环境地学：Geo07-地震及地球内部构造

第7章地震及地球内部构造-地震--地震波与地震仪(重难点)--地震的强度--地震的分布--地震的预报与预防--地球的内部构造(重难点)-汶川北川2008年5月12日14时28分04秒汶川8.0级地震汶川映秀镇都江堰街道汶川县城北川中学都江堰市都江堰小学绵竹遵道镇鹏花村2008年5月16日2006年8月11日2008年5月16日2006年8月11日专家称汶川地震能量堪比400颗广岛原子弹仙台市藤塚福岛南相马市鹿岛区2011年3月11日13时46分日本9.0级地震，引发海啸宫城县石卷港福岛核电站宫城饭子浜福岛县相马市原町南滩福岛南相马市鹿岛区仙台市荒滨宫城县谷川浜仙台机场名取市名取市不安稳的地下烨烨震电，不宁不令。百川沸腾，山冢萃崩。高岸为谷，深谷为陵。——《诗经小雅》记录周幽王二年十月之交(公元前780年)发生在陕西歧山的地震地震Earthquake地震：指地壳某个部位的岩层应力突然释放而引起的一定范围内地面及其建筑物照成的巨大破坏强烈地震的特点突发性破坏性连锁性震源震中地震要素震源：引发地震、释放地震深部能量的源区震中：震源在地面的垂直投影点震源深度(震深)：震源到震中的距离震中距：震中到地震台的水平距离震源距：震源到地震台的距离等震线：同一地震在地面引起相等破坏程度(烈度)的各点的连线地震类型成因分类构造地震：又称断裂地震，由低下岩石发生错断所引起的，占90%左右火山地震：火山爆发时气体的冲击说引起的，占7%左右陷落地震：上覆岩石超过岩石的支撑力时，地表发生塌陷引发的，占3%左右2011年3月11日13时46分，日本发生里氏8.9级地震，震中位于宫城县以东的太平洋海域，震源深度20公里3m1906旧金山地震弹性回跳说美国加利福尼亚州埃尔森特罗市地表被错开按震源深浅：深源地震：300-700km中源地震：70-300km浅源地震：<70km，占90%，集中在5-20km范围按震级：微震：<3级弱震：3-4.5级中震：4.5-6级强震：>6级地震分类目前最大地震？智利9.5级地震按震中距：地方震：震中距<100km近震：100-1000km远震：>1000km按发震时代：现代地震：仪器和资料记录历史地震：资料记录古地震：无资料记录地震序列地震序列：发生在同一地质构造带或同一震源体内，具有成因联系的一系列地震前震：主震发生之前的地震(foreshock)主震：最大的一次地震(mainchock)余震：主震之后发生的地震(aftershock)地震序列分类：主震型：主震明显震群型：地震相当，没有明显主震和余震单发型或孤立型：基本不见前震和余震地震波地震波：地震发生时，以弹性振动波形式传递的能量就是地震波体波：纵波-压缩波-P波横波-剪切波-S波面波：瑞利波-R波勒夫波-L波(Q波)体波：由震源发出的纵波：P-wave，推进波(pushwaves)，P波，初至波(Primarywave)质点做前后运动，振动方向与传播方向一致，物质疏密交替速度快，5.5-7km/s，在固液气介质中均可传播最先到达地表(震中)，破坏力相对较弱横波：S-wave，剪切波(shearwaves)，S波，次至波(Secondarywave)质点上下振动，振动方向与传播方向垂直速度较慢，3.2-4.0km/s，只能在固体中传播比纵波晚到震中，振动垂直建筑物，破坏力较强体波PwaveSwave体波P波到达不同密度的物质时，会发生折射，因为在某些地区形成地震波的阴影区面波面波(surfacewaves)：纵波与横波在地面相遇时激发产生的，波长大，振幅大，传播速度小，主要的破坏力，不能在液体中传播勒夫波：Lovewave，L波振动平行于岩层的横波在物质层中干涉叠加，并可在物质层传播振动平行于地面，成蛇形状前进的横向波动振幅随深度增加而减弱，较薄的地表岩层，勒夫波很强瑞利波：Rayleighwave，R波兼有纵波和横波的振动特点，类似质点做圆周运动在地表纵波和横波相交或叠加的结果地震波的记录横波：纵波：面波(勒夫波、瑞利波)：利用惯性原理制成地震仪记录地球的垂直运动记录地球的水平运动地震仪候风地动仪候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器。