第8章_4地震观测及震源参数测定-震级测量

1、第八章地震观测与震源参数测定第八章地震观测与震源参数测定l地震观测发展与地震仪原理地震观测发展与地震仪原理l地震台网与地震台选址和架设的一般原则地震台网与地震台选址和架设的一般原则l震相分析震相分析l地震基本参数的测定地震基本参数的测定地震定位地震定位l地震基本参数的测定地震基本参数的测定震级测量震级测量lP波初动测定震源机制波初动测定震源机制l地震活动性分析地震活动性分析l地震预测问题的讨论地震预测问题的讨论 震级是表示地震大小的等级。依据释放能量多少，地震震级是表示地震大小的等级。依据释放能量多少，地震分为不同震级，震级越高，释放能量越多，破坏力越大分为不同震级，震级越高，释放能量越多，破

2、坏力越大。 世界上常用世界上常用“里氏震级里氏震级”标准区分地震震级标准区分地震震级。 “里氏震级里氏震级”最初由地震学家查尔斯最初由地震学家查尔斯里克特（里克特（Charles Ricer）（下页图）（下页图）1935年在美国加州理工学院发明的。里克年在美国加州理工学院发明的。里克特提出按照地震仪器探测到的地震波的振幅将地震分级特提出按照地震仪器探测到的地震波的振幅将地震分级。 这种分级系统最初只用于衡量南加州当地的这种分级系统最初只用于衡量南加州当地的地震的大小，地震的大小，现在全世界地震的研究都使用这种分级系统。现在全世界地震的研究都使用这种分级系统。五、地震基本参数的测定五、地震基本参

3、数的测定震级测量震级测量2012年春(1) 里氏震级里氏震级 （加（加州地震台州地震台网）网）各次地震的振幅变化曲线大各次地震的振幅变化曲线大体彼此平行体彼此平行任何两次大小不等的事件，任何两次大小不等的事件，它们的最大振幅对数之差与它们的最大振幅对数之差与震中距无关震中距无关引入震级的概念引入震级的概念提出计算震级的公式提出计算震级的公式E(A/T)2常数2001101TATAEE对于两次不同强度对于两次不同强度地震，震源深度相地震，震源深度相同，同一震中距同，同一震中距001101lglg8 . 1lgTATAEE介质不是各向介质不是各向同性，还存在同性，还存在吸收、扩撒吸收、扩撒0011

4、lglgTATAMM为里氏震级为里氏震级(2)地方震级1) Local Magnitude的定义 MLlog10A()log10A0()A0一标准地震在某一确定震中距处产生的最大振幅，一标准地震在某一确定震中距处产生的最大振幅， A待定震级的地震记录的最大振幅待定震级的地震记录的最大振幅 log10A0为量规函数(Calibration Function) 其中A0的规定是：采用Wood-Anderson地震仪 （T0=0.8sec，D=0.8， V=2800），地震记录水平分量的最大振幅值。零级地震的规定零级地震的规定 伍德伍德安德森标准地震安德森标准地震仪在震中距等于仪在震中距等于100k

5、m处处，A010-3mm，则，则此此次地震的震级为零级次地震的震级为零级。 尽管如此平移标定曲线尽管如此平移标定曲线来定义来定义ML0 ，目前依，目前依然测到了负震级。然测到了负震级。(2)地方震级地方震级2) 意义意义 客观量度地震大小；客观量度地震大小； 简便；简便； 提供了分类方法，深化了研究，它是描绘地震的第一提供了分类方法，深化了研究，它是描绘地震的第一个物理量。个物理量。 因为地震的大小变化范围很大，所以用对数来压缩测因为地震的大小变化范围很大，所以用对数来压缩测量到的地震波振幅是很方便的。量到的地震波振幅是很方便的。 精确的定义是：里氏震级精确的定义是：里氏震级ML是最大地震波振

6、幅以是最大地震波振幅以10为底的对数。为底的对数。 一种被称之为伍德一种被称之为伍德-安德森（安德森（Wood-Anderson）的特）的特殊地震仪记录到的振幅测量精度达到殊地震仪记录到的振幅测量精度达到1毫米。里克特没毫米。里克特没有指定特殊的波型，因此最大振幅可以从有最高振幅的任有指定特殊的波型，因此最大振幅可以从有最高振幅的任何波形上取得。何波形上取得。 由于一般振幅随着距离增大而减少，里克特选择距震由于一般振幅随着距离增大而减少，里克特选择距震中中100千米的距离为标准。千米的距离为标准。 按着这个定义，对一个按着这个定义，对一个100千米外的地震，如果伍德千米外的地震，如果伍德-安安

