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第二讲地震基础知识及工程抗震概论福州大学土木工程学院卓卫东博士教授，博士生导师2020/2/122第一部分——地震基础知识地震术语地震分类构造地震的成因地震震级与烈度地震波与地震动地震分布第二部分——工程抗震概论地震安全性评价地震区划抗震设防原则抗震设计极限状态概念结构抗震设计基本参数抗震设计原则内容提要地震基础知识及工程抗震概论2020/2/123震源：地球内部发生地震的地方称为震源。震源是地震能量的释放中心，理论上可以将震源看作一个点，而实际上是一个区。震源深度：将震源看作一个点，该点到地面的垂直距离称为震源深度。震源距：从震源到观测点的距离称为震源距。震中：震源在地面的投影称为震中。震中附近的区域称为震中区，理论上震中区为地面上遭受破坏最严重的地区（极震区），但实际上由于地表局部地质条件的影响，震中区不一定与极震区相同。震中距：在地面上，从震中到观测点沿大圆弧测量的距离称为震中距。震级：表示地震能量大小的等级标度。地震基础知识——地震术语地震基础知识及工程抗震概论2020/2/124地震波：地震引起的振动以弹性波的形式从震源向各个方向传播并释放能量。这种传播地震能量的弹性波称为地震波。主震：在某地区的某段时间内，与其前后相比，地震显著频繁发生，其中规模最大、释放地震能量最多者称为主震。前震：发生在主震以前的地震。余震：发生在生震以后的地震。地震基础知识——地震术语地震基础知识及工程抗震概论2020/2/125地震基础知识及工程抗震概论地震可分为天然地震和人为地震两大类。人为地震，主要指人工爆破、矿山开采、深井抽液或注液和工程活动（如兴建水库）所诱发的地震。人为地震一般都不太强烈，仅有个别情况（如水库地震）会造成较大破坏。天然地震可以有以下几种不同的分类方法：–按成因分类–按震源深度分类–按震级分类–按震中距分类地震基础知识——地震分类2020/2/126地震基础知识及工程抗震概论按成因分类：主要有火山地震、陷落地震和构造地震。–由于火山活动而引起的地震叫火山地震。–由于地下岩洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震。–构造地震则是地球内部岩层构造活动在某些阶段发生急剧变化时引起的。天然地震中，构造地震发生的次数最多（约为全球地震总数的90%），涉及的范围最广，释放的能量最大，造成的危害也最大，是地震工程研究的主要对象。地震基础知识——地震分类2020/2/127地震基础知识及工程抗震概论按震源深度分类：可分为浅源地震、中源地震和深源地震三类。–浅源地震是指震源深度小于60km的地震。浅源地震造成的危害最大。我国发生的地震，绝大多数是浅源地震，震源深度在10~20km。–中源地震是指震源深度在60~300km之间的地震。中源地震主要分布在台湾省东部沿海、西藏雅鲁藏布江以南地区和新疆帕米尔附近，其震源深度在100~200km之间。–深源地震则是指震源深度大于300km的地震。深源地震集中分布在黑龙江、吉林两省交界处的牡丹江-延吉一线以东地区，震源深度在40~600km之间。目前世界上观测到的地震中，最大震源深度约为720km。当震源深度超过100km时，通常不会在地面上造成震害。地震基础知识——地震分类2020/2/128地震基础知识及工程抗震概论按震级分类：可分为微震、有感地震、中强地震和强震四类。–微震是指震级小于2级的地震。微震人们感觉不到，只有仪器才能记录到。–有感地震是指震级在2~5级之间的地震。有感地震一般人可以感觉到。–中强地震是指震级大于5级、小于7级的地震。中强地震能造成不同程度的破坏。–强震是指震级大于7级的地震。强震往往具有巨大的破坏性。按震中距分类：可分为地方震、近震和远震三类。–地方震是指离观测点的震中距小于100km的地震。–近震是指离观测点的震中距小于1000km的地震。–远震是指离观测点的震中距大于1000km的地震。地震基础知识——地震分类2020/2/129地震基础知识及工程抗震概论为了解释构造地震的成因，我们首先需要了解地球的构造。地球构造:地球是一个外形略呈梨形的椭球体，平均半径约6400km。