基于强震动记录的地面变形和震源过程研究

The observation and research of strong motion provides the essential data for the seismic disaster prevention and reduction. At present, the peak value and response spectrum of strong motion are mainly employed in engineering practice. However, there is lack of systematic study on the ground tilting and coseismic ground displacement in near-fault area, which are obvious observed in some strong earthquakes,for example,Wenchuan earthquake. Meanwhile, for the complication of the source process, the inferred results of earthquake source by using the long period teleseismic data is hard to truely simulate the near-fault strong motion field, which is highly dependent on the fault rupture process. Based on the near fault strong motion database of mediate and strong earthquakes, the near-fault ground deformation mainly including the ground tilts and coseismic displacement will be estimated in this project. And the relationship between ground deformation and earthquake magnitude, major rupture distribution, fault distance will be systematically studied. With the combination of parallel finite element calculation and nonlinear inverse method, the inversion of rupture process using strong motion data,which is more engineering related and richer of souce information, will be researched and will applied in Wenchuan earthquake.The uncertainty and optimization will be discussed. The strong motion field and deformation field at the near-fault will be simulated with the inverse result and the excitation mechanism causing the local high-energy will be studied. The comprehension and application extent of strong motion data will be improved by the study. The rupture process of earthquake source and its effect will be more clearly understood, and the development of strong earthquake seismology will be promoted.

强震动观测和研究为防震减灾提供基础数据，目前对于强震动记录的应用主要是峰值和反应谱，而汶川地震等地震表明近断层区域会发生较大的地面倾斜和永久位移，但目前缺少对其系统的研究。同时由于断层破裂过程复杂，利用长周期远场测震数据反演的震源结果难以较好地模拟对破裂过程高度依赖的近断层强震动场。本研究拟利用中强震和大震的强震动数据，研究以地面倾斜和同震位移为主的近断层地面变形，系统的分析地面变形同震级、破裂分布以及断层距等的关系，并结合三维并行有限元计算和非线性反演方法，使用同工程更相关、震源信息更丰富的强震数据来反演以汶川地震为例的震源破裂过程，分析反演的不确定性和优化策略，研究造成局部强震动高能量的激发机理，并利用反演结果来模拟汶川地震近断层强震动场和变形场。该研究将增加对强震动特性的认识并扩大强震动数据的应用范围，并将加深和完善对于地震震源过程及其效应的认识，促进强震地震学的发展。

随着数字强震动观测网络的建设，强震动记录迅速增加，强震动记录的漂移现象引起关注，需要对其进行校正以获得可靠的结果，同时断层附近的强震动记录为更详细地研究地震过程提供了可能，本项目以此为背景，开展了相关研究工作，主要内容和成果如下：.对强震动加速度记录漂移现象进行了系统分析，指出主要的漂移现象包括单段漂移、多段漂移、脉冲式漂移、弱震漂移等，在对漂移现象研究的基础上，研发了近断层加速度记录基线校正程序（NFABC），该程序具有消除事前均值、单段线性校正、单段曲线校正、双段线性校正、双段曲线校正、脉冲校正、分部校正等功能，同时引入了相关系数、斜率和标准差进行结果判定，程序还具备傅氏谱和反应谱的计算比较等功能，能够进行大量数据的自动处理。.运用NFABC程序，系统的进行了汶川地震、集集地震、日本311大地震、2010新西兰地震等28个5.8级以上地震的强震加速度校正工作，通过分析计算结果，论述了近断层同震地面位移的特征，定量分析了大地震造成的地面永久位移，及其与断层距、加速度峰值等的关系，极大的增强了对加速度漂移现象的认识以及对强震导致地面位移的理解。.运用地面倾斜与漂移之间的关系，运用谱比法计算了28个地震中的加速度记录所反应的地面倾斜结果，分析了地面倾斜与加速度峰值、断层距等的关系，并阐述了倾斜与加速度基线校正中噪音的关系。.系统论述了运用强震动记录进行震源过程反演的理论与方法，在数值试验进行验证的基础上，运用速度波形拟合反演了2008年汶川大地震的震源过程，对比了与其它独立反演结果的异同，论述了台站配置、地壳模型、断层模型等的影响，首次对汶川地震中30个近断层台站进行了三维地形效应研究，全面论述了地形效应的特点及其对强震动观测记录的影响。.在震源反演结果的基础之上，运用反演得到的断层位错结果，计算了汶川大地震近断层区域的长周期地震动场，分析了汶川地震近断层速度、位移场特征，速度脉冲，及其与断层位错等的关系，对强震记录获取的同震位移场、速度脉冲等提供了参考。.结合现场调查和强震动记录资料，研究了2012年江苏高邮宝应Ms4.9地震、2013年四川芦山Ms7.0地震、2014年云南盈江Ms6.1地震、鲁甸Ms6.5地震和景谷Ms6.6地震等多次地震的震害特征，分析了地形效应、断层对地震动的影响，并研究了场地地震反应计算中输入基底取值的影响以及一些土层的剪切波速特征。