地震概論第八章

第八章宏觀地震學(xué)第一節(jié) 烈度和地震烈度區(qū)劃第二節(jié) 地震的宏觀現(xiàn)象和宏觀調(diào)查第三節(jié) 決定強地面震動的因素第四節(jié) 工程地震學(xué)作者：趙克常作者：趙克常多數(shù)人想到地震預(yù)報時，想的都是預(yù)測未來地震的時間、地點和震級，事實上預(yù)測地面震動的強度和持續(xù)時間也同等重要。這種綜合的預(yù)報不僅是一門成熟學(xué)科的標(biāo)志，而且對理解地震破壞程度怎樣隨地點而變化和可能發(fā)生什么樣的損壞模式至關(guān)重要。在經(jīng)常發(fā)生地震的地區(qū)，所有重要設(shè)施，如醫(yī)院、大橋、大壩、高層建筑、電廠和海上油井平臺都必須考慮建筑的抗震能力。當(dāng)工程師們?yōu)橐惶囟ǖ貐^(qū)設(shè)計一抗震設(shè)施時，他們依據(jù)對地面震動的預(yù)測來估計該設(shè)施在其使用期間可能經(jīng)受的最大地面震動，從而定出設(shè)施的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。作者：趙克常作者：趙克常震級能量越大，震級就越大；震級相差一級，能量相差約32倍；相差二級，能量相差1000倍。一個6級地震相當(dāng)于一個兩萬噸級的原子彈。一、地震震級

1.定義反映一次地震本身大小的等級，用M表示M

log

A式中A表示標(biāo)準(zhǔn)地震儀距震中100km紀(jì)錄的最大水平地動位移，單位為微米。2.震級與能量的關(guān)系log

E

11.8

1.5M作者：趙克常能量E的單位：爾格（1爾格=

）10

7

J作者：趙克常按震級的地震分類微震---2級以下。人感覺不到有感地震---2-4級人有感覺破壞性地震---5級以上有破壞強烈地震---7級以上有破壞特大地震---8級以上有破壞由于震源深淺、震中距大小等不同，地震造成

的破壞也不同。震級大，破壞力不一定大；震級小，破壞力不一定就小。作者：趙克常第一節(jié) 烈度和地震烈度區(qū)劃一、烈度由于震源深淺、震中距大小、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等不同，地震造成的破壞也不同。震級大，破壞力不一定大；震級小，破壞力不一定就小。所以，要反映地震實際的破壞程度，使用震級是不恰當(dāng)?shù)模@時要采用烈度。一次地震對某一地區(qū)的影響和破壞程度稱地震烈度（seismicintensity），簡稱為烈度，用I表示。一般而言，震級越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影響烈度的因素，除了震級、震中距外，還與震源深度、地質(zhì)構(gòu)造和地基條件等因素有關(guān)。作者：趙克常烈度代表地震的實際破壞程度，這個概念的建立是和“地震烈度表”的編訂聯(lián)系在一起的。烈度表通常把在地面上感受到的地震強烈程度，從無感到毀滅，劃分為若干“度”，以宏觀的地震影響，如人的感覺，物體的反應(yīng)，建筑物的破壞，地面景觀的變化等現(xiàn)象，作為劃分烈度的標(biāo)志。因此也有人把烈度定義為地震破壞性的尺度，或為地震造成的影響的尺度。盡管提法不一，但其含義基本上是一致的。地震烈度應(yīng)當(dāng)同地震震級嚴(yán)格區(qū)分。對于某次地震，震級是個定值，是指地震所釋放的能量的級別而言，代表著這次地震的大小。烈度則在同一次地震中因地而異。一般震中所在地區(qū)烈度最高，稱為極震區(qū)。隨著震中距的增大，烈度總的趨勢是逐漸降低，但由于種種其他因素的影響，難免有起伏不定的變化。作者：趙克常圖8.1

