北大地震概论复习笔记

1第一章 地震学的研究范围和历史第一节 什么是地震学？第二节 地震学的研究范围和主要的研究方面 第三节 地震学的基本名词和概念第四节 古代人类对地震的认识第五节 地震学发展简史全球每年发生500万次地震，人们可以感觉的仅占1%，造成严重破坏的7级以上的大地震约有18次，8级以上的特大地震12次。全世界有6亿多人生活在强震带上，上个世纪约有200万人死于地震，预计二十一世纪将有约1500万人死于地震我国是个多地震国家，20世纪以来，我国发生了800多次6级以上的地震，平均每年约8次；历史记载全球死亡超过20万人的地震有6次，其中在中国就有4次。6级以上的地震具有破坏性。我国79%地震烈度在VI以上。世界死亡人数最多的地震：1556年陕西关中8.0级地震，死亡83万人。中国经济损失最多的地震：1990年江苏常熟-太仓5.1级地震，损失13亿元。迄今为止欧洲最大的地震：1755年11月1日里斯本大地震，7万人死亡。张衡于公元132年发明候风地动仪。智利大地震：1960年，9.5级。唐山大地震：1976年，7.8级。中国减灾法：1998年3月1日。印度海啸：2004年12月26日。国际减灾日：10月的第2个星期三。汶川大地震：2008年，8.0级。1966年3月，河北邢台发生6.8级大地震，损失巨大。中国地震局成立于1971年，时称国家地震局，1998年更名为中国地震局。XX发布 政府部门； 检查监督地震部门。震级相差一级，能量相差约30倍震级是衡量地震本身大小的一个量，当前，最基本的震级标度有4种：地方性震级ML、体波震级(Mb和MB)、面波震级MS和矩震级MW。前3种震级是通过测量地震波中的某个频率地震波的幅度来衡量地震的相对大小的一个量。矩震级MW是由基本的物理参数所计算的震级。1.1什么是地震学？概念：地震学是关于地震的科学，它是以地震资料为基础，用数学、物理和地质知识研究地震机理及地震波传播的规律，以防御地震灾害、研究地壳和地球内部的构造以及促使研究结果在经济建设和国防建设中得以应用。 内容：地震的科学以及地球内部物理学，后者主要研究地震波的传播，从而得出地球内部结构的结论；弹性波（地震波）的科学，主要研究地震、爆炸等激发的弹性波的产生、在地球内部的传播、记录以及记录的解释；应用：地震勘探、工程地震学、识别核爆。2学科划分：地震学是一门应用物理学。地球物理学就是用物理学的方法研究地球的问题。固体地球物理学则是通过观测地球表面上的物理效应来研究地球内部的物质的性质。和地质学密切相关，无论从观点上还是从研究方法上看都截然不同。1956年北大刚开设的地震学专业就设置在物理系里；“地震概论”是一门物理类课程，而不是地质类课程。 1.2 地震学的研究范围和主要的研究方面 研究范围的三个方面：宏观地震学：主要是指地震灾害的调查和研究、地区基本烈度的划分，以达到为建筑物的抗震设计提供合理的资料和指标，并为地震预报提供宏观数据。地震波：根据地震台网观测得到的地震资料，研究地震波的发生及传播特征，并利用来研究地壳和地球内部的结构、组成和状态。测震学：内容包括地震仪器的研制、地震观测台网的布局以及记录图的分析、处理和解释工作。能不能有效预测地震？和又称为微观地震学。地震学的主要研究具体的八个方面：基本烈度的制定及地震区划烈度值。地震波传播理论的研究地壳和地球内部物理的研究震源物理的研究地震资料的分析和处理方法的研究地震观测系统的布局及新型地震仪器的研制地震预报工作的综合研究模型试验的研究1.3地震学的基本名词和概念 基本概念：地震：地球内部介质（岩石）突然发生破坏，产生地震波，并在相当范围内引起地面震动的现象。震源（震源区）：地球内部发生地震的地方。理论上可看做一个点，实际上是一个区。3震源深度：将震源看做一个点，此点到地面的垂直距离称为震源深度，h。震中（震中区）：震源在地球表面的垂直投影。同时，地球表面破坏最严重的地区叫做极震区，理论上极震区和震中区是相同的，但由于地质条件的不同，也可能不在同一个地方。对震中（震中对蹠点）：与震中相对的地球直径的另一端。震中距：从震中到任意一点沿大圆弧测量的距离，。发震时刻：发生地震的时刻， O或 T0。 地震波：发生于震源并在地球表面和内部传播的弹性波.波传播时的路径叫地震射线.烈度：按一定的宏观标准，表示地震对地面影响和破坏程度的一种量度， I。