一种估计情景地震高概率宽频带地震动的方法与流程

本申请涉及一种估计情景地震高概率宽频带地震动的方法，适用于地震服务的。

背景技术：

1、地震灾害中，工程结构的破坏和倒塌主要是由强烈的地震动造成，强震动也是造成地基失效、滑坡等其他灾害的外部条件。地震工程学界普遍认识到近场强地震动预测对减轻未来大地震造成的灾害和指导重大工程建设的抗震设计具有重要作用。研究表明模拟强地震动最有效的方法之一是利用震源区附近观测到的小地震波形来模拟大震的强地面运动特征。由于小震波形中包含真实的震源破裂过程、传播介质以及浅表场地响应的复杂性影响，所以用小震波形合成的大震在一定程度上也包含这些复杂性信息，这是格林函数方法最独特的优势。经验格林函数方法是既有成果和理论，可以作为数值模拟工具，是指通常使用可以从公开的地震数据库中开放获取的小震记录数据作为格林函数，来合成大震地震动。将大地震震源看作是由一系列子震震源构成的，选择一个大小合适的余震或者前震记录作为格林函数，将小震等同于子震，按照一定的破裂方式，将这些经验格林函数叠加得到大震地震动时程。

2、但目前为止，经验格林函数方法的研究对象都是有观测数据的大地震，即模拟结果基本是唯一和确定的答案，而对于情景地震或者缺少地震记录的区域应用较少。以往因受小震记录少的限制，经验格林函数方法的应用优势不如随机有限断层方法、谱元法、fk方法、离散波数法、有限差分方法等方法，尤其对区域地震动场模拟的优势更不明显，最大的原因在于一般情况下难以找到与主震具有相同震源机制的小震。具体地，以往经验格林函数方法应用的主要限制因素包括小震记录不够多，且要根据目标地震的震源机制选择具备相同或者相似震源机制的小震事件。

3、随着地震监测能力的提高和小震事件数量的积累，缺少小震波形的情况极大改善，尤其是在大型地震断裂带区域的小震事件足够丰富，符合经验格林函数方法的小震事件的数量将大大增加。因此，除了有实际地震波形的大地震以外，经验格林函数方法研究的对象还可以包括历史大地震的地震动特征估计、未来地震的情景地震的地震动特征估计等。

技术实现思路

1、本申请的目的是设计一种估计情景地震高概率宽频带地震动的方法，可以获得典型位置处更具备代表性的高概率宽频带加速度波形，从而为典型位置的震害模拟分析提供更可靠的地震动输入，进而获得更加经济可靠且更为精细化的抗震减灾方案，为防震减灾规划提供科学依据。

2、本申请涉及一种估计情景地震高概率宽频带地震动的方法，包括以下步骤：

3、(1)确定要计算地震动的位置；

4、(2)选择适合该位置的小震加速度波形作为格林函数；

5、(3)考虑震源参数的多种不确定性因素，将所有参数进行排列组合获得所有可能的震源参数组合情景；

6、(4)将模型参数以及小震波形输入到相应的地震动模拟方法中获得不同频段的地震动加速度波形；

7、(5)将高频加速度波形和低频加速度波形分别进行滤波，高频率加速度波形保留1.0-25.0hz范围内的地震动成分,低频率加速度波形保留0.05-1.0hz范围内的地震动成分，并将两部分加速度波形在频域内1.0±0.5hz处进行叠加获得宽频带加速度波形；

8、(6)将获得的所有情景的宽频带加速度波形，选择多种地震动预测模型对波形进行初步筛选，获得所有符合典型位置地震动强度的加速度波形；

9、(7)将步骤(6)获得的所有符合典型位置地震动强度的加速度波形转化成加速度反应谱进行二次筛选，剔除不符合要求的加速度反应谱；

10、(8)将步骤(7)筛选出来的所有符合情景的宽频带地震动加速度波形的pga和速度波形的pgv进行统计，获得该位置pga和pgv的概率分布特征，获得出现频度最大的pga和pgv的范围，将该范围内对应的加速度波形和地震动参数作为最终获得的典型位置高概率地震动特征及加速度波形。

11、其中，在步骤(2)中，可以将筛选出来的所有小震的加速度波形进行如下处理：截取自p波初动之后的一段时长的时程波形作为合成大地震的格林函数；截取出来的数据段进行基线校正和滤波处理，将所有符合条件的小震波形分别引入经验格林函数方法中，以合成目标地区的高频率地震动加速度波形。

