起始点的位置对平行于断层分量(FP)的和竖向分量(UP)的影响较小。

图3　不同破裂起始位置时加速度峰值沿断层走向变化图Fig.3 Variation of peak ground acceleration along fault strike direction

图4　不同的初至破裂位置的加速度峰值等值线图的比较Fig.4 Comparison of peak ground acceleration contour map for different rupture initiation

为了研究初始破裂位置对地表地震动峰值场分布特征的影响，分别对不同初始破裂位置的地震动峰值场特征进行对比，图4以FN分量加速度峰值为例，分别给出了初始破裂位置为H=5.0 km和H=9.0 km时加速度峰值的等值线图。通过对地震动峰值场特点的分析表明：断层上初始破裂位置主要影响地震动的幅值，初始破裂位置越深地表地震动的峰值越小，但破裂前、后方的地震动之间的方向性差别依然存在，并且破裂起始点对此影响不大。对速度和位移峰值参数的影响依次减弱，而且对FN、FP和UP分量的影响也依次减弱。

2.3反应谱特征

地震动反应谱参数也是一个典型的代表地震动工程特性的参数，本研究分析了不同初始破裂位置下反应谱沿着距离的变化。图5以不同破裂初始位置下平行于断层走向的一行观测点为例，给出了平均反应谱的对比，其中(a)为FN分量，(b)为FP分量。图6给出了不同破裂起始点位置时加速度反应谱沿断层走向的变化。分析表明，随着破裂初始位置的下移，各观测点和各周期对应的反应谱值降低，但是其沿破裂方向的变化趋势没有改变，也就是说断层的初始破裂位置对反应谱的方向性特征影响不大，另外速度和位移反应谱的特征与加速度相似。

图5　不同破裂起始点位置时沿断层的平均加速度反应谱Fig. 5 Averageresponses for different initiation rupture point

图6　不同破裂起始点位置时加速度反应谱沿断层走向的变化Fig.6 Variation of response spectra along fault for different initiation rupture points

2.4持时特征

地震动持时长短也是造成工程结构破坏的原因，本研究采用90%能量持时来分析初始破裂位置的影响。如图7所示，将不同初始破裂位置下地表观测点沿断层走向的一行的各点的地震动的能量持时表示在图上，从图中可以看出，初始破裂位置的下移使得各分量的持时在破裂的前方略有增大，但是变化幅度不大。

图7　不同破裂起始位置时加速度持时沿走向变化Fig.7 Variation of duration for different initiation rupture point

图8给出了加速度的FN分量的不同初始破裂位置(H=5.0 km和H=9.0 km)的持时等值线图。对持时的等值线分布图的分析表明：断层的破裂起始点位置对持时的方向性特征影响不大，而且对各分量的影响相似，即随着破裂起始位置的下移地震动的持时略有增加。

图8　不同初始破裂位置时加速度持时等值线图Fig.8 Contour maps of duration for different initiation rupture point

3结论与讨论

本文采用数值模拟方法，通过改变断层的初始破裂点位置，建立了3个初始破裂位置不同的断层模型，分别计算每种工况下的设定观测点的地震动。对各观测点地震动的峰值、反应谱和持时参数研究表明：

(1) 初始破裂位置越接近地表，地震动的峰值越大，而且初始破裂位置对地震动的加速度影响最大，对速度和位移的影响很小；断层的初始破裂位置对地震动的FN分量的峰值影响较大，即随着初始破裂位置的下移地震动FN分量的峰值降低，但是初始破裂点的位置对FP和UP分量的影响很小。

(2) 初始破裂位置越靠近断层的下缘，地表各观测点的反应谱谱值降低，但是其沿破裂方向的变化的基本趋势没有改变，也就是说断层的初始破裂位置对反应谱沿破裂方向的方向性分布特征影响不大。

(3) 初始破裂位置的变化对持时的影响不大，不同破裂起始位置的持时在破裂前方的域持时较小且很接近，随着初始破裂位置的下移持时略有增大。

需要说明的是，本研究采用了一个简单的垂直走滑断层模型，而且并没有考虑不同震源机制、场地条件、地形等因素的影响，由于没有考虑这些相关影响地震动因素的影响，得到的结果实际上是一个定性的描述。如果要想得到定量的结果，就需要对大量的不同初始破裂位置地震下的地震动进行统计和分析，但是目前满足这样条件的地震动记录非常稀少，因此，本研究的结果可作为定量研究的参考。

参 考 文 献

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第一作者 胡进军 男，博士，副研究员，硕士生导师，1978年生

摘要：近断层地震动受地震震源参数的影响显著，基于典型的地震有限断层模型，通过离散波数有限元数值模拟方法，计算了断层上可能的三种不同初始破裂位置条件下的一系列地表场点的地震动时程，比较不同初始破裂位置对地震动参数的影响，结果表明：① 初始破裂位置越靠近地表，地震动的峰值越大，而且初始破裂位置对地震动的加速度影响最大，对速度和位移的影响较小；② 对地震动不同分量的分析表明，初始破裂位置对地震动的垂直断层分量影响较大，对平行断层和竖向分量影响很小；③ 初始破裂位置深度的增大会降低地表地震动的幅值，但是断层破裂不同方向上的地震动幅值相对差异仍然存在。因此，断层面上的初始破裂位置也是地震动模拟和预测中需要考虑的一个重要因素。

关键词：地震断层；初始破裂位置；地震动参数；数值模拟

Effect of initial rupture location of earthquake source on ground motions

HUJin-jun1,XIELi-li1,2(1. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China; 2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Abstract:The near-field ground motion is seriously affected by source parameters of earthquake. Based on a typical finite fault model, by using a discrete wavenumber finite element method, the time histories of ground motion were calculated with different initiatial rupture locations. Through the analysis of typical ground motion parameters, the results indicate: the closer the initiatial rupture location to ground surface, the greater the peak value of the ground motion; the acceleration is much more sensitive to the initiatial rupture location than the velocity and displacement; the fault-normal component is more sensitive to the initial rupture location than the fault-parallel or vertical component; although the location of initiatial rupture may affect the amplitude of ground motion, the directivity features of ground motion still exist in different situations. Thus, the location effect of initial rupture of earthquake source should be considered for ground motion modeling and prediction.

Key words:earthquake fault; initiatial rupture location; ground motion parameters; numerical modelling

中图分类号:TU315

文献标志码：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.011

收稿日期：2015-04-08修改稿收到日期：2015-06-30

基金项目：国家自然科学基金重点和面上项目(51238012, 51578516)；国家重点基础研究发展计划项目(2011CB013601)；国家国际合作项目(2012DFA70810)；黑龙江省青年科学基金(QC2011C058)；中国地震局工程力学研究所基本科研业务专项(2011B02)