中国东汉时期天文学家张衡于汉顺帝阳嘉元年（132）制成，候风地动仪用精铜制成，直径2.7米，其外形像一个大型酒樽，如果发生较强的地震，都柱因受到震动而失去平衡，这样就会触动八道中的一道，使相应的龙口张开，小铜珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震发生的时间和方向elliptical瑞利波：兼具纵波和横波的振动特点质点做圆周运动勒夫波：振动平行于地面纵波(P波)先到，然后横波(S波)，最后面波(R波和Q波)震源的定位发生位置不同，地震波传输的时间不同同一地震发出的地震波到达不同地震台的时间不同地震台网对震源的定位利用P-S波传播速度不同引起的时间差，确定地震震源距离地震台的距离，以此距离为半径画圆Akita秋田Tokyo东京Pusan釜山来自日本和韩国的同一地震的地震图案例：日本神户地震distance

Tokyo:434km

Pusan:549km

Akita: 697kmfrom:/cgi-bin确定震源：利用P-S波传播速度不同引起的时间差，确定地震震源距离地震台的距离，以此距离为半径画圆三个圆的交叉点位于：Kobe神户，震源位置确定AkitaPusanTokyoAkita:30mmPusan:90mmTokyo:170mm测量3张图的振幅from:/cgi-binfrom:/cgi-bin震级计算图震中距、震级、振幅相关性图震中距震级振幅distance(fromearlier)Tokyo:434kmPusan:549kmAkita:697kmamplitudeAkita:30mmPusan:90mmTokyo:170mmMagnitude：~6.8震中距震级振幅地震强度震级：衡量地震级别的物理量，常用里氏震级(ML)烈度：地震对地面的破坏程度，分为12级等震线：烈度相同的连线一个地震只有一个震级，但有多个烈度1886，Charleston查尔斯顿，弗吉尼亚地震烈度图地震烈度地震分布环太平洋地震带：80%的地震地中海-印尼地震带：15%的地震洋脊地震带：浅源地震，地震一般较小陆内变形带：分布范围小，主要在板块碰撞带(断裂带)和陆内裂谷带，震级大，震源浅，一般不超过20km，破坏性很强earthquakesandplatetectonics1998-2004年全球Ms>=4.0地震分布图环太平洋地震带分布于濒临太平洋的大陆边缘与岛屿。从南美西海岸安第斯山开始，向南经南美洲南端、马尔维纳斯群岛（福克兰群岛）到南乔治亚岛；向北经墨西哥、北美洲西岸、阿留申群岛、堪察加半岛、千岛群岛到日本群岛；然后分成两支，一支向东南经马里亚纳群岛、关岛到雅浦岛，另一支向西南经琉球群岛、我国台湾、菲律宾到苏拉威西岛，与地中海--印尼地震带汇合后，经所罗门群岛、新赫布里底群岛、斐济岛到新西兰。其基本位置和环太平洋火山带相同，但影响范围较火山作用带稍宽，连续成带性也更明显。这条地震带集中了世界上80％的地震，包括大量的浅源地震、90%的中源地震、几乎所有深源地震和全球大部分的特大地震地中海-印度尼西亚地震带西起大西洋亚速尔群岛，向东经地中海、土耳其、伊朗、阿富汗、巴基斯坦、印度北部、中国西部和西南部边境、经过缅甸到印度尼西亚，与环太平洋地震带相接它横越欧亚非三洲，全长2万多公里，基本上与东西向火山带位置相同，但带状特性更加鲜明。该带集中了世界15％的地震。主要是浅源地震和中源地震，缺乏深源地震洋脊地震带分布在全球洋脊的轴部，均为浅源地震，震级一般较小陆内变形带此外，大陆内部还有一些分布范围相对较小的地震带。如东非裂谷地震带。我国邻近环太平洋地震带和地中海--印尼地震带的交接地区，地震频繁。历史上以及近期都发生过破坏性地震。如1966年邢台地震，1973年甘孜地震，1974年海城营口地震，1975年溧阳地震、炉霍和道孚地震，1976年唐山地震和云南昭通地震，1977年溧阳地震。这些地震除发生在溧阳的两次地震略低于7级外，其余均在7级以上。