地震學基礎知識

地震學基礎

IntroductiontoSeismology作者：卡卡西提綱地震學簡介地震學發(fā)展歷史地震波傳播與震源地震學應用小結(jié)一、地震學簡介地震學是研究地震波傳播、地球（行星）內(nèi)部結(jié)構和地震物理過程的學科SeismologyisthesciencethatstudiesthesewavesandwhattheytellusaboutthestructureofEarthandthephysicsofearthquakes.ItistheprimarymeansbywhichscientistslearnaboutEarth’sdeepinterior,wheredirectobservationsareimpossible,andhasprovidedmanyofthemostimportantdiscoveriesregardingthenatureofourplanet.Itisalsodirectlyconcernedwithunderstandingthephysicalprocessesthatcauseearthquakesandseekingwaystoreducetheirdestructiveimpactsonhumanity.地震學屬于地球物理學和地球科學，其理論基礎是牛頓第二定律Seismologyoccupiesaninterestingpositionwithinthemoregeneral?eldsofgeophysicsandEarthsciences.MuchoftheunderlyingphysicsisnomoreadvancedthanNewton’ssecondlaw(F=ma),butthecomplicationsintroducedbyrealisticsourcesandstructureshavemotivatedsophisticatedmathematicaltreatmentsandextensiveuseofpowerfulcomputers.地震學和地球內(nèi)部結(jié)構研究的突破是由理論、方法、觀測、儀器、數(shù)據(jù)推動的Seismologyisdrivenbyobservations,andimprovementsininstrumentationanddataavailabilityhaveoftenledtobreakthroughsbothinseismologytheoryandinourunderstandingofEarthstructure.什么是地震？地震是一種破壞性的自然現(xiàn)象，地震發(fā)生的原因通常是地殼(crust)或上部地幔(mantle)小范圍內(nèi)所蘊積的能量，在瞬間急遽釋放出來引發(fā)斷層錯動；隕石撞擊、火山爆發(fā)、爆炸（核爆）等也會引發(fā)地震；斷層：地殼受力發(fā)生斷裂，沿斷裂面兩側(cè)巖塊發(fā)生的顯著相對位移的構造。走滑斷層(Strike-slipfault)正斷層(Normalfault)逆斷層(Thrustfault)斜滑斷層(Oblique-slipfault)日本：鯰魚翻身斷層斷層面：兩部分巖塊沿之滑動的破裂面就是斷層面；上盤(hangingwall)：斷層面傾斜時，朝下的稱為上盤；下盤(footwall)：斷層面傾斜時，斷面朝上的稱為下盤；斷層線：是斷層面與底面之交線，分布規(guī)律與地層露頭線相同；位錯：是斷裂面兩側(cè)巖塊移動的位移。斷層轉(zhuǎn)換斷層(Transformfault)又稱為轉(zhuǎn)形斷層或錯動型板塊邊界，是一系列沿著張裂型板塊邊界平行排列、把洋中脊走向切割為不同塊段的一種大規(guī)模水平位移斷層。轉(zhuǎn)型斷層形成的斷裂帶可長達數(shù)千千米，寬約100到200千米。板塊間的相對運動，遇到轉(zhuǎn)換斷層之后，就有機會轉(zhuǎn)變成另一種型式的相對運動。二、地震學發(fā)展歷史地震學是一門相對年輕的學科，定量研究開始用約100年前。Seismologyisacomparativelyyoungsciencethathasonlybeenstudiedquantitativelyforabout100years.Intheearly1800sthetheoryofelasticwavepropagationbegantobedevelopedbyCauchy,Poisson,Stokes,Rayleigh,andotherswhodescribedthemainwavetypestobeexpectedinsolidmaterials.人類最早的測震儀候風地動儀是中國古代偵測地震的儀器，也是世界最早的地震儀。8條龍，8個蟾蜍和一個圓柱體組成。發(fā)明者：東漢時期張衡在漢順帝永建七年（132年）發(fā)明，但已失傳。《后漢書》記載該儀器曾經(jīng)測出隴西方向有地震：“嘗一龍機發(fā)而地不覺動，京師學者咸怪其無征，后數(shù)日驛至，果地震隴西，于是皆服其妙?！焙蝻L地動儀第一次真正意義上的地震科學研究二、地震學發(fā)展歷史里斯本大地震研究(11/01,1755)震級可能為9級，造成了3次大的海嘯，幾千人死亡；地質(zhì)調(diào)查表明震中在葡萄牙西南海岸200km左右，幾乎摧毀了里斯本城市；由于該地震巨大的破壞力，激發(fā)了科學研究的興趣，開啟了地震科學研究的時代。J.Mitchel(1761)和J.Drijhout(1765)首次發(fā)現(xiàn)了震源分離現(xiàn)象；推測地面震動是從遠處震源傳播過來的，發(fā)現(xiàn)了地震波傳播現(xiàn)象；(From：TreatiseonGeophysics,2ndedition)VanHoff和APerry第一次系統(tǒng)的統(tǒng)計了地震事件的目錄P.Eagen(1828)第一次統(tǒng)計計算了地震的烈度J.Noggerath(1847)第一次畫出了地震等震線的圖C.Lyell第一次發(fā)現(xiàn)地震會大致大面積區(qū)域的地表垂直形變1819年印度Rann和Cutch地震1822和1835年的Chulian地震序列1855年的新西蘭Wairrarapa地震Mallet對地震進行了定位和系統(tǒng)統(tǒng)計R.Mallet(1810-1881)：愛爾蘭地質(zhì)與地理學家：完成了人類第一張最完整的地震分布圖，給出了全球主要地震的分布條帶，如環(huán)太平洋地震帶、地中海-特提斯-喜馬拉雅地震帶等（1858）嘗試了利用爆炸震源測量地震波速度；提出了地震可能是水遇到高溫巖石產(chǎn)生的水蒸氣突然膨脹所致的假說（第一次理性的提出了發(fā)震機理的猜想）。二、地震學發(fā)展歷史地震分布圖Mallet,1858,TreatiseonGeophysics,2ndedition二、地震學發(fā)展歷史地震觀測儀器人類第一次用煙熏紙記錄到的日本1881年3月8號發(fā)生的近震1855:第一臺真正意義上的地震儀由意大利科學家盧伊吉·帕爾米里發(fā)明，能粗略顯示出地震發(fā)生時間和強度；Ewing于1881年利用水平擺錘地震計探測地震，于1881年3月8號探測到日本的一個地震；第一臺精確的地震儀于1880年由英國科學家J.Milne和Gray在日本發(fā)明，Milne也被譽為”地震儀之父”；

