地震的度量

第3讲第4章地震的度量4.1地震震级（EarthquakeMagnitude）震级：表示地震本身大小的一种度量，是地震释放能量多少的尺度。1、震级的定义（1）里氏震级（RichterMagnitude，LocalMagnitude，ML）里氏震级于1935年由Richter提出来，是想根据人的感觉、结构物与自然界的反应之外，用地震仪器来区分美国南加州地震的大小。里氏震级的确定方法如图4.1所示。100kmR震中距logAAtR=100km震源Mu(t)u(t)图4.1里氏震级的确定里氏震级：用标准地震仪（自振周期为0.8s，阻尼比为0.8，放大系数为2800的地震仪）在距震中100Km处记录的以微米（µm＝10-3mm）为单位的最大水平地面位移A的常用对数。AMLlog=ML－里氏地震震级；A=max|u(t)|－震中距100Km处地震时程曲线的最大值（单位：µm）。由以上公式可见，里氏震级的定义隐含规定：当震中距为100Km处地震时程曲线的最大值A＝1时，ML＝0。当震中距不是100Km时，里氏震级定义为（换算公式）)(loglog0RAAML−=式中A为记录到的两水平分量最大振幅的平均值（µm）：)max(max21yxuuA+=logA0(R)－随震中距R变化的起算函数，由当地经验给定，当R＝100Km时，A0(R)=1。用于确定里氏震级的地震波周期的范围为0.1－2s。里氏震级的适用范围：震中距R＜600Km，适用于2－6级地震标度，地震为近震。里氏震级是目前应用最广泛的震级单位，不但在科学研究和工程中得到使用，而且在发布地震预报和公告已发生地震的大小时往往都采用里氏震级。（2）面波震级MS（Surface-waveMagnitude）面波震级的定义为0loglogAAMS−=A－面波最大地面位移（µm），取两水平分量最大振幅的矢量和，1第3讲)max(22yxuuA+=logA0－起算函数。用于确定面波震级的地震波周期的范围为：3－20秒，震中距R＞2000Km，地震记录主要为面波。面波震级适用范围：4－8级地震的标度，即可以用于度量大地震。（3）体波震级mb（Body-waveMagnitude）对于深源地震，地震记录中的面波成分很小，需要用P波振幅来度量。体波震级mb适用的地震波周期在1秒左右，可用于度量较大的地震。（4）持时震级MD（DurationMagnitude）持时震级可用于度量震级M≤3的小地震，为地震学专用震级单位。（5）矩震级MW（MomentMagnitude）矩震级直接与地震释放的能量建立定量联系，即MW与地震矩M0有关，7.105.1log0−=MMW其中M0表示地震能量的大小，其单位为：达因－厘米。矩震级在理论地震学研究中得到了较多的应用，可用于确定大地震的震级。不同的震级定义是为度量大小不同的地震，不同震级定义有各自的适用范围。表4.1给出了几种震级的适用范围。表4.1不同震级定义的适用范围震级M采用的震级≤3MD或ML3－7ML或mb5－7.5MS＞7.5MW2、我国使用的计算震级的公式在给出的震级定义中，里氏震级和面波震级使用的最广泛，其中里氏震级适用于度量震中距较近（近震）的地震，而面波震级可以用于度量震中距很远（远震）的大地震。我国使用的计算地震震级的公式与上面介绍的里氏震级和面波震级的计算公式略有不同，这主要考虑了我国使用的仪器和地震动的特点。根据我国现有仪器，计算近震(震中距∆＜1000km)震级的公式为)(log∆+=RAMmLML－近震体波震级；Am－水平向最大振幅（µm）；R(∆)－随震中矩∆变化的起算函数。2第3讲远震(震中距∆＞1000km)测定震级公式为)()log(∆+=σTAMmSMS－远震面波震级；Am－水平向最大振幅值（µm）；T－与Am相应的周期；σ(∆)－面波震级的量规函数；∆－震中距。震级的测定不十分准确，同一次地震在不同地点测得的结果有时可相差0.5级，最大可相差1级，这时因为一个特定地点地震地面运动不但受震级大小和距震中远近的影响，而且受传播途径和局部场地条件的影响。