中国地震带临近环太平洋地震带贺兰山-六盘山-龙门山-横断山地震带我国西部地震带地震的预报和预防预报地震是地震和地质工作者的神圣使命中长期预报：主要通过地震和地质情况的调查研究来实施短期预报：既要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：主要靠各种监测手段地震监测主要是利用各种仪器设备去研究岩石中正在发生的各种物理变化地震仪对微弱震能进行连续记录，分析研究记录，可以推断地震的发震趋势此外，天气和动物的异常反应，地光、地声的产生，也是地震将到来的预兆人为诱发地震地下注水：1960’s，落基山脉某兵工厂注水试验，诱发M=5.5级地震大坝建设1930’s胡夫水坝蓄水诱发地震硬度某水库蓄水诱发M=6.3级地震东非、南加利福利亚水库蓄水均发生过地震地下油水混合采矿原子弹爆炸美国地震分布图美国地震风险评估图地面晃动火灾滑坡土壤液化地面移位地震的危害海啸发生条件：震级足够大，震源深度较浅海岸临近深海，大量海水汹涌上岸震源断裂的错动为上下方向的运动为主日本海啸波浪：700km/h夏威夷檀香山印尼海啸(2004-12-26)印尼亚齐地区发生里氏7.9级地震并引发印度洋海啸,这可能是世界近200多年来死伤最惨重的海啸灾难上图拍摄于6月23日，下图拍摄于12月28日两张12月30日发布的卫星图片显示的是印度尼西亚亚齐省首府班达亚齐海滨地区受海啸袭击前后的情形印尼受袭最为严重，该国共有238945人死亡或失踪；泰国确认遇难者总人数为5393人；斯里兰卡遇难者总人数为30957人；印度死亡人数是10749人地震波的利用探索板块俯冲探索地壳结构东太平洋的洋隆用地震波研究地球内部构造地球内部地震波速突变的主要界面internalEarthstructurefromseismologycrust:0-60kmmantle:60-2900kmcore:2900-6370kmthin,outerlayermetallicdenserock内部圈层的划分根据地震波传播速度的突然变化，先后发现地球内部存在着七个显著的地震波速不连续界面其中最主要的不连续界面有两个，它们为：莫霍洛维奇面(简称莫霍面)古登堡面莫霍洛维奇面(简称莫霍面)最先由克罗地亚学者莫霍洛维奇(A.Mohoroviche,1857-1936)于1909年发现在莫霍面上下，纵波速度从7.0km/s迅速增加到8.1km/s左右；横波速度则从4.2km/s增加到4.4km/s左右．莫霍面出现的深度，全球平均为33km，在大洋之下平均仅为7km后来，人们就把莫霍面之上称为地壳，莫霍面之下到古登堡面之间称为地幔古登堡面1914年由美籍德裔学者古登堡(B.Gutenberg,1889-1960)发现的在此不连续面上下，纵波速度由13.6km/s突然降低为7.98km/s；横波速度从7.23km/s到突然消失此界面位于地下2885km深度，此界面之下到地心，称为地核地幔是位于莫霍面以下，古登堡面以上的地球中间一个圈层其厚度约2850km，占地球体积的82.3%，质量的67.8%，是地球的主体部分地震波中的横波可以穿过整个地幔，应该是由固态的岩石所组成球粒陨石的密度(3-5g/cm3)，化学成分与地幔相近，主要是由与球粒陨石成分相当的橄榄岩类[(Mg,Fe)2SiO4]所组成的，还含有少量金属硫化物或氧化物的流体地幔内存在两个物相变化的界线在400km深处的晶体结构，由上部的橄榄石结构(孤立的岛状四面体结构)转变为下部较紧密的尖晶石结构(四面体和八面体混合型结构)在670km深处则由尖晶石结构向下转变为更紧密的钙钛矿结构(八面体和立方体混合型结构)将地幔分为3层地幔分为三个次级圈层上地幔(Ｂ层，33-400km深)是由具橄榄石结构的镁铁硅酸盐为主所组成地幔过渡层(Ｃ层，400-670km深)由具有尖晶石结构为主所组成的镁铁硅酸盐下地幔(Ｄ层，670-2885km深)则由具有钙钛矿结构的镁铁硅酸盐为主所组成在上地幔内部(即Ｂ层内)，还存在一个地震波的低速层，其深度一般在地表之下60-250km之间低速层的上下并没有明显的界面，地震波速表现为渐变的特征，低速层后来就被命名为软流圈软流圈以上、岩石强度较大的部分(包括地壳和上地幔顶部)称为岩石圈地核地球内部古登堡面至地心的部分其体积约为地球的16.2