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地震学基础

第1页第一节什么是地震学？第二节地震学研究范围和主要研究方面第三节地震学基本名词和概念第四节古代人类对地震认识第五节地震学发展简史

第一章地震学研究范围和历史

第2页第一节什么是地震学？第二节地震学研究范围和主要研究方面第三节地震学基本名词和概念第四节古代人类对地震认识第五节地震学发展简史

第一章地震学研究范围和历史

第3页第一节什么是地震学？地震学是关于地震科学，它是以地震资料为基础，用数学、物理和地质知识研究地震机理及地震波传输规律，以防御地震灾害、研究地壳和地球内部结构以及促使研究结果在经济建设和国防建设中得以应用。地震学包含：一、地震科学以及地球内部物理学，后者主要研究地震波传输，从而得出地球内部结构结论；二、弹性波（地震波）科学，主要研究地震、爆炸等激发弹性波产生、在地球内部传输、统计以及统计解释；三、应用：地震勘探、工程地震学、识别核爆。第4页什么地震学（seismology）地震地震台站第5页我国地震灾害特点中国地震不但在世界上最多，而且最大。加之我国地震分布广泛（除浙江和贵州）两省之外，其余各省均有6级以上强震发生，震源很浅（一般只有10～20km），因而构成了我国地震活动频度高、强度大、分布广、震源浅特征。其次，我国作为发展中国家，人口稠密、建筑物抗震能力低。所以，我国地震灾害可谓全球之最。本世纪以来，全球因地震而死亡人数为110万人，其中我国就占55万人之多，为全球一半。所以，粗略地说，我国国土面积占全球1/14，人口占1/4，地震占1/3，地震灾害占1/2。第6页第三节地震学基本名词和概念地震（earthquake）是地球内部介质（岩石）突然发生破坏，产生地震波，并在相当范围内引发地面震动现象。震源、震中、震源深度、震中距离如右图；发震时刻：发生地震时刻；地震波：发生于震源并在地球表面和内部传输弹性波称为地震波。第7页烈度：按一定宏观标准，表示地震对地面影响和破坏程序一个量度。按烈度值大小排列成表，称为烈度表。将地面上等烈度点联成线，称为等震线。震级；按一定微观标准，表示地震能量大小一个量度。用字母M表示。

震级和烈度都是衡量地震强度一个量度。二者之间关系复杂。地震序列：地震在有限空间和时间范围内有成丛发生倾向。这种成丛发生地震称地震序列。按时间次序和震级分布，地震序列分为：主震型和震群型。第8页按照成因不一样地震分类

结构地震(90%)火山地震(7%)塌陷地震(3%)碰撞地震

诱发地震

人工地震

第9页按照震源深度不一样地震分类

浅源（深度小于60千米）中源（深度为60~300千米）深源（深度大于300千米）地球上75%以上地震是浅源地震。其中震源深度多为5~20千米。第10页按照观察台站到震中距离大小不一样地震分类

地方震（震中距小于100千米）近震（震中距100-1000千米）远震（震中距1000千米以上）

第11页按照震级大小地震分类弱震（M<3）有感地震（3=<M=<4.5）中强震（4.5<M<6）强震（6=<M）其中：巨/特大震（8=<M）第12页第二章地震波第一节波性质简述第二节地震波第三节地震波类型第四节地震波波序第13页波速V、视波速C波速V取决于波动传输介质力学特征（密度和弹性模量等）。观察或测量波动时往往并不沿着波动传输方向，这时观察到波速称为视波速，视波速c与真实波速v之间有简单换算关系C=V/sina；a为波入射角。第14页主要简化和基本理论1、地震波复杂性地震激发机械波大部分在固体地球中传输，所以现有纵波又有横波，这比声波和电磁波更为复杂。地球是个有界体，内外物质力学性质差异是很大。对于地震波传输而言，地球表面是个尖锐界面；地球内部化学成份、力学性质（密度、弹性参数等）是不均匀，所以也形成许多界面（地震学中称为间断面）或梯度区。纵、横波在这些间断面上发生反射、折射、波型转换、散射以及衍射，使叠加在一起形成总波场变得十分复杂。同时，地球介质是非完全弹性，对机械波含有吸收和频散作用，这不但使弹性波振幅发生衰减，也会使波形发生改变。另外，天然地震震源过程本身也相当复杂，所以辐射出弹性波场也是非常复杂。全部这些，使得我们在研究地震波传输时碰到问题十分复杂，假如不进行适当简化处理，根本没有方法进行深入研究。第15页2、分析地震波时主要简化假设忽略次要原因，突出主要原因，使问题简化、易于处理，从而得出地震波在地球中传输基本规律。我们能够把地球介质简化为均匀分层、各向同性完全线弹性连续介质。（1）小变形和完全弹性假设（2）绝热假设（3）各向同性假设（4）重力影响（5）实际地球各种分界面几何形状近似第16页1、体波P波又称初波，亦称纵波或胀缩波，其质点运动发生在沿波动传输方向直线上。S波又称次波，亦称横波、剪切波、旋转波或畸变波，是一个偏振波，其质点运动发生在垂直于传输方向平面内；当质点运动处于水平面内时，称为SH波，当质点运动处于竖直面内时，称为SV波。P波和S波统称体波。

