地震工程地质

第五章地震的工程地质研究5．1基本概念及研究意义地震:接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动。震源，震中，震中距，震源深度的概念分类：1.按其成因分为：构造地震、火山地震和陷落地震。人类工程活动如采矿、水库蓄水、深井注水、地下接爆炸也可诱发地震。构造地震是现代地壳运动所产生的一种突发事件，是地球上分布最广、数量最多、危害最为严重的地震，世界上90％以上的地震和所有的强烈地震均属构造地震。它产生于板块边缘和板块内部的活动构造带，地壳和上地幔岩石在地球内力作用下，产生构造变形积蓄应变能，一旦达到岩体强度极限，就会发生突然的剪切破裂(脆性破坏)或沿已有破裂面产生突然错动(粘滑)，积蓄的应变能就会以弹性波的形式突然释放使地壳震动而发生地震。2.按震源深度可分为：浅源地震（0—70km）中源地震（70—300km）深源地震（300--700km）地震的一般过程和地震序列地震的一般过程：前震、主震、余震；地震序列：在一定时间内，发生在同一地质构造区的一系列地震。我国的地震序列：主震型、群震型、孤立型全世界发生地震500万/a，有感地震5万/a造成破坏性1000/a强震十多次地震前后水平位移监测结果(GPS)地震前后垂直位移监测结果(GPS)地震引起大坝破坏(台中石岗)地震引起埠丰桥断裂，河床抬高8m,形成叠水(石岗)地震引起房屋倒塌(台中石岗)地震引起桥梁断裂(南投集集镇)地震引起稻田隆起(台中雾峰)地震引起操场隆起(台中国小)5．2地震及地震波的基础知识5·2·1地震波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，这种弹性被就是地震波。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。地震波包括两种在介质内部传播的体波和两种限于界面附近传播的面波。体波包括：纵波和横波。纵波是由震源传出的压缩波。横波是震源向外传播的剪切波，传播时介质体积不变但形状改变，周期较长振幅较大。因为该波是切变波，所以它不能通过对切变没有抵抗能力的液体。根据弹性理论，纵波传播速度(Vp)和横波速度(Vs),可分别以下列两式计算：5.2.2震源机制和震源参数研究多个地震台的地震谱，可以确定出地震发生的物理过程或震源物理过程，一般称为震源机制（localmechanism）。根据地震记录图，按弹性变位理论进行复杂计算，还可以求出限定震源物理过程的多个物理量，通称为震源参数（sourseparameters）。5.2.2.1震源机制地下核爆破在地面所记录的P波初动都是推波，或第一相位为压缩，表明震动源的物理过程是由于爆炸引起的膨胀向周围介质施加压力。根据近几十年来的大量研究证实，浅震源P波初动明显具有限象分布的特点(图5-2)：推拉模式；单力偶模式；双力偶模式5.2.2.2震源参数以上震源机制讨论是以点源模型为基础的。实际上震源并非一点，而是一个产生有限错动的断层面，限定一个震源断层就需要有以下七个物理量，即；(1)断层面长度(L)；(2)断层宽度(W)；(3)断层走向p；(4)断层倾向和倾角；(5)断层错动方向；(6)断层错距(D)；(7)断层破裂的扩展速度。这些量统称震源参数。从震源参数、震中距离和场地条件推算地面运动，作为工程设计的依据，是目前国际上发展的方向，5.2.3地震震级和烈度地震能否使某一地区建筑物受到破坏，首先取决于地震本身的大小和该建筑区距震中的远近，距震中愈远则受到的震动愈弱。所以需要有衡量地震本身大小和震动强烈程度的两个尺度，这就是震级(Magnitude，Ms)和烈度(intensity，代号I)，它们之间有一定联系，但却是两个不同的尺度，不能混淆起来。5.2.3.1地震震级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。释放能量大小可根据地震波记录图的最高振幅来确定。但是由于波动远离震中要衰减，不同地震仪器的性能不同，记录的波动振幅也不同，所以必须以标准地震仪和标准震中距的记录为准。