2008年5月12日汶川地震烈度分布圖作者：趙克常二、烈度表烈度表也稱地震烈度表，即把人對地震的感覺、地面及地面上房屋器具、工程建筑等遭受地震影響和自然破壞的各種現(xiàn)象，按照不同程度劃分等級，依次排列成表，稱為"地震烈度表"。目前，世界上烈度表的種類很多，以十二度較普遍，此外尚有七度表(日本)和十度表等。我國采用十二度表。中國于1957年制訂了《新的中國地震烈度表》，同蘇聯(lián)的烈度表相近。1980年又編訂了《中國地震烈度表(1980)》（見下表），對前表作了很大簡化，并加入了加速度和速度的尺度。作者：趙克常烈度在地面上人的感覺房屋震害程度其他震害現(xiàn)象水平向地面運動震害現(xiàn)象平均震害指數(shù)峰值加速度m/s2峰值速度m/sⅠ無感Ⅱ室內(nèi)個別靜止中人有感覺Ⅲ室內(nèi)少數(shù)靜止中人有感覺門、窗輕微作響懸掛物微動Ⅳ室內(nèi)多數(shù)人、室外少數(shù)人有感覺，少數(shù)人夢中驚醒門、窗作響懸掛物明顯擺動，器皿作響Ⅴ室內(nèi)普遍、室外多數(shù)人有感覺，多數(shù)人夢中驚醒門窗、屋頂、屋架顫動作響，灰土掉落，抹灰出現(xiàn)微細烈縫，有檐瓦掉落，個別屋頂煙囪掉磚不穩(wěn)定器物搖動或翻倒0.31(0.22—0.44)0.03(0.02—0.04)表8.1

中國地震烈度表作者：趙克常烈度在地面上人的感覺房屋震害程度其他震害現(xiàn)象水平向地面運動震害現(xiàn)象平均震害指數(shù)峰值加速度m/s2峰值速度m/sⅥ多數(shù)人站立不穩(wěn)，少數(shù)人驚逃戶外損壞－墻體出現(xiàn)裂縫，檐瓦掉落，少數(shù)屋頂煙囪裂縫、掉落0—0.10河岸和松軟土出現(xiàn)裂縫，飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水；有的獨立磚煙囪輕度裂縫0.63(0.45—0.89)0.06(0.05—0.09)Ⅶ大多數(shù)人驚逃戶外，騎自行車的人有感覺，行駛中的汽車駕乘人員有感覺輕度破壞－局

部破壞，開裂，小修或不需要

修理可繼續(xù)使用0.11—0.30河岸出現(xiàn)坍方；飽和砂層常見噴砂冒水，松軟土地上地裂縫較多；大多數(shù)獨立磚煙囪中等破壞1.25(0.90—1.77)0.13(0.10—0.18)Ⅷ多數(shù)人搖晃顛簸，行走困難中等破壞－結(jié)構(gòu)破壞，需要修復(fù)才能使用0.31—0.50干硬土上亦出現(xiàn)裂縫；大多數(shù)獨立磚煙囪嚴(yán)重破壞；樹稍折斷；房屋破壞導(dǎo)致人畜傷亡2.50(1.78—3.53)0.25(0.19—0.35)Ⅸ行動的人摔倒嚴(yán)重破壞－結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，局部倒塌，修復(fù)困難0.51—0.70干硬土上出現(xiàn)地方有裂縫；基巖可能出現(xiàn)裂縫、錯動；滑坡坍方常見；獨立磚煙囪倒塌5.00(3.54—7.07)0.50(0.36—0.71)Ⅹ騎自行車的人會摔倒，處