第17页瑞利波

瑞利波是P波与SV波干涉结果，理论上是沿着半无限弹性介质自由表面传输波，瑞利波在距波源较远处，其破坏力比沿空间各方向扩展纵波和横波大得多，是地震工程学中主要研究对象；低速，低频和强振幅瑞利波俗称地滚波。第18页勒夫波

勒夫波是在水平成层介质界面上产生SH型面波，勒夫波能量主要集中于界面上覆盖层中，在下卧岩层中随深度增加而快速衰减。该波沿水平方向传输，波速介于上下层波速之间。传输勒夫波介质质点在水平面内垂直于传输方向振动，因振幅很大而具破坏性，俗称蛇形波。

第19页第四节地震波波序因为不一样地震波类型传输速度不一样，它们抵达时间也就不一样，从而形成一组序列，它解释了地震时地面开始摇摆后我们经历感觉。普通到序：P波、S波、勒夫面波、瑞利面波、地震尾波第20页北京大学在山西暂时台站地震统计三分量及相关震相图

第21页第一节地震波传输基本概念第二节地震波传输基本理论第三节体波各种震相和走时表第三章地震波传输理论

第22页二、首波（或侧面波）

若介质是分层，当地震波由低速一方向高速一方入射时，还存在一个波，叫做侧面波(或叫首波、折射波、衍射波、行走反射波，等等)。即使首波传输路径总是比直达波长，不过因为首波在分界面上是以深层介质中速度来传输，所以超出一定临界距离之后，首波就会比直达波率先抵达台站。P波和S波都会有对应首波。第23页一、射线理论在研究问题尺度远大于地震波波长情况下，可将地震波传输看成射线来处理，从而使复杂波动问题简化成为射线问题。地震射线问题这和几何光学很相同。所谓地震射线，就是地震波传输时，波阵面法线轨迹，也即是震动由一点传输到另一点所经过路径。射线地震学，也叫几何地震学，是波动地震学在波长很短时近似。它能够由波动地震学推演出来，但更直接是依据费马原理。这个原理说：当一个震动由介质中一点传输到另一点时，它所经过路径是使其传输时间为一稳定值(最大、最小或拐点)。在普通地震波计算中，地球介质能够做为各向同性完全弹性体来对待。第24页射线AOB走时为：Fermat原理

（1）Fermat原理Snell定律反射点x应使t到达最小值。即：rhABLxL-xV2V1o第25页V2V1P1S1P2S2地震波在介面上反、透射第26页二、地球介质改变特征

地震波传输主要取决于地震波速度,地震波速度与地球介质相关。地球内部介质性质改变,主要有以下情形：①上下介质性质、状态迥然不一样,出现显著分界面,地震波速度出现阶梯状跳跃,如地壳与地幔、地幔与地核之间。地壳是固体,外核是液体,地幔介于固态与液态之间。②上下介质状态基本相同,但性质改变显著,展现显著分界面,如地幔中细层之间分界面，地震波在分界面上速度也有显著改变。第27页二、地球介质改变特征

地球内部介质性质改变,主要有以下情形：③在同一层内，地球介质也不是均匀分布。普通来讲，因为地球介质是分层均匀、各向同性地球介质密度、弹性参数等随深度增加而增加，地震波速度也随深度增加而增加。但有两种特殊情形：一个是速度随深度增加而减小(称为低速层)，另一个是伴随深度增加速度异常增加(称为高速层)。第28页不一样边界条件下波射线传输第29页以观察点震中距为横坐标,地震波抵达时间为纵坐标,绘成曲线称为走时曲线。地震波抵达时间与震中距关系方程称为走时方程。四、地震波走时曲线和走时方程