因此，按李希特一古登堡的最初定义，震级是距震中100km的标推地震仪(周期0.8s，阻尼比0.8，放大倍率2800倍)所记录的以微米表示的最大振幅震对数值。地震裂度：表示地震发生时对一个具体地点的实际震动的强弱程度。基本烈度：指在今后一定时期内，在一定地点的一般场地可能遭受的最大烈度。我国规定：近震（震中距1000km，用体波ML震级实际地动位移，其值地震记录图上量出表示最大振幅除以地震仪的放大倍数。起算函数远震（震中距1000km）用面波震级MS为以最大地动位移值，T为被测面波周期，c台站校正值面波起算函数RAMllgAmRcTAMs)/lg(Am)(目前震级以面波震级为标准震级与震源释放能量的关系M2微震2—4级有感地震5级破坏性地震7级强烈地震08.113.1lMMsME5.18.11lg烈度人的感觉一般房屋其它现象考物理指标大多数房屋震害程度平均震害指数加速度/（CM/S2）（水平向）速度/（CM/S2）（水平向）I无感II室内个别静止中的人感觉III室内少数静止中的人感觉门、窗轻微作悬挂物微动IV室内多数人感觉，少数人梦中惊醒门窗作响悬挂物明显摆动，器皿作响V室内普遍感觉，室外多数人感觉，多数人梦中惊醒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现微细裂缝不稳定器翻倒31（22~44）3（2~4）VI惊慌失措，仓惶逃出损坏——个别砖瓦掉落、墙体微细裂缝0~0.10河岸和松软土上出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水，地面上有的砖烟囱轻度裂缝、掉头63（45~89）6（5~9）VII大数多人仓惶逃出轻度破坏——局部破坏、开裂，但不防碍使用0.11~0.30饱和砂层常见喷砂冒水，松软土上地裂缝较多，大多数砖烟囱中等破坏125(90~177)13(10~18)VIII摇晃颠簸，行走困难中等破坏——结构受损，需要修理0.31~0.50干硬土上变有裂缝，大多数砖囱严重破坏250(178~353)25(19~35)IX坐立不稳，行动的人可能摔跤严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌，修复困难0.51~0.70地方出现裂缝、基岩上可能出现裂缝、滑坡、坍方常见，砖烟囱出现倒塌500(354~707)25(19~35)X骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔出几尺远，有抛起感倒塌——大部倒塌，不堪修复0.71~0.90山崩和地震断裂出现，基岩上的拱桥破坏，大多数烟囱从根部破坏1000(708~1414)100(72~141)XI毁灭0.91~1.00地震断裂延续很长，山崩常见，基岩上的拱桥XII地面剧烈变化，山河改观表5—2中国地震烈度表(1980)5.3我国地震地质的基本特征从震源机制的讨论中已知，地震特别是浅源地震，其产生多与断层错动有关；从大区域震源机制的研究可以确定区域构造应力场的情况可得出，地震的分布和发生与大地构造密切相关。所以，用地质学的方法探索可能发生破坏性地震的危险构造或活动断层，配合震源机制的研究判定区域构造应力场和发震断层的错动机制，研究地层中存在的古地震现象，古地震活动周期和震级，为地震中长期预报和地震区划提供基础地质资料，就是地震地质工作的基本任务。一世界范围内的主要地履带及其形成的大地构造环境(1)环太平洋地震带这是世界上最大的地震带，在挟窄条带内震中密度也最大，全世界约80％的浅源地震、90％的中源地震和几乎全部滦源地震集中于此带，释放的能量约为全世界地震释放能量的80％。很早以前就已经知道，此带的震源深度有自岛孤外线的深海沟向大陆内部逐步加深的规律，并解释为大陆与大洋之间的一条倾向大陆的大断裂面(因5—12)。（2)地中海喜马拉雅地震带或欧亚地震带仅次于环太平洋地震带的第二大地震带，震中分布较前者为分散，所以带的宽度大且有分支。