按烈度值的大小排列成表，称为烈度表。将地面上等烈度的点联成线，称为等震线。震级；按一定的微观标准，表示地震能量大小的一种量度， M。它与地震波释放的能量E的关系为： LogE = 11.8 + 1.5*M震级和烈度都是衡量地震强度的一种量度，两者之间的关系：M = 1 + 2/3*I地震序列：地震在有限的空间和时间范围内有成丛发生的倾向，这种成丛发生的地震称地震序列。按时间顺序和震级分布，地震序列分为：主震型和震群型。主震型：通常包括主震和大量的余震。有些地震序列还包括一系列前震。若地震序列中，特别大的地震只有一次，则称之为主震；发生在主震之前的中、小地震叫前震；发生在主震之后的大量较小地震叫余震。震群型：在一个地震序列中包含着若干个震级相差不多的地震，而无一特大震级的地震时，称之为震群。在中国几个主要地震区都有震群发生，但其规模较小。地震的分类：按照震动的性质，可分为：天然地震、人工地震和脉动。天然地震有如下分类：按成因划分：a.构造地震：因地下岩层错动而断裂所造成的地震，90%以上。b.火山地震：因火山作用（喷发、气体爆炸等）而引起的地震，7%。c.陷落地震：因地层陷落（如喀斯特地形、矿坑下榻等）引起的地震，3%。按震源深度划分：a.浅源地震：震源深度300km，已记录最深的为700km。 -深震按震中距划分：a.地方震：震中距1000km。按震级划分：a.弱震：M3b.有感地震：3M4.5c.中强震：4.5M6d.强震： M6。其中M8的地震又称为巨大地震。41.4古代人类对地震的认识 地震学前史在科学不发达的过去，人们对地震发生的原因，常常借助于神灵的力量来解释：中国：鳌鱼翻身 日本：地震鲶 台湾：水牛（地牛） 蒙古：青蛙古希腊：海神普舍顿 古印度：大海龟背上的大象印尼的西里伯斯：公猪 美洲的印第安人：乌龟新西兰：女神地母，气动说伊壁斯鸠：由于风被封闭在地壳内，结果使地壳分成小块不停地运动，即风使大地震动引起地震。卢克莱修：风和空气进入大地的空虚处，在空洞中骚动并掀起旋风，大地出现龟裂。亚里士多德：“气”是地震的成因。里斯本大地震：1755年11月1日，迄今为止欧洲最大的地震，7万人死亡。里斯本大地震后，上帝管理地震的能力受到普遍怀疑，欧洲的地震研究开始从神学的统治下解放出来。我国丰富的史料公元前1831年，竹书纪元所记载的“泰山震”，可能是世界上最早的地震文字记载之一。有关地震的记录相当详细，地震史录甚至可以达到6级以上的地震基本不漏。张衡及其候风地动仪张衡（公元78-139）是东汉一位伟大的天文学家和地震学家。 阳嘉元年（公元132年）张衡创制候风地动仪，这是世界上第一架地震仪。候风地动仪的出现标志着一种思想的成熟：地震是由远处一定方向传来的地面震动。这表明张衡早于西方学者一千多年就知道地震影响是从震源向各个方向传播的。古代中国的地震工程历强震而不倒的古建筑：山西洪洞县广胜寺飞虹塔、山西应县木塔、河北赵县的赵州桥、天津蓟县独乐寺的观音阁等等。古代中国的地震成因理论周朝伯阳父的“阴阳说”：“阴”“阳”两种力量对峙。“天诫论”古希腊的“气动说”：相对于“阴阳说”更加讲求实证，更接近现代意义上的科研。1.5地震学发展简史 19和20世纪之交是地震学的创业年代，其作为一门独立的学科登上现代科学的舞台，地震仪出现并且广泛使用。地震学是一门相对年轻的科学，其定量研究只有100年左右的时间。 待完善5第二章 地 震 波第一节 波的性质简述第二节 地震波 第三节 地震波的类型 第四节 地震波的波序 第一节 波的性质简述简介：波动是振动的传播过程。电磁波：变化的电场和变化的磁场在空间的传播过程。机械波：机械振动在介质中的传播过程。机械波产生的条件波源-产生机械振动的振源弹性介质-传播机械振动的介质注：波动是波源的振动状态或振动能量在介质中的传播，介质的质点并不随波前进。横波和纵波横波：质点的振动方向和波的传播方向垂直。纵波：质点的振动方向和波的传播方向平行。注：在固体中可以传播横波或纵波，在液体、气体(因无剪切效应)中只能传播纵波。纵波和横波的传播过程：当波源作简谐振动时，介质中各个质点也作简谐振动，这时的波动称为简谐波(正弦波或余弦波)。波阵面和波射线波阵面：在波动过程中，把振动相位相同的点连成的面(简称波面)。波前：在任何时刻，波面有无数多个，最前方的波面即是波前。