基于物理原理的3D地震场地效应模拟：以意大利特伦蒂诺地区下萨尔卡山谷为例

《Soil & Environmental Health》：Physics-based simulation of 3D seismic site effects: Case study of the lower Sarca Valley (Trentino, Italy)

地震动放大效应及3D地壳模型构建与验证研究。

　　在这项研究中，我们探讨了沉积覆盖层和基岩地形在所有uvial山谷和沉积盆地地震响应中的作用，通过基于物理原理的数值模拟来研究地震波在异质粘弹性介质中的传播特性。这项工作聚焦于意大利阿尔卑斯山脉的萨卡山谷（Sarca Valley）的下部，该山谷宽约5公里，位于加尔达湖的北岸。研究表明，在工程感兴趣的频率范围内（0.5–10 Hz），该山谷的地震地面运动幅度可达到岩石地点的10倍。为了探究这些观测到的放大值的来源，我们利用从现有地质和地球物理数据以及新近开展的微震测量、剪切波速度剖面和重力数据中构建的三维数字结构-地球物理模型，对山谷的地震地面运动进行了数值模拟。

这项研究揭示了地震波在山谷和盆地中的响应不仅仅受到垂直方向上的地层结构影响，还受到水平方向上的异质性影响。这些异质性可能导致地震波的聚焦效应或表面波的生成，从而形成二维或三维的地震响应。1D和2/3D地震响应并非完全独立，它们可以相互作用，形成特定的地震响应，这在大型沉积盆地的边缘尤为明显。例如，文献中的研究表明，在中央意大利的Colfiorito平原，低震级地震记录中观察到的长持续时间和高放大值可以通过地层效应与Love波在盆地边缘的衍射相结合来解释。类似地，在中央意大利的Gubbio冲积盆地，文献指出在0.3–5 Hz的宽频范围内，通过地层效应和侧向传播效应的叠加，可以解释高达10倍的放大值。此外，在中央意大利的Norcia盆地，Bindi等人也提出了类似的解释，说明在0.5–5 Hz频率范围内，放大值可达20倍。

尽管1D和2D/3D地震响应之间的区别被广泛讨论，但它们的定量预测仍然是一个具有挑战性的任务。基于物理的数值模拟方法为研究这些复杂的地震响应提供了一个强有力的工具。例如，在1995年神户地震后，人们发现地震破坏带的形成可能是由于直接S波与盆地诱导的表面波之间的建设性干涉。Roten等人在瑞士的Sion市附近的罗纳河谷成功应用了3D有限差分方法，重现了观测到的地震效应，并识别了频率范围在4 Hz以下的2D共振和边缘生成的表面波。此外，Maufroy等人通过一系列比较实验验证了3D数值模拟在希腊的Mygdonian盆地中的适用性，特别是在低到中等频率范围内。

随着近年来对数值3D模拟应用的增加，这种技术已成为分析地震响应的重要工具。例如，Cruz-Atienza等人利用大规模3D模拟研究了洛杉矶盆地中地形和地表土壤层对地面运动的影响，频率范围可达5 Hz。Castro-Cruz等人使用经过验证的法国Cadarache沉积盆地的3D模型，对可能在相邻Middle Durance断层发生Mw 6地震时的地面运动进行了宽带（0–10 Hz）盲预测。目前，大规模的3D物理数值模拟已广泛应用于加州地震研究中心（SCEC）的概率地震危害模型中，通过CyberShake平台实现。

为了确保数值模拟的可靠性，需要充分了解地下结构和地震介质的机械特性。Klin等人基于过去几十年在该地区进行的油气勘探中获得的地质解释数据，推导了波河谷（Po Valley）某一区域的3D地震波速模型。这一模型使得作者能够解释2012年波河谷地震序列在震中区观察到的地面运动异常长的持续时间，归因于埋藏的结构性脊柱上表面波的激发。然而，使用侵入式勘探方法并非生成可靠3D地震波速模型的唯一途径。Panzera等人成功验证了瑞士Visp市附近的罗纳河谷的3D地震波速模型，该模型主要基于非侵入式技术获得的地下数据。