12、其中，在步骤(3)中，所述参数可以包括破裂尺度，在设定震级确定之后，根据震级ms与地震矩mo的经验关系获得地震矩mo，然后参照破裂面积s与地震矩mo之间的经验关系确定断层破裂面积s；再将断层假定为矩形，长l和宽w的比例分别为l＝2w或者l＝3w，获得断层破裂面的长度和宽度。优选地，在步骤(3)中，所述参数还可以包括断层面上的凹凸体相关参数，所有凹凸体的形状为矩形，长宽比例为2：1，凹凸体的数量设置为1个、2个或3个。进一步，在步骤(3)中，所述参数还可以包括破裂速度与剪切速度的相关系数，其中剪切波速vs和破裂速度vr满足vr＝α*vs；对于亚剪切破裂地震，相关系数α的取值范围为0.6-0.9；对于超剪切破裂地震，相关系数α的取值范围为1.2-1.5。

13、其中，在步骤(3)中，所述参数可以包括大小地震应力降的比值c和划分子断层的数量n值，根据以下步骤计算获取：

14、首先，根据震级ms和地震矩mo的经验关系、破裂面积s和地震矩mo的经验关系，求得设定震级的mo和s，其中，

15、lgmo＝1.05706ms+18.78688，lgs＝0.54176lgmo-4.38789

16、利用上述公式，根据大地震和小地震的不同震级ms，可以分别求出大地震和小地震的地震矩mo，分别记为mlarge和msmall；还可以求出大地震和小地震的破裂面积，分别记做slarge和ssmall；

17、其次，根据brune圆盘模型，分别求得大地震的等效半径和小地震的等效半径再按照下述公式求出c值：

18、

19、式中，masperity为凹凸体的地震矩，masperity＝0.44×mlarge；rasperity为凹凸体的等效直径，δσasperity为凹凸体的应力降，δσsmall为小震的应力降；

20、再将c值、大小地震的地震矩mlarge和msmall代入下式求得n值：

21、

22、其中，在步骤(4)中，可以将步骤(3)获得的充分考虑震源参数不确定性的震源参数和步骤(2)获得的小震加速度波形输入到经验格林函数方法中，获得所有可能的高频率加速度时程波形；在步骤(6)中，可以提取所有宽频带地震动加速度波形的峰值地面加速度，根据地震动预测方程和加速度反应谱的离散性大小进行筛选，去除不符合条件的加速度波形。

技术特征：

1.一种估计情景地震高概率宽频带地震动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，将筛选出来的所有小震的加速度波形进行如下处理：截取自p波初动之后的一段时长的时程波形作为合成大地震的格林函数；截取出来的数据段进行基线校正和滤波处理，将所有符合条件的小震波形分别引入经验格林函数方法中，以合成目标地区的高频率地震动加速度波形。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述参数包括破裂尺度，在设定震级确定之后，根据震级ms与地震矩mo的经验关系获得地震矩mo，然后参照破裂面积s与地震矩mo之间的经验关系确定断层破裂面积s；再将断层假定为矩形，长l和宽w的比例分别为l＝2w或者l＝3w，获得断层破裂面的长度和宽度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述参数包括断层面上的凹凸体相关参数，所有凹凸体的形状为矩形，长宽比例为2：1，凹凸体的数量设置为1个、2个或3个。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述参数包括破裂速度与剪切速度的相关系数，其中剪切波速vs和破裂速度vr满足vr＝α*vs；对于亚剪切破裂地震，相关系数α的取值范围为0.6-0.9。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述参数包括破裂速度与剪切速度的相关系数，其中剪切波速vs和破裂速度vr满足vr＝α*vs；对于超剪切破裂地震，相关系数α的取值范围为1.2-1.5。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述参数包括大小地震应力降的比值c和划分子断层的数量n值，根据以下步骤计算获取：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，将步骤(3)获得的充分考虑震源参数不确定性的震源参数和步骤(2)获得的小震加速度波形输入到经验格林函数方法中，获得所有可能的高频率加速度时程波形。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，提取所有宽频带地震动加速度波形的峰值地面加速度，根据地震动预测方程和加速度反应谱的离散性进行筛选，去除不符合条件的加速度波形。

技术总结
本申请一种估计情景地震高概率宽频带地震动的方法，包括以下步骤：确定要计算地震动的位置，选择适合该位置的小震加速度波形作为格林函数，将模型参数以及小震波形输入到相应的地震动模拟方法中获得不同频段的地震动加速度波形，将获得的所有情景的宽频带加速度波形，选择地震动预测模型对波形进行筛选，获得所有符合典型位置地震动强度的加速度波形并转化成加速度反应谱，将筛选出来的宽频带地震动加速度波形和速度波形进行统计，获得该位置PGA和PGV的范围，将该范围内对应的加速度波形及相应的地震动参数作为最终结果。

技术研发人员：李宗超,孙吉泽,纪志伟,高孟潭,谢俊举
受保护的技术使用者：中国地震局地球物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12