【技术实现步骤摘要】
本申请涉及一种地震学参数的定量估计方法，适用于地震服务的。
技术介绍
1、应力降、品质因子以及与场地条件相关的高频衰减系数等地震学参数在抗震设计、地震服务中发挥重要作用。受制于物理模型的简化以及观测资料的匮乏，现有的解析和反演方法难以对这些参数进行准确估量。为了保证区域地震动预测、地震危险性分析以及数值模拟等工作能够顺利展开，亟需一种精准高效且不依赖于大数据的地震学参数估计方法。
2、随机有限断层法是一种用于考虑地震波传播全过程的地震动模拟方法，它基于精细的断层运动模型，可以模拟并预测地震动的分布特征。该方法对地震破裂过程进行了精细刻画，对地震波在介质和场地中的衰减采用统计参数进行了近似描述，计算效率高，因此，能够在数据基础薄弱的区域，为参数估计或优化提供合适的正演模型。由于地震学参数与合成记录之间的关系呈高度非线性，因此在借助预测残差进行地震动参数估计时，无法获取目标函数的梯度信息，导致常规的寻优算法在此难以适用。
技术实现思路
1、本申请涉及一种地震学参数的定量估计方法，其利用贝叶斯优化与随机有限断层法，建立了能够适合于地震资料不完备地区的地震学参数定量估计方法。
2、本申请涉及一种地震学参数的定量估计方法，包括以下步骤：
3、(1)在目标区域内，选择需要定量估计的地震学参数数组，将其设为输入变量，选择估计所需的参考台站与地震检测设备记录的相应强震记录；
4、(2)根据现有地球物理资料，设置预估参数的搜索区间，初始化参数数组，设置
5、(3)根据输入的初始化参数数组，使用随机有限断层法进行多台站或者单台站的地震动模拟，并计算预测残差；
6、(4)基于贝叶斯理论，通过高斯过程回归构建代理模型，量化目标函数的不确定性；
7、(5)在获得当前目标函数的概率近似之后，以期望提升准则为采集函数，确定下一次迭代的参数组合；
8、(6)重复步骤(3)-步骤(5)，直至迭代次数达到预设值，输出残差最小的参数数组。
9、其中，选择的地震学参数包括与震源相关的平均应力降δσ和断层破裂速度vr，与介质相关的地壳平均剪切波速β、密度ρ、品质因子相关参数q0和η、以及几何扩散系数；与局部场地相关的高频衰减系数κ0；强震记录选择一次震级较大的历史地震事件中通过检测设备记录的数据，将所选的预估参数排列成一维数组x。
10、其中，所有预估参数的初始值在搜索区间内随机选取，其中震源平均应力降δσ的取值范围为10-100bar；高频衰减系数κ0的取值范围根据场址地表以下30m深度范围内的等效剪切波速vs30，按照经验公式κ0＝-0.0428*lg(vs30)+0.0153±0.0118进行换算。
11、其中，在步骤(3)的随机有限断层法中，子源的位置为(i,j)，子源到场地的直线距离为rij，子源的地震动加速度傅里叶谱faij(f)为：
12、
13、式中，f是频率，单位hz；c是与理论震源模型相关的常数，其中表示剪切波波辐射模式；v表示剪切波能量的水平分量系数；f为自由地表放大因子；s(f)代表场地放大函数；f0ij表示每个子断层的拐角频率；m0ij表示每个子断层的地震矩；g(rij)是与距离相关的几何扩散函数；hij是高频标度因子，用来保持模拟前后的震源辐射能守恒。
14、其中，场地放大函数s(f)采用观测记录的水平分量与竖直分量的反应谱比进行计算；几何扩散函数g(rij)采用三段式模型来表述：
15、
16、其中，边界距离r1和r2与目标区域的莫霍面深度相关，b1、b2、b3为待定系数，参考已有研究成果的数值范围随机给定上述参数的初始值。
17、其中，高频标度因子hij的表达式为：
18、
19、f0是根据总地震矩m0计算得到的拐角频率，表达式为：
20、f0＝7.12×106vr(δσ/m0)1/3
21、式中，m0为总的地震矩，dij为第(i,j)个子断层的滑动量，nl和nw分别为沿着断层走向和倾向的子断层的数目；f0ij表示每个子断层的拐角频率，其中
22、f0ij＝7.12×106vr(δσij/mave)1/3
23、其中，vr表示断层破裂速度，δσij为(i,j)位置子源的应力降，mave为断面的平均地震矩。
24、其中，将各子源产生的地震动加速度傅里叶谱反变换到时间域，再进行延时叠加，即可获得模拟的加速度时程，预测残差y通过下述公式计算：
25、
26、式中，表示第k个台站模拟加速度时程的反应谱，代表两个水平分量反应谱观测值的几何平均，n和nf分别为台站与频率样本的总数；
27、在完成残差估算之后，将结果保留，构建观测数据集；当采用t+1组初始参数进行模拟时，选前t组参数与对应的模拟残差来初始化观测数据集，用第t+1组参数和残差作为测试点，为开启贝叶斯优化提供数据基础。
28、其中，采用贝叶斯优化将预测残差y用简化的代理模型g(x)逼近：
29、y＝g(x)+ε
30、ε表示误差噪声，g(x)是抽象的函数，其后验分布通过高斯过程回归来求解，获得当前预测残差的概率近似；
31、步骤(5)中的期望提升准则的表达式为：