虽然可以通过台站站址的选择有效地消除局部场地的影响，但传播路径的影响很难消除。一般说来，小于2.5级的地震人感觉不到，叫无感地震，也叫微震；震级大于2.5的地震，人可以感觉得到，叫有感地震，而大于5级的地震，可以造成破坏，称为破坏性地震。目前最大的地震震级是8.7级，这一地震于1960年5月22日在智利发生。是否有更大的地震或说最大的地震有多大，还是不清楚的。关于地震的震级饱和问题是地震研究中的一个课题。?M震级破坏地震有感地震无感地震2.58.75图4.2根据震级大小定义地震用前面讲到的体波和面波的衰减规律可以解释为什么体波震级只能测中小地震，而面波震级可以测定大地震（测小地震反而不准或不行）。由于岩石的强度是有限的，在单位断层面积上释放的能量相差不大，大地震与小地震相比，往往是断层的面积或断层的长度增加了，大地震断层长度可达几百公里，如果用体波测定震级，当测点离断层太远时，由于体波衰减很快，仅有离测点较近部分断层释放的振动能量对记录幅值的大小有影响，而较远处断层产生的波动由于衰减太快而无太大作用，面波则没有这样大的不利影响，可以反映大震中较远断层所释放能量的影响。但用面波测小震时存在两种不利因素：其一是当震中距过近时，面波成份不显著；其二是当震中距远时，小震产生的面波的振幅过小，噪音大，这两种因素导致不适合用面波震级度量小地震。观测点断层贡献大的区域面波（面波震级饱和）体波（体波震级饱和）图4.3面波和体波对观测点振幅的影响3第3讲3、各种震级之间的关系根据我国的资料，里氏震级与面波震级之间的经验关系1.131.08SLMM=−不同国家由于使用地震记录仪器的不同或不同地区地质条件的影响，不同震级之间的转换关系有所不同。有了里氏震级与面波震级之间的转换关系就可以容易理解为什么对于发生的大地震仍然可以用里氏震级发布。4、震级与震源释放能量的关系震级M与震源释放的能量E（以尔格计）之间的关系为log1.511.8EM=+如记Mn和Mn＋1分别为n级和n+1级地震，En和En＋1分别为n级和n+1级地震对应的能量，则根据能量与震级的关系可推得：1.511032nnEE+=≈可见当震级增大一级，能量E相差32倍。同理，如记Mn和Mn＋1分别为n级和n+1级地震，An和An＋1分别为n级和n+1级地震引起的观测点处的位移振幅。则利用震级和观测点位移振幅的关系式，即地震震级的确定公式，可推得：110nnAA+=可见当震级增大一级时，振幅A增加10倍。5、震级－频度关系（Magnitude-frequency）震级和频度关系的经验公式一般可用下式表示bMaN−=logN－单位时间，单位面积内发生震级等于M及大于M级地震的次数；a、b－与地区有关的常数；a：表征一个地区发生地震多少的系数，变化大，日本6.86，美国西岸5.94，美国东岸5.79。b：表示一个地区地震分布关系的系数，一般为0.5－1.5。a1blogN=a-bMlogNMMmax图4.4震级－频度关系4第3讲KailaNarain也曾给出了关于常数a和b的一个经验公式：41.135.6−=ba分析这个经验公式可以发现震级和频度的关系是：大震少、小震多。全世界地震：几百万次/年；记录到几千次，震害：十几次。表4.2为平均十年中全世界发生不同震级地震的频度。表4.2全世界发生不同震级地震的频度MN/10年6.0－6.421006.5－6.95607.0－7.41497.5－7.9318.0－8.4118.5－8.936、震级与断层关系震级与断层之间的关系有多种，包括，（1）震级－破裂长度关系震级与断层破裂长度的关系与断层的类型有关系，例如，对于正断层：0.8091.341logSML=+逆断层：LMSlog142.1021.2+=走滑断层：LMSlog169.1404.1+=对于不同的地区，震级与断层破裂长度的关系也是不同的。表4.3给出了几个具体的地震的震级与断层破裂长度的关系。