7、德森地震仪记录到德森地震仪记录到1厘米的峰值波振幅（即厘米的峰值波振幅（即1毫米的毫米的10000倍）倍）,则震级则震级4。 用用一张特殊的标度图，计一张特殊的标度图，计算一个地震的算一个地震的ML的过的过程：程： （1）用）用S波与波与P波到达的波到达的时间差，计算出距震源的距离时间差，计算出距震源的距离（S-P24秒）；秒）； （2）在地震图上测量出）在地震图上测量出波运动的最大振幅（波运动的最大振幅（23毫米）；毫米）； （3）在框图）在框图3.2左边选取左边选取适当的距离（左边）点，在右适当的距离（左边）点，在右边选取适当的振幅点，两点联边选取适当的振幅点，两点联一直线，从它与中央震级

8、标度一直线，从它与中央震级标度线相交点可读出线相交点可读出ML=5.0。 按震级大小可把地震划分为以下几类：按震级大小可把地震划分为以下几类：弱震：弱震：震级震级小于小于3级。如果震源不是很浅，这种地震一级。如果震源不是很浅，这种地震一般不易觉察。般不易觉察。有感地震：有感地震：震级等于或大于震级等于或大于3级、小于或等于级、小于或等于4.5级。这级。这种地震能够感觉到，但一般不会造成破坏。种地震能够感觉到，但一般不会造成破坏。中强震：中强震：震级大于震级大于4.5级、小于级、小于6级。属于可造成破坏的级。属于可造成破坏的地震，但破坏轻重还与震源深度、震中距等多种地震，但破坏轻重还与震源深度、

9、震中距等多种因素有关。因素有关。强震：强震：等于或大于等于或大于6级。级。强烈地震：强烈地震：等于或大于等于或大于7级。级。巨大地震：巨大地震：大于等于大于等于8级。级。(3)推广推广1)面波震级面波震级(Surface Wave Magnitude)为了标定为了标定远的远的、浅的大浅的大震，采用震，采用MSlog10AB( )其中：其中：A是记录到的最大地动水平矢量的模是记录到的最大地动水平矢量的模 ( m)； B( )为零级地震对应的标定曲线；为零级地震对应的标定曲线； 为震中距；为震中距； 最大地动周期一般都在最大地动周期一般都在20秒左右，又称秒左右，又称20秒面波震级。秒面波震级。(

10、3)推广推广2）体波震级体波震级(Body Wave Magnitude) 为了标定深震，采用为了标定深震，采用mblog10(A/T)B( ,h)S其中：其中： S是台站校正；是台站校正；B ( ,h)log10(A0/T0)（A0、T0零级地震的地动振幅及周期）零级地震的地动振幅及周期）A和和T是是P或或PP的水平或垂向最大地动位移和周期，的水平或垂向最大地动位移和周期，也也可以可以 是是S波的水平向波的水平向(即即SH)最大地动位移和周期。最大地动位移和周期。体体波振幅随深度的变化可粗略估算。波振幅随深度的变化可粗略估算。由由弹性理论可知：弹性理论可知： A/T正比于周期为正比于周期为T

11、的谐波分量的平均能流密度。的谐波分量的平均能流密度。 震级本身没有任何上下限（虽然地震大小有震级本身没有任何上下限（虽然地震大小有上限）。自本世纪有了地震仪以后所记录到的地上限）。自本世纪有了地震仪以后所记录到的地震仅有几次震级达到震仅有几次震级达到8.5级以上（下页图）。例如，级以上（下页图）。例如，1964年年3月月27日在阿拉斯加威廉王子海湾的大地震日在阿拉斯加威廉王子海湾的大地震的里氏震级约为的里氏震级约为8.6。另一方面，小断层的滑动可。另一方面，小断层的滑动可能产生小于零震级的地震（即负值能产生小于零震级的地震（即负值）。）。 在局部地区记录的非常灵敏的地震仪可探测在局部地区记录的

12、非常灵敏的地震仪可探测到小于到小于-2.0级的地震。这种级的地震。这种地震释放的能量大约相地震释放的能量大约相当于一块砖头从桌子上掉到地面的能量。当于一块砖头从桌子上掉到地面的能量。2012年春本世纪全球发生8级和8级以上地震数目的变化 ML、MS和mb三种震级都属里氏震级系统 由于里氏震级所用的波形没有被限定，而且伍德由于里氏震级所用的波形没有被限定，而且伍德-安德森地震仪仅有安德森地震仪仅有有限的记录能力，因此在地震研究中有限的记录能力，因此在地震研究中ML不再广泛使用。由于浅源地不再广泛使用。由于浅源地震具有易记录到的面波，地震学家们选择周期近震具有易记录到的面波，地震学家们选择周期近2