%，质量约占地球的31.3%，地核的密度达9.98-12.5g/cm3其成分以铁镍合金为主，现在一般认为地核可能还含有10-15%的氢硫化物或硅酸盐根据地震波的传播特点，地核可分为三层：外核(E层，深度2885-4170km)，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态过渡层(F层，4170-5155km)，过渡层则为液体-固体的过渡状态内核(G层，5155km-地心)，横波又重新出现，说明其又变为固态固体地球的圈层结构岩石圈巴雷尔(Barrell.Joseph)于1914年根据板块理论提出的地球圈层概念。岩石圈包括地壳和上地幔的上部。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6-8千米，在最老部分则有100千米；大陆岩石圈更厚一些，基本上在100-400千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。它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%，根据其性质可分大陆地壳和大洋地壳纵波(P波)和横波(S波)在地球内部圈层的传输变化crust/mantleboundary:Mohorovicicdiscontinuity(seismicevidence)crusttwotypeshigherseismicvelocity:7km/sec--dense,mafic(basalt/gabbro);thinner:0to10kmlowerseismicvelocity:6km/sec--lessdense,felsic(granite);thicker:30to50kmoceaniccontinentalmantle:60-2900kmdepth•solidrockwithisolatedpocketsofmagma•seismicvelocitiesof8km/sec--ultramafic,densemantle:60-2900kmdepth•uppermostmantleandcrustmakeuplithosphere(brittle,outershellthatformstheplates)•seismicwavevelocitiesdecreaseabruptlybelowlithosphere“low-velocity”asthenosphere(plastic;flowsslowly)blue=fastvelocities(cold)red=slowvelocities(hot)mantle:3DpictureofseismicvelocitiessimilartoCATscan--showsmantleisnothomogeneouscore:2sections--innerandoutercoreoutercore:liquidinnercore:solidevidenceforsolidandliquidcomesfromPandSwaves初步的地球参考模型PREMPreliminaryReferenceEarthModel(PREM)内部圈层的主要特性地球内部的主要物理性质密度压力温度磁性弹塑性密度计算出地球的质量为5.974×1021t(几乎六十万亿亿吨)，地球的平均密度为5.517g/cm3地表岩石平均密度仅为2.7-2.8g/cm3可以肯定地球内部物质的密度一定大于地球的平均密度密度变化根据地震波速向下变大的资料，计算固体地球的密度：地表岩石一般密度为2.6-2.7g/cm3在地壳下部为2.9g/cm3在莫霍面以下密度突然变大到3.32g/cm３地幔密度可由3.32g/cm3逐渐增大到与地球平均密度相当的5.56g/cm3在古登堡面之下，密度剧增至9.98g/cm3，而在地心则可达12.51g/cm3压力地球内部的压力指在不同深度处单位面积上的静岩压力(其实应该叫压强)来自其周围各个方向(三维空间)的压力大致相等，即地球内部压力基本上保持平衡；其数值与该处上覆岩石的总重量相等，称为