第六章 地震和地球的圈层-行星地球.doc

第六章 地震和地球的圈层构造全界每年能被感觉到的地震超过30000次，每年仅有大约75次大地震发生在地球上，并且其中的许多地震还发生在偏远的地区。偶然也会有一些大地震发生在人口密集的地区，在这种情况下，地震便是地球上破坏性最大的自然灾害了。地震会引起砂土地基的液化，给建筑物造成严重的破坏。当地震发生在人口密度大的地区，电力和燃气输送线经常被破坏而造成大规模的火灾，如1906年San Francisco地震中，大多数的破坏是由于地震引起的火灾造成的；我国1976年唐山大地震7.8级造成了24万人死亡，16万多人重伤，这是目前为止是世界地震史上死亡人数最多的一次地震。1.地震的有关概念（Some terms of Earthquake） 地震是地球内部能量快速释放引起的地球或地壳的快速颤动。地震的 能量从震源（focus）以波的形式向各个方向释放传遍整个地球。震中（epicentre）震源在地面上垂直投影叫。震源深度（focus depth）震中至震源的距离。震中距（ epicentral distance ）从震中到任何一个地震台站的距离。2.地震波的类型和传播特征（Earthquake Waves） 地震波是地震震源释放的能量波。地震波分为：面波(surface waves)、 体波(body waves)。 面波围绕地球外层传播的波；体波（纵波、横波）沿着一定传播路径穿过地球内部的波。纵波（ primary waves）：通过介质的体积变化即挤压和拉伸传播的，在固、液、气态介质中均可传播，速度最快。 横波（secondary waves）：震动方向与传播方向垂直，通过介质的形态变化而实现，又称作剪切波，只在固体中传播，速度较纵波慢。3.震中的确定（Funding Where Earthquakes Occur） P波和S波传播速率不同，因此纵波与横波到达同一地震台有时间差，时差与震中离地震台的距离成正比，地震台离震中越远，时差越大。根据地震监测仪接收到P波和S波的时间差可以确定震中距。4.地震震级和烈度(Earthquakes Magnitude) 地震震级 是描术地震绝对强度的一种方法，是指地震能量大小的等级。取距震中100km处由标准地震仪记录的地震波的最大振幅（m)的对数值，如10mm=10000 m 即震级为 4。1935年，美国加里福尼亚技术学院的Charles Richter 提出了地震震级的概念（ Richter Scale）。目前全世界都使用Richter Scale来表示地震能量的大小。5级以上的地震能造成破坏，目前己知的最强地震是8.9级，曾经记录到的8.6地震震级（Richter Scale）能量的释放产生的振动相当于10亿吨TNT的能量。当Richter Scale震级小于2时，常通人们是感觉不到振动的。震级和能量之间的关系不是线性的变化关系：如6.5级的地震所释放的能量相当于30多倍的5.5级地震所释放的能量；大约相当于4.5级地震产生的能量的900多倍（30*30）烈度 是指地震对地面的破坏程度，是根据地面的破坏程度来确定的。烈度一般分为12级。6级以上的烈度都具有破坏性；12级烈度的破坏是毁灭性的。烈度相同的点的连线称等震线。由于各地地质情况不均一，破坏程度也不同，所以等震线不是规则的同心圆 。度；无感仅仪器能记录到；度；微有感个别敏感的人在完全静止中有感；度；少有感室内少数人在静止中有感，悬挂物轻微摆动；度；多有感室内大多数人，室外少数人有感，悬挂物摆动，不稳器皿作响；度；惊醒室外大多数人有感，家畜不宁，门窗作响，墙壁表面出现裂纹度；惊慌人站立不稳，家畜外逃，器皿翻落，简陋棚舍损坏，陡坎滑坡；度；房屋损坏房屋轻微损坏，牌坊，烟囱损坏，地表出现裂缝及喷沙冒水；度；建筑物破坏房屋多有损坏，少数破坏路基塌方，地下管道破裂；度；建筑物普遍破坏房屋大多数破坏，少数倾倒，牌坊，烟囱等崩塌，铁轨弯曲；度；建筑物普遍摧毁房屋倾倒，道路毁坏，山石大量崩塌，水面大浪扑岸；度；毁灭房屋大量倒塌，路基堤岸大段崩毁，地表产生很大变化度；山川易景一切建筑物普遍毁坏，地形剧烈变化动植物遭毁灭；5.地震灾害（Destruction From Earthquakes） 5.1 地震造成建筑物破坏建筑物破坏的程度取决于以下几个方面的因素：（1）地震的强度：地震的震级越大，破坏性越大。