5 第五讲 地震(一)

第五讲地震陈丽霞中国地质大学（武汉）地空学院地球信息科学与技术系据联合国统计资料，20世纪全世界因地震死亡人数达260万，占各种自然灾害死亡人数的58％，地震每年造成的灾害达几十亿美元，为防震抗震投入的消耗也达几十亿美元，足见这种地质环境问题对人类的巨大威胁。遭受地震破坏的北川县城被地震摧毁的居民楼遭地震摧毁的汶川县映秀镇地震触发的大型滑坡摧毁了北川中学滑坡堰塞湖淹没了1座小学和几个自然村“5.12”汶川特大地震，震级为8.0级，截至2008年9月25日12时，已确认造成69227人遇难，374643人受伤，17923人失踪。地震诱发大量的山体滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等次生地质灾害的发生。据评估，汶川地震共造成经济损失8451亿元人民币（国家汶川地震专家委员会，史培军，2008年9月）。对地震及其诱发次生灾害的研究将是未来环境地质领域的一个重要方向一、地震相关的基本概念二、世界及我国地震的分布、特点三、地震效应四、地震的形成机理及发生原因五、地震的活动特点及地震防范地震主要内容地震（earthquake）是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震动的现象。一、地震相关的基本概念岩石圈物质在地球内动力作用下产生构造活动而发生弹性应变，当应变能量超过岩体强度极限时，就会发生破裂或沿原有的破裂面发生错动滑移，应变能以弹性波的形式突然释放并使地壳震动而发生地震。震源：地球内部发生地震时震动的发源地震源深度：震源点到地面的垂直距离震中：震源在地面上的投影点（实际上是一区域）震中距：某点至震中的地面距离地震要素示意图按震源深度划分的地震类型60KM浅源地震60-300KM中深源地震300KM深源地震除东海，绝大多数在40KM以内，东部震源10-20KM浅源地震的发震频率高，占地震总数的72.5％，所释放的地震能占总释放能量的85％。其中，震源深度在30公里以内的占多数，是地震灾害的主要制造者，对人类影响最大。汶川地震震源深度多少？14KM浅源地震地震波（Seismicwave）地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向四面八方传播，这种弹性波就是地震波。地震波是使建筑物在地震中破坏的原动力、也是研究地震的最主要的信息和研究地球深部构造的有力工具。体波面波勒夫波（L）纵波（P）横波（S）瑞利波（R）地震波通过地球本体传播的波沿地面或地面浅处传播的波由震源向外传递的压缩波由震源向外传递的剪切波体波传播方式示意图纵波P（疏密波）由介质体积变化产生，靠介质扩张与收缩船体，质点振动与波的前进方向一致；在某一瞬间沿波的传播方向形成一疏一密的分布振幅小周期短横波S（扭动波）介质性状变化的结果，质点振动方向与波传播方向垂直，各质点间发生周期性的剪切振动振幅大周期长波速小固体介质液体介质固体介质𝑣𝑝=1.67𝑣𝑠𝑣𝑝=1.67𝑣𝑠一般岩石中，vp=5-6km/s;vs=3-4km/s初波(Primarywave)次波(secondarywave)典型的地震波记录图（据BarbaraWMurch,1997）体波面波瑞利波（R）纵波（P）横波（S）勒夫波（L）地震波通过地球本体传播的波沿地面或地面浅处传播的波.体波到达地面后激发的次声波由震源向外传递的压缩波由震源向外传递的剪切波面波传播方式示意图勒夫波（lovewave）质点在水平面上垂直于波前进方向做水平振动。与横波的区别，后者在水平和垂直方向均有摆动瑞利波（Rayleighwave）质点在于平行传播方向相垂直的平面内做椭圆运动。其产生的振动使物体发生垂直和水平方向的运动。𝑣𝑅≈0.914𝑣𝑆𝑣𝑝=1.67𝑣𝑠初波P(Primarywave)次波S(secondarywave)典型的地震波记录图（据BarbaraWMurch,1997）𝑣𝑅≈0.914𝑣𝑆面波L(longwave)一般，横波和面波到达时振动最强烈，对建筑物的破坏最强地震震级（Mmagnitude）：地震震级是表示地震本身大小的尺度，是由地震所释放出来的能量大小所决定的。一次地震只有一个震级。释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定，按李希特(CFRichter)一古登堡的最初定义，震级（M）是指在距震中100km的标准地震仪（周期0.8s，阻尼比0.8，放大倍数2800倍）所记录的以微米表示的最大振幅（A）的对数值，其表达式为：M＝logAM2微震2~4有感地震5破坏性地震7强烈地震能量E（J）与震级（M)关系：理论上M无上限，实际上，因地壳岩石强度有限，即累积应变能有限，目前最大M为8.9级。logE=4.8+1.5M地震烈度：地震在地面产生的实际影响，即地震活动造成的地面和建筑物的破坏程度。