1、地震学基础 (Fundamentals of Seismology),地震学简介:地震学是研究地震孕育、发生、发展，地震波的传播规律、接收方法和装置，以及地球内部构造及其特征的一门学科，是地球物理学的一个重要分支。,地震学研究的主要内容: （1）强地面运动地震学：它是研究中强地震引起的近场地面 运动的一门分支学科，将震源、地震波的传播介质、场地作为一个系统来研究，其一方面可为工程抗震设防提供依据，另一方面又可为研究震源特征提供基础。 （2）地震波传播理论和地球内部物理学：研究地震波在地球介质中的传播规律以及地球内部构造及力学参数特征。 （3）测震学：地震仪的原理及仪器的研制、台网布局、观测记录
2、的分析和解释。,地震学基础 (Fundamentals of Seismology),一、地球内部构造 二、板块构造运动 三、地震成因与地震类型 四、震源机制与断层 五、地震波 六、场地对地震动的影响,一、地球内部构造,地壳 Crust (30-40 km) 上地幔 Upper Mantle (35-1000 km) 下地幔 Lower Mantle (1000-2900 km) 外核 Outer Core (2900-4980 km) 内核 Inner Core (4980-6370 km),麦哲伦航线图,如何认识地球内部构造:（1）钻探-到目前为止，人类对地心最深的钻探记录是7.4英里（约
3、合11.9公里）。这是由前苏联科学家在俄罗斯北部科拉半岛地区实施的一次科学钻探的成果。科拉半岛超深钻是世界上最大的地上凿孔，几乎钻透了地壳外层的1/3。钻探开始于1970年，于1989年结束。日本探测船“地球”号此前已经载着科学家们前往东京以南的海域，它将一处水深2500米的海洋进行钻探，进而从海底向下钻入7000米深的地心，进行探测、钻孔、取样和安装地震监控仪器。这是人类首次尝试钻入地幔层，科学家希望这次尝试能够揭开气候变暖的秘密、寻找有助解释生命起源的微生物及了解地震的成因。*认识地球内部构造，考钻探还远远达不到要求。,如何认识地球内部构造:（1）物理手段（地震波法）-通过地震波速变化进行
4、研究。莫霍面-南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇的名字命名，是 地壳与地幔的分界面，地震波通过此界面后，横波（S波）和纵波（P波）的波速都突然增加。古腾堡面以美国地质学家古腾堡名字命名，是地幔与地核的分界面，地震波通过此界面后，横波（S波）消失，纵波（P波）的波速突然减小。,地球内部构造示意图,地球内部温度随深度而增加。 地下20 km：600度 地下100 km：1000-1500度 地下700 km：2000度， 地核：4000-5000度,地球岩层比重随深度而增加。 地壳：密度最小，2.7-3.0 地幔：地幔上层3.3 ，下层5.7 地核：外核9.7 ，内核12.3,19世纪，大陆固定论居统制地
5、位。 20世纪初，德国魏格纳提出大陆漂移学说。 大陆漂移说：在2亿5千年前，地球上原来只有一块完整的大陆（泛大陆），被一片汪洋（泛大洋）所包围。后来，由于天体的引力和地球的自转离心力所致，泛大陆出现裂缝，开始分裂和漂移。 大陆漂移证据：大陆地质地形拼合、岩石中古地磁痕迹、海岭海沟特征、地震观测数据。,二、板块构造运动,20世纪50-60年代，板块构造学说。 板块构造学说：地壳与上地幔的岩石层组成了全球岩石圈，地幔上部软流层的物质由海岭涌出，推着软流层上厚约100Km的岩石圈在水平方向移动，形成新的海底并造成海底扩张现象，大部分物质同时又在海岭下形成上升流，岩石圈在海沟处又插入另一部分岩石圈下，
6、返回软流层，同时形成下降流。这样，在海岭带和海沟带之间便形成地幔对流体，地幔对流带动板快运动。（大洋板快俯冲图） 六大板块：欧亚、太平洋、美洲、非洲、印澳、南极。（六大板快示意图）大陆漂移学说和板块构造学说是20世纪地球科学最伟大的成就。,三、地震成因与地震类型,地震：由于地球内部物质的不断运动，逐渐积累了巨大的能量。在地壳某些脆弱地带，造成岩层突然破裂，或者引发原有断层的错动，这就是地震，也称构造地震。,以前，人类因科学落后，一直把地震灾害归结于上帝天神的起自然力量。许多民族相信，大地由一些动物支撑着，这些动物一动，一就会产生地震。例如印度一些部落认为，海龟上站着几头大象背负着大地、大象一动