（2）地震持续的时间：地震持续震动的时间越长，破坏性越大。大部分地震持续的时间小于1分钟，而1964年Alaska大地震持续时达47分钟。（3）建筑物地基的性质：按理论上讲，在震中范围20至50公里内应受到相同程度的震动，然而这个区域内的破坏程度却各不相同。造成这种震害的差异的原因主要取决于建筑物的地基性质。较软的沉积物地基比较硬的地基的震害要严重，如那些建在末固结的沉积物上的建筑物受到了很严重的破坏，而建于坚硬的花岗岩地基上的大部分建筑物受到的破坏要小得多。此外那些末固结的地基在地震的影响下会产生地基液化现象，建筑物受到破坏，1989 年旧金山大地震中，在Marina地区出现的地基失效、砂和水从地面上间隙喷射出来等都表明地基液化曾发生。（4）建筑物的结构型式：较具有柔性的木框架结构的居民建筑的在地震中的遭遇要好得多，钢框架结构的建筑能抵御地震波震动，而相对刚性的混凝土结构的建筑破坏得很严重。5.2 海啸大部分的海啸是由地震引起大洋底岩层产生位移造成的。海啸形成的波浪的传播速度是惊人，且具有相当大的破坏力。1964年Alaska大地震中产生的海啸对Alaska海湾造成巨大的破坏，死亡的136人中有107人死于海啸，仅有9人直接由地震导致死亡。5.3 火灾1906年San Francisco大地震后引了令人可怕的火灾，市中心的古老的木结构和砖结构的建筑物都被破坏。尽管那些没有加强的砖结构建筑物会因强烈的地震遭到破坏，更大部分的破坏还是由于燃气和电力线损坏引起的，大地震后引起的火灾难以控制。 1906年San Francisco大地震后燃烧了3天，烧毁了市中心的50街区（blocks) 。最后，一条宽大的天然林荫大道给大火提供了建筑物生态防火带（fire break)。这次由地震引起的大火仅造成几人死亡，但事情并不总是这样的。在1923年日本大地震中，估计有250处火灾，烧毁了横滨市，破坏了东京半数以上的房屋，由于大风还造成了10万人死于火灾。5.4 滑坡和地面沉陷6 地震分布全球地震的分布很有规律，主要集中在三个带。环太平洋地震带：这一地震带集中了世界上80%的地震，包括大量的浅原地震，90%的中源地震几乎所有的深原地震和全球大部分特大地震。地中海-印尼地震带：这个地震带集中了世界上15%的地震，主要是浅原地震和中原地震，缺乏深源地震。洋脊地震带：分布在全球洋脊的轴部，均为浅原地震，震级一般较小。大陆内部还有一些分布范围相对较小的地震带，如东非裂谷。7.地震预报和防震措施（Earthquakes Predicted and Protection Measure）地震预报要求回答三个问题：在何处地震？震级有多大？什么时候发生？ 前面的二个问题是可以回答的，但要准确回答第三个问题是困难的。地震预报分为中长期预报、短期预报和震前预报。 中长期预报是数年以上的时间跨度，主要通过地震和地质情况的调查研究来实施。短期预报是指1-2年时间跨度的预报，这种预报既靠地震和地质情况的调查研究，还要靠运用各种监测手段。震前预报主要靠运用各种监测手段。 地震的监测主要是利用各种仪器设备研究岩石中正在发生的各种物理变化，如测量与研究地电、地磁、地应力的变化及地壳变形等等。8.地球内部圈层构造（Earthquakes and Earth,s Interior） 由地球的中心至地表可分为：内地核、外地核、地幔和地壳。1909年南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇（Mohorovicic) 研究萨拉布地区一次地震时，发现在地下33千米处地震波的波速发生了明显的变化，由原来的67千米/秒突变到8千米/秒，说明组成物质明显不同。这一界面具有全球性，并经证实是地壳和地幔的分界线，该不连续面称为莫霍面。莫霍面在大陆地区深度约在2070千米左右，大洋地区深度在78千米。 几年后，德国学者古登堡发现纵波P波从震中开始算约105C处消失，2秒钟后约在140C处再重新出现，这样大约35C区域称“阴影带”。造成地震波阴影带的原因是因为地球的外核，S波不能穿过外核。P波虽能穿过外核，但P波在外核中传播的路径也发生了很大的变化，也不能到达阴影区。 