静岩压力P＝ｈ·ρ·ｇ静岩压力(P)等于某一深度(ｈ)、该处上覆物质平均密度(ρ)与平均重力加速度(ｇ)的乘积地球内部压力变化地球内部压力随深度加大而增高地壳的平均密度约2.75g/cm3，深度每增加１km，压力增加27.5Mpa(1MPa=106N/m2≈10大气压力)深部随着岩石密度的加大，静岩压力增加得更快些，静岩压力在莫霍面附近约1200Mpa古登堡面附近约135,200MPa，地心处可达361,700MPa，相当于360万个大气压力温度在地表附近，由于太阳幅射热的影响，温度有昼夜变化、季节变化和多年周期的变化，这一表层可叫外热层(或变温层)外热层的深度一般在十几米，最多不超过几十米在其下界面附近，地温常年保持不变，等于或略高于当地年平均气温，该处称为常温层地热增温(地热增温率)常温层以下，受到地球内部热量的影响，温度逐渐升高，一般把在常温层以下，每向下加深100ｍ所升高的温度称为地热增温率或地温梯度世界上不同地区，地温梯度都不相同，地球表层的平均地温梯度为3℃．海底的地温梯度一般为4-8℃，大陆为0.9-5℃，大陆的地温梯度一般来说是显著低于海底的如果都用上述地表附近的地温梯度来推算地球深部的温度，则地壳底部将为900℃，核幔边界将达86,000℃，到地心将高达192,100℃地心：熔融或化为气体状态?发生热核反应?地球内部温度比较公认的推算结果在莫霍面附近地温约为400-900℃在岩石圈底面约在1100℃左右地幔内的温度大致在1000-3500℃之间地核的温度在4000-5000℃之间不同学者用不同方法所获实验结果略有出入，差值在几百度到上千度之间弹塑性固体地球具有弹性，也具有塑性地球具有弹性，表现在地球内部能传播地震波，因为地震波是弹性波地表的固体岩石在日、月引力的作用下也有交替的涨落现象，其幅度为7-8cm，这种现象称为固体潮重力地球吸引力和离心力的合力就是重力地球的离心力相对吸引力来说是非常微弱的，其最大值不超过引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心地球周围受重力影响的空间称重力场重力场的强度用重力加速度来衡量，并简称为重力(单位为伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal)

地球表面各点的重力值因引力与离心力的不同呈现一定的规律性变化重力值具有随纬度增高而增加的规律，赤道处重力值为978.0318Gal，两极为983.2177Gal，两极比赤道增加5.1859Gal地球的重力形状(重力测量)地球内部各圈层的物质组成地球内部的物理状态和化学组成推断地球内部各圈层物质组成的主要依据：根据各圈层密度和地震波速度与地表岩石或矿物的有关性质对比进行推测根据各圈层的压力、温度，通过高温高压模拟实验进行推测根据来自地下深部的物质进行推断。火山喷发和构造运动有时能把地下深部(如上地幔)的物质带到地表与陨石研究的结果进行对比各圈层物理状态与化学成分地壳是莫霍面以上的地球表层其厚度变化在5-70km之间。其中大陆地区厚度较大，平均约为33km；大洋地区厚度较小，平均约7km；总体的平均厚度约16km，约占地球半径的1/400，占地球总体积的1.55％，占地球总质量的0.8％。地壳物质的密度一般为2.6-2.9g/cm3，其上部密度较小，向下部密度增大。地壳为固态岩石所组成，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类这些岩石主要由各类富铝的硅酸盐矿物所组成它们具有架状、链状或层状等比较松散的硅酸盐晶体结构架状结构：硅氧四面体排列成空架状，为各类长石的晶体结构链状结构：硅氧四面体排列成链状，为角闪石与辉石的晶体结构层状结构：硅氧四面体排列成层状为云母与粘土矿物的晶体结构岛状结构：硅氧四面体排列成孤立的岛状，它直接与周围的铁、镁等离子相连结，为橄榄石等的晶体结构尖晶石结构：硅氧组成四面体与八面体混合的结构，为尖晶石所常见的晶体结构钙钛矿结构：硅氧组成八面体与立方体混合的紧密结构，为钙钛矿所常见的晶体结构硅酸盐的架状结构(长石结构)硅酸盐的链状结构(角闪石