7、地震就发生。日本广泛传说地震是由于地下大鲶鱼翻身，镇住鲶鱼则天下太平。古希腊传说海神生气时拿三叉戟敲击海底，于是造成地震和海啸。那么地震的成因到底是什么呢？,1、地震成因,地球构成：,三个圈层：地壳 、地幔 、地核,地幔物质对流（动力）,板块构造运动(根本原因),地震,地震形成的宏观背景：,图 板块分布图,92%的地震发生在地壳中， 其余的发生在地幔上部,地震的形成：,a、岩层的原始状态,b、受力发生弯曲,c、岩层破裂发生震动,地震形成的局部机制（弹性回跳理论）：,地球板块运动,板块之间的相互作用力,地壳中岩层变形,变形积聚超过岩石所能承受的程度,岩体就会发生突然断裂或错动,地震,*改进的弹性
8、回跳理论地震序列,汶川地震成因：,印度板块向亚洲板块俯冲，造成青藏高原快速隆升。高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川映秀地区突然释放。,全球两大地震构造系,环太平洋地震构造系集中了全世界地震总数的75%,欧亚大陆地震构造系集中了全球大陆地震的90%,我国位于世界两大地震构造系的交汇域，受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，历史上就是地震多发的国家之一。,1900-1980年间，我国发生6级以上地震606次，8级以上地震8次，地震共死亡约146.8万人，约占全球地震死亡
9、人数的一半。,2、地震分类,以板块构造为基础，可分为：板内地震和板边地震。,同板边地震相比，板内地震活动有以下三个特点： 板内发生地点零散，空间分布广，频度较低；而板边地震发生地点集中，频度较高。 板内地震危害性大。 板内地震震源机制复杂，原因是板内受力状态复杂，而且各不相同。,震中：震源正上方的地面位置,震中距：地面某处至震中的水平距离,震源,震源深度,震中,等震线,震中距,震源深度: 从震中到震源的距离,浅源地震：震源深度在70公里以内的地震。 深源地震：震源深度超过300公里的地震。 中源地震：震源深度介于70-300公里之间的地震为。,近震：震中距在100公里-1000公里 远震：震中
10、距超过1000公里的称为,震源：地球内部断层错动并 引起周围介质振动的部位,四、震源机制与断层,回跳理论：板块相对运动，变形超过岩石或破碎带的极限强度，出现脆性破裂，应力突然释放，应变能转化为动能释放出来，形成地震波。断层形式：走滑断层和倾滑断层。,震源机制：地震震源处地球介质的运动方式。通常所说的震源机制是狭义的，即专指研究构造地震的机制而言。构造地震的机制是震源处介质的破裂和错动。 震源机制研究的内容包括：确定地震断层面的方位和岩体的错动方向；研究震源处岩体的破裂和运动特征；以及这些特征和震源所辐射的地震波之间的关系。,美国加州圣安德利斯走滑大断层,*走滑断层：断层面两侧岩层的相对运动以沿
11、地表断裂的走向为主时，称为走滑断层。 在走滑断层中，从上向下看地表，若相对滑动是顺时针时，为右旋，反之为左旋。,1906美国旧金山年4月18日当地时间早晨5时12分大地震,*倾滑断层：断层面两侧岩层的相对运动以沿断层面向地下倾斜的方向滑动为主时，称为倾滑断层。 在倾滑断层中，若断层的上盘块体相对下盘块体作向下滑动时，为正断层；反之为逆断层（汶川地震和台湾集集地震）。,*斜向滑动断层：断层两侧相对位移既有走向滑动又有倾向滑动。,1999年9月21日凌晨1时47分12.6秒台湾集集地震车笼埔断层 由菲律宾海板块挤压欧亚板块形成,五、地震波,地震波：地下岩体断裂，错动产生振动，并以波的形式从震源向外
12、传播，形成地震波 。,地震波的组成：,体波：在地球内部传播的波,面波：沿地球表面传播的波,纵波(压缩波),横波(剪切波),乐夫波,瑞雷波,面波周期长，振幅大；比体波衰减慢，能传到很远的地方,横波周期较长，振幅较大,纵波,横波,乐夫波,瑞雷波,*地震波的传播速度：纵波横波面波。,*地震来时人的感觉：先上下颠簸，再左右晃动。,*在地震预警（地震速报）中应用:,*在地震预警（地震速报）原理:地震发生时，一般是破坏力较小但速度较快的地震波（P波）先到达，接着就是破坏力大但速度慢的地震波（S波）。两种震波之间存在几秒到几十秒的时间差。技术人员正是利用这个时间差，使用仪器探测出P波后，迅速发出预警。在S波