不穩(wěn)狀態(tài)的人會摔離原地，有拋起感大多數(shù)倒塌0.71—0.90山崩和地震斷裂出現(xiàn)；基巖上拱橋破壞；大多數(shù)獨立磚煙囪從根部破壞或倒毀10.00(7.08—4.14)1.00(0.72—1.41)Ⅺ普遍倒塌0.91—1.00地震斷裂延續(xù)很長；大量山崩滑坡Ⅻ地面劇烈變化，山河改觀注：表中的數(shù)量詞：“個別”為10%以下；“少數(shù)”為10%－50%；“多數(shù)”為50%－70%；“大多數(shù)”為70%－90%；“普遍”為90%以上。作者：趙克常三、地震烈度區(qū)劃地震烈度有重要的應(yīng)用：在地震發(fā)生之后，可以根據(jù)各地烈度的評定繪制等震線圖以反映地震影響的全貌及其衰減規(guī)律；可以從等震線圖的形態(tài)推論震源機制的特征；從烈度的分布異常研究場地條件對地面震動的影響；還可以以烈度為背景來總結(jié)建筑物的抗震經(jīng)驗。古代的歷史地震資料,一般只有地震現(xiàn)象的描述，沒有儀器記錄，也只有通過宏觀烈度的概念來加以整理和利用。在防御地震方面，全世界各國通常把國土劃分為地震危險程度不同的地區(qū)，建立不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，稱為地震烈度區(qū)劃。建筑物的抗震設(shè)計通常是在一定地震烈度（宏觀烈度或地面運動物理參數(shù)）的前提下進行。這個烈度的評定需要進行特別的調(diào)查。作者：趙克常烈度定量：從抗震設(shè)計的要求來看，宏觀標(biāo)志不能直接應(yīng)用，

要有表征地面運動的物理量供設(shè)計采用。有些國家的抗震設(shè)計

規(guī)范規(guī)定了與地震烈度相應(yīng)的地震加速度，但各國的取值不一?；玖叶龋阂粋€地區(qū)未來50年內(nèi)一般場地條件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值稱為該地區(qū)的基本烈度，相當(dāng)于

475年一遇的最大地震的烈度，基本烈度也稱為偶遇烈度或中震烈度。工程地震的烈度區(qū)劃是一項重要工作，就是用地震歷史和地震地質(zhì)資料，對全國各個地區(qū)在預(yù)定的時間內(nèi)地震發(fā)生的大小和可能性作出預(yù)測，編制成地震烈度區(qū)劃圖，作為工程建設(shè)抗震設(shè)計的依據(jù)。1976年中國頒發(fā)了《中國地震烈度區(qū)劃圖》，比例尺為三百萬分之一，圖上用等烈度線表示出從1974年至2073年的100年內(nèi)各地區(qū)可能普遍遭遇的最大地震烈度。作者：趙克?！吨袊卣鹆叶葏^(qū)劃圖》作者：趙克常《中國地震烈度區(qū)劃圖》編圖的原則和方法是，以地震區(qū)、帶作為區(qū)劃的基本單元，在運用綜合分析方法確定未來百年地震趨勢和地震危險區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地震宏觀影響場的分析，進行地震烈度區(qū)劃。具體步驟和方法如下：進行地震區(qū)、帶的劃分。進行地震活動性分析。利用地震構(gòu)造條件類比法判定地震危險區(qū)。確定地震宏觀影響場。規(guī)范規(guī)定：抗震設(shè)防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑必須進行抗震設(shè)計作者：趙克常地震烈度

1.地震烈度定義及影響因素地震烈度表基本烈度（偶遇烈度或中震烈度）設(shè)防烈度按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度稱為設(shè)防烈度，用Id表示。）設(shè)防烈度的取值依據(jù)：規(guī)范規(guī)定：一般情況下，可采用《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的地震基本烈度。對已編制抗震設(shè)防區(qū)劃的城市可按批