1.水平层状介质

（1）单层地壳介质模型中地震波震相与走时曲线

第30页Ⅰ、震源在地表（h=0）走时方程：

T-X关系第31页①直达波走时方程T=X/V1第32页②反射波走时方程（1）第33页反射波走时方程（2）

走时方程：T-X关系T0X0第34页③首波走时方程走时方程：T-X关系第35页直达波、反射波和首波练习3：证实：当震中距（X）大于一定值（）时，首波将最先抵达；并求出。第36页Ⅱ、震源不在地表（h≠0）第37页不一样速度结构地震波射线改变正常速度层:波速是伴随深度增加逐步递增低速层:低速层是指波速伴随深度增加而逐步减小高速层:高速层是指波速伴随深度增加速率大于该层上下层低速间断面:低速间断面上层速度高，经过该面后速度突然降低，地壳内有不连续低速间断面。高速间断面:高速间断面上层速度低，面下速度高，莫霍洛维奇界面是一个高速间断面，P波速度在面上为6.3km/s，而在面下速度为8.2km/s。第38页整个地球震相这里主要层为地幔、液体外核和固体内核。在地幔和地核传输P波和S波标注以下：P：在地幔里P波K：在外核里P波I：在内核里P波S：在地幔里S波J：在内核里S波c：在核—幔边界(CMB)反射波i：在内核边界(ICB)反射波第39页下地幔、地核结构及地震射线震相：PSpsKIJci二、远震体波震相第40页第41页断层作用与应力断层作用类型（正断层、逆断层等）也能告诉我们关于地球内部应力情况。我们用三种应力来描述地球内部应力情况，两个水平一个垂直.第42页正断层应力垂向压力最大第43页逆断层应力垂向压力最小第44页走滑断层应力垂向压力中等第45页应力和断层作用总结三种主应力作用在断层上，两个水平一个垂直。假如垂直压应力最大－正断层最小－逆断层中等－走滑断层第46页圣安德烈斯断裂及地震断裂穿过篱笆

1.2.3弹性回跳原理第47页跨断层篱笆当断裂弹性回跳时造成结果

（a）结构力作用下横过断层篱笆发生弯曲，A点和B点向相反方向移动；（b）在D点发生破裂，在断裂两侧应变岩石弹回到D1和D21.2.3弹性回跳原理第48页在海滨地域跨圣安德烈斯断裂篱笆在19

旧金山地震时错动了2.6米，远处土地向右移动第49页第三节震源机制解震源物理是指研究地震孕育、发生物理过程及相关物理现象。由地震震源激发并经过地球介质传输至地震台地震波，携带着地震震源及地震波传输路径上地球介质两方面信息。我们利用地震波统计既能够反演地球内部介质结构，又能够反演地震震源参数。震源机制解指断层方位、位移和应力释放模式以及产生地震波动力学过程。普通采取各种震源模型进行解析，在分析求解后，提供两组力学参数，一组为断层面走向、倾向和倾角；另一组为最大主应力轴、最小主应力轴和中等主应力轴方位和产状。第50页震源机制走向：站在断层上盘向右看方向与正北夹角即为断层走向。倾角：断层面与水平面夹角。滑动角：上盘相对与下盘滑动方向，该方向与走向夹角即为滑动角。

第51页震源机制解第52页震源机制解第53页

各板块之间相互接触边线叫板块边界，板块边界向下一直延伸到岩石圈。板块边界有三种类型：剪切型边界、生长型边界(拉张型)和削减型边界(挤压型)。不一样边界板块运动方式也不一样。板块运动第54页板块边界类型发散(divergent)汇聚(convergent)平推(transcurrent)

生长型边界是指两个相互分离板块之间边界，大部分都位于洋中脊。海底扩张时，洋壳沿着洋中脊生长。大陆上也有生长型边界，在大陆生长边界上，两边板块相互分离，并沿着边界形成很深断裂谷，如东非大裂谷。总有一天，非洲东部会从非洲大陆上分离出去。