人類第一個遠震記錄（E.von-Rebeur-Pashwitz，1989，Nature）德國波茨坦天文學家建立了靈敏的水平擺錘地震儀，用來觀測潮汐引起的傾斜；1889/04/17觀測到了來自日本一個5.8級地震的遠震信號。1889/04/17第一個遠震記錄記錄到的距離400英尺的主動源信號二、地震學發(fā)展歷史現(xiàn)代的地震觀測儀器二、地震學發(fā)展歷史里氏震級（Richter，1935）為了研究美國加州的地震而設計，用伍德-安德森扭力式地震儀測量；目的是區(qū)分當時加州地區(qū)發(fā)生的大量小規(guī)模地震和少量大規(guī)模地震，后被廣泛使用在現(xiàn)代地震學研究。J-B走時表（Jefferys&Bullen，1940）利用大量的數(shù)據(jù)，建立了一個地球標準模型，以及Jeffreys-Bullen走時表(1940)；發(fā)現(xiàn)地球基本上是球?qū)ΨQ的，有一些界面；包含了地幔和液態(tài)外核的CMB界面。J-B走時表（1940）Gutenberg

(古登堡)發(fā)現(xiàn)核幔邊界（1939）利用地震遠震體波震相的影區(qū)，Gutenberg發(fā)現(xiàn)了2891km深度上，存在著一個物質(zhì)界面；界面速度有明顯跳變，界面之下不存在剪切波，稱為核幔邊界（CMB），又稱古登堡面。Lehmann發(fā)現(xiàn)了地球的固態(tài)內(nèi)核（1936）利用PKIKP發(fā)現(xiàn)ICB半徑約為1400km可能為固態(tài)二、地震學發(fā)展歷史Inge