地球的内部构造，与鸡蛋十分相似，由地表至核心可分为性质不同的三层，最外一层是相当薄的地壳，只占地球体积的0.5%；其下为地幔，厚约2900km，约占地球总体积的83.3%；地壳与地幔的分界面称为莫霍面，它是一个地震波传播速度急剧变化的不连续面；最里面的部分叫做地核，半径约3500km。地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1210地震基础知识及工程抗震概论地壳:地壳表层由很不均匀的岩石组成，它的厚度也不是均匀的，高山或高原处厚度可达60~80km，如我国青藏高原；而在深海底只有5~8km，如大西洋海底；海陆地壳的平均厚度约为33km。世界上绝大多数的地震都发生在地壳这一层内。地幔:一般认为，地幔由质地非常坚硬、比重较大的黑色橄榄岩组成。从莫霍面以下约40km~70km内的地幔上部是刚性的岩石层，它与地壳共同组成所谓的岩石圈。地震基础知识——构造地震的成因由于岩石圈的刚性和脆性，当岩层所受的拉力或压力大于岩石强度时，岩层发生断裂，造成节理或断层。节理（joint）是断裂面两侧并没有相对位置移动或仅有轻微位移的断裂面，几乎广泛地出现于所有岩层中。若断裂面两侧的岩块沿断裂面错动，发生显著的位置移动，便称为断层（fault）。断层的规模变化很大，小的只有几米，大的可至数百公里。2020/2/1211地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1212地震基础知识及工程抗震概论软流圈:观测研究发现，在岩石圈以下存在着一个厚约几百公里的地震波低速层，称为软流圈。形成低速层的原因是该处岩石处于部分熔融状态，以致当地震波穿过此层时波速降低，其中剪切波的衰减特别明显。地核:地核是地球的核心，体积占整个地球的16.2%，但总质量却占到整个地球的31.5%。根据地震波传播的分析，地核分为外地核、过渡层和内核三个层次。外核可能处于液态，过渡层处于由液态向固态过渡的状态，而内核可能是固态。据推测，地核主要由铁、镍等物质组成，内核的压力高达360万个大气压力，温度高达4000~50000C。地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1213地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1214地震基础知识及工程抗震概论弹性回跳说——局部机制:弹性回跳说是里德在1910年提出的。这一假说，最初是根据1906年旧金山8.3级大地震前后横跨圣安德烈斯断层的一些测标位移实测数据而得出的结论。地震基础知识——构造地震的成因弹性回跳说认为：①地壳由弹性的、有断层的岩层组成；②地壳运动产生的能量以弹性应变能的形式在断层及其附近岩层中长期积累；③当弹性应变能积累及其岩层变形达到一定程度时，断层上某一点的两侧岩体会发生相对错动，并使沿断层的邻近点随之发生位移，以致断层两侧岩体向相反方向突然滑动，地震因之产生，此时，断层上长期积累的弹性应变能突然释放；④地震后，过去在应变能作用下发生变形的岩体又重新恢复没有变形的状态。2020/2/1215地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1216地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因正断层、逆断层及平移断层系根据断层两盘岩块相对移动性质分类的。2020/2/1217地震基础知识及工程抗震概论粘滑说——弹性回跳说的修正理论弹性回跳说无法解释地壳为何发生运动、弹性应变能怎样得以积聚等宏观原因，而板块构造学说恰巧在这一点上弥补了其不足。此外，弹性回跳说也无法解释伴随大地震发生的地震序列现象（在一定时间内某一区域连续发生的大小地震，按时间顺序排列起来，即称为一个地震序列）。为此，在20世纪60年代提出了粘滑说，对弹性回跳说进行了修正。粘滑说认为，每一次断层发生错动时只释放了积累的总应变能中的一小部分，而非全部，而剩余部分则为断层面上很高的动摩擦力所平衡。地震后，断层两侧仍有摩擦力使之固结，并可以再积累应力而发生较大的地震。粘滑说的这些观点，合理地解释了地震序列现象。