地震学chap1讲解.ppt

1 第一章 引言 地震学是研究地震的发生、地震波的接收及 传播、地球介质的构造及特征的一门学科 它是地球物理学的一个重要分支具体说来 ，它主要是根据天然地震或人工地震的资料 ，运用物理学、数学及地质学的知识，来研 究地震发生的状况、地震波传播的规律，地 壳和地球内部的分层构造及介质特征；以求 一方面达到预测、预防乃至控制地震，另一 方面达到透视地球内部的目的 2 1.1 现代地震学的发展 • 用仪器观测地震，最早始于我国东汉时期 公元132 年我国东汉科学家张衡设计并制 造了候风地动仪，并于公元134 年12 月13 日在当时的首都洛阳检测到了一次发生在 陇西的地震 3 图1.1 公元132 年我国东汉科学家张衡设计制造的候风地动仪（P. Borman 摄） 4 • 现代地震观测实际始于19 世纪末， 1875 年意大利人Filippo Cecchi 制造了第一 台近代地震仪，可以记录两个分量（南—北 分量与东—西分量）的地面运动1892 年 米尔纳(J.Milne) 在日本架设了能记录三个分 量地面运动的三分向摆式地震仪1898 年 ，维歇尔特（E.Wiechert ）将粘滞阻尼引入 地震仪。

1905 年俄国伽利津（B, Galizin） 成功设计并制成了电流计记录式地震仪，将 机械能转换成电能，更大地提高了地震仪的 灵敏度 5 1925 年安德森（J.A.Anderson ）和 伍德（H.O.Wood） 制造了一种直接 光杠杆放大记录的地震仪，其拾震系 统的自由周期为0.8 秒，阻尼因数0.8 ， 放大倍数为2800 安德森--伍德地 震仪，1935 年被里克特(C.F.Richter) 制定震级标准所采用，里氏震级标度 迄今仍在沿用 6 图1.2 安德森--伍德地震仪(左)与现代宽频带数字地震仪（右）的拾震系统 7 • 现代地震学的主要内容如今可以归纳为如下 几个方面： • ① 地震波理论与地震波场模拟 地震波理论是关于地震波的激发及地震波在 地球介质中传播的理论，其理论基础是经典 弹性力学 8 • ② 震源物理与地震震源参数测定 震源物理是指研究地震孕育、发生的物理 过程及相关物理现象由地震震源激发并 经过地球介质传播至地震台的地震波，携 带着地震震源及地震波传播路径上地球介 质两方面的信息因此，利用地震波记录 开展的反演研究可分为两类：一类是地震 震源参数的反演，另一类是地球介质结构 的反演。

9 图1.4 1906 年美国旧金山大地震破坏农场（左）及 Reid 据此提出的地震成因的弹性回跳模型示意图 10 • ③ 地球内部结构反演与地震勘探 1938 年古登堡（B. Gutenberg ）和里克特 (C. Richert)， 1940 年杰弗里斯（H. Jeffreys ）和布伦(K. E. Bullen) 根据大量地 震震相的到时资料，构制地震波走时表， 并发表了与现今研究结果很接近的地球内 部地震波速度分布图像 11 图1.5 地球三维速度结构示意图(根据Li et al., 2008 中的结果MIT-P08 绘制) 12 • ④ 地震观测与地震预测 • 1889 年英国人米尔纳（J.Milne）和尤因 (J.A.Ewing)安置在德国波茨坦的现代地震 仪记录到了发生在日本的一次地震，获得 了人类历史上第一张地震图20 世纪60 年 代，在世界范围内建成了由120 个安装有标 准地震仪的世界标准地震台网（WWSSN） ，20 世纪80 年代，在世界范围内建成了安 装有宽频带数字地震仪的65 个地震台，组 成了全球数字地震台网（GDSN） 13 图1.6 北京大学架设在中国宝鸡市的三分量宽频带数字地震仪记录的 2005 年10 月8 日巴基斯坦Mw7.6 级地震，震中距为28 14 1.2 地震学在地球科学领域及现代社 会中的应用 • （1）地球内部结构反演研究的应用 我们对地球结构的认识来源于地震波记录 。

地震学按波的性质与波的传播路径，如 图1.7 对各种类型的地震波（或称震相）都 用简单的统一符号标记 15 图1.7 通过地球内部的典型地震波射线震相标记（左）及相应的地震图(右) 16 在地震图上可清楚看到不同时间到达的 子波列，我们称之为震相震相是地震图 上显示的震动特征不同（如P 波、S 波）或 传播路径不同的地震波组各种震相在到 时、波形、振幅、周期和质点运动方式等 方面都各有其自己的特征依据大量震相 走时资料制定的Jeffreys-Bullen 全球地震波 震相平均走时表 17 图1.8 ISC(国际地震中心)搜集到的近百万个震相到时数据叠加图红线与绿线是 用Jeffreys 地球结构模型计算的各震相走时曲线（引自P.Borman,2002） 18 • (2) 地震危险性评价 根据地球动力学的观点，地球的岩石层并不是整 体一块，而是被一些活动构造---海岭、岛弧、转 换断层，分割成若干板块，例如，欧亚板块、美 洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳大利亚板块 和南极洲板块(如图1.9) 地震研究表明，地震发生的地域分布与全球主要 构造带分布是密切相关的，图1.10 为全球5 级以 上地震震中分布图，可以清晰地看到地震基本是 沿约100 km 宽的板块边界带分布的。

