地震危险性分析

.,EngineeringSeismology(6),地震危险性分析,.,内容,基本概念地震危险性分析的确定性方法地震危险性分析的概率方法概念、基本假定、步骤、不确定性校正场地地震安全性评价简介、主要内容及分析步骤、,.,基本概念（1）,地震危险性是指某一场地在一定时期内可能遭受到地震作用的大小和频次，包括定量描述未来潜在地震的参数（强度、位置）、震源特征和地震类型，结合地壳介质和结构特征、地表局部条件来估计地震中地表的地震动特征等。它表示的是所研究的地区面临的客观自然环境，即通常所说的地震环境，可用烈度或地震动参数来表示。影响因素：地震事件的震源破裂方式、地震波传播特征和地球内部（直至表面）介质对地震波响应的特征,.,基本概念（2）,对未来某个地区中将要遭遇地震动（烈度）的大小、不同地震动（烈度）水平的概率、或超过给定地震动（烈度）水平的概率进行预测估计的工作，叫做地震危险性分析，包括地震目录、地震震中分布图、地震地质构造图、以地震烈度、地震动加速度（速度、位移）反应谱等参数表示地震区划或地震小区划、地震液化势图等。目的是预测某场地在未来一段时期内出现各种强度地震的可能性，即在一定时期内不同强度地震的发生概率或超越概率分析方法：确定性方法（Deterministicmethod）和概率法（Probabilisticmethod）,.,基本概念（3）,地震区划：把国土划分为地震危险程度不同的若干区域，并针对不同区域制定不同的抗震设防标准。系统全面地评定一个国家各地区的地震危险性，通常以地震区划图的形式来表示。为了预测小范围内的地震破坏作用而进行的区划称为地震小区划。地震小区划一般分为设计地震动小区划（峰值加速度、加速度反应谱、峰值速度、场地自振周期等）和地面破坏小区划（地面破裂的危险区，滑坡、塌陷、砂土液化和软土震陷等）两类。,.,基本概念（3）,地震区划相比，地震小区划具有以下特点：1、重视局部场地条件的影响，更为详细地考虑局部场地条件的作用；2、区分不同的地震破坏作用；3、更为详细地考虑周围的地震地质环境；4、在结果的表述上，为显示地震破坏作用在小范围内的变动情况，它的编图比例尺远大于地震区划图。,.,基本概念（4）,潜在震源区是指在给定时段内可能会对所研究场地发生破坏性影响地震的区域。潜在震源区的划分一般根据研究工作区（一般指以研究场址为中心，半径250300公里的区域）的地震地质构造条件、历史地震资料、近代小地震活动以及其它地球物理场的分布来综合确定，有确定时限的潜在震源区划分还应该考虑地震活动的周期性、阶段性等特征。,.,地震危险性分析的确定性方法,根据历史地震重演和地质构造外推的原则，利用区域历史地震活动特征、地震地质构造背景、地震烈度衰减关系等资料，估计某一区域未来遭遇的地震烈度水平，并以确定的数值来表达。历史地震重演的含义是历史上曾经发生过的地震今后在同一地区还可能发生；地质构造外推的含义是与历史地震发生区具有类似地震地质构造特征的地区也可能发生类似地震。对于重大工程和特殊工程，确定性方法是主要的评价方法之一。,.,确定性方法的步骤（1）,（1）根据历史地震和地质构造资料，确定潜在震源区（2）以震级和震中距为参数，从几组地震中选择对研究场地控制地震；每个震源的潜在地震通常以最大地震的形式来定义，它可以是合理推测的地震、最大可信地震或其它类型的地震。控制地震就在所推测的这些地震之中，由它产生的地面运动或其它参数是所考虑的所有地震震源对场点产生影响的主要因素，该地震被认为是定义地震危险性最重要的地震事件。由于对场点造成最大地面运动的地震事件并不总是很清楚，因此可能存在不止一个控制地震。,.,确定性方法的步骤（2）,（3）根据选定的震级和震中距，利用地震动经验衰减关系确定所研究场地的最大可能地面运动参数（4）根据局部场地条件，对上述结果作一定调整。确定性方法在地震发生强度上采用了确定性的处理方法，而在判定潜在震源问题上，则相当于引用了地震发生在时间上和空间上都是均匀分布的假定。但是，实际上地震无论在发生强度、发生时间和发生位置上都具有强烈的随机性，在时间、空间的分布上则又具有普遍的不均匀性。