準(zhǔn)的抗震設(shè)防烈度進行抗震設(shè)防。地震烈度、震級與地震影響的關(guān)系作者：趙克常（1）5.0-5.4級地震，震中烈度多為六度，其面積小于500平方公里。（2）5.5-5.9級地震，震中烈度多為七度，其面積不超過200平方公里；六度區(qū)面積也只有數(shù)百平方公里。（3）6.0-6.4級地震，震中烈度多數(shù)為八度，其面積幾十平方公里；七度區(qū)不超過200平方公里，六度區(qū)數(shù)百平方公里，如震中烈度為七度，則與5.5-5.9級地震結(jié)果相同。（4）6.5-6.9地震，震中烈度一半為八度，結(jié)果與6.0-6.4級地震一樣；另一半為九度，其面積小于100平方公里，八度區(qū)不超過500平方公里，七度區(qū)則在1500平方公里以內(nèi)。震級與傷亡的關(guān)系（1）5.0-5.9級地震造成人員傷亡者占24%。而僅引起人員死亡的地震更少，只占11.5%。一次5級多地震中死亡人數(shù)最多為117人，而死亡29人以上的地震都發(fā)生在夜間。（2）6.0-6.9級地震有43%造成人員傷亡，而有人員死亡僅占35%，一次地震死亡人數(shù)最多為600人。作者：趙克常第二節(jié) 地震的宏觀現(xiàn)象和宏觀調(diào)查伴隨著地震的發(fā)生，會出現(xiàn)一系列的自然現(xiàn)象，有宏觀的，也有微觀的。宏觀現(xiàn)象主要指人類可以感覺到或者觀察到

的各種自然現(xiàn)象；微觀現(xiàn)象則是指在地震發(fā)生時，人類必

須借助儀器才能觀測到的各種物理場的變化，主要包括：

地球介質(zhì)的震動、地磁場的異常、重理場的變化、低光、

地電、地下水位的升降和氡氣含量的變化，等等。地震的宏觀現(xiàn)象可以分成兩類：一類與地震成因有直接關(guān)系，如大斷層的發(fā)生和重新活動、大塊地面的傾斜、升降及變形等，稱為原生現(xiàn)象；另一類則稱為次生現(xiàn)象，如地面的滑坡和裂隙、建筑物的破壞、人和動物的反應(yīng)等。作者：趙克常地震宏觀調(diào)查就是在地震現(xiàn)場對人所能直接感覺到的地震現(xiàn)象包括地震所造成的破壞和影響所進行的實地調(diào)查。如調(diào)查建筑物與工程的損壞、地質(zhì)構(gòu)造活動、地貌地形的變化、井泉的變異、地裂、噴沙冒水、山崩和滑坡、湖潮與海嘯、人的感覺與生物的反映等均屬地震宏觀調(diào)查的范疇。根據(jù)地震宏觀調(diào)查可以確定地震烈度、繪制等震線圖、確定宏觀震中位置等。對于了解地震的成因和各種建筑物的抗震性能具有重要意義。宏觀地震調(diào)查主要有以下內(nèi)容：強地震的調(diào)查前兆現(xiàn)象的調(diào)查歷史地震的調(diào)查與考證宏觀地震資料的整理作者：趙克常第三節(jié) 決定強地面震動的因素地面運動的一般特征的衡量：地面運動最大加速度地面運動的周期強震的持續(xù)時間用峰值加速度作為一種衡量地震動的參量在上世 紀(jì)60年代得到發(fā)展。地震波從震源向外傳播時， 通常峰值加速度、速度和位移將是逐漸減小的， 但人們發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)之間地面震動隨距離衰減變 化很大，要受地殼巖石性質(zhì)的影響。作者：趙克常峰值加速度并不隨著距震源距離的增加而平穩(wěn)地減弱，在很大程度上它要受幾種地質(zhì)環(huán)境的影響：第一，走滑斷層的面特別彎曲不平處，斷層將產(chǎn)生突然增大的高頻能量脈沖；第二，不均勻的地殼巖石和山脈、溪谷等陡峭地形會使波長幾百米的高頻地震波，被散射或放大；第三，厚的沖積土壤可能放大某些波，而削弱另一些波，這取決于土壤、巖石結(jié)構(gòu)以及波的頻率。作者：趙克常決定任何場點地面震動的強度的因素有3個：①震源機制；②震源與該場點之間巖石的不均勻性和結(jié)構(gòu)變化；③該場點的土壤和其他地質(zhì)條件。圖8.3盆地效應(yīng)和盆地邊緣效應(yīng)示意圖作者：趙克常作者：趙克?；鶐r上地震動幅值小、持續(xù)短、震害輕。淤泥和填充地則放大地震波，像震動地果凍碗一樣。1976年唐山地震、1996年麗江地震建在基巖上的毛主席塑像未受到破壞。作者：趙克常例子一：1989年美國洛馬普瑞特地震濱海區(qū)的地震災(zāi)害1989年10月17日美國洛馬普瑞特發(fā)生地震，震級為7.1，是自