Lehmann(1888-1993)二、地震學發(fā)展歷史Gutenberg-Richterlaw二、地震學發(fā)展歷史KeiitiAki和P.G.Richards建立了完整的地震學理論1966:K.Aki定義了地震矩概念給出了地震學定量的物理學量度；Mo=Area*slip*rigidity。1980：K.Aki和P.G.Richards完成了《QuantitativeSeismology》，被稱為“地震學的圣經(jīng)”。H.Kanamori完善了地震學理論1977年提出了矩震級的概念，避免了里氏震級出現(xiàn)的震級飽和的現(xiàn)象；建立利用遠震波形反演地震滑移分布的方法；提出了地震預警的快速分析方法。1969-72:阿波羅登月，布設了月震儀，在地球之外開展了地震學研究；2018-2022：洞察號火星探測器，布設火震儀進行觀測二、地震學發(fā)展歷史限制核試驗條約促使了現(xiàn)代臺網(wǎng)和臺陣的出現(xiàn)1963年聯(lián)合國簽訂了限制核試驗條約；建立了一批監(jiān)測核試驗為目的的地震臺網(wǎng)；WWSSN網(wǎng)，包括了120個臺站。建立了一批小口徑地震觀測臺陣如澳大利亞的WRA,加拿大的YKA,印度的GBA,蘇格蘭的ESK,挪威的NORSAR蘇聯(lián)建設了ESSN臺網(wǎng)，包括了100個臺；1970年代，模擬臺站開始向數(shù)字臺站進行升級;1984年，美國USGS建立了GSN臺網(wǎng)，代替WWSSN；1996年，國際數(shù)據(jù)中心（IDC）成立，通過國際監(jiān)測系統(tǒng)收集地震數(shù)據(jù)，主要來自于GSN。二、地震學發(fā)展歷史地震學為板塊構造學說提供了關鍵證據(jù)二、地震學發(fā)展歷史中國近現(xiàn)代的地震學研究我國第一個地震觀測臺是1930年由著名地震學家李善邦主持建立的，北京鷲峰地震臺。傅承義：中國地球物理學和地震學的奠基人之一師從Gutenberg教授，在加州理工學院獲博士學位；建立第一個中國地球物理教研室；提出了利用格林函數(shù)積分計算體波和面波的理論；開創(chuàng)了中國核試驗地震觀測和地震偵查的研究；開創(chuàng)了中國地震預測研究的嘗試。地震波在地球內(nèi)部傳播，提供了探索地球內(nèi)部構造的有力工具；結(jié)構和震源是地震學的兩大研究內(nèi)容；就研究對象和目的而言，地震學主要分為天然地震學和勘探地震學；三、地震波傳播與震源三、地震波傳播與震源地震發(fā)生時，釋放的能量，一部分消耗在斷層面錯動產(chǎn)生的摩擦生熱中，一部分消耗在碎裂巖石中，一部分作為勢能，轉(zhuǎn)化在地表的形變中，還有一部分，則由巖石反彈震動產(chǎn)生的彈性能，以波動的方式，通過地震波向四面八方傳播，并引起地表的震動。定量描述地震波傳播，需要研究固體介質(zhì)中的內(nèi)力和形變。