以浅源震为主，中源震在帕米尔、喜马达雅有所分布，深源震主要分布于印尼岛弧。环太平洋地震借以外的几乎所有浅源、中源和大的浅源地震均发生于此带，释放能量约占全球地震能量的15％。(3)大洋海岭地震带主要呈线状分布于各大洋的接近中部(图5—13)，这一地震带远离大陆是多为强震，所以以前未被人注意，60年代以前不把它作为一个地震带，海底扩张和板块构造的发展才使人们注意到这一地震带。这一带的所有地震均产生于岩石圈内，震源深度小于30km，震级除少数例外均不超过5级。由于地幔物质对流，运载着其上的刚性板快运移，因而造成了板块增生带、板块消减带和转换断层三个发震构造带。二我国地震地质的基本特征1我国强震空间分布及地震区带划分我国大于6级的强震的空间分布极不均匀，大致以105度为界。西部地震广泛分布，东部地震相对稀少，震级均未达到8级。在上述两地震区域内强震分布也是极不均匀的，东部域分布于华北及东南沿海一带，而西部分布面积大，但塔里木、准噶尔和鄂尔多斯盆地等则地震分布较为零星。地震发震深度西部40-70km，东部20km，东南沿海仅10km.2.我国板块边缘地震区地震地质特征（1)喜马拉雅山南麓地震区（2)台湾地震区（3)吉林东部深源地震区3.我国板内活动地震区地震构造背景中国大陆板块内部构造活动的基本形式为块体运动。活动块体的边界被活动断裂、活动盆地和活动褶皱所围。Ⅰ级活动地块区：青藏地块、西域、南华、滇缅、华北、和东北亚6个地块。5.4地震区划及地震危险性分析减轻地震灾害有两种途径。一种是地震预报，它是以地震发生前应变能积累过程中地球物理场的变化而出现的前兆和历史地震活动规律为依据，以短期内准确预报出地震发生的时间、地点、强度为主要目标，以便人员及时撤离或其他防范措施。另一种地震工程途径，它是以地震地质和地震活动规律研究所做出的地震发生时间、地点、强度、频度的长期预报为依据，经济、安全而又合理地规定新建工程的抗震设防技术措施，使所兴建的工程能抗御未来发生的地震，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，从而大大减轻人民生命财产在地震中的损失。按其工程阶段可以分为地震危险性分析与地震区划、抗震规范、抗震设计、抗震鉴定和加固和抗震救灾五个部分。表5-27。一地震区划、地震危险性分析的原则和方法地震区划是针对量大面广的一般工程需要给出的抗震设防标准,重大工程的抗震设计,需要考虑场地的工程地质条件及其局部影响因素.地震小区划是根据具体场地条件给出小范围内今后可能发生的地震影响分布第一代地震区划图:1957年编制了中国地震烈度区域划分图，以烈度作为地震危险性标志。当时评定各地基本烈度的两条主要原则是：（1）曾经发生过地震的地区，同样强度的地震可以重演，或简称历史地震重演；（2）地质构造（或地质特征）相同的地区，地震活动也可能相同，或简称构造外推，同一构造地震带可以发生相同强度的地震。1977年国家地震局又编制和发表了第二代地震区划图。该图绘制了我国各地未来100年内可能遭受的最大烈度，称为地震基本烈度（在今后一个时期内（一般取100年）在一定地点的一般场地条件下可能遇到的最大烈度）。编图原则是在总结地震地质背景、地震活动规律的基础上充分考虑地震活动的时间非平稳性（即平静期和活跃期之分）和空间非均匀性（强震发生于一定构造部位），明确确定某地未来百年内发生地震的危险性。编图方法是先判定各地震区，编制出以最大可能震级为标志的地震活动区划图，再根据我国历史地震震级和震中烈度的经验关系，将各级地震危险区换算成相应的震中烈度，地震影响烈度及其分布范围，则可根据所在地震区、带的烈度衰减统计规律圈定。第三代区划图:采用地震危险性概率分析法编制,图上所示的地震烈度值系指50年期限内，一般场地条件可能遭遇的地震事件中超过概率10%所对应的烈度区,是目前国际上普遍采用的一般建筑物抗震设防标准.该区划吸收三个方面的成果,(1)采用地震危险性分析概率法,(2)反映了中国各个地区的地震活动时、空不均匀性。（3）吸收了地震预测方面的科研成果。第四代区划图：第三代区