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日本福冈地震近场地震动合成研究# 吴迪* 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20094410120002）；国家重点基础研究发展计划 （2011CB013606）；国家自然科学基金(51108105) 作者简介：吴迪（1978-），男，副教授，工程抗震. E-mail: wudiwdzooo@gmail.com （地震工程与应用技术广东省重点实验室（广州大学）） 5 摘要：本文根据断层位错分布、破裂过程、传播路径等研究结果，选取玄海作为近场研究台 站，采用层状半空间的理论格林函数方法，合成日本福冈地震近场地震动。并将合成结果与 观测记录进行比较，发现两者的波形基本一致且峰值大小接近。当频率在5Hz 以内，合成 所得加速度Fourier 幅值谱与观测结果基本一致。研究结果表明，场地情况不是特别复杂的 情况下，采用层状半空间格林函数方法能有效估计福冈地震的近场地震动；同时，可利用本 10 文所采用的震源参数研究福冈地震远场地震动及其对中国东部地区的影响。 关键词：格林函数；福冈地震；近场；震源参数 中图分类号：P315.2 Research on Strong Ground Motion Simulation of Near-field 15 Ground Motion of Fukuoka Earthquake DI WU (Key Laboratory of Earthquake Engineering and Applied Technique of Guangdong Province(Guangzhou University)) Abstract: The slip distributions on the fault, the source rupture process and the other seismic 20 parameters of Fukuoka earthquake determined by Japan researchers are accepted in this paper. The Genkai station is chosen as a site to analyze the Fukuoka Earthquake wave in near field by using the Green’s function method for a layered half-space. A comparative study of the acceleration time history of the calculated results and records are carried out. The waveforms of the calculated results are in good agreement with those of the observed records at the Genkai 25 station, and the Peak Values in the calculated results are close to that of the records. The Fourier spectra of the calculated acceleration time history are basically identical with those of the records while the frequency is below 5. A conclusion is draw that the near-field ground motion of Fukuoka earthquake can be effectively estimated by the method of computing Green's functions for a layered half-space in the condition of the uniform geologic site. The seismic parameters of 30 Fukuoka earthquake are helpful to study the near-field and far-field ground motions and the influence on eastern China including Shanghai. Key words: Green’s function; Fukuoka earthquake; near-field; ground motions 0 引言 35 据日本NHK电视台21日报道，日本福冈县以西海域2005年3月20日上午发生的里氏7级 地震造成的伤亡人数已升至673人。截至21日下午6时，这次地震共造成福冈县、佐贺县和长 崎县1人死亡、672人受伤。地震还造成16幢民房完全倒塌、159幢民房部分倒塌。7级地震后 还发生了113次余震[1]。日本九州福冈海岸以西发生里氏7.0级地震[2]。震中距离上海930公里， 但上海市东南区域部分15层以上的高层居民有震感[3]。虽然日本是地震多发国，但此次地震 40 对日本局部地区所造成的灾害却比较严重；这也是本次地震得到日本地震学研究者高度关注 的重要原因之一。部分日本学者对该次地震断层破裂过程、衰减关系、日本九州岛及其受影 响区域场地条件进行全面分析。例如，Sekiguchi等[4]采用多时间窗线性波形对福冈地震进行 反演，得到福冈地震的地震矩为19 M0 =1.15x10 Nm，矩震级为M 6.6 W = 。 本文希通过格林函数方法研究福冈地震近场地震动，利用地震断层位错分布、破裂过程、 45 传播路径和日本福冈地区丰富的台站数据库等，合成福冈地震近场地震动。这些参数的收集、 研究和地震动合成，有助于将来进一步研究该次地震远场地震动对中国东部地区的影响。 1 层状半空间格林函数解析方法 层状半空间格林函数解析方法是依据场地的地壳结构建立计算模型。它建立在严格的理 论推导和计算地震学的基础上，波的传播采用格林函数表达，并考虑断裂和上覆盖层速度结 50 构的影响。Aki和Larner[5],Koketsu[6] 和Koketsu等[7]相比随机法更严格,属于合成和预测强 地震动所用的宽频带格林函数法。震源表达为在一个延伸的断裂面上的剪切位错双力偶点源, 格林函数中包括体波和面波，可以准确地表示出它的辐射模式和大于0.5s的长周期段降低、 平缓的趋势。当不考虑体力和应力的间断性时,在断层面内一个分界面两侧的位移间断所引 起的弹性位移如下[8]： ( ; ) [ ( , )] ( , , , ) ( ) , = ∫ τ ∫∫ ζ τ υ ζ τ Σ ζ Σ +∞ −∞ u x t d u c G x t d 55 k f jkpq k ip q (1) 式中， jkpq c 是断层介质的弹性模量； k υ 为断层面法向的方向余弦；G (x, t,ζ ,τ ) ip 为断层面 上ζ点与观测点x之间的路径效应,即格林函数； ( , , , ) , G x t ζ τ ip q 是ip G 对q ζ 的导数。 