全球的地震 带有：环太平洋地震带；欧亚地震带；海岭地震 带 19 图1.9 全球板块分布 20 图1.10 1973 年~2008 年全球5 级以上地震震中分布图(根据NEIC 的PDE 地震目录绘制) 21 我国主要的地震带有：天山地震带；南北地震带； 华北地震带；华南地震带；西藏查隅地震带；台湾 地震带 22 • (3) 工程地震学中的应用 地震可能造成的破坏使工程建设设计者们 必须考虑工程的地震设防问题，为此需要 知道未来的地震活动性工程师在设计一 项工程时，希望具体了解此工程场址在其 使用寿命内可能遭遇到的地震动强弱及其 特性，以便合理地进行设计 23 • （4）核爆炸的地震学侦查 核爆炸的地震学侦查的意义在于：在无法 接近核试验场、并且关于地下核爆炸信息 处于高度保密状态的情况下，地震监测是 侦查地下核试验最有效的、有时甚至是唯 一的技术手段 24 图1.12 美国内华达试验场的一次天然地震(上)和一次地下核爆炸 (下)区域地震记录的比较(引自Richards 和Zavales, 1990) 25 1.3 地球内部结构概述 • 由于Mohorovocic, Oldman，Gutenberg， Lehmann，Jefferys 和Bullen 等人的杰出 工作，关于地球内部的主要分层及大体速 度结构图像在上世纪30 年代已取得了基本 完整的研究结果。

地球内部存在地壳、地 幔、液态外核与固态内核四个一级分层（ 图1.13），概述如下： 26 图1.13 地球的内部速度结构示意（左）及地球1 维速度结构参考模型（PREM，右） 27 • (1) 地壳 地壳厚度的测量最先来源于1909 年南斯拉 夫地震学家莫霍洛维契奇(A. Mohorovocic) 的研究他在近地震观测中，发现了Pn 和 Sn 震相他假定在地下几十公里的深处， 存在着一个地震波速度的间断面，界面下 介质的速度突然增加这个间断面就是我 们现在称之为的莫霍面或M-面这个面以 上的介质称为地壳，以下的称为地幔 28 在大陆的稳定地区，地壳厚度约为35-45 公 里，一般分为两层上层的P 波速度由 5.8~6.4 km/s 随深度增加到下层的6.5-7.6 km/s 由地壳下部到地幔，波速增加一般 是很快的，P 波速度由7 km/s 在几公里的 深度内很快增加到8.0-8.2 km/s 29 • (2) 地幔结构 从地壳下部到地幔顶部，地震波速跳跃很 大，说明地幔顶部的物质和地壳不同由 于地幔内部又存在410 公里和660 公里（全 球平均）两个地球二级速度间断面，因此 地幔又可以进一步分为上地幔（410 公里以 上），过渡层（410-～660 公里之间）及下 地幔三个层区。

30 图1.14简单的穿过两层地球模型的路径（左）和 Oldham绘制的P波和S波走时曲线（右） 31 • Oldham 注意到走时曲线上存在两个重要间 断：第一个位于约130 震中距附近，第二 个间断出现在现今定为S波的“第二相”中， 它只能被跟踪到120 他说：“一直到120 度距离的波都没有穿过地核，在150 度距离 上波速明显减小，表明在这个距离出露的 波深深地穿过了地核因为120 度的弦能达 到的最大深度为地球半径的一半，因此推 断地核的半径应该不超过地球半径的0.4 倍 32 Gutenberg 利用幔核界面的反射波震相走 时资料得出了较Oldham 更精确的核界面深 度估计，1914 年他首次给出了地核深度为 2900 公里的估计，他的估计结果经受了时 间的考验，现代观测对地核深度的估计值 2891公里与这一数值仅有几公里的误差 33 • (3)地核结构 在核幔界面处，P 波速度从13.72 km/s 下 降为8.06 km/s；S 波速度从7.26 km/s 下降 为0速度的突然变化说明地核的物质组成 和状态与地幔不同 34 1.4 地震学的基本名词和概念 • 1 有关空间的概念 • 震源：地球内部发生地震而破裂的地方。

• 震源深度：将震源看作一个点，由此到地表的垂 直距离称震源深度 • 震中：震源在地表的投影称之为震中，宏观上是 地震对地表破坏最严重的地区，也称之极震区， 事实上，二者并不完全重合 • 震中距：在地面上，从震中到地震台的大园弧距 离，用Δ来表示，也可以用此距离对应的地心张 角来表示 35 震中 震中 台站 36 • 2 发震时刻 地震发生的时间 • 3 地震波及地震射线 发生于震源并在地球介质中传播的弹性波 称之为地震波，地震波的波阵面的法线方 向的联线称为地震射线，对观察者而言， 似乎地震波就沿该路径传播 37 38 • 4 有关强度的概念 地震烈度与烈度表：按一定的宏观标准， 表示地震对地表破坏程度的一种量度称之 为烈度，通常用I表示，按烈度值的大小排 列成表，称为烈度表，我们使用的是12烈 度表 39 40 41 42 • 震级：按一定的微观标准（仪器观测）， 衡量地震波能量大小的量度，常用M表示 对大量的地震，分别独立地估计E和实测M ，经统计得出： logE＝1.5M＋11.8 震级和烈度都是衡量地震强度的，根据统 计结果，震级与震中烈度I0之间有下列关系 ： 43 44 • 5 地震的分类 • （1）按成因分类：构造地震；火山地震； 陷落地震。

• （2）按震源深度分类：浅源地震（ h≤60Km）；中源地震（60300Km） • （3）按震中距分类：地方震（Δ<100Km ）；近震（Δ1000Km) • （4）按震级分类：弱震分类（M<3）；有 感地震（3≤M≤4.5）；中强震（4.5