一种耦合多种震源模型的概率危险性解析计算方法与流程

本发明涉及地震工程，具体为一种耦合多种震源模型的概率危险性解析计算方法。

背景技术：

1、国内以最新的第五代地震动参数区划图为潜在震源区模型、地震活动性参数模型和配套的地震动衰减关系参数为基本输入，采用地震活动性为泊松模型进行概率地震危险性分析，是进行地震危险性分析、工程场地区域安全性评价以及地震保险模型开发的主要手段。五代图采用了由地震统计区、背景潜在震源区和构造潜在震源区构成的三级潜在震源区模型，并构建了相应的地震活动性模型。潜在震源区是地震宏观震中的集合，把地震看作一个点而不是一个地震破裂面，这种做法对中小地震或者远场大震是完全可行的，但是对于震级较大的地震其破裂面尺度也较大，在计算地震危险性的时候将地震考虑为破裂面更加合理能够体现大地震破裂面尺度对地震危险性的影响。目前，国内在地震区划、地震小区划、地震安全性评价和地震保险等工作上主要都是还是采用单一的面源模型，与之对应的地震危险性计算都是把地震考虑为一个点进行计算。

2、国内主要使用的是与五代图配套的程序-cpsha90，能够对映潜在震源区模型和地震活动性模型，再结合地震动预测模型计算地震危险性，其地震危险性结果是充分利用历史地震资料、地球物理资料、和地震资料等综合性产物，具有科学性和先进性。目前国内地震危险性分析程序都是把潜在震源区微分为点源进行计算，这对于中小震是适用，但对于大震尤其是近场大震就不那么合理。在openquake等软件中在地震危险性时候把地震事件考虑为一个破裂面而不是一个点，而地震破裂面具有走向、倾向、深度等空间参数不是单一点的位置信息这种假定对大震危险性的表达更加精准。国内的地震危险性研究和应用也从单一的面源模型向多模型源方向发展，是不能直接套用国外地震危险性分析软件，而且国外地震危险性分析软件或者程序也具有一定的局限性，比如，不与五代图模型匹配以及不便于导出计算中间过程量。所以开发一套满足国内中小震采用区划图面源模型，同时大震采用断层源模型的多模型耦合的地震危险性算法尤为重要，可以灵活选择点源和破裂面模型进行危险性计算，这对更加精准化刻画危险性具有极大帮助。在下一代地震区划图中潜在震源区划分技术路线将会采用多类型潜源的方式，因此耦合点源和破裂面模型的危险性算法，对区划图的发展有一定的参考意义。

3、国内目前进行地震危险性计算的软件是与第五代地震动参数区划图相匹配的程序，程序只能计算潜在震源区为面源的模型，并且将地震看作一点。随着目前断层资料累积和发展，单一的面源潜在震源区模型对地震地震活动性和危险性的刻面已经不能满足并且对于大地震破裂面积较大，在计算的时候把大地震看作一个点进行计算是不合适，所以就需要一种耦合多种震源模型的概率危险性解析计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耦合多种震源模型的概率危险性解析计算方法，本发明能够更加精细化的描述场点周围不同潜在震源区的地震动影响。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供一种耦合多种震源模型的概率危险性解析计算方法，包括断层源危险性计算法和面源危险性计算法，其中面源危险性计算法具体按以下步骤执行：

4、s1:将潜在震源区微分为子源，并分配地震活动性参数，使用全概率公式计算概率地震危险性；

5、s2:设地震统计区的面源内地震事件为随机事件，则地震震级m和距场点距离r都是随机变量，两者相关，联合概率密度函数为f(m,r)，区域内共划分出nz个地震统计区，则在第k个地震统计区内随机发生的一次震级为m、距离为r的地震，在场点造成a≥a的概率如式(1)-式(11)；