,.,DeterministicSeismicHazardAnalysis(DSHA),Identifyandcharacterize(geometryandpotentialM)allearthquakesourcescapableofgeneratingsignificantshakingatthesite.Seethefigurebelowinwhichthreesourcesareshownsurroundingthesite.Calculatethesource-to-sitedistanceforeachsourceidentifiedinstep1.Distancemeasurescanincludeepicenterdistanceandhypocenterdistance:dependingonthedistancemeasureadoptedinthepredictive(attenuation)relationship.,.,Selectthecontrollingearthquake,thatis,theearthquakethatgeneratesthegreatestshakingeffect(typicallyacceleration)atthesiteusingattenuationrelationships.Step3ofthefigureillustratestheprocessforthethreesourcesanddistances.Thecontrollingearthquakeisdescribedintermsofitsmagnitudeanddistancefromthesite(e.g.,M7at10km).Definethehazardatthesitebythecontrollingearthquake(spectralordinates,maximumgroundacceleration,maximumgroundvelocity,maximumgrounddisplacement).,.,DSHAprocess,.,PositivefeaturesofDHSA,SimpletoapplyOftenconservativewherethetectonicfeaturesarewelldefined(linesources),.,NegativefeaturesofDHSA,DifficulttoapplytodistributedsourcesclosetothesiteDoesnottreatuncertaintywellNoinformationonthelikelihoodofthecontrollingearthquakeNoinformationonthelevelofshakingthatmightbeexperiencedinthelifespanofthestructureatthesite.,.,地震危险性分析的概率方法,地震危险性分析概率方法认为一个区域未来地震活动的时间、空间、强度和其他有关参数，以及区域单元上的烈度水平，都具有随机性，其最终的计算分析结果可用场地烈度或地震动参数的超越概率来表示。常用的潜在震源区模型主要有点源模型和断层破裂模型，点源模型将发震断层简化为一点，认为场地地震动仅与震级和震中距有关；断层破裂模型假定一次地震的初始断裂点在该地震断裂长度的中点，场地地震动决定于震级和场地到断裂线的最短距离。,.,概率方法基本假定,对于地震活动的时、空、强的分布特征有以下几个基本假定：1）假定地震活动是非均匀的，表现为地震只发生在一些特定的区域内，即潜在震源区。在潜在震源区内，地震发生的可能性处处相同。潜在震源区的划分是以地震学和地震地质学对地震发生条件的认识为依据的。2）在所考虑的时间段内，每个潜在震源区内地震发生的可能性不随时间变化。3）在每个潜在震源区内，地震事件彼此独立，即地震的发生在时间上服从泊松分布。4）在一个潜在震源区内，地震事件的震级分布为指数分布，震级大于的次数与震级的关系即震级频度关系式为：,.,概率方法基本假定,5）在指定场地上，由某个潜在震源区内的地震事件造成地震动超过指定阈值的事件服从泊松分布，即由第i个潜在震源区中的地震事件导致在T年内指定场地的地震动值超过指定阈值的事件发生次的概率为：,.,概率方法的步骤,划分潜在震源区：划分出未来具有发生破坏性地震潜在可能的地区。确定潜在震源区的地震活动性参数：这些地震活动性参数主要包括震级上限、震级下限、震级频度关系式中描述大小地震频次关系的值、年平均发生率等。分析地震活动性参数的概率密度函数确定适合本地区的烈度或地震动参数随震级和距离的衰减关系式：对于早期地震，主要是统计烈度的衰减关系；对于有仪器记录的近代地震，主要是利用强地震动衰减规律的资料。