第8章_4 地震观测与震源参数测定-震级测量.pptx

第八章地震观测与震源参数测定地震观测发展与地震仪原理地震台网与地震台选址和架设的一般原则震相分析地震基本参数的测定 地震定位地震基本参数的测定 震级测量P波初动测定震源机制地震活动性分析地震预测问题的讨论 震级是表示地震大小的等级 依据释放能量多少 地震分为不同震级 震级越高 释放能量越多 破坏力越大 世界上常用 里氏震级 标准区分地震震级 里氏震级 最初由地震学家查尔斯 里克特 CharlesRicer 下页图 1935年在美国加州理工学院发明的 里克特提出按照地震仪器探测到的地震波的振幅将地震分级 这种分级系统最初只用于衡量南加州当地的地震的大小 现在全世界地震的研究都使用这种分级系统 五 地震基本参数的测定 震级测量 2012年春 1 里氏震级 加州地震台网 各次地震的振幅变化曲线大体彼此平行任何两次大小不等的事件 它们的最大振幅对数之差与震中距无关引入震级的概念提出计算震级的公式 E A T 2 对于两次不同强度地震 震源深度相同 同一震中距 介质不是各向同性 还存在吸收 扩撒 M为里氏震级 2 地方震级 1 LocalMagnitude的定义ML log10A log10A0 A0 一标准地震在某一确定震中距处产生的最大振幅 A 待定震级的地震记录的最大振幅log10A0 为量规函数 CalibrationFunction 其中A0的规定是 采用Wood Anderson地震仪 T0 0 8sec D 0 8 V 2800 地震记录水平分量的最大振幅值 零级地震的规定 伍德 安德森标准地震仪在震中距等于100km处 A0 10 3mm 则此次地震的震级为零级 尽管如此平移标定曲线来定义ML 0 目前依然测到了负震级 2 地方震级2 意义 客观量度地震大小 简便 提供了分类方法 深化了研究 它是描绘地震的第一个物理量 因为地震的大小变化范围很大 所以用对数来压缩测量到的地震波振幅是很方便的 精确的定义是 里氏震级ML是最大地震波振幅以10为底的对数 一种被称之为伍德 安德森 Wood Anderson 的特殊地震仪记录到的振幅测量精度达到1 毫米 里克特没有指定特殊的波型 因此最大振幅可以从有最高振幅的任何波形上取得 由于一般振幅随着距离增大而减少 里克特选择距震中100千米的距离为标准 按着这个定义 对一个100千米外的地震 如果伍德 安德森地震仪记录到1厘米的峰值波振幅 即1 毫米的10000倍 则震级4 用一张特殊的标度图 计算一个地震的ML的过程 1 用S波与P波到达的时间差 计算出距震源的距离 S P 24秒 2 在地震图上测量出波运动的最大振幅 23毫米 3 在框图3 2左边选取适当的距离 左边 点 在右边选取适当的振幅点 两点联一直线 从它与中央震级标度线相交点可读出ML 5 0 按震级大小可把地震划分为以下几类 弱震 震级小于3级 如果震源不是很浅 这种地震一般不易觉察 有感地震 震级等于或大于3级 小于或等于4 5级 这种地震能够感觉到 但一般不会造成破坏 中强震 震级大于4 5级 小于6级 属于可造成破坏的地震 但破坏轻重还与震源深度 震中距等多种因素有关 强震 等于或大于6级 强烈地震 等于或大于7级 巨大地震 大于等于8级 3 推广1 面波震级 SurfaceWaveMagnitude 为了标定远的 浅的大震 采用MS log10A B 其中 A是记录到的最大地动水平矢量的模 m B 为零级地震对应的标定曲线 为震中距 最大地动周期一般都在20秒左右 又称20秒面波震级 3 推广2 体波震级 BodyWaveMagnitude 为了标定深震 采用mb log10 A T B h S其中 S是台站校正 B h log10 A0 T0 A0 T0 零级地震的地动振幅及周期 A和T是P或PP的水平或垂向最大地动位移和周期 也可以是S波的水平向 即SH 最大地动位移和周期 体波振幅随深度的变化可粗略估算 由弹性理论可知 A T正比于周期为T的谐波分量的平均能流密度 震级本身没有任何上下限 虽然地震大小有上限 自本世纪有了地震仪以后所记录到的地震仅有几次震级达到8 5级以上 下页图 例如 1964年3月27日在阿拉斯加威廉王子海湾的大地震的里氏震级约为8 6 另一方面 小断层的滑动可能产生小于零震级的地震 即负值 在局部地区记录的非常灵敏的地震仪可探测到小于 2 0级的地震 这种地震释放的能量大约相当于一块砖头从桌子上掉到地面的能量 2012年春 本世纪全球发生8级和8级以上地震数目的变化 ML MS和mb三种震级都属里氏震级系统 由于里氏震级所用的波形没有被限定 而且伍德 安德森地震仪仅有有限的记录能力 因此在地震研究中ML不再广泛使用 由于浅源地震具有易记录到的面波 地震学家们选择周期近20秒的面波的最大振幅计算震级 这样求出的震级称作面波震级MS ML震级是为了用于当地地震而提出的 