地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1218地震基础知识及工程抗震概论板块构造学说——宏观机制被称为“地学革命”的板块构造学说，建立在大陆漂移和海底扩张说的基础上。早在1912年，德国气象学家魏格纳（Wegener）就提出了大陆漂移假说，但由于受科学观测资料不足的限制，在当时没有为多数人所接受。1962年，赫斯（Hess）依据深海钻探、海洋地质和海底地貌等方面的研究成果，提出了海底扩张假说。至1968年，通过多位学者先后发表的研究成果，板块构造学说大体上趋于完整。1969年正式形成了板块构造这一名称。地震基础知识——构造地震的成因2020/2/1219地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因大陆漂移说——科学探索精神1910年有人第一次提出了这种疑问：位于大西洋两岸的南美大陆和非洲大陆的海岸线，为何如此相似？这个人就是德国地球物理学家、气象学家阿尔弗莱德·魏格纳。2020/2/1220地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因大陆漂移说——论点1912年，魏格纳提出大陆漂移假说：大约在3亿年前，全球只有一块“超级大陆”——称为“泛大陆”，后来这块“超级大陆”分裂为若干块大陆，经过漫长岁月的移动，终于形成了今天的大陆位置关系。2020/2/1221地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因大陆漂移说——证据古生物证据：两亿年前的陆生动物化石﹙例如中龙﹚，能在南美洲和非洲发现；二至三亿年前的舌羊齿植物化石，可在南美洲、非洲、印度、澳洲、南极洲发现。2020/2/1222地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因大陆漂移说——证据古气候证据：从各大陆冰河遗迹地点、流动方向来看，由于泛大陆的南半部深入南极圈，因此覆盖着厚厚的冰河，而目前在南美洲、非洲、印度、澳洲这些不会有冰河的地方却都可发现冰河的遗迹；另外，从遗迹中冰河的流动方向来看，当各大陆拚回泛古陆时可发现冰河流动方向有一个源头。2020/2/1223地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因大陆漂移说——证据2020/2/1224地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因大陆漂移说——来自当时其他科学家的质疑①认为地壳滑动会产生极大的摩擦力，而要超过这么大的摩擦力而使地壳滑动，应该会导致地壳支离破碎﹙例如两大片岩石相互叠着，要将上面的一片做水平移动是何等的困难）？②这样坚实的大陆怎么会像水上的木筏一样漂来漂去呢？漂移的动力是什么？③为什么漂移发生在2亿5千万年前？遗憾的是，这些问题在当时都没有得到很好的解决。因此，大陆漂移理论在提出后不久，便被视为是一种荒唐的臆想，直到1930年魏格纳去世后，还是没有被接受！2020/2/1225地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因海底扩张说——论点之前的资料都来自于大陆地壳，而对于覆盖地表70%的海洋地壳却一无所知。但是从20世纪50年代伊始，在第二次世界大战中开发的新技术被广泛用于海洋观测，比如采用声纳装置观测海底地形，利用海洋磁场仪探测海底磁场异常情况等。1962年美国人赫斯根据海洋勘探资料，提出“海底扩张说”：①地壳下方有地幔，地幔的热能熔融上部地幔的物质形成“岩浆”，岩浆自大洋中脊流出形成新的海洋地壳，新的地壳向两侧推挤，海洋地壳因而向两侧扩张；②老的海洋地壳则在另一端没入地幔再度熔融成地幔的一部分。2020/2/1226地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因海底扩张说——论据主要证据之一：大洋中脊两侧地磁倒转对称2020/2/1227地震基础知识及工程抗震概论地震基础知识——构造地震的成因海底扩张说——论据主要证据之二：大洋中脊两侧地质年代对称2020/2/1228地震基础知识及工程抗震概论板块构造学说地震基础知识——构造地震的成因