确定地震发生的概率模型：地震发生的概率模型可采用平稳或非平稳泊松模型、马尔可夫模型、更新过程模型等，目前较多采用的是泊松模型。计算烈度或地震动参数的超越概率，画出危险性曲线：地震危险性分析最终可归结为场地烈度或地震动参数的超越概率计算。,.,.,ProbabilisticSeismicHazardAnalysis(PSHA),.,Potentialsourceareadelineation,Identifyandcharacterize(geometryandpotentialM)allearthquakesourcescapableofgeneratingsignificantshakingatthesite.Seethefigureaboveinwhichthreesourcesareshownsurroundingthesite.Foreachsource,developtheprobabilitydistributionofrupturelocationswithinthesource.Auniformprobabilitydistributionisgenerallychosen,whichmeansthatearthquakesareequallylikelyofoccurringatanypointalongorinthesource.Combinethesedistributionswiththesourcegeometrytoobtaintheprobabilitydistributionofsource-to-sitedistance.ContrastthiswithDSHAthatassumesthattheprobabilityofoccurrenceis1atthepointsineachsourcezoneclosesttothesiteand0elsewhere.,.,地震危险性分析不确定性的校正,由于地震和地质资料的不完整性和人们对地震发生规律认识的不足，可以说，在地震危险性分析中每个步骤都带有很大的不确定性。例如：震源模型的建立、潜在震源区的划定、地震发生的时间地点和强度分布的规律的认识、地震活动性参数的确定、地震动参数衰减关系、断层长度与震级经验关系等每个环节都会产生很大的不确定性。,.,地震危险性分析不确定性主要来源于三个方面：1、潜在震源区判定的不确定性这种不确定性在很大程度上是由于人们对地下结构及地震活动性认识的不完全性所引起的。2、地震活动性参数估值的不确定性研究表明，在地震年平均发生率、地震震级上限、值等参数中，地震震级上限的变动对地震危险性分析结果的影响最为显著，震级较大时尤其如此。对以上两种不确定性，可以采用多种方案组合，分别计算不同方案的地震危险性分析结果，综合考虑所有计算方案的结果变动范围，从而给出地震危险性分析结果的均值与方差。3、地震动衰减关系、断层长度与震级经验关系的不确定性,.,计算分析表明，考虑衰减关系不确定性之后，给定超越概率的地震动峰值可改变2060，因此进行地震危险性分析考虑不确定性是十分必要的。,.,工程场地地震安全性评价,工程场地地震安全性评价是根据对建设工程场址和场址周围的地震与地震地质环境的调查、场地地震工程地质条件的勘测，通过地震地质、地球物理、地震工程等多学科资料的综合评价和分析计算，按照工程类型、性质、重要性，科学合理地给出与工程抗震设防要求相应的地震动参数，以及场址的地震地质灾害预测结果。主要内容：工程场地和场地周围区域的地震活动环境评价、地震地质环境评价、断裂活动性鉴定、地震危险性分析、设计地震动参数确定、地震地质灾害评价等。主要目的：为工程抗震提供设计地震动参数或抗震设防标准，从而得到结构抗震分析中必要的地震动输入参数，了解工程场地的工程地址情况。,.,近年来，随着我国经济建设的发展，兴建了大量超高建筑、大型工矿企业、电视塔、大桥、大坝、核电厂及大城市与新的经济开发区等，因而开展了大量的地震安全性评价工作。目前我国已经对水利工程（海洋平台、大坝）、核工程（核电站、核电厂等）、大型桥梁、地铁、大型体育场、电厂、高速公路、高层建筑、生命线等重大工程开展了广泛的地震安全性评价技术工作。