近斷層地震動方向性效應(yīng)及超剪切破裂研究

胡進(jìn)軍

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

近斷層地震動方向性效應(yīng)及超剪切破裂研究

胡進(jìn)軍

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

近斷層地震動是造成近斷層區(qū)工程結(jié)構(gòu)破壞的重要因素，近斷層地震動的特征受到諸多因素的影響，其中斷層破裂傳播的方向性是影響近斷層地震動及其分布特征的關(guān)鍵因素之一。方向性效應(yīng)的影響因素眾多，比如斷層破裂的速度、破裂的方向、斷層的傾角、震源的深度、破裂的模式、破裂起始位置以及斷層面上的局部震源參數(shù)等。但是這些參數(shù)是如何影響方向性效應(yīng)的呢?特別是一般認(rèn)為斷層的破裂速度接近于剪切波傳播速度時，會產(chǎn)生明顯的方向性效應(yīng)，但是當(dāng)破裂速度超過剪切波傳播速度時是否會產(chǎn)生方向性效應(yīng)?如果存在，又會對近斷層地震動的特征產(chǎn)生如何影響?為了回答這些問題，本研究首先分析了方向性效應(yīng)的相關(guān)概念，接著采用數(shù)值方法模擬了各種震源相關(guān)參數(shù)的變化對方向性效應(yīng)的影響，并且對模擬結(jié)果和實際近斷層強(qiáng)地震動的方向性特征進(jìn)行了分析，最后專門研究了地震破裂過程中的超剪切破裂現(xiàn)象及其對近斷層地震動方向性效應(yīng)的影響。研究時分別從地震動的加速度、速度和位移三方面，系統(tǒng)地分析了其三分量的峰值、頻譜和持時特征，研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:

(1)論述了方向性效應(yīng)的相關(guān)概念和影響因素，分析了方向性效應(yīng)與破裂傳播效應(yīng)以及多普勒效應(yīng)之間的區(qū)別與聯(lián)系。研究表明:①經(jīng)典的多普勒效應(yīng)或所謂的多普勒頻移，一般是指由單一頻率的波源產(chǎn)生的一列波在介質(zhì)中傳播時，由于波源與觀測點的相對位置的改變引起的單位時間內(nèi)觀測點接受到的波的個數(shù)的改變，而且波在傳播過程中不會出現(xiàn)疊加和干涉現(xiàn)象。②斷層的破裂傳播效應(yīng)不能等同于簡單的移動源效應(yīng)或多普勒效應(yīng)，因為在斷層的破裂過程中，斷層面上的點有一定的滑動時間繼續(xù)振動產(chǎn)生地震波，因而波源不止一個，即多波源產(chǎn)生的相同或者相近頻率的波在觀測點處的疊加和相長干涉。③ 從實際強(qiáng)震觀測數(shù)據(jù)的角度來分析，由于地震斷層破裂過程的復(fù)雜性，很難產(chǎn)生與多普勒效應(yīng)和移動源效應(yīng)中類似的頻移現(xiàn)象。

(2)基于選取的集集地震強(qiáng)震記錄，系統(tǒng)地分析了方向性效應(yīng)對近斷層地震動的峰值、反應(yīng)譜和持時的影響。研究表明方向性效應(yīng)對近斷層地震動的峰值、反應(yīng)譜和持時的強(qiáng)度以及分布有重要的調(diào)制作用，具體表現(xiàn)為:①方向性效應(yīng)使得破裂前方的峰值增大，使破裂后方的峰值減小。②方向性效應(yīng)對反應(yīng)譜的2.0 s以后的中長周期段影響更加明顯，并且隨著周期的增大，方向性效應(yīng)越來越顯著。③方向性效應(yīng)使得破裂前方的能量持時減小，破裂后方的能量持時增大。④方向性效應(yīng)對斷層垂直分量影響最大，斷層平行和豎向分量次之。⑤方向性對加速度、速度和位移地震動的影響依次增大，即方向性效應(yīng)對長周期地震動影響顯著。

(3)數(shù)值模擬了各種斷層模型下的近斷層地震動，分析了震源深度、破裂起始點位置、破裂速度(常破裂速度和變破裂速度)、斷層的傾角以及雙側(cè)破裂等震源相關(guān)參數(shù)對方向性效應(yīng)的影響。以下分別說明:

(a)方向性效應(yīng)對地震動峰值、反應(yīng)譜和持時影響的基本特征:①方向性效應(yīng)使得斷層破裂前方和破裂后方的地震動峰值有極不對稱的分布，在破裂前方的很大區(qū)域內(nèi)由于地震輻射的能量在很短時間內(nèi)幾乎同時到達(dá)，使得地震動峰值較大，反應(yīng)譜譜值較高，能量持時較低;而在破裂后方，由于輻射的地震波依次到達(dá)，使得能量分布比較均勻，因此地震動的峰值較小、反應(yīng)譜值較低，能量持時較小。②方向性效應(yīng)對地震動的不同分量的影響不同，垂直于斷層(FN)的分量受到方向性效應(yīng)影響和控制最為顯著，而平行于斷層(FP)和豎向(UP)分量受到的影響相對較小。③方向性效應(yīng)使得沿斷層走向的破裂前方有明顯的“顯著影響區(qū)域”，不同分量的顯著影響區(qū)域不同，對于FN分量，其顯著影響區(qū)域可從斷層末端到達(dá)3倍的斷層長度距離范圍;而對于FP和UP分量，其顯著影響區(qū)域則明顯小于FN分量，約從斷層的中段到斷層的末端或不超過1.5倍的斷層長度的范圍。

(b)震源深度對方向性效應(yīng)的影響:①隨著震源深度的增加，地震動的峰值降低，但是通過對不同震源深度情況下峰值、頻譜和持時參數(shù)的分析表明，雖然隨著震源深度的增加地震動的峰值降低了，但是破裂的前方和后方的地震動的差異依然存在并且比較明顯。②隨著震源深度的增加，方向性效應(yīng)的顯著影響區(qū)域逐漸向破裂前方移動。③隨著震源深度的增加方向性顯著影響角逐漸增大，也就是說，受到方向性效應(yīng)影響的范圍擴(kuò)大了，但是其影響的地震動強(qiáng)度并沒有增大。

(c)斷層的破裂起始位置對方向性效應(yīng)的影響:①破裂起始點越靠近地表，地震動的峰值越大，而且破裂起始點的位置對地震動的加速度影響最大，對速度和位移的影響次之。②斷層的破裂起始點位置對地震動的FN分量的峰值影響較大，即隨著初始破裂位置的下移，地震動FN分量的峰值降低，但是初始破裂點的位置對FP和UP分量的影響很小。③隨著破裂初始位置的下移，各觀測點的各周期對應(yīng)的反應(yīng)譜譜值降低，但是其沿破裂方向的變化趨勢沒有改變，也就是說斷層的初始破裂位置對反應(yīng)譜沿破裂方向的方向性特征影響不大。④初始破裂位置的變化對持時的影響不大，不同破裂起始位置的持時均在破裂前方的方向性顯著影響區(qū)域較小且很接近，而后隨著破裂起始位置的下移持時略有增大。

(d)不同破裂速度對方向性效應(yīng)的影響:①隨著破裂速度逐漸接近于剪切波速，在破裂前方的一定區(qū)域內(nèi)，地震動的峰值增大，反應(yīng)譜值增大，持時略有下降。此區(qū)域與不同的分量有關(guān)，對于FN分量，此顯著影響的區(qū)域可達(dá)到3倍的斷層長度的距離，而對于FP和UP分量，其顯著影響區(qū)域一般要小于1.5倍的斷層長度。②破裂速度對地震動的加速度、速度和位移的影響比較相似，而且不同破裂速度下的顯著影響區(qū)域并沒有太大差別。

(e)斷層的傾角對方向性效應(yīng)的影響:由于受到震源剪切錯位的輻射模式的影響，使得與斷層面上滑動方向垂直的分量上的地震動明顯大于其它兩個方向，因而當(dāng)斷層傾角越大時，與斷層面上滑動方向垂直的地震動越接近于地表的FN分量，因此FN分量的方向性效應(yīng)越明顯;當(dāng)傾角越小時，與斷層面上滑動方向垂直的地震動越接近于地表的UP分量，因此UP分量的方向性效應(yīng)越明顯。

(f)變破裂速度(非均一的破裂速度)對方向性效應(yīng)的影響:①變化的破裂速度也能產(chǎn)生方向性效應(yīng)，但是與常破裂速度相比，變破裂速度引起的方向性效應(yīng)的峰值要明顯小于常破裂速度。②變破裂速度使得在斷層末端到破裂后方的觀測點的各周期的反應(yīng)譜值均大于均一的破裂速度情況下的值;而在斷層末端到破裂前方的廣大范圍內(nèi)觀測點的各周期的反應(yīng)譜值均小于均一破裂速度情況下的值。③常破裂速度和變破裂速度都會產(chǎn)生方向性效應(yīng)，但是變破裂速度情況下破裂前、后方的持時差異比常破裂速度時的小;而且，一般說來，除了FN分量的破裂后方的觀測點外，同一觀測點在常破裂速度下的持時要小于變破裂速度情況下的持時。