•受地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件的影响。•震源深度和震中距越小，地震烈度越大。一次地震只有一个震级，但可划分出若干个烈度不同的地区•在震源深度和震中距相同的条件下，坚硬基岩场地较松软土场地烈度小。等震线/由烈度相同的点连成震中烈度发震断层方向平行于最强等震线的长轴等烈度线图：在同一次地震下，破坏程度相同的各点的连线（1）等烈度线的几何特征：等震线图上最内一根等震线长轴方向就是断层面的走向。当极震区两侧的等震线基本对称时，断层面近乎直立，当等震线不对称时，断层面向波及得宽的那个方向倾斜，不对称性愈显著，说明断层面愈缓。（2）地表断层和裂缝一般认为：大地震时在地面产生的地震断层和变形带的走向代表了震源断层面的走向。烈度表：地震破坏程度大小的分级标准（中国：十二度表）在震源深度和震中距相同的条件下，坚硬基岩场地较松软土场地烈度小。（1）地震基本烈度：在今后一定时间(一般按100年考虑)和一定地区范围内一般场地条件下可能遭遇的最大烈度。－－一个地区的平均烈度（2）设防烈度（设计烈度）：是抗震设计所采用的烈度。是根据建筑物的重要性、经济性等的需要，对基本烈度的调整。建筑物等级抗震设防烈度甲类：特殊要求的后果极为严重（放射性、毒气、大爆炸）特殊抗震、专门研究乙类：国家重点抗震城市的生命线工程（交通、通讯）基本烈度提高一度丙类：一般工业民用建筑物基本烈度丁类：次要的临时性建筑物降低一度或不设防思考题？在如右等烈度图中标出断层面的走向二、世界及我国地震的分布特点世界范围内的主要地震带（1）环太平洋地震带（2）地中海-喜马拉雅地震带或欧亚地震带（3）大洋海岭地震带全球约80%浅源地震、90%中源地震和几乎所有深源地震都集中于此带我国强震空间分布及地震区带划分板块边缘地震带：①台湾地震带;②西藏-滇西地震带板块内部地震带：③郯城-庐江地震带;④华北地震带;⑤南北地震带;⑥天山地震带本世纪以来发生的9次大于8级的大地震，除2次发生于台湾临近海域，其余7次均发生于新疆、西藏、宁夏、甘肃、等西部省份。本世纪以来，中国大陆发生的300多次6级以上的地震，西部地区为250多次，占83％。地震灾害表现为西部强于东部，在东部地区北强南弱我国东部地区人口、建筑物以及城市等密集，经济发达，西部人烟稀少，这就决定了我国地震灾情必然是东部严重，特别是地震多发的南北地震带、华北地区及台湾的地震灾情最为严重。特别是地震多发的南北地震带、华北地区及台湾的地震灾情最为严重。地震灾情总体特点：东重西轻我国地震灾害的周期性我国地震活动呈现出时间上的明显的周期性。由于东西部构造运动的差异，东部地震活动周期普遍比西部长。研究表明，东部地区地震周期大约为300年左右，西部为100~200年，台湾为几十年。我国大陆地区在20世纪以来已经经历了4次大地震活跃幕，每个活跃幕持续约10~20年左右，有活动高潮与低潮交替的现象。目前已进入了新的活动幕。三、地震效应地震产生的直接和间接结果，称为地震效应。震动破坏效应地面破坏效应次生灾害效应地震破坏效应其主要包括由地震引起的地表位移、断裂，地震所造成的建筑物和地面毁坏，以及水面的异常波动。（一）振动破坏效应地震地面、地面建筑物强迫振动建筑物破坏地震波由震动力作用直接引起建筑物破坏附加荷载31•振动破坏效应分析1、静力法前提：1）建筑物是刚体，即建筑物的各部分作为一个整体，具有相同的加速度。2）建筑物的加速度和地面加速度是相同的3）地震作用在建筑物上的惯性力是固定不变的，是由地面振动的最大加速度决定的。建筑物受到的水平地震力P为：cmaxmaxKWagWamP＝gaKmaxc其中称为水平地震系数PW2、动力分析法考虑地震对建筑物的作用与场地工程地质条件、建筑物结构特点、地震历时等因素。所测得的结构相同的动力反应不仅取决于地面运动的最大加速度，还取决于结构本身的动力特征，最主要的是结构的自振周期和阻尼比。阻尼比越大，建筑物固有周期与地面振动周期差别越大，越难引起共振。在抗震设计中，通常采用增大建筑物的阻尼比和选择某一适当的固有周期的办法。※卓越周期地震波在地层中传播时，经过各种不同性质的界面时，由于多次反射、折射，将出现不同周期的地震波，而土体对于不同的地震波有选择放大的作用，某种岩土体总是对某种周期的波选择放大得突出、明显，这种被选择放大的波的周期即称为该岩土体的卓越周期。卓越周期与土层的厚度、土层的性质，尤其是剪切波在土层中的传播速度有关。单一土层：sgVH4Tn1iSiigVH4T不同土层：（二）地面破坏效应地震发生时，地层错动、开裂、地陷、地基不均匀变形及砂土液化等使地基失稳，导致建筑物发生破坏。包括：（1）地面开裂地基沉降或不均匀沉降（岩性差异、厚度不同）地基水平滑移（斜坡或半挖半填）砂土液化（饱水粉细砂岩）（2）地基基地底变形