,.,场地地震安全性评价的主要内容及基本分析步骤,.,区域地震活动性和地震构造调查,编制区域破坏性地震目录(Ms4，含少量历史地震考证)编制区域仪器记录地震目录(ML2.0)编制区域破坏性地震震中分布图(1100万)编制区域仪器记录地震震中分布图(1100万)编制区域震源机制图区域地震构造补充调查编制区域地震构造图(1100万)编制区域布格重力异常图(1100万)编制区域航磁异常图(1100万)编制区域地壳结构图(1100万)地震区带划分区域地震活动性分析和地震活动趋势判断区域地震构造条件综合评价,.,近场地震活动性和地震构造调查,近场破坏性地震补充调查编制近场区仪器记录地震目录(包括全部能定震级的地震,精定位)编制近场区地震震中分布图(120万)近场及场地的活动构造调查编制近场地震构造图(120万)近场地震构造条件综合评价,.,.,潜在震源区划分及其地震活动性参数评定,潜在震源区系指未来具有发生破坏性地震潜在可能的地区。其中，“未来”指现今区域构造运动的性质、强度、应力场发生较大变化以前的很长的一个时期，可以是几千年或更长的时间段；“破坏性地震”指对人类生产、生活造成不良影响的地震，一般指震级M4的地震；“潜在可能性”具有概率含义，用该潜在震源区的地震活动性参数描述，考虑的时间段愈长，可能性也会愈大。在地震带内进一步划分出地震危险性(以震级上限Mu为标志)各不相同的潜在震源区,.,根据构造类比和地震活动最大强度的空间分布特征圈定潜在震源区,历史上已经发生过M4级地震的地区都划入潜在震源区。历史上无破坏性地震记载而地震地质条件(包括地壳结构方面的特征)与发生过破坏性地震的地区类似，表明有发生破坏性地震可能的地区也尽可能地划出一些新区。近期小震活动密集成带也是划分潜在震源区的判据之一。确定潜在震源区震级上限考虑了多方面的因素，例如，根据历史地震最大强度、活动断裂长度、第四纪沉降幅度(第四系厚度)或上升幅度(阶地高程)、第四纪垂直运动的梯度、垂直形变的最大速率、布格重力异常的均衡偏差、地震围空区的最大尺度等。多因子综合评判方法潜在震源区的形状、边界、方向和范围，可根据断裂(发震断裂、控震断裂、烈度衰减断裂和活动断裂等)的走向、盆地(或地震围空区)的大小和地球物理场的形状等来圈定。,.,.,基岩（或一般场地）设计地震动参数确定,地震烈度衰减关系选取地震动衰减关系选取潜在震源区的划分地震活动参数的确定地震危险性分析计算和不确定性演算设定地震（50年内发生的对本地区可能造成较大影响的地震）的确定基岩地表加速度反应谱的确定基岩地表加速度时程包络参数的确定基岩地表加速度时程的合成,.,Probabilitycalculation,给定在某一潜在震源区中发生一次震级为mj的地震的条件下，地震危险性的计算,给定在某一潜在震源区中发生一次震级为mj的地震的条件下，地震危险性的计算Poisson假定下，给定在该潜在震源区中发生多次震级为mj的地震的条件下，地震危险性的累加,.,总的地震危险性累加,.,Seismichazardestimation,Thegroundmotionproducedatthesitebyearthquakesofanypossiblesize(magnitude)occurringatanypossiblepointineachsourcezonemustbedeterminedwiththeuseofpredictive(attenuation)relationships.TheuncertaintyinherentintheattenuationrelationshipisalsoconsideredexplicitlyinPSHAunlikeDSHA.Theuncertaintiesinearthquakelocation,size,andgroundmotionpredictionarecombinedtoobtaintheprobabilitythatthegroundmotionparameter(e.g.,PHA,spectralacceleration)willbeexceededinaparticulartimeperiod(say10%in50years).,.,基岩地表加速度反应谱的确定基岩地表加速度时程包络参数的确定基岩地表加速度时程的合成或选取、调整Scaling式中，Ak为第k个谐波的幅值，k为第k个谐波的圆频率，k为第k个谐波的相角。最初，所有的Ak可以赋1.0或2.0的初值，与N一起表达一个有限带宽白噪声，k可以赋（0，2）之间均匀分布的随机数值。合成是一个反复迭代的过程，根据所生成的时程计算出的反应谱与目标谱的拟合程度不断地修改初始的幅值Ak和相角k值，