(g)雙側(cè)破裂方向性效應(yīng)分析:①雙側(cè)破裂對FN和FP、UP分量的影響不同，對于FN分量，隨著震中距的增大，在斷層長度范圍內(nèi)的地震動峰值逐漸增大，并且在斷層的末端峰值逐漸下降，但是靠近斷層的觀測點的峰值最大。對于FP分量，觀測點越靠近震中峰值越大，并且隨著震中距的增加峰值逐漸減小。②雙側(cè)破裂時反應(yīng)譜以破裂開始點為中心，在兩個破裂方向分別出現(xiàn)方向性效應(yīng)，使得在破裂末端區(qū)域的地震動的反應(yīng)譜譜值加大，但是相比而言，方向性效應(yīng)對FN分量反應(yīng)譜的影響更為明顯，并且在破裂的方向上，F(xiàn)N分量要比FP和UP分量衰減慢得多。③方向性效應(yīng)對于不同分量的持時影響程度不同，并且持時場的空間變化很復(fù)雜。

(4)引入了超剪切破裂的概念，從實際地震觀測、實驗室實驗以及理論和數(shù)值模擬方面給出了地震超剪切破裂的證明，并簡述了超剪切破裂產(chǎn)生的原因。通過數(shù)值方法模擬了不同超剪切破裂速度下的近斷層地震動，分析結(jié)果表明:超剪切破裂也能產(chǎn)生方向性效應(yīng)，但是超剪切破裂引起的方向性效應(yīng)與常規(guī)破裂速度(即破裂速度小于剪切破裂)時有不同的特點:①在峰值方面，超剪切破裂速度的變化對地震動三分量的影響不同。對于FN分量，隨著超剪切破裂速度的增大，地震動的峰值逐漸減小，而且顯著影響區(qū)域也逐漸減小，并且隨著超剪切破裂速度的增大，方向性顯著影響角逐漸增大;對于FP和UP分量，隨著超剪切破裂速度的增大，地震動的峰值并沒有減小，反而有增大的趨勢，但顯著影響區(qū)域逐漸減少，方向性顯著影響角逐漸增大。另外，隨著超剪切破裂速度的增大，F(xiàn)N分量峰值大于FP分量峰值的觀測點逐漸減少。②在反應(yīng)譜方面，對于FN分量，隨著超剪切破裂速度的增大，反應(yīng)譜的譜值逐漸減小;但是對于FP和UP分量，隨著超剪切破裂速度的增大，其反應(yīng)譜卻出現(xiàn)增大的趨勢。③在持時方面，對于FN分量，隨著超剪切破裂速度的增大，破裂前方的持時顯著影響區(qū)域在逐漸減少，并且破裂前方的持時值逐漸增大，破裂后方的持時值逐漸減少，但是破裂后方的持時仍然大于破裂前方，并且根據(jù)斷層距不一樣，相差的程度也不相同;對于FP和UP分量，隨著超剪切破裂速度的增大，破裂后方的持時變化不大，但是破裂前方的變化顯著，明顯不同于FN分量的就是，隨著超剪切破裂速度的增大，破裂前方的持時逐漸增大，甚至超過了破裂后方的持時。

(5)簡述了汶川地震的震源參數(shù)、斷層模型和烈度分布的特點，分析了汶川地震的近斷層地震動方向性特征，并從房屋震害和人員傷亡的分布特征間接佐證了方向性效應(yīng)。研究表明:①在峰值方面，破裂前方場點的峰值要比破裂后方的大，而且隨著斷層距的增大，破裂前方和后方的差距逐漸減小。②在反應(yīng)譜方面，破裂前方場點的平均反應(yīng)譜顯著高于破裂后方的平均反應(yīng)譜，并且當(dāng)周期大于2 s時，破裂前、后的譜比最高可以達(dá)到4倍左右。③在持時方面，破裂后方場點的持時明顯大于破裂前方的，差別可達(dá)2—4倍。最后，通過工程震害和人員傷亡特征佐證了此次地震的破裂方向性效應(yīng)。

近斷層地震動特征;方向性效應(yīng);超剪切破裂;顯著影響區(qū)域

TU435;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.017