三維介質(zhì)中的形變?yōu)閼?，不同部分的?nèi)力為應力，應變和應力不是獨立存在的，通過彈性固體介質(zhì)中的本構關系聯(lián)系起來。三、地震波傳播與震源三、地震波傳播與震源Thegroundmotion(velocity)fromtheJanuary17,1994Northridgeearthquakerecordedat88.5?range三、地震波傳播與震源P–PwaveinthemantleK–PwaveintheoutercoreI–PwaveintheinnercoreS–SwaveinthemantleJ–Swaveintheinnercorec–re?ectionoffthecore–mantleboundary(CMB)i–re?ectionofftheinner-coreboundary(ICB)三、地震波傳播與震源地幔震相地核震相三、地震波傳播與震源三、地震波傳播與震源三、地震波傳播與震源Pg Atshortdistances,eitheranupgoingPwavefromasourceintheuppercrustoraPwavebottomingintheuppercrust.AtlargerdistancesalsoarrivalscausedbymultipleP-wavereverberationsinsidethewholecrustwithagroupvelocityaround5.8km/s.Pb (alt:P*)EitheranupgoingPwavefromasourceinthelowercrustoraPwavebottominginthelowercrustPn AnyPwavebottomingintheuppermostmantleoranupgoingPwavefromasourceintheuppermostmantlePnPn Pnfree-surfacereflectionPgPg Pgfree-surfacereflectionPmP PreflectionfromtheoutersideoftheMohoPmPN PmPmultiplefreesurfacereflection;Nisapositiveinteger.Forexample,PmP2isPmPPmPPmS PtoSreflection/conversionfromtheoutersideoftheMohoSg Atshortdistances,eitheranupgoingSwavefromasourceintheuppercrustoranSwavebottomingintheuppercrust.AtlargerdistancesalsoarrivalscausedbysuperpositionofmultipleS-wavereverberationsandSVtoPand/orPtoSVconversionsinsidethewholecrust.Sb (alt:S*)EitheranupgoingSwavefromasourceinthelowercrustoranSwavebottominginthelowercrustSn AnySwavebottomingintheuppermostmantleoranupgoingSwavefromasourceintheuppermostmantleSnSn Snfree-surfacereflectionSgSg Sgfree-surfacereflectionSmS SreflectionfromtheoutersideoftheMohoSmSN SmSmultiplefree-surfacereflection;Nisapositiveinteger.Forexample,SmS2isSmSSmSSmP StoPreflection/conversionfromtheoutersideoftheMohoLg AwavegroupobservedatlargerregionaldistancesandcausedbysuperpositionofmultipleS-wavereverberationsandSVtoPand/orPtoSVconversionsinsidethewholecrust.Themaximumenergytravelswithagroupvelocityofapproximately3.5km/sRg Short-periodcrustalRayleighwave三、地震波傳播與震源震源(hypocenter)：地震發(fā)生的起始點；其深度即為地震深度，深度的大小對地震災害大小和影響范圍影響很大。震中(epicenter)：震源與地心相連直線在地表的投影點；通常說的地震位置，一般就是震中的位置；震中區(qū)通常是災害比較重的區(qū)域，但也不一定，與地震的破裂形態(tài)、滑移分布關系很大。三、地震波傳播與震源三、地震波傳播與震源大地震震源破裂過程三、地震波傳播與震源有些地震可以引起很大的災害，有些卻只引起一場虛驚或根本不為人們所感覺。同一個地震可能在一些地方引起災害，而其他地方卻毫無損傷。為容易區(qū)別這些狀況，地震學家用兩種尺度—地震震級（Magnitude）和地震烈度（Intensity）。震級和烈度有關系，但是不完全對應。地震震級是判斷一個地震的威力或釋放出來的能量大小的尺度。與地點無關，有多種判斷的標準，包括里氏震級、矩震級、面波震級等。地震震級與地震的破裂大小、破裂長度有關。地震烈度是衡量地震造成的破壞大小的衡量標準，主要通過造成的破壞和損失來確定。地震烈度是指距離震中某特定處，最早是以人體所感受到大地震動強度的大小，或物體因受震動所遭受的破壞程度來計算，是一種主觀判判斷的尺度?，F(xiàn)在的烈度多以地動峰值加速度值（PGA）和峰值速度值（PGV）來判斷，而世界各地烈度的分級是不一定相同的。三、地震波傳播與震源地震本身震級震級越大釋放的能量越多和震源的距離能量隨著傳遞的距離衰減當?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境和建筑物狀況地下物質(zhì)結(jié)構等因子影響地表振動幅度影響地震烈度的因素三、地震波傳播與震源Wells&Coppersmith，BSSA，1994地震數(shù)量與震級關系地震類型：按成因分類構造地震由于地下深處巖層錯動、破裂所造成的地震。這類地震約占全球地震數(shù)的90%以上。汶川大地震就屬于構造地震?；鹕?爆炸地震由于火山作用，如巖漿活動、氣體爆炸等引起的振動?；鹕降卣鹨话阌绊懛秶^小，發(fā)生得也較少，約占全球地震數(shù)的7%。三、地震波傳播與震源三、地震波傳播與震源地震類型：按成因分類陷落地震由于地層陷落引起的地震。這類地震更少，大約不到全球地震數(shù)的3%，引起的破壞也較小誘發(fā)地震由于人類活動，比如石油、頁巖氣開采、水庫蓄水等引發(fā)的地震。近些年來，隨著資源開采和水利工程建設等的快速發(fā)展，誘發(fā)地震數(shù)量急劇上升，造成的災害也越來越大三、地震波傳播與震源地震類型：按震源機制分類正斷層地震發(fā)生在正斷層上的地震，上盤下落，下盤相對上升。典型的有意大利Norcia地震。震級相對較小。洋中脊等區(qū)域正斷層地震比較多。走滑地震在走滑斷層上發(fā)生的地震，位錯主要以水平為主，兩側(cè)滑移量的差即為位錯大小。典型的有昆侖山西口8.1級地震。大陸內(nèi)部走滑地震較多。三、地震波傳播與震源地震類型：按震源機制分類非雙偶源地震由于人類活動，比如石油、頁巖氣開采、水庫蓄水等引發(fā)的地震；還有隕石撞擊、滑坡、冰川垮塌等引起的震動。目前非傳統(tǒng)地震的研究已經(jīng)越來越受到重視。逆沖地震發(fā)生在逆沖斷裂帶上的地震，主要由于板塊俯沖等構造作用引起的地震。逆沖地震大部分發(fā)生在俯沖帶附近，如蘇門答臘大地震、日本Tohoku-Oki地震等；也有逆沖地震發(fā)生在大陸俯沖帶上，典型的如汶川地震。由于逆沖地震的應力比較大，所以震級會比較大。三、地震波傳播與震源日期