32、
33、式中，ymin是当前评估中观测到的最小模拟目标函数；μ(x)和σ(x)为代理模型g(x)在x点的均值和方差，x+表示与ymin相对应的输入参数数组；φ和φ分别为标准正态分布的累积函数和概率密度，参数ξ为控制优化时的探索量偏置因子；每次迭代中，将ei函数的最大值所对应的点作为下一组试算点x的取值。
34、根据本申请的一种地震学参数的定量估计方法，其将贝叶斯优化与随机有限断层模拟相结合，提出一种全新的地震学参数估计方法。该方法物理意义明确，凭借少量的强震记录便能快速准确估算目标区域内与震源、路径衰减以及场地条件相关的多种地震学参数，为强震模拟、危险性分析等抗震设计以及基础地震学研究提供重要指导。
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1.一种地震学参数的定量估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的地震学参数的定量估计方法，其特征在于，选择的地震学参数包括与震源相关的平均应力降Δσ和断层破裂速度Vr，与介质相关的地壳平均剪切波速β、密度ρ、品质因子相关参数Q0和η、以及几何扩散系数；与局部场地相关的高频衰减系数κ0；强震记录选择一次震级较大的历史地震事件中通过检测设备记录的数据，将所选的估计参数排列成一维数组x。
3.根据权利要求2所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，所有估计参数的初始值在搜索区间内随机选取，其中震源平均应力降Δσ的取值范围为10-100bar；高频衰减系数κ0的取值范围根据场址地表以下30m深度范围内的等效剪切波速Vs30，按照经验公式κ0＝-0.0428*lg(Vs30)+0.0153±0.0118进行换算。
4.根据权利要求2或3所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，在步骤(3)的随机有限断层法中，子源的位置为(i,j)，子源到场地的直线距离为Rij，子源的地震加速度傅里叶谱Faij(f)为：
5.根据权利要求4所
6.根据权利要求4所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，几何扩散函数G(Rij)采用三段式模型来表述：
7.据权利要求4所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，高频标度因子Hij的表达式为：
8.据权利要求4所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，将各子源产生的地震动加速度傅里叶谱反变换到时间域，再进行延时叠加，即可获得模拟的加速度时程，预测残差y通过下述公式计算：
9.据权利要求4所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，采用贝叶斯优化将预测残差y用简化的代理模型g(x)逼近：
10.据权利要求9所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，步骤(5)中的期望提升准则的表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种地震学参数的定量估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的地震学参数的定量估计方法，其特征在于，选择的地震学参数包括与震源相关的平均应力降δσ和断层破裂速度vr，与介质相关的地壳平均剪切波速β、密度ρ、品质因子相关参数q0和η、以及几何扩散系数；与局部场地相关的高频衰减系数κ0；强震记录选择一次震级较大的历史地震事件中通过检测设备记录的数据，将所选的估计参数排列成一维数组x。
3.根据权利要求2所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，所有估计参数的初始值在搜索区间内随机选取，其中震源平均应力降δσ的取值范围为10-100bar；高频衰减系数κ0的取值范围根据场址地表以下30m深度范围内的等效剪切波速vs30，按照经验公式κ0＝-0.0428*lg(vs30)+0.0153±0.0118进行换算。
4.根据权利要求2或3所述的地震学参数的估计方法，其特征在于，在步骤(3)的随机有限断层法中，子源的位置...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨千里，俞瑞芳，
申请(专利权)人：中国地震局地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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