13、0秒的面波的最大秒的面波的最大振幅计算震级，这样求出的震级称作面波震级振幅计算震级，这样求出的震级称作面波震级MS，ML震级是为了用震级是为了用于当地地震而提出的，而于当地地震而提出的，而MS震级可用于距接收台站相当遥远的地震。震级可用于距接收台站相当遥远的地震。对于远距离的地震，对于远距离的地震，MS值近似地给出当地里氏震级的补充，并且综值近似地给出当地里氏震级的补充，并且综合地给出中强地震带来的潜在损失的合理估计。合地给出中强地震带来的潜在损失的合理估计。 MS震级不能用于深源地震，因为深源地震不能激发显著的面波。所震级不能用于深源地震，因为深源地震不能激发显著的面波。所以地震学家们发展了

14、第二种震级，以地震学家们发展了第二种震级，mb，它是根据，它是根据P波的大小而不是根波的大小而不是根据面波的大小确定地震的震级。据面波的大小确定地震的震级。所有的地震都可以清楚地读到所有的地震都可以清楚地读到P波的波的初始，因此用初始，因此用P波震级波震级mb有很大优点，它可以提供深源、浅源甚至远有很大优点，它可以提供深源、浅源甚至远距离的任何地震的震级值。距离的任何地震的震级值。 )(logRAML)(R式中，式中，A为与地震记录最大振幅相应的地动位移为与地震记录最大振幅相应的地动位移(单位单位m), 应取两个水平分量最大振幅的几何平均值计算，不应取两个水平分量最大振幅的几何平均值计算，不过

15、实用中常取两个水平分量最大振幅的算术平均值；过实用中常取两个水平分量最大振幅的算术平均值； 称称为量规函数，与震为量规函数，与震中距中距 有正变关系，还与有正变关系，还与记录仪类型有关。记录仪类型有关。21max)log()log(ccTAMS式中，A为地震记录的最大面波振幅的地动位移（m，一般取瑞利波两个水平分量最大合成位移），T为相应周期（秒）。),()log(maxhQTAmb式中，式中，A/T为记录的最大体波振幅（为记录的最大体波振幅（m）及相应）及相应周期（秒周期（秒），），Q(,h)为震级起算函数，也称量规函为震级起算函数，也称量规函数，是震中距数，是震中距和震源深度和震源深度h的

16、函数。的函数。 对同一地震采用不同的震级标度测量，对同一地震采用不同的震级标度测量，测量值是不同的。为了统一，在各种震级标测量值是不同的。为了统一，在各种震级标度间建立了用于换算的一系列经验性公式度间建立了用于换算的一系列经验性公式。 对于特大型地震，用里氏系列的震级标对于特大型地震，用里氏系列的震级标度测量将出现度测量将出现“饱和饱和”问题问题。 用震级描述地震的大小或强度非常方便，用震级描述地震的大小或强度非常方便，但是这个参数没有物理意义。但是这个参数没有物理意义。44(4) ML,MS和和mb的不统一与统一震级的不统一与统一震级M和和m的提出的提出1)问题：尽管努力凑合标定曲线问题：尽

17、管努力凑合标定曲线(各台不同的各台不同的)，但同一台，但同一台记录所测定的，同一个地震的三个震级不相同。记录所测定的，同一个地震的三个震级不相同。经统计，得出：mb0.63MS2.5MS1.27(ML1)0.016ML2利用这一结果可得由实测MS推算的体波震级Mb；以及由实测mb推算的面波震级MSmb0.63MS2.5Ms1.59mb3.97事实上，两者依然不统一。3)统一震级的定义 3/4 1/4mmbMbM ms MS实用价值不大。(5) 震级饱和现象震级饱和现象二十世纪六十年代接连发生多次巨震二十世纪六十年代接连发生多次巨震(great earthquake)，所测震级与宏观现象所测震级

18、与宏观现象(震害表现震害表现)相差较大。相差较大。仔细对比大量观测结果，得出各种震级的饱和值如下：仔细对比大量观测结果，得出各种震级的饱和值如下：饱饱和现象表明对于巨震能量估计偏低。和现象表明对于巨震能量估计偏低。49(6) 不饱和的新震级不饱和的新震级(矩震级矩震级)MW1) 震级和地震波辐射能量的经验关系震级和地震波辐射能量的经验关系非常简化的考虑：非常简化的考虑：简谐波的能量与其振幅的平方成正比，简谐波的能量与其振幅的平方成正比，EA2，logE2logA2M2B( )总可以认为：总可以认为：logEaMb (G-R公式，即能级公式）公式，即能级公式）对大量的地震，分别独立地估计对大量的

