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广西喀斯特地貌会放大地震晃动?且衰减更快?

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广西昨天凌晨的5.2级地震,造成了数栋房屋倒塌。


难以想象这是5.2级地震造成的破坏。

除了这次地震震源深度浅,这些房屋可能年久失修,且设防标准低外。

当地特殊的喀斯特地貌,会不会是帮凶?

从广西全境的烈度分布看,所有台站的仪器烈度非常小(小于4度),不至于造成如此大的破坏吧?


由于测量地震烈度的仪器距离震中不可能太近,而震中房屋又出现了倒塌,这只能说明,该地震的强地震动随着远离震中,迅速衰减。

因此,抽象出来的物理问题是这样的:

在近地表溶洞广布的喀斯特地貌地区,由于大量空洞的存在,相比于没有空洞的情况,是否会放大震中的地面晃动,并且这一晃动仅集中在震中附近,远离震中则迅速衰减?

于是,笔者翻出了学生时代写的二维弹性波场模拟代码,改了改,完成了本次数值模拟。

先说结论:确实是这样的,由于空洞对波场的散射,会导致震中附近的晃动更大且持续时间更长,并且这一晃动,随着远离震中(可能只需要几百米),就迅速衰减。

我们先看没有空洞的波场(Ux):


整个波场(U):


现在看看有空洞的情况(Ux) ,近地表白色圆形就是空洞 :


整个波场(U):


由上图所示,由于空洞的存在,近地表波场散色非常严重,导致波场持续时间很长。

现在,我们看看地表台站记录到的波形:

先看震中的:


明显可见,当地下有洞时(红线),地表位移的振幅大了10倍,持续时间长了数倍,这足以说明 喀斯特地貌是这次地震的重要帮凶。

我们再看看,距离震中250米的台站记录(持续时间增长,振幅略大):


再看看距震中500米的台站(持续时间增长,振幅反而更小):


再看看距震中3500米的台站(持续时间增长,振幅更小了):


这些结果,足以说明:

喀斯特地貌区域由于地下大量空洞的存在,会造成波场散射,导致震中附近非常近(可能就数百米)区域内地震波的振幅会有数量级的增加,并且随着远离震中,迅速衰减(即散射衰减)。

这和我们观测到的现象完全一致。

喀斯特地貌是这次地震震中附近房屋倒塌的“帮凶”!

下面讲一讲模拟参数设置:

模型长8千米,深度5 千米 , 三角形网格,网格大小50米。

P波速度:3500 米/秒 ,S波速度:2020米/秒,密度2000 kg/m^3。

模型除地表外为PML吸收边界。

震源为雷克子波,主频5 Hz,位于模型中间,即x=4 千米 ,深度2.5千米处。

计算方法为有限元,进行的二维弹性波场模拟。

对于空洞模型,除了存在空洞外,其余设置和没有空洞模型完全一致。

空洞设置:在近地表100-500米深度范围内随时生成了23个圆形空洞,其直径为100到400米不等。

模型时间步长:0.00286秒,模拟时长为9秒。

空洞模型网格剖分:


空洞位置及大小:

Void 1: x=6668 m, y=393 m, d=250 m

Void 2: x=6168 m, y=340 m, d=123 m

Void 3: x=1162 m, y=488 m, d=383 m

Void 4: x=2841 m, y=310 m, d=173 m

Void 5: x=5688 m, y=180 m, d=282 m

Void 6: x=1618 m, y=374 m, d=222 m

Void 7: x=6423 m, y=204 m, d=114 m

Void 8: x=2134 m, y=488 m, d=319 m

Void 9: x=5262 m, y=404 m, d=148 m

Void 10: x=4051 m, y=463 m, d=226 m

Void 11: x=3469 m, y=402 m, d=200 m

Void 12: x=2389 m, y=271 m, d=144 m

Void 13: x=4538 m, y=371 m, d=116 m

Void 14: x=4072 m, y=191 m, d=107 m

Void 15: x=3217 m, y=206 m, d=137 m

Void 16: x=4861 m, y=171 m, d=110 m

Void 17: x=3796 m, y=317 m, d=114 m

Void 18: x=1312 m, y=116 m, d=146 m

Void 19: x=5083 m, y=128 m, d=138 m

Void 20: x=1847 m, y=106 m, d=185 m

Void 21: x=2178 m, y=116 m, d=169 m

Void 22: x=5983 m, y=494 m, d=156 m

Void 23: x=6191 m, y=109 m, d=110 m

无空洞模型网格剖分:


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