表4.3几个地震的震级与断层破裂长度的关系项目S.F.1906ElCentro1940Alaska1964智利地震1960震级M8.27.18.42次8级，几次7级破裂长度L(Km)40064724966（2）震级－断裂面积关系例如，4.15logSMA=+A为断层的断裂面积，单位为Km2。（3）震级－断层位移（震害观测到的地表位移）关系例如，正断层：5第3讲DMSlog75.0668.6+=逆断层：DMSlog306.1793.6+=走滑断层：DMSlog804.0974.6+=D为断层位移，单位为米。对于不同的地震区，震级与破裂长度、断裂面积及断层位移之间的关系是不同的。4.2震害（EarthquakeDamage）震害是指地震引起的破坏。了解震害的意义主要包括以下两点：(1)、震害调查是认识地震的一个重要手段。例如从地表的破坏，可以直接观测、分析地震断层的类型和特点；从一个区域建筑结构的破坏规律可以分析地震波场的特点等。(2)、从震害中学习，改进结构抗震设计，提高抗震能力，这一点可体现在如下三点：①规范修订大都在大地震后（唐山地震、墨西哥、美国）。如1976年唐山大地震后，1978年编制完成了《工业与民用建筑抗震设计规范》，1989年完成了《建筑抗震设计规范》。②检验和判断结构体系的优劣。③检验和判断抗震措施的优劣。比较大的地震（M5.5级）才产生破坏。震害一般划分为直接震害和间接震害。直接震害：地震直接引起的生命财产损伤，包括结构倒塌，环境破坏。间接震害：指次生震害，并非地震直接引起的灾害损失，例如，火灾、水灾、流行疾病、爆炸等等。概括起来震害有三个方面：地表破坏、结构物破坏和次生灾害。1、地表破坏(1)、地裂缝构造性地裂缝：地下断层错动延伸至地表的结果。重力性地裂缝：在河道处，土质松软处由地震产生的交错裂缝。(2)、地面震陷地震可能造成地基的永久性沉陷。唐山地震时，天津市郊一村庄沉陷2.6m，又遭池水流入，水深可行船。世界历史上，一些曾经发达的城市或地区，由于遭受大地震而消失于海底、湖下的事情也有发生。(3)、喷砂冒水喷砂冒水是砂土液化的表现，地震时出现喷砂冒水的现象非常多见。地震出现的喷砂冒水有时淹没农田，阻塞水渠、公路，淹没矿井，使水库、土坝开裂滑动等。(4)、滑坡塌方山坡滑移（泥石流），堵塞河道，掩埋村庄，破坏道路。例如1959年8月17日美国蒙大拿州赫布根湖7.1级地震，使3300万立方米土石方的山崩堵塞了麦迪逊峡谷，形成一个长1200m，南岸高600m，左岸约1200m的天然坝，堵河成湖。6第3讲2、结构物破坏（工程结构震害）(1)、结构振动破坏结构丧失整体稳定性，例如连接破坏引起的屋盖整体落下，结构的整体倾斜倒塌破坏；结构强度不足造成破坏，例如墙体交叉裂纹、支撑柱压坏、梁剪切破坏。(2)、地基失效引起的破坏地基不均匀沉降和地基液化引起的地基失效破坏。可使结构不坏，但倾斜甚至倒塌，例如1964年6月16日本新澙7.4级地震中，4层公寓倒平，但结构本身破坏轻微。在结构灾害分析中应区分振动破坏与地基失效破坏。其意义有两点：①原因不同地基破坏－静力破坏；振动破坏－动力破坏（惯性力引起的）。②在结构地震设计中分清原因，对症下药。3、次生灾害火灾：地震引起的大火。1906年8.3级S.F地震；1995年日本阪神；1923年8.3级关东大震震倒12.8万幢房屋，烧毁44.7万幢房屋。水灾：地震引起的水坝的坍塌。海啸：海底大震激起海浪，例如2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊大地震引发的印度洋海啸。大浪：地震引起的大湖水库的波浪。有毒物质泄漏；瘟疫等等。地震谣传也会造成灾害，产生无震也成灾的现象。4.3地震烈度（Intensity）1、烈度的定义地震烈度：地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受地震影响的平均强弱程度。烈度反映了一次地震中一定区域内地震动多种因素综合强度的总平均值，是地震破坏作用的总评价。由于震中距、传播路径和局部场地