位置

死亡人數(shù)

震級01/23,1556

中國陜西華縣

830,000

~807/27,1976

中國唐山

255,000 7.508/9,1138

Aleppo,敘利亞

230,000 n.a.12/26,2004

Sumatra,印度尼西亞

225,000+ 9.301/12,2010

海地

222,570 7.012/22,856

Damghan,伊朗

200,000 n.a.05/22,1927

青海西寧附近

200,000 7.912/16,1920

中國甘肅

200,000 7.803/23,893

Ardabil,伊朗

150,000 n.a.09/01,1923

Kwanto,日本

143,000 7.910/05,1948

Ashgabat,土庫曼斯坦

110,000 7.312/28,1908

Messina,意大利

70,000–100,000

7.209/1290

直隸,中國

100,000 6.8?05/12,2008

汶川地震，中國

87,587

7.910/08,2005

巴基斯坦

80,361

7.610,1667

Shemakha,高加索

80,000

n.a.11/18,1727

Tabriz,伊朗

77,000

n.a.12/25,1932

中國甘肅

70,000

7.611/01,1755

葡萄牙里斯本

70,000

8.705/31,1970

秘魯

66,000

7.905/30,1935

Quetta,巴基斯坦

30,000–60,000 7.501/11,1693

Sicily,意大利

60,000

n.a.1268

Silicia,小亞細亞

60,000

n.a.06/20,1990

伊朗

50,000 7.702/04,1783

Calabria,意大利

50,000

n.a.四、地震學應用地球內(nèi)部結(jié)構成像四、地震學應用四、地震學應用四、地震學應用地球內(nèi)部結(jié)構成像四、地震學應用~80%環(huán)太平洋帶~15%地中海-歐亞帶，青藏高原及周邊地區(qū)~5%板塊內(nèi)部、大洋中脊Weaver.,2005,Science地震事件在時空上極端不均勻，基于天然地震事件數(shù)據(jù)的成像方法難以對特定地區(qū)精細地殼結(jié)構進行有效探測。背景噪聲成像實現(xiàn)了任意區(qū)域臺陣下方精細結(jié)構成像四、地震學應用四、地震學應用地震定位/預警地震預警是當?shù)卣鸢l(fā)生后，通過布設在地震震中附近的監(jiān)測儀器，快速準確確定地震大小、位置及可能的地震災害，通過現(xiàn)代通訊系統(tǒng)，快速的發(fā)出地震的信息，從而為地震逃生、重要設施的保護提供關鍵性信息的系統(tǒng)。地震預警不是地震預報！地震預報是地震還沒發(fā)生時，就給出未來地震的位置、大小及破壞性預測；二地震預警則是地震發(fā)生后，通過快速判斷，給出地震信息的方式。重點區(qū)“首次警報”平均僅7秒！我國建成全球最大地震預警網(wǎng)四、地震學應用地震預警日本和南加州建立了世界上最完備的地震預警系統(tǒng)；預警在不同時間，逐步修正預警信息；地震發(fā)生的立即給出單臺信息；10秒內(nèi)給出2~3個臺的結(jié)果；20秒內(nèi)給出3~5個臺