消减型边界是指相互靠近或挤压两个板块之间边界。两个板块相向移动就会发生板块碰撞，它能够发生在洋壳与洋壳、洋壳与陆壳之间、陆壳与陆壳之间。

剪切型边界是指两个板块沿着相反方向相互移动，岩石圈既不生长也不消亡。在这种边界上，地震活动频繁。第55页发散边界-洋中脊、A&B板块分离板块边界剪切型边界--转换断层、A&B板块相对滑动。汇聚边界第56页板块边缘地震地震学揭示了不一样类型板块边界有不一样震源机制。板块边界是结构活动带。依据板块相对运动状态，边界可分为三类：①分离型板块边界，②汇聚型板块边界,③转换型板块边界。震源机制表明，这三类边界主导应力状态分别是张拉、挤压和剪切。第57页震源机制解与板块边界第58页震源机制解与板块边界第59页震源机制解与板块边界第60页震源机制解与板块边界第61页震源机制解与板块边界第62页断层和板块断层作用反应了板块运动。扩散边界＝正断层汇聚边界＝逆断层走滑边界＝走滑断层第63页四、板块理论地震学证据地震学为板块结构学说提供三方面证据：天然地震空间位置，能够勾画出板块边缘；震源机制解，能够确定板块活动力学性质；地震测深所得深度速度分布，能够给出板块运动物理条件。第64页1.地震空间分布证据（1）板块划分和全球地震带分布是一致。地震带普通是连续，且地震带普通是狭窄。震中分布对划分板块是占很大权重。（2）海底扩张也告诉我们，全球大地结构运动是一个整体活动体系。在海岭上，地震都是浅源，活动水平较低，地震也较小,最大不超出7级，海洋板块从这里诞生。（3）我们发觉世界上深源地震，几乎全部都发生在海沟地带，而且从海沟向大陆方向，地震有从深源向浅源改变规律。贝尼奥夫带地震带和板块俯冲带是一致，海洋板块在这里消亡。第65页2.震源机制解证据（1）沿着大洋中脊发生地震，其震源机制是正断层，类似于沿着东西方向扩张走滑断层，这与形成新岩石层出海底被拉开概念是一致。（2）沿着海沟-岛弧板块俯冲带由浅入深过程中，应力由张性向压性过渡，这是板块俯冲并趋向消亡主要证据。（3）所谓转换断层，是海底扩张时，海岭上各段扩张速度差异，在差异较大地方就要错开，这错开之处，就是所谓转换断层。其所以是板块结构证据，就因为它是地壳扩张形成海岭时一个相关产物。第66页3.深部速度结构证据（1）在地下100-200公里深处，有一个低速层，又叫软流层。软流层发觉对于解释板块活动力源是有利，因为低速层作为板块岩石层下界为板块移动提供料可能。（2）低速层顶部深度就是岩石层厚度。洋中脊处板块厚度只有0-10公里，而南美洲板块厚度可达200-300公里。大陆板块厚，海洋板块薄。这是因为海洋板块普通很年轻，处于循环过程中。第67页二、当代地震仪工作原理即使当代地震仪比米尔恩地震仪复杂得多，不过所依据基本原理是一样，原理就是惯性。地震时，地面同时在三个方向上运动：上下、东西和南北。地面运动能够是位移、速度或加速度，它们是随时间改变三维矢量，为了研究完整地面运动，一定要将这三个分量都统计下来。地面振动幅度大小在很大一个量级范围内改变。统计不一样频段地震波长周期、短周期、中长周期及宽频带等含有不一样频率响应特征地震仪。第68页地震仪器由三个主要部件组成观察系统。其作用是：当地震时拾取地面振动，加以放大（亦可缩小），然后将地震过程用统计器统计下来，描成地震连续运动图形，得于永远保留。地震仪工作原理即：拾震器，放大器和统计器第69页震中位置测定---交切法测定震中位置及计算实例

1975年8月1日在加州东北部奥罗维尔附近发生了5.7级地震。这次地震P波和S波抵达BKS、JAS和MIN台站时间见下表：P波、S波抵达台站时间表台站名P波S波时分秒时分秒BKS154604.5154625.5JAS154607.6154628.0MIN154554.2154607.1P波到时15:46:04.5S波到时15:46:25.5第70页PS波到时差震中距台站S-P/s震中距离/kmBKSJASMIN19021.020.418812.9105P、S波走时曲线图第71页以加州3个地震台BKS、JAS和MZN为中心弧相交于震中附近——奥拉维尔大坝细线是一些主要断层地表位置第72页震级标度基于两个基本假设第一个假设：已知震源与观察点，两个大小不一样地震，平均而言，较大地震引发地面震动振幅也较大。第二个假设：从统计结果看，从震源至观察点地震波几何扩散和衰减是已知，所以，能够据此预知在观察点地面震动振幅。第73页震级优缺点作为地震相对大小一个量度，震级有两大优点：简便易行。它是直接由地震图上测地量得到，无须进行繁琐地震信号处理和计算。通俗实用。它采取数量级为1无量纲数来表示地震大小。第74页震级优缺点震级两个缺点：震级标度完全是经验性，与地震发生物理过程并没有直接联络，物理意义不清楚。最突出例证就是在震级定义中连量纲都是不正确。测定结果一致性存在问题。第75页第76页第77页地震预报三要素：地震发生时间、地点、强度依赖于地震前兆信息可靠地震预报方法必须含有可重复性，适合用于任何破坏性地震地震预报第78页第八章宏观地震学

