地震学基础知识

地震学基础

IntroductiontoSeismology作者：卡卡西提纲地震学简介地震学发展历史地震波传播与震源地震学应用小结一、地震学简介地震学是研究地震波传播、地球（行星）内部结构和地震物理过程的学科SeismologyisthesciencethatstudiesthesewavesandwhattheytellusaboutthestructureofEarthandthephysicsofearthquakes.ItistheprimarymeansbywhichscientistslearnaboutEarth’sdeepinterior,wheredirectobservationsareimpossible,andhasprovidedmanyofthemostimportantdiscoveriesregardingthenatureofourplanet.Itisalsodirectlyconcernedwithunderstandingthephysicalprocessesthatcauseearthquakesandseekingwaystoreducetheirdestructiveimpactsonhumanity.地震学属于地球物理学和地球科学，其理论基础是牛顿第二定律SeismologyoccupiesaninterestingpositionwithinthemoregeneralfieldsofgeophysicsandEarthsciences.MuchoftheunderlyingphysicsisnomoreadvancedthanNewton’ssecondlaw(F=ma),butthecomplicationsintroducedbyrealisticsourcesandstructureshavemotivatedsophisticatedmathematicaltreatmentsandextensiveuseofpowerfulcomputers.地震学和地球内部结构研究的突破是由理论、方法、观测、仪器、数据推动的Seismologyisdrivenbyobservations,andimprovementsininstrumentationanddataavailabilityhaveoftenledtobreakthroughsbothinseismologytheoryandinourunderstandingofEarthstructure.什么是地震？地震是一种破坏性的自然现象，地震发生的原因通常是地壳(crust)或上部地幔(mantle)小范围内所蕴积的能量，在瞬间急遽释放出来引发断层错动；陨石撞击、火山爆发、爆炸（核爆）等也会引发地震；断层：地壳受力发生断裂，沿断裂面两侧岩块发生的显著相对位移的构造。走滑断层(Strike-slipfault)正断层(Normalfault)逆断层(Thrustfault)斜滑断层(Oblique-slipfault)日本：鲶鱼翻身断层断层面：两部分岩块沿之滑动的破裂面就是断层面；上盘(hangingwall)：断层面倾斜时，朝下的称为上盘；下盘(footwall)：断层面倾斜时，断面朝上的称为下盘；断层线：是断层面与底面之交线，分布规律与地层露头线相同；位错：是断裂面两侧岩块移动的位移。断层转换断层(Transformfault)又称为转形断层或错动型板块边界，是一系列沿着张裂型板块边界平行排列、把洋中脊走向切割为不同块段的一种大规模水平位移断层。转型断层形成的断裂带可长达数千千米，宽约100到200千米。板块间的相对运动，遇到转换断层之后，就有机会转变成另一种型式的相对运动。二、地震学发展历史地震学是一门相对年轻的学科，定量研究开始用约100年前。Seismologyisacomparativelyyoungsciencethathasonlybeenstudiedquantitativelyforabout100years.Intheearly1800sthetheoryofelasticwavepropagationbegantobedevelopedbyCauchy,Poisson,Stokes,Rayleigh,andotherswhodescribedthemainwavetypestobeexpectedinsolidmaterials.人类最早的测震仪候风地动仪是中国古代侦测地震的仪器，也是世界最早的地震仪。8条龙，8个蟾蜍和一个圆柱体组成。发明者：东汉时期张衡在汉顺帝永建七年（132年）发明，但已失传。《后汉书》记载该仪器曾经测出陇西方向有地震：“尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。”候风地动仪第一次真正意义上的地震科学研究二、地震学发展历史里斯本大地震研究(11/01,1755)震级可能为9级，造成了3次大的海啸，几千人死亡；地质调查表明震中在葡萄牙西南海岸200km左右，几乎摧毁了里斯本城市；由于该地震巨大的破