但是，当震源与所计算的台站深度比较接近的情况下，采用动力格林函数解析方法进行 计算场地位移和应力时，会出现解难以收敛的情况。对此， Luco和Apsel[9]提出一种渐进线 60 积分方法的计算方法，有效的解决此问题格林函数积分难以收敛的问题。该过程可以总结为 如下公式： G {(V V~)b (H H~ )b}dk S V~ H~ 0 1 2 = ∫ − + − + Δ + Δ +∞ (2) 其中，G 为位移和应力格林函数， j b 为贝塞尔函数， S 为正弦函数， k 为水平波速，V 和 H 分别为P-SV波和SH波的位移应力向量，V~ 是V 在k趋于无限大时的渐进解， ΔV~ 是V~ 的 积分，H~ 是H 在k趋于无限大时的渐进解， ΔH~ 是H~ 65 的积分。但是，在求解震源与研究位 置深度接近情况下，Luco和Apsel[9]提出的解析方法在求解时比较难于收敛。于是，Hisada[10] 对该渐进线积分方法进一步做了修正，并使格林函数解析方法能够有效的求解层状半空间中 任何位置的地震位移和应力。本文考虑采用Hisada[10]提出的格林函数解析方法对福冈地震 进行近场的地震动合成。 70 2 理论格林函数法合成日本福冈近场地震动 层状半空间格林函数解析方法是依据场地的地壳结构建立计算模型。它建立在严格的理 论推导和计算地震学的基础上，波的传播采用格林函数表达，并考虑断裂和上覆盖层速度结 构的影响。Aki和Larner[5]日本地震调查所研究者和Sekiguchi等[4]分析了此次地震断层的倾 角和时空破裂过程，研究表明此次福冈地震断层是单独走滑断层，并采用F-net矩张量方法 75 求解此次地震震源参数见表1。 表1 福冈（M 6.6 w = ）地震震源参数 [4] Tab.1 Seismic parameters of Fukuoka Earthquake（M 6.6 w 80 = ） 走向 ϕ /(°) 倾角 λ /(°) 地震矩 / dyne ⋅cm 震源尺寸 /km 应力降 /bar 震源深度/km 平均位错 /m 122 87 1.15×1026 26×18 8.7 14 0.8 断层的破裂速度为2.1km/s 。根据地震矩与应力降和断层几何尺寸的关系[11]，可推得 断层平均应力降为Δσ = 8.7bar 。京都大学防灾研究所通过波形反演得到断层位错分布如 图1，并给出日本福冈地震的震中、断层、监测台站的位置和地表海拔高度。 图1 日本九州福冈地震断层的位错分布图[12] 85 Fig.1 Final slip distribution of the main shock estimated from the inversion. 根据图中位置坐标可以确定近场玄海台站的有关参数[13]如下： 表2 玄海台站的坐标参数[13] 90 Tab.2 Parameters of station GENKAI 观测点名 北纬 东经 地表标高(m) 台站设置深 度(m) 玄海 （GENKAI） 33.85 130.55 25 200 将断层划分为2km × 2km 的子断层，每个子断层被划分为6个时间窗，每个时间窗采 用平滑时间窗函数，时间窗的上升时间为1.0s，时间窗间隔为0.5s。根据图1反演得到福冈 地震断层各个时间段的位错量。日本国家地震灾害研究所[13]提供了地震近场地区玄海台站 95 的场地条件和地震记录资料，本文所采用的玄海台站场地情况可见表3。 表3 玄海台站场地条件参数[13] Tab.3 Site condition at station GENKAI 土层名称 容重（ t/m3 ） P波速（ m/s ） S波速（ m/s ） S波的品质因 子 基岩 2.65 5500 3000 310 100 根据以上地震震源参数和玄海台站的场地条件[14]，本文采用层状半空间格林函数方法 的程序计算得到玄海台站基岩地震动加速度时程，与该台站的时程记录比较见图2和图3。 0 20 40 60 -300 -200 -100 0 100 200 300 Acceleration(cm/s/s) time(s) Simulation at KITAKYUSHU (EW) Record at KITAKYUSHU (EW) 0 20 40 60 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 Acceleration(cm/s/s) Time(s) Simulation at Shanghai (NS) Recorded KITAKYUSHU (NS) 图2 玄海台站基岩地震动加速度合成结果和实际记 录比较（南北方向） Fig.2 Observed acceleration and synthesized acceleration of main shock in NS direction at station GENKAI 图3 玄海台站基岩地震动加速度合成结果和实际记 录比较（东西方向） Fig.3 Observed acceleration and synthesized acceleration of main shock in EW direction at station GENKAI 通过图2和图3的比较可知，南北和东西方向地震波加速度时程的波形相近。玄海台站合 成结果和观测记录的加速度峰值比较情况见表4。 105 表4 玄海台站的加速度观测记录和模拟结果的峰值比较（单位：Gal） Tab.4 Observed and synthesized peak accelerations at the station GENKAI (Gal) NS方向 EW方向 观测记录 228.31 228.34 合成结果 179.73 244.00 对该南北和东西方向的基岩地震动加速度时程进行Fourier变换，得到玄海台站南北和 110 东西方向基岩地震动的加速度Fourier幅值谱，如图4和图5所示。 图4 玄海台站南北方向观测记录与合成结果的 Fourier幅值谱 Fig.4 Fourier amplitude spectrum of the observed (solid line) and synthesized (broken line) accelerations of the main shock in NS direction at station GENKAI 图5 玄海台站东西方向观测记录与合成结果的 Fourier幅值谱 Fig.5 Fourier amplitude spectrum of the observed (solid line) and synthesized (broken line) accelerations of the main shock in EW direction at station GENKAI 通过图4 和图5 的合成结果与观测记录的加速度Fourier 幅值谱比较发现，当频率在5Hz 以内，合成结果的Fourier 幅值与观测记录的幅值谱基本一致。 3 结论 115 本文对日本福冈地震断层的破裂过程和滑移分布等地震震源参数进行收集并整理，根据 原创学术论文网Tag：代写论文 代发论文 代写代发论文 代写硕士论文 |
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