京都大学理学研究科地球惑星科学専攻博士論文, 2003 
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Frequency-Dependent Source Heterogeneities for Broadband Ground Motion Simulation

Hiroe Miyake

(Kyoto University)

Contents

  • Chapter 1. Intoroduction


  • Chapter 2. Source Characterization for Broadband Ground Motion Simulation:
                  Kinematic Heterogeneous Source Model and Strong Motion Generation Area


  • Chapter 3. Frequency-Dependent Source Processes for the 1989 Loma Prieta Earthquake using Complex Spectral Inversion


  • Chapter 4. Slip Velocity Time Function for Simulating Broadband Ground Motions:
                  Application to the 1995 Hyogo-ken Nanbu (Kobe) Earthquake


  • Chapter 5 Conclusions


    • Abstract

    Source processes inverted from low- and high-frequency waveforms are generally different each other. The low- (< 1 Hz) and high-frequency (> 2 Hz) wave radiations contain significant information for interpretation of earthquake source physics and it is important to try to clarify the frequency-dependence of the generation of seismic waves from the source over as wide a frequency range as possible. Three different techniques are applied to the broadband ground motion analyses of recent earthquakes. This thesis addresses the general scaling of strong motion generation area, estimates the frequency-dependent heterogeneous source processes, and proposes appropriate slip velocity time functions as a key for controlling the rupture dynamics.

    First demonstration is that near-source ground motions are controlled by not total rupture area but strong motion generation areas with large slip velocities. The strong motion generation area obtained from broadband ground motions coincides with the area of asperities characterized from heterogeneous slip distributions estimated by low-frequency waveform inversions. The size and rise time of the strong motion generation area show the self-similar scalings with respect to seismic moment. Characterized source model for the broadband ground motion simulation is proposed. This model consists of strong motion generation areas with large slip velocities and a background slip area with a relatively small slip velocity. Applicability of the proposed model is confirmed by ground motion simulation for the 1997 Kagoshima-ken Hokuseibu earthquake.

    The frequency-dependent heterogeneous source processes for the 1989 Loma Prieta earthquake are investigated by complex spectral inversions. An approach of fitting the complex source spectra has been developed with frequency-dependent phase weighting that models both the coherent and stochastic summation of waveforms using empirical Green's functions. Large low-frequency wave radiations are made from two asperities seen in previous time-domain waveform inversions. High-frequency wave radiations are mainly made at the breaking points of these asperities. The distributions of maximum slip-velocity intensity indicate a progression of wave generation from the center to edge of each asperity with increasing frequency.

    Appropriate slip velocity time functions for simulating broadband ground motions are examined for the 1995 Hyogo-ken Nanbu (Kobe) earthquake. The slip velocity time function is expressed as the combination of the function obtained by low-frequency waveform inversion and impulsive function whose amplitude is proportional to the high-frequency amplitude spectral level. The velocity waveform inversion in the frequency range of 1 to 3 Hz indicates that maximum slip velocities required for broadband ground motions are 2-3 times larger and that effective pulse widths of peak velocities on the asperities should be shorter than those for low-frequency ground motions. Strong ground motion generation is featured by both spiky slip velocity generating high-frequencies at the breaking point of asperities and Kostrov-like slip velocity corresponding to the size of asperities where coherent summation of the seismic waves are made effectively around 1 Hz.

    The above analyses suggest that heterogeneous source processes are not expressed by randomness but controlled by systematic wave radiations corresponding the rupture dynamics of asperity.

    広帯域強震動シミュレーションを目指した震源の周波数依存不均質特性の解明

    三宅 弘恵

    論文要旨

    　本研究では震源の物理に基づいた広帯域強震動シミュレーションの確立を目指し，強震動生成にかかわる不均質な震源特性の周波数依存性が3つの異なる方法によって推定された．断層面における低周波数(<1Hz)と高周波数(>1Hz)の地震波励起特性の時空間分布を解明することは，震源の物理を理解するため，および地震災害の軽減を目的とした強震動予測において重要である．

    　第1の方法では，小地震記録を経験的グリーン関数として用いることによって，広い周波数帯域における強震動生成域の推定がなされた．ここではまず，内陸地殻内地震の強震動生成域を均質なすべりをもつ矩形域として特化し，波形モデリングを行った．その結果，強震動の生成は断層面の中でもすべり速度の大きい領域と関係づけられることが定量的に証明された．

    　第2の方法では地震動のスペクトル領域のインバージョンによる震源過程の不均質性の推定がなされた．広帯域波形解析を難しくしている一因として，2Hz付近を境に波形がcoherentからincoherentな性質に遷移することが挙げられる．そこでこのような各周波数帯域における地震波がもつ性質を考慮した震源破壊過程の問題を解くため，重み付き複素スペクトルインバージョンが開発された．この手法は，観測と計算記録に関して振幅スペクトルを合致させ，位相スペクトルに対する合致度を低周波数から高周波数にかけて段階的に緩めるものである．同手法を1989年Loma Prieta地震に適用し，既往の研究から求められているアスペリティの内部で低周波すべりが生成され，周辺部に近づくに従ってより高周波すべりが励起される様子が示された．

    　第3の方法では，低周波数域の波形インバージョンをより高周波数域に拡張する震源インバージョン法が試みられた．ここでは，低周波数波形インバージョンで得られたすべり速度時間関数に，高周波数スペクトルレベルに比例した振幅をもつインパルス的な関数を重ね合わせることで，広帯域強震動再現のためのすべり速度時間関数が表現される．1995年兵庫県南部地震を例に，破壊の動力学を反映したパラメータであるすべり速度時間関数を推定した結果，低周波数震源モデルで得られた値の約2-3倍の最大すべり速度を持つKostrov型のすべり速度関数が効果的であることが確認された．

    　本研究では強震動を支配するアスペリティの性質が，面積とすべり継続時間，周波数依存の不均質励起特性，すべり速度時間関数の観点から整理された．上記の結果は，不均質な震源過程はランダムではなく，アスペリティ破壊の成長過程に応じた波の励起に統一的に支配されていることを意味する．
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