当P波通过地幔时平滑地发生折射，而P波通过外核时则发生较大角度的折射，这样就留下了一个没有P波通过的区域。根据P波和S波的特征可以来确定地球内部的结构，在2900km处，P波速度下降，S波停止（消失），认为这是地幔和上地核的分界面，上地核是液态的。 在5200km处，P波速率部分恢复，认为这是上地核与下地核（固体内核）的界面。1914年，德国学者古登堡发现了地下2900千米处存在地震波速的间断面，这是地核与地幔的分界层称为古登堡面不连续面。岩石圈 包括地壳和上地幔的上部。这个概念由巴雷尔于 1914年根据板块理论提出的地球圈层概念。岩石圈的厚度是变化的，大洋部分在洋中脊的最新部分只有68千米，在最老部分则有100千米；大陆岩石圈更厚一些，基本上在100400千米之间。软流圈是巴雷尔（Barrell.Joseph)与岩石圈同时提出的地球圈层概念。 软流圈位于上地幔低速层之下至过度层上部。软流层温度较高，但刚性较弱，能够长期缓慢变形，相对低温的、刚性的岩石圈可作为一个整体漂流在软流圈之上。地壳是地球最表面的构造层，只占地球体积的0.8%。地壳主要是由岩石组成。岩石是自然形成的矿物集合体，它构成了地壳及其以下的固体部分。根据其性质可分大陆地壳和大洋地壳。大陆地壳厚，由硅铝层和硅镁层二层组成；大洋地壳薄，只有硅镁层组成。 地壳和地幔之间以莫霍面分界。地幔位于地球金属地核之上的巨厚的硅酸盐圈层，是地球最重要的组成部分（占地球体积的82%）。地幔受到放射性同位素衰变的加热，引起地幔内部的大规模物质对流（板块的运动是由这一对流驱动的）。 地幔与地核的分界面称为古登堡面。根据波速在400千米和670千米深度上存在两个明显的不连续面，可将地幔分成由浅至深的三个部分：上地幔、过渡层、下地幔。地核位于地下2900千米以下。地震地球物理资料表明地核可分为两个部分：内地核、外地核。地核的密度高达13.5103千克/立方米，它的物质组成曾是令地质学家困惑的事情，但陨石给了我们启示： 固态铁、镍是内核的主要成分。虽然外核的主要成分也是铁、镍，但却是液态的。如何解释外核是液态的，而内核是固态的呢？目前唯一合理的解释是：外核可能含有更多的轻元素，如硫、硅、磷、氮、钠、钾等，这些元素的加入，大大降低了外核的熔点。9.地球的重力和地壳均衡（Earth,s Gravitation and Isostasy）重力加速度是度量地球重力大小的物理量，以大地水准面形状的扁球体代表地球，并假定地球内部的物质呈现同心层状分布，每一层密度均匀，这样可以求出地球上不同纬度的理论重力值称正常重力值。由于地球的自转和地球形状的不规则，造成各处的重力加速度有所差异。此外，重力值还与海拔高度、纬度以及地壳成分、地幔深度密切相关，地球的重力场可以通过重力测量、天文大地测量和观测人造地球卫星轨道的扰动来求得。由重力仪获得的观测值和理论值之间偏差称重力异常 。地壳越厚（莫霍面位置越低,山越高），重力负异常越大（重力值越小）；地壳越薄（莫霍面越浅，大洋地壳 ）；重力正异常越大（重力值越大）。 地壳均衡理论认为：地球内部趋向于流体静力平衡状态，即地下某一深度上压力处处相等。大地水准面之上的山脉的额外质量由其下的质量不足来补偿，深部等压面称为补偿面（100km左右）。有意义的现象：地壳越厚的地方，地势越高；地壳越薄的地方，地势越低。与此对应，莫霍面表现出明显的起伏：地势高的地方，莫霍面低；地势低的地方，莫霍面高。由于重力均衡作用，重力场可以反映地幔以及地壳、地幔边界的起伏状况。 地壳单位体积内物质质量越大，沉陷在地幔里的部分也就越深；高原和高山的地壳就要比平原和盆地更深地陷入地幔。有两种经典的均衡模式：普拉特均衡模式、艾里均衡模式。普拉特地壳均衡模式：高山质量过剩由地下密度不足（比邻区小）来补偿，海水的密度不足由地下密度较高来补偿。均衡补偿面以上等截面的柱体高度和密度是不同的，但柱体的质量是相同的。艾里地壳均衡模式（英国天文学家艾里提出）：山脉是较轻的岩石巨块浮在较重的介质之上，像冰浮在水面上一样，山越高，它下部伸入介质中的深度也越大，即所谓山脉是有根的。这一观点与事实很接近。现今认为均衡现象是存在的：引起均衡现象的动力不是岩块的浮力，而是重力。其原理是：设想在地幔内（很可能在软流圈内）的某一深度上可以找到一水平面，称补偿面（comp