本研究关注的是萨卡山谷（LSV）的下部，位于加尔达湖北岸的意大利阿尔卑斯山脉。根据MPS04-S1概率地震危害模型，LSV中岩石地点的谱加速度值在475年重现期范围内，振荡周期为1秒时，范围在0.050 g至0.075 g之间，振荡周期为0.5秒时，范围在0.150 g至0.175 g之间，振荡周期为0.2秒时，范围在0.3 g至0.35 g之间。这些地震危害值与其他意大利地区的相比相对较低。然而，一项最近的研究表明，在工程感兴趣的频率范围内（0.5–10 Hz），LSV内部的地震地面运动放大值可能达到10倍，这表明该地区的实际地震危害可能显著高于预期，并且需要更精确的评估，因为该山谷是人口密集且有多种经济活动的地区。

在同一个项目中，Parolai等人应用了地震噪声干涉测量技术，以证明在LSV的一些地点和附近岩石地点之间，地面运动分量之间存在非可忽略的交叉耦合。根据Paolucci的说法，这种交叉耦合与土壤中机械性质的侧向异质性有关。这表明LSV中的放大现象不能完全用1D地层共振来解释，因此还需要考虑3D效应。

为了更好地理解LSV中观测到的地震响应来源，我们使用了现有的地质和地球物理数据，以及最近进行的地震学研究中的数据，构建了一个3D数字结构-地球物理模型。我们利用GeoModeller?软件，通过插值潜在场的方法，结合地质数据和地球物理数据，如地震反射剖面、地质解释剖面和钻孔测量，构建了模型。我们构建了模型的深度为1400米，覆盖了一个10公里东-西方向和12公里北-南方向的矩形区域。该区域以蒙特布里奥（Monte Brione）为中心，包括加尔达湖北岸的阿尔卑斯山谷和海拔高达1600米的丘陵。

为了进行基于物理的地震波传播数值模拟，我们需要将涉及的物理性质分配给3D空间域中的每个点。我们假设每个单元由均匀各向同性和粘弹性介质组成，其特性包括压缩波和剪切波的速度（VP和VS）、质量密度（ρ）以及体积和剪切变形的弹性品质因子（QΚ和Qμ）。尽管LSV中的湖泊水在3D模型中被表示为一个结构单元，但为了简化模拟，我们决定将水的特性与软沉积物相同，并且在分析中排除了水面的解决方案。这是因为湖床在北部岸边的坡度较为平缓，对精确的网格离散化构成挑战，并且不太可能在内陆地区产生显著的物理效应。

为了评估3D模型的有效性，我们通过将数值模拟结果与实际观测数据进行定量比较，验证了该模型的适用性。具体而言，我们比较了在19个临时地震网络站点处的实测放大函数与从3D模型中获得的数值放大函数。此外，我们还考虑了1D模型的放大函数，即从3D模型中提取的垂直剪切波速度剖面。在大多数情况下，3D模型的放大函数与实测放大函数之间的匹配优于1D模型，这表明地下结构的侧向异质性对该山谷的局部地震效应有显著影响。

尽管本研究的模拟仅覆盖了频率范围0.5–5 Hz，但这一范围已经能够解释在该山谷内部观测到的峰值频率的放大函数。此外，我们引入了一个九分量的描述符，称为垂直入射平面波的“站点到站点传递函数”，以捕捉地震响应中的交叉耦合效应。该函数允许我们表达在特定地点的三元地面运动向量，基于参考地点的地面运动向量和相同输入运动的模拟。这一方法在处理地震响应时具有重要意义，因为它可以考虑地面运动分量之间的相互作用。

本研究的目的是评估3D模型在重现工程感兴趣的频率范围（0.5–5 Hz）的地震响应方面的有效性。我们通过比较数值模拟结果与实际观测数据，验证了模型的可靠性。此外，我们还分析了模型在不同站点的预测能力，以评估其在地震预测中的潜在应用。通过这些研究，我们不仅能够更好地理解该山谷的地震响应机制，还能够为地震风险评估和防灾规划提供科学依据。