而MS震级可用于距接收台站相当遥远的地震 对于远距离的地震 MS值近似地给出当地里氏震级的补充 并且综合地给出中强地震带来的潜在损失的合理估计 MS震级不能用于深源地震 因为深源地震不能激发显著的面波 所以地震学家们发展了第二种震级 mb 它是根据P波的大小而不是根据面波的大小确定地震的震级 所有的地震都可以清楚地读到P波的初始 因此用P波震级mb有很大优点 它可以提供深源 浅源甚至远距离的任何地震的震级值 式中 A为与地震记录最大振幅相应的地动位移 单位 m 应取两个水平分量最大振幅的几何平均值计算 不过实用中常取两个水平分量最大振幅的算术平均值 称为量规函数 与震中距有正变关系 还与记录仪类型有关 式中 A为地震记录的最大面波振幅的地动位移 m 一般取瑞利波两个水平分量最大合成位移 T为相应周期 秒 式中 A T为记录的最大体波振幅 m 及相应周期 秒 Q h 为震级起算函数 也称量规函数 是震中距 和震源深度h的函数 对同一地震采用不同的震级标度测量 测量值是不同的 为了统一 在各种震级标度间建立了用于换算的一系列经验性公式 对于特大型地震 用里氏系列的震级标度测量将出现 饱和 问题 用震级描述地震的大小或强度非常方便 但是这个参数没有物理意义 44 4 ML MS和mb的不统一与统一震级M和m的提出1 问题 尽管努力凑合标定曲线 各台不同的 但同一台记录所测定的 同一个地震的三个震级不相同 经统计 得出 mb 0 63MS 2 5MS 1 27 ML 1 0 016ML2利用这一结果可得由实测MS推算的体波震级Mb 以及由实测mb推算的面波震级MSmb 0 63MS 2 5Ms 1 59mb 3 97事实上 两者依然不统一 3 统一震级的定义 3 4 1 4 m mb MbM ms MS实用价值不大 5 震级饱和现象二十世纪六十年代接连发生多次巨震 greatearthquake 所测震级与宏观现象 震害表现 相差较大 仔细对比大量观测结果 得出各种震级的饱和值如下 饱和现象表明对于巨震能量估计偏低 49 6 不饱和的新震级 矩震级 MW1 震级和地震波辐射能量的经验关系非常简化的考虑 简谐波的能量与其振幅的平方成正比 E A2 logE 2logA 2M 2B 总可以认为 logE aM b G R公式 即能级公式 对大量的地震 分别独立地估计E和实测M 经统计得出 logE 1 5M 11 8 地震矩是由受构造应力影响使断裂面突然滑移的力学模型 推导出来的地震整体大小的量度 它是1966年美国地震学家安艺 Aki 提出的 现在受到地震学界欢迎 因为它与断裂破裂过程的物理实质直接联系 根据它能推断活动断裂带的地质特性 地震矩定义为岩石的弹性刚度 施力的面积和突然滑移中断裂的位错量三者的乘积 这种量度的好处是 它不像基于地震波幅的量度 受到波的传递过程中岩石摩擦使能量耗散的影响 在适宜的情况下 地震矩能够简单地从在野外测量的地面破裂的长度和从余震深度推断的破裂深度估算出来 地震矩可以描述从最小到最大的地震震级变化 2 地震矩 SeismicMoment 这种识别地震大小的方法的优点是通过分析地震图或者通过野外测量地震断层破裂的尺寸 包括深度 就可以计算出地震矩 从任何普通的现代地震仪记录到的地震图都可以计算出地震矩 而且该方法考虑到地震发生时出现的所有波形 由于其上述优点 现在人们多半都计算地震的矩震级 记为Mw Mw震级给出了地震大小更具有物理意义的衡量 特别是对最强烈地震 3 矩震级MW 从地震波记录可独立地测出M0 代入G R的震级能量的统计公式 可得到折算的MW 要由M0计算MW的原因在于 M0已是地震波辐射源的强度的定量标志 但是震级已积累了许多资料 许多论文已引用 故折算成MW M0难测 中小震更难 甚至目前无法测准 所以要折算成震级 对于应力完全释放的大震 所释放的应变能为 G R能级公式 矩震级Mw的计算公式如下 M0 地震的标量矩 单位为dyne cm M0 地震的标量矩 单位为N m 由于地震波能量辐射花样的方位性 地震波传播路径的影响 记录台台基效应的影响等 不同台站即使测定同一个地震的震级值也会有所不同 这是经常发生的事情 震级是表征地震强弱的量度 但震级的测量精度是有限的 一般认为 震级的测定精度在0 3左右 7 关于震级和地震矩的讨论1 里氏震级的意义 优点和缺点A 意义 优点a 测量方法简便 b 提供了客观的一种分类 深化了研究 测量方法简便 c 对地震本身的强弱作了客观的量度 B 缺点及补救措施其理论定义暗含的假定与实际情况不符a 源谱相似 且是球对称辐射假定 公式不含方位角 虽存在主序列 说明基本相似 但是谱很不相似的地震也确实存在 b 振幅随震中距衰减相同 且忽略源深的假定 公式无h 实际上不同地区标定函数不相同 这些问题 本质上由于复杂的地震过程不可能用简单的一个标量来表示 c 相应的补救 对围绕震中的台站求平均震级 消除方位影响 各台站加一项台站修正项