19、地震，分别独立地估计E和实测和实测M，经统计得出：，经统计得出：logE1.5M11.8地地震矩是由受构造应力影响使断裂面突然滑移的力学模型，震矩是由受构造应力影响使断裂面突然滑移的力学模型，推导出来的地震整体大小的量度。它是推导出来的地震整体大小的量度。它是1966年美国地震学家安年美国地震学家安艺（艺（Aki）提出的。）提出的。 现在受到地震学界欢迎，因为它与断裂破裂过程的物理实现在受到地震学界欢迎，因为它与断裂破裂过程的物理实质直接联系。根据它能推断活动断裂带的地质特性。质直接联系。根据它能推断活动断裂带的地质特性。 地震矩定义为岩石的弹性刚度、施力的面积和突然滑移中地震矩定义为岩石的弹

20、性刚度、施力的面积和突然滑移中断裂的位错量三者的乘积。这种量度的好处是，它不像基于地断裂的位错量三者的乘积。这种量度的好处是，它不像基于地震波幅的量度，受到波的传递过程中岩石摩擦使能量耗散的影震波幅的量度，受到波的传递过程中岩石摩擦使能量耗散的影响。在适宜的情况下，地震矩能够简单地从在野外测量的地面响。在适宜的情况下，地震矩能够简单地从在野外测量的地面破裂的长度和从破裂的长度和从余震深度推断的破裂深度估算出来。余震深度推断的破裂深度估算出来。 地震矩可以描述从最小到最大的地震震级变化。地震矩可以描述从最小到最大的地震震级变化。2)地震矩地震矩(Seismic Moment) 这种识别地震大小的

21、方法的优点是通过分析地震图这种识别地震大小的方法的优点是通过分析地震图或者通过野外测量地震断层破裂的尺寸，包括深度，或者通过野外测量地震断层破裂的尺寸，包括深度，就可以计算出地震矩。从任何普通的现代地震仪记录就可以计算出地震矩。从任何普通的现代地震仪记录到的地震图都可以计算出地震矩，而且该方法考虑到到的地震图都可以计算出地震矩，而且该方法考虑到地震发生时出现的所有波形。由于其上述优点，现在地震发生时出现的所有波形。由于其上述优点，现在人们多半都计算地震的矩震级，记为人们多半都计算地震的矩震级，记为Mw。 Mw震级给出了地震大小更具有物理意义的衡量，震级给出了地震大小更具有物理意义的衡量，特别是

22、对最强烈地震。特别是对最强烈地震。 3)矩震级矩震级MW从地震波记录可独立地测出从地震波记录可独立地测出M0，代入，代入GR的震的震级级能量的统计公式，可得到折算的能量的统计公式，可得到折算的MW ： 要要由由M0计算计算MW的原因在于：的原因在于： M0已是地震波辐射源的强度的定量标志，但是震级已已是地震波辐射源的强度的定量标志，但是震级已积累了许多资料，许多论文已引用，故折算成积累了许多资料，许多论文已引用，故折算成MW。M0难测，中小震更难，甚至目前无法测准，所以要折难测，中小震更难，甚至目前无法测准，所以要折算成震级。算成震级。对于应力完全释放的大震，所释放的应变能为：对于应力完全释放

23、的大震，所释放的应变能为：050105MWGR能级公式：能级公式：矩震级矩震级Mw的计算公式如下：的计算公式如下：M0地震的标量矩，单地震的标量矩，单位位为为dyne-cmM0地震的标量矩，单位为地震的标量矩，单位为N.m 由于地震波能量辐射花样的方位性，地震波传由于地震波能量辐射花样的方位性，地震波传播路径的影响、记录台台基效应的影响等，不同播路径的影响、记录台台基效应的影响等，不同台站即使测定同一个地震的震级值也会有所不同，台站即使测定同一个地震的震级值也会有所不同，这是经常发生的事情这是经常发生的事情。 震级是表征地震强弱的量度，但震级的测量精震级是表征地震强弱的量度，但震级的测量精度是有限的，一般认为，震级的测定精度在度是有限的，一般认为，震级的测定精度在0.3左左右。右。(7)关于震级和地震矩的讨论关于震级和地震矩的讨论1)里氏震级的意义、优点和缺点里氏震级的意义、优点和缺点A. 意义、优点意义、优点a.测量方法简便；测量方法简便；b.提供了客观的一种分类，深化了研究，测量方法简便；提供了客观的一种分类，深化了研究，测量方法简便；c.对地震本身的强弱作了客观的量度。对地震本