——第一节、地震烈度

地震烈度是地震引发地震动及其对人、人工结构、自然环境影响强弱程度，也间接反应了地震动本身强烈程度。第79页地震烈度特点

在没有地震观察仪器和地震观察普遍开展之前，人们描述震害大小和地震动强弱，只能凭借宏观观察；烈度概念建立之初，它就被赋予震害大小和地震动强弱双重内涵。然而，地震动强弱仅是影响震害原因之一，二者之间并不存在简单明确物理关系，最少，在相同地震动作用下，抗震能力不一样房屋将产生不一样程度破坏，这一点即使是早期烈度研究者也注意到了。烈度内涵双重性决定了它不是一个严格科学物理概念、并含有以下特点。

含糊性综合性平均性主观性

在描述不一样破坏（影响）现象数量时，使用个别、少数、多数、大多数、普遍等含糊词语。在描述房屋破坏程度时使用微细裂缝、局部破坏、结构受损、墙体龟裂、局部坍毁，以及不妨碍使用、需要修理、修复困难和不堪修复等词语也不能以定量方法判断。

地震烈度评定标准上要综合考虑人感觉、器物反应、建筑破坏和地面破坏等四类宏观现象。因为烈度评定指标不确定性，烈度普通不能由某种现象一次出现进行判断，比如，不能凭借一栋房屋破坏程度评定烈度而必须考虑一定地域范围内房屋群体平均破坏状态。地域范围大小界定在烈度表中并无严格要求，标准上农村以自然村为单位，城市则应分区评定，面积以1平方公里为宜。既然烈度评定以宏观观察为依据，烈度表大量使用含糊词语，则烈度评定很大程度上是一个经验行为，评定结果必定包含因评定者经验多寡和正误所引发主观性。第80页震级和烈度区分和联络首先，震级和烈度含义不一样。震级是衡量地震本身释放能量大小级别。地震释放能量越大，震级就越大。一次地震只有一个震级。烈度是指某地域受地震影响强弱或破坏程度。破坏越严重，烈度就越大。区分第81页震级和烈度区分和联络其次，确定震级和烈度大小依据不一样。震级是依据地震台站仪器统计，按一定公式推算得出。地震烈度大小，是依据地震发生时人感觉及室内摆设动摇情况，以及房屋和其它建筑物破坏轻重程度，还有地面破坏现象等来确定。区分第82页震级和烈度区分和联络地震震级与地震烈度有一定联络。烈度大小与地震震级大小、离震中远近、震源深浅、当地地质结构、场地条件等原因相关。总说来，地震震级越大，烈度越大；距震中越近，震源越浅、烈度也就越大。联络第83页强地震动

对工程结构有显著影响乃至造成结构破坏地震动称为强地震动。震害调查和研究表明强地震动是房屋和工程结构破坏根本原因之一，也是工程结构地震反应分析输入。基于强震观察资料，研究强地震动特征和强地震动预测是工程地震学或强震地震学研究内容，是地震工程主要内容。第84页强地震动三要素地震动强度（峰值）地震动频谱（反应谱、傅氏谱、功率谱）地震动连续时间第85页①反应谱

计算不一样自振周期单自由度弹性体系在基底输入地震动作用下动力反应，得到反应最大值绝对值随体系自振周期改变关系称为反应谱。反应谱与输入地震动特征和单自由度弹性体系动力特征相关。反应谱描述了地震动特征（但未反应持时和相位特征），也是结构抗震设计工具。

5.2.2地震动频谱第86页人工结构物破坏及其原因

工程结构可因地震惯性效应、地面破坏或二者共同作用产生破坏。

第87页生命线工程破坏

社会生存所必需能源、运输、通信、用水等基础性工程设施称为生命线工程。其范围尚无明确定义，普通认为最少包含电力（水电、火电、核电）、交通（公路、铁路、轻轨、水运、航空）、通信（有线、无线、广播、电视、计算机网络）、供水、排水和供气（燃气）等六个子系统；更广义了解还包含输油系统、供热系统，核电站、大坝、桥梁等主要工程设施。生命线系统和基础设施内涵差异不甚明确，在许多场所二者含义相同，也有认为生命线系统属于基础设施。生命线系统在城市尤为主要，其规模和复杂程度随城市化进程而快速发展，一旦生命线系统破坏，城市运行将极其困难甚至陷于瘫痪状态，并可能引发怒灾等次生灾害；所以生命线系统在应抢救灾中含有至关主要作用，也是地震工程主要研究内容。第88页脆性破坏

构件材料弹性应力到达开裂强度后、构件承载力瞬间丧失或急剧下降、缺乏塑性变形和耗能能力