13、来临之前，人们可以得到几秒到十几秒的宝贵逃生时间。,*成功案例：2008年6月14日8点43分51秒，日本岩手宫城地震。,*地震波破坏作用：纵波较小，横波面波地面震动大，破坏强。,宫城县大崎市地区在这次地震中的震度为6级。在S波到来前的5.33秒，地震预测警报启动了。据朝日新闻报道，49岁的高桥厚志当时正在看电视，电视里响起了“大地震！大地震！”的警报，“快躲起来！”他马上朝在客厅的两个儿子大喊。就在一家人刚躲好时，地震来了。所幸，一家人没有受伤。,实际上，离震源越远，震度越低，预警时间与实际S波到来之间的时间差就越大，预警效果就越好。除了宫城县的大崎市(震度为6级弱)在地震前5秒就接到预警以
14、外，离震源70公里的仙台市宫城野区五环(震度为5级弱)在15.32秒前就接到了预警。,！虽然这次地震震级为7.2级，但是并没有造成大范围的人员伤亡，这与日本政府推行的紧急地震速报系统有很大关系。,波动方程,*标量场：空间某一区域定义一个标量函数,其值随空间坐标的变化而变化，有时还可随时间变化。则称该区域存在一标量场。如温度场,电位场,高度场等。,*矢量场：空间某一区域定义一个矢量函数,其大小和方向随空间坐标的变化而变化，有时还可随时间变化。则称该区域存在一矢量场。如速度场,磁场等。,*梯度：,标量场的梯度表征标量场变化规律：其方向为标量场增加最快的方向，其幅度表示标量场的最大增加率。,*散度：
15、,矢量场的散度代表矢量场的通量源的分布特性；矢量场的散度是一个标量。,*旋度：,*Helmholtz定理 ：空间区域V上的任意矢量场，如果它的散度、旋度和边界条件为已知，则该矢量场唯一确定，并且可以表示为一无旋矢量场和一无散矢量场的叠加，即：,是无散场，,是无旋场，,*由Helmholtz 定理，任何一个矢量场可表示为一个标量场的梯度和一个矢量场的旋度之和，所以：,第一项无旋场 第二项无散场,*位移形式表示的动力平衡方程 ：,位移场散度=体应变,体应变,拉普拉斯算子,*将式（1）代入（2）中得：,*纵波,位移或应力满足旋度为零状态,*横波,位移或应力满足散度为零状态,只有形状改变而无体积变形，
16、又称剪切波或S波,只有体积改变而无形状改变，又称压缩波或P波,*地震动：由地震波传播所引发的地面振动，其中，在震中区附近的地震动称为近场地震动。,*地面上任一点的振动过程实际上包括各种类型地震波的综合作用。,最大振幅,地震动的强度特性,定量反映,频谱,地震动的周期分布特征,揭示,持时,地震动循环作用程度的强弱,地震动的三要素 ：,地震动的峰值（最大振幅）、频谱、持续时间,考察,六、场地对地震动的影响,建筑物所在地，其范围大致相当于场区、居民点和 自然村的范围。,影响建筑物震害的因素:,、场地的定义,、场地对建筑物震害的影响,1967年加拉加斯地震震害统计结果（图）,场地的固有周期,单层土场地:
17、,多层土场地:,地震波的频谱幅值谱,地震波幅值和频率之间的对应关系曲线，称为地 震波频谱或幅值谱。,天津波地表时程,天津波频谱,地震波的卓越周期,地震波幅值谱中幅值最大的频率所对应的周期。,场地对建筑物震害的影响,场地对地震波的滤波和放大作用：在地震波通过覆盖 土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的一 些频率波群将被放大；而另一些远离土层固有周的频 率波群将被衰减甚至被完全过滤掉。,地震波通过土层时，由于土层对地震波的放大作用和 滤波作用，地表地震动的卓越周期在很大程度上取决 于场地的固有周期。,当建筑物的固有周期与地震动的卓越周期相近时，建 筑物的振动会加大，震害也会加重。,1967年加拉加斯地震震害统计结果（图）,请思考：下列情况场地，那座建筑更易破坏？,、场地对地震动的影响因素,多层土的地震效应主要取决于三个基本因素：,场地固有周期,频谱,滤波作用,共振放大效应,峰值,大洋中脊,问题：说明海岭及其两侧的岩石新老关系。,新,老,老,海岭：大洋地壳诞生处,海沟：大洋地壳消亡处,大 洋 板 块 俯 冲 示 意 图,六 大 板 块 示 意 图,太 平 洋 板 块,印度洋板块,非 洲 板 块,亚 欧 板 块,南 极 洲 板 块,美 洲 板 块,阿拉伯半岛,喜马拉亚山脉,