6、

7、其中，p(a≥a∣m,r)是衰减关系拟合方差导致的随机不确定性；

8、

9、其中，f(m)k为第k个地震统计区内的震级分布函数，f(r|m)k为其地震空间分布函数，假定第k个地震统计区内共有nks个潜在震源区，且为离散化计算，将震级划分为nm档；震级mj代表则式(2)变成如式(3)；

10、

11、其中，ski表示第k个地震统计区内的第i个潜在震源区：aski表示第k个地震统计区内的第i个潜在震源区面积；(ski|mj)表示第k个地震统计区内的第i个潜在震源区mj档地震发生概率；设第k个地震统计区内震级频度关系为gn＝ak-bkm，n为大于等于震级m的地震数目，ak，bk为g-r关系的系数；如式(4)；

12、

13、式中，m0为震级下限，muzk为第k个地震统计区的震级上限，βk＝bkln10，如式(5)；

14、

15、将p(ski∣mj)简记为fki,mj,则通过式(3)-式(5)可得式(6)；

16、

17、令p(a≥a)k＝pk，且假定第k个地震统计区在单位时段内m0级以上地震发生次数满足均值为vmk0的泊松分布，则根据泊松分布的随机选择特性，在场点发生地震动a≥a事件次数也符合平均发生率为pkvm0k的泊松分布，如式(7)；

18、

19、根据概率理论可推导得第k个地震统计区单位时段内所有地震对场点的地震动超越概率如式(8)；

20、

21、由全概率定理，综合场点周围所有地震统计区中地震对场点的影响，如式(9)；

22、

23、将式(8)代入(9)得式(10)；

24、

25、将式(6)代入式(10)式得到场点地震动参数a超越给定值a的超越概率如式(11)，通过式(11)计算出来的结果就是场点周围全部潜在震源区对场点的地震动影响；

26、

27、s3:面源危险性计算法具体按以下步骤执行；

28、s3.1:导入潜在震源区模型和地震活动性参数以及需要场点的坐标数据；

29、s3.2:读取场点的经纬度坐标并统计场点个数，超越概率曲线中预设pga阈值，超越概率曲线中预设pga阈值范围在1-2000gal之间，衰减关系分为不同的震级和衰减方向，衰减关系模型形式如式(12)；

30、lgy＝a+bw+clg(r+deem)式(12)

31、其中，y表示地震动参数，地震动加速度或速度，m表示面波震级，r表示震中距，a、b、c、d、和e为回归系数；

32、s3.3:对潜在震源区进行网格化并分配发生率；

33、s3.4:计算均值地震动和年超越概率。

34、进一步，在步骤s3.4中，首先计算网格点到场点之间的距离，即地震动衰减距离；再进行坐标系转换，把大地经纬度坐标系转为以点源为原点、衰减长轴方向为x′轴和衰减短轴方向为y′轴的局部距离坐标系；

35、再分别计算沿着场点和网格点连线进行衰减长轴和衰减短轴参数计算得到地震动可能的最大值和最小值；并采用二分法计算按照椭圆衰减关系网格点对场点地震动影响的均值；

36、以均值地震动参数作为正态分布均值，衰减关系参数中标准差为正态分布标准差构造正态分布分别计算预设地震动参数一组阈值的概率，如式(13)；

37、

38、式中，pt′(a≥a)为峰值加速度校正后的t年超越概率；f1(z)为均值为0，标准差为σ的正态分布的概率密度函数如式(14)；

39、

40、年超越概率p1(y＞y)和t年的超越概率pt(y＞y)存在式(12)和(13)之间的关系，可以把年超越概率转为任意年限超越概率一般为50年或100年，然后根据插值的方法求得指定概率下的地震动参数，例如2％、10％和53％。如式(15)-式(16)；

41、p1(y＞y)＝1-[1-pt(y＞y)]1/t  (15)

42、pt(y＞y)＝1-[1-p1(y＞y)]t  (16)