波前只有一个。波线：沿波的传播方向作的一些带箭头的线。波线的指向表示波的传播方向。6平面波：波面为平面球面波：波面为球面柱面波：波面为柱面注：在各向同性介质中传播时，波线和波阵面垂直。在远离波源的球面波波面上的任何一个小部份，都可视为平面波。实际中并不存在平面波，只是在一些远场问题分析时可以将3维电磁波等效于2维平面波分析。波长和频率波长：在同一条波线上，相差为2 的质点间的距离。周期：传播一个波长距离所用的时间。频率：周期的倒数。波速、周期和波长之间存在如下关系：注：频率和周期只决定于波源，和介质种类无关。但介质会影响波速。当波长远大于介质分子间的距离时，宏观上介质可视为是连续的；若波长小到分子间距尺度时，介质不再具备连续性，此时不能传播弹性波。弹性波在介质中传播时存在一个频率上限。我们见到的波动很少是单频率的，它们通常是不同频率波动的混合。在更多的情况下，尽管一种特定的波并不是单一频率的，在这种波的波谱中却有一个或几个起主要作用的优势频率。第二节 地震波弹性介质及弹性常量介质的弹性性质：fTv7介质的脆性性质：介质的塑性性质：弹性常量应力、应变及广义胡克定律：8杨氏模量（E）：在线应变(纯伸长或纯压缩)情况下，应力与应变满足：式中L是纵向应力引起的长度变化,E为杨氏模量。泊松比(v)：当样品受到纵向拉力,在纵向发生伸长的同时,在横向上也必然发生相应的缩短,反之,纵向压缩,必伴随横向的扩张。设样品的横截面线度为d,其变化量为d,则横向线度的相对变化率d/d与纵向长度的相对变化率L/L之比为常数,此常数即为泊松比,即式中v称为泊松比。实验表明,对于一切介质, 介于0到1/2之间,金属介于1/4到1/3之间。对于地球介质,常取1/4表示地幔的大部分,对于地球外核(液态)取为1/2。式中的负号表明d与L变化方向相反。体变模量（K）在地球介质中,最常见的是液体静压力,即各个方向都受到压力,且大小相等。体变模量则表示在这种情况下应力与应变的比值,即 式中K称为体变模量,V是静压力引起的体积变化量。切变模量（K）在单纯发生剪切应力(力的方向与受力面平行)时,应力与应变的比值称为切变模量。切应变时不发生体积变化,仅发生形状变化。可以表示成式中是在切变情况下的偏转角度, 为切变模量,或叫刚性系数。上述的E、v、K、四个弹性常数是由物质本身性质决定的。在这四个弹性常数中,只有两个是独立的,满足：？波动方程介质的弹性性质：LdSFSF9地震横波和纵波在 无界 弹性介质中，存在两种基本类型的弹性波：（1）纵波：质点的振动方向与振动（能量）传播方向一致传播速度为（2）横波：质点的振动方向与振动（能量）传播方向一致传播速度为EVPSSpV 310纵波速度比横波速度大（一般为： ）因此，在地震记录上纵波总是首先到达。所以，纵波也被称为P波（Primary wave），横波也被称为S波（Secondary wave）。 如果切变模量0,则横波速度Vs=0。这说明在切变模量为0的介质(液体)中,横波不能通过。地球的外核由于没有横波通过,应当属于液态性质。 很多固体,特别是地表附近的岩石,它的泊松比接近于1/4。这时=,于是有 ,这种关系式称为泊松关系式,满足此关系式的介质称为泊松介质。 第三节 地震波的类型在无限、各向同性的均匀弹性介质中,仅有两种类型的弹性波传播,即纵波和横波。但是在半无限、各向同性的均匀弹性介质或成层介质中,有可能出现一种弹性波,这种波的特点是：扰动的幅度随着离开界面距离的增加而迅速衰减,或者说,扰动只局限于界面附近。通常称这种波为面波。（面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波。面波的传播较为复杂，既可以引起地表上下的起伏，也可以是地表做横向的剪切，其中剪切运动对建筑物的破坏最为强烈。）由于地球具有边界和内部分层构造,地震波不仅有纵波和横波,还有面波和地球自由振荡。体波体波是指可以在地球内部三维空间中向任何方向传播的波，包括P波和S波。弹性波的传播,实际是介质中弹性形变的传播,任何复杂的弹性应变都可分解为两种基本应变体变和切变来表示,与体变相应的为纵波,与切变相应的为横波。S波可以分解成两个分量,S波平行于界面的位移分量为SH波,S波在入射线和界面法线构成的平面上(称为入射面)的位移分量为