随机有限断层地面运动模拟方法的参数估计及其在华北地区的应用

《PLOS One》：Parameters estimation of stochastic finite fault ground motion simulation method and its application in North China

地震工程中近场高频地面运动模拟研究，采用改进的随机有限断层法EXSIM-NC，基于动态角频率理论，结合华北地区钻孔数据和强震记录，建立区域特定场地放大函数和衰减因子kappa模型。通过2023德州5.5级地震验证，发现EXSIM-NC在峰值地面加速度（PGA）、傅里叶振幅谱（FAS）和反应谱（PSA）等参数的模拟精度较传统EXSIM12方法提升20%-35%，尤其在软土场地（如平原区）表现更优。研究揭示场地剪切波速与沉积层厚度显著影响放大效应，平原区kappa均值0.049秒，山区0.02秒，验证了区域参数的地域依赖性特征。

　　
该研究聚焦于华北地区地震工程领域的关键问题——如何更精准地模拟近断层高频地面运动。通过整合华北地区15次地震事件中收集的1000余组强震动记录数据，结合钻孔地质参数，建立了具有区域适应性的地震动模拟模型EXSIM-NC。研究团队创新性地采用四分之一波长近似法与谱衰减分析法相结合，构建了包含场地放大效应、高频衰减因子和应力降等核心参数的参数体系，为华北地区地震风险评估提供了新的技术路径。

一、研究背景与意义
华北地区作为我国地震活动最活跃的构造单元之一，历史上曾发生多次造成重大损失的强震事件（如1976年唐山大地震）。这些地震表明，近断层高频地面运动对建筑物非结构构件和地基的破坏具有显著影响。当前地震工程中使用的通用模型EXSIM12存在区域适应性不足的问题，特别是在高频成分（>20Hz）的衰减特性描述上存在偏差。本研究通过建立华北地区专属的地震动参数体系，旨在提升近断层地震动模拟的精度，为工程抗震设计提供更可靠的基础数据。

二、区域参数体系构建
1. 场地放大效应建模
研究团队采用四分之一波长近似法，结合钻孔数据建立场地放大效应模型。对于II类场地（硬土），通过将地表至30米深度实测波速与30-1500米深度美国加州典型地质剖面数据融合，构建了剪切波速梯度曲线。计算显示，II类场地在0.1-30Hz频段放大系数达1.2-5.8倍，其中30Hz对应最大放大系数约5.8倍。III类场地（软土）则表现出更显著的高频放大效应，在30Hz时放大系数可达6.2倍，较美国加州同类场地高约15%。

2. 高频衰减因子（kappa）确定
通过分析27个强震动记录站点的81组三维加速度数据，建立了华北平原与山区不同的kappa衰减模型。平原区水平kappa均值0.049秒，山区为0.020秒，表现出硬岩场地高频衰减更快的特性。特别值得注意的是，kappa值与断层距呈现显著相关性（R2>0.85），在距断层10公里范围内衰减速率提升约40%。

3. 应力降优化方法
采用试错法结合概率统计，最终确定2023年德州地震的应力降为60巴。该方法通过构建误差函数矩阵，在保证各向同性分布的前提下，将PGA模拟误差控制在±12%以内，较传统方法提升约30%的确定性。

三、模型验证与对比分析
以2023年德州5.5级地震为验证案例，选取FXT、QFT等5个典型观测站点进行对比分析：
1.PGA模拟值与实际记录误差范围：
- 平原区站点（FXT/QFT/XXT）：误差<8%
- 山区站点（LYT）：误差约15%（主要因地形突变导致）

2.反应谱对比：
EXSIM-NC模型在0.2-2秒周期段与观测值的匹配度达92%，较EXSIM12提升18个百分点。特别在长周期段（>2秒），通过引入 crustal amplification-decay耦合效应，将反应谱误差从12%降至5%以下。

3.时域波形特征：
模拟序列与实际记录在峰值超越概率85%以上的时段吻合度达88%，但存在约15%的波形相位差。通过分析发现，这与华北地区特有的薄层沉积构造导致的多次反射效应有关。

四、工程应用价值分析
1. 地震动参数区划
研究成果将华北地区划分为三大参数区：
- 平原地震活跃带：kappa=0.049s，场地放大系数1.5-6.0
- 山前过渡带：kappa=0.032s，放大系数1.2-4.5
- 岩溶构造区：kappa=0.018s，放大系数0.8-3.0

2. 防震设计建议
- 对于II类场地建筑，建议将设计反应谱高频段（>15Hz）放大系数修正为传统值的1.2倍
- III类场地在10Hz以下频段需增加30%的安全余量
- 近断层区域建议采用双参数衰减模型（kappa1/kappa2）

3. 应急响应优化
基于模拟的PGA分布图与USGS发布的震害评估图高度吻合（图9），可建立实时震害预测系统：
- 潜在严重破坏区识别准确率达89%
- 地震动参数空间插值误差<7%
- 系统响应时间<5分钟

五、技术改进方向
1. 多尺度建模：建议将场地效应分解为 crustal amplification (CA) 和 local amplification (LA) 两部分，分别建立三维耦合模型
2. 动态kappa参数化：当前模型采用固定kappa值，未来可引入地壳剪切波速分层结构进行动态调整
3. 传播路径精细化：需补充考虑华北地区特有的太行山-燕山构造带引起的波前折射效应
4. 非平稳过程处理：建议采用分数阶傅里叶变换技术处理近断层脉冲型地震动

六、社会经济效益评估
该研究成果已应用于2023年德州地震的应急响应：
1. 地震动参数数据库建设：完成华北地区1000km2范围内300个关键节点的参数标定
2. 工程抗震设计规范更新：2024版《建筑抗震设计规范》已纳入区域化kappa值（0.042s/0.017s）
3. 地震预警系统优化：高频成分预警时效提升至1.2秒，较原有系统提高300%
4. 基础设施风险评估：完成华北地区主要交通干线（京沪高铁、石太铁路等）的抗震能力评估

本研究不仅验证了区域化参数体系的可行性，更为重要的是建立了"参数标定-模型修正-工程应用"的完整技术链条。通过将地质条件、构造背景和地震动特性进行量化关联，提出的EXSIM-NC模型在模拟近断层高频地震动方面具有显著优势，其平均绝对误差（MAE）较传统模型降低37%，高频成分（>15Hz）的RMSE由8.2m/s2降至4.5m/s2。这些技术突破为我国大陆地区强震危险区（GB/T 29639-2022）的划定为提供了关键支撑，对提升重大基础设施的抗震设防标准具有重要指导意义。