43、进一步，其中断层源危险性计算法对离散化后的每个子源根据所计算的震级生成地震破裂面，地震破裂面计算方法具体按以下步骤执行：

44、s4.1：首先读取场点的经纬度坐标并统计场点个数、超越概率曲线中pga阈值和断层源的地震动衰减关系参数；衰减关系模式如式(17)；

45、lgy(m，r)＝a+bm+clg(r+deem)式(17)

46、s4.2：计算区域断层数据，包括以下参数：断层迹线各转折点经纬度坐标、孕震区间上下深度、断层滑动角、起算震级、震级上限、倾角、滑动速率、b值、震级档步长；

47、s4.3:计算断层活动性参数；

48、s4.4:对断层面构建网格化；

49、s4.5:计算破裂面积和网格点数；

50、s4.6:计算断层破裂面距rrup。

51、进一步，步骤s4.3具体如下；

52、在断层上震级-频度关系中b值采用断层所在地震带b值，并使用断层滑动速率和地震发生率的关系计算断层源上g-r关系a值；

53、再根据震级-频度关系把年发生率分配各个震级档上，震级档中值作为震级档的计算震级。

54、进一步，其特征在于s4.5中，首先把面波震级ms转化为矩震级mw，然后根据震级-破裂面积经验公式把需要计算震级转为破裂面大小，在求破裂面面积的时候，不同的断层类型选择不同的经验公式，然后根据地震破裂面长宽比例得到破裂面的长度l(m)和宽度w(m)；如式(18)-式(19)；

55、mw＝0.86*ms+0.5gms＜7.0  式(18)

56、mw＝1.28*ms-2.42ms≥7.0  式(19)

57、再分别计算地震破裂面在走向和倾向方向需要网格数，地震破裂面的展布和断层的展布方向一致,如果不能取整则对网格数进行四舍五入取整，取整的目的是方便破裂面在断层网格面上滑动，和分别表示破裂面长度和宽度方向所需网格点数；和分别表示破裂面沿着断层走向和倾向方向可以滑动的次数，其中δ是网格大小，如式(20)-式(23)；

58、若地震破裂面长度或者宽度方向大于断层面的走向长度或宽度，则取断层面的长度或宽度作为破裂面的长度或宽度，然后根据重新确定的长度或宽度在满足破裂面积不变的条件下重新计算得到宽度或长度；对于破裂面长度和宽度方向均大于断层面的长度和宽度时，直接选择整个断层面作为破裂面。

59、

60、

61、

62、

63、进一步，在步骤s4.6中，计算断层破裂面距rrup包括逐点计算法和解析计算法；

64、进一步，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被主控制器执行时实现如上述中任一所述的方法。

65、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

66、1、本发明对于点源计算模型是把潜在震源区网格化，把网格点作为微分单元并且采用的是震源距作为衰减距离，以椭圆的衰减方式求地震动参数；对于破裂面模型是把潜源离散为等间距网格面，根据震级和面积关系以及长宽比例，把得到的地震破裂面在潜源上浮动，危险性计算微分单元是破裂面，以破裂面距作为衰减距离，以直线的衰减方式求地震动参数；然后根据全概率公式得到点源和破裂面源综合起来进而得到对场点的多源模型危险性。这种多源模型危险性比采用单一点源方式刻画危险性更加合理。采用地震破裂面模型算法可以体现大地震破裂尺度对危险性的影响。本文中选择汾渭地震带区域作为应用，其中对于4.0～6.5震级档采用第五代地震动参数区划图的潜在震源区和地震活动性模型作为输入用点源模型计算潜源对场点地震动影响，6.5级以上震级档采用断层源方式计算断层对场点地震动影响。其中点源部分继承了我国地震区划在潜源划分和地震活动性参数的特点，而破裂面模型部分对更加详细的断层资料的运用。这种耦合点源和破裂面模型的算法能够更加精细化的描述场点周围不同潜在震源区的地震动影响。