1906年舊金山地震后襲擊舊金山海灣地區(qū)的最大地震。世界上許多地震活動區(qū)地質(zhì)條件都相當(dāng)復(fù)雜。例如，在加州舊金山海灣地區(qū)，沿著圣安德烈斯斷層有一寬闊的破碎巖石帶，斷層的一側(cè)是花崗巖，另一側(cè)是很厚的沉積巖序列，沉積巖中有裂縫和成層序列。這兩種截然不同的地質(zhì)體并存，對1989年洛馬普瑞特地震產(chǎn)生的破壞形式有重大影響。在地震晃動中，浸滿水的細顆粒土壤在數(shù)次剪應(yīng)力變化的作用

下變得具有液體特性。在洛馬普瑞特地震襲來時，濱海區(qū)填充

地面在主震中下沉了5英寸。地面傾斜，浸滿水的砂礫地段液化；建筑物與其地基分離，其中一些倒塌。震后，記錄裝置被安放

在填充區(qū)及其周圍的巖石上，以便比較強余震引起的地震動。

結(jié)果表明，填充地區(qū)將地震動放大了8倍（圖8.4）。圖8.4

1989年洛馬普瑞特地震余震期間在基巖上和人工填充地上監(jiān)視臺站記錄到的兩種地震圖作者：趙克常作者：趙克常例子二：1985年墨西哥地震的地震災(zāi)害1985年9月19日，墨西哥發(fā)生8.1級地震。震中位于墨西哥太平洋海岸下面的俯沖板塊中，發(fā)生在已由地震學(xué)家們指出達十多年的一個地震空區(qū)內(nèi)。這次地震嚴(yán)重毀壞了許多企業(yè)和學(xué)校的建筑物。由于地震發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r間早晨7點17分，當(dāng)時這些建筑物中人不太多，因而還算幸運。盡管如此，距震中340多千米的墨西哥城內(nèi)還是有8000多人死亡，3萬多人受傷，約5萬人無家可歸。地震嚴(yán)重破壞的建筑只是這座城市的一小部分。墨西哥城中的一些地方，沖積盆地近地表的地質(zhì)條件造成了十分危險的環(huán)境。在湖泊地帶，周期約2秒的面波被粘土層特別地放大。在墨西哥地震中，震波被10～14層高的建筑物所放大。在這些建筑物中，共振作用導(dǎo)致了大移位及結(jié)構(gòu)的破壞。然而，即使在最嚴(yán)重的振動帶上，墨西哥城大多數(shù)建筑物也沒受到結(jié)構(gòu)上的損壞。沒有受到損壞的多是低矮建筑物及摩天大樓，如37層高的拉丁美洲塔，它是本世紀(jì)50年代建筑的，其巨大高度使它的固有振動周期長達3.7秒，遠大于最強的地震面波周期而不會發(fā)生共振。地震波地震波是地震發(fā)生時由震源地方的巖石破裂產(chǎn)生的彈性波。地震波分為體波和面波。體波橫波（S波）縱波（P波）面波勒夫波橫波特點:周期長、振幅大、波速慢,3-6km/s縱波特點:周期短,振幅小,波速快,6-10km/s瑞利波面波比體波衰減慢、振幅大、周期長、傳播遠。建筑物破壞主要由面波造成。作者：趙克常雜波P波開始S波開始面波開始設(shè)計地震分組請思考：圖中的兩座建筑在經(jīng)歷不同周期特點的地震作用下，那座建筑更易破壞？作者：趙克常設(shè)計地震分組是新規(guī)范新提出的概念，用以代替舊規(guī)范設(shè)計近震、設(shè)計遠震的概念。在宏觀烈度大體相同條件下，處于大震級遠離震中的高聳建筑物的震害比中小級震級近震中距的情況嚴(yán)重的多。設(shè)計地震分三組對于Ⅱ類場地，第一、二、三組的設(shè)計特征周期分別為：0.35s、0.40s、0.45s.6度近震6度遠震7度近震7度遠震設(shè)計地震分組作者：趙克常地震地面運動的一般特征地面運動最大加速度地面運動的周期強震的持續(xù)時間地面運動的一般特征可用地面運動加速度記錄曲線來說明。作者：趙克常地震的破壞作用（震害現(xiàn)象）一、直接災(zāi)害：由地震的原生現(xiàn)象如地震斷層錯動，以及地震波引起的強烈地面振動所造成的災(zāi)害。主要有：1、地面破壞。如地面裂縫、錯動、塌陷、噴水冒砂等；作者：趙克常2、建筑物與構(gòu)筑物的破壞如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等；作者：趙克常2、建筑物與構(gòu)筑物的破壞如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等；作者：趙克常2、建筑物與構(gòu)筑物的破壞如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等；作者：趙克常2、建筑物與構(gòu)筑物的破壞如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等；作者：趙克常3、山體等自然物的破壞。如山崩、滑坡等；作者：趙克常4、海嘯。海底地震引起的巨大海浪沖上海岸，可造成沿海地區(qū)的破壞；作者：趙克常二、次生災(zāi)害：直接災(zāi)害發(fā)生后，破壞了自然或社會原有的平衡、穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)出的災(zāi)害。有時，次生災(zāi)害所造成的傷亡和損失比直接災(zāi)害還大。主要的次生災(zāi)害有：1、火災(zāi)由震后火源失控引起；1923年日本關(guān)東地震，東京市內(nèi)227處起火，33處未能撲滅造成火災(zāi)蔓，舊市區(qū)燒毀約50%；橫濱

市燒毀80%，死亡10萬。作者：趙克常作者：趙克常2、水災(zāi)。由水壩決口或山崩擁塞河道等引起；3、毒氣泄漏。由建筑物或裝置破壞等引起；4、瘟疫。由震后生存環(huán)境的嚴(yán)重破壞而引起.三、工程結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象1、結(jié)構(gòu)喪失整體性2、承重結(jié)構(gòu)強度不足3、結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致倒塌作者：趙克常三、工程結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象作者：趙克常1、結(jié)構(gòu)喪失整體性2、承重結(jié)構(gòu)強度不足3、結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致倒塌4、結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接支撐失效作者：趙克常5、地基失效6、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞三、工程結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象1、結(jié)構(gòu)喪失整體性2、承重結(jié)構(gòu)強度不足3、結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致倒塌4、結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接支撐失效作者：趙克常第四節(jié) 工程地震學(xué)減輕地震災(zāi)害有兩種途徑：一種是地震預(yù)報；另一種地震工程途徑，它是以長期預(yù)測為依據(jù)，規(guī)定新建工程的抗震設(shè)防技術(shù)措施，使所建的工程能抗御未來發(fā)生的地震，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，從而極大減輕人民生命財產(chǎn)在地震中的損失。工程地震學(xué)（engineeringseismology）是地震學(xué)中為工程建設(shè)服務(wù)的一個分支，主要研究強烈地震運動及其效應(yīng)。早期的地震學(xué)家主要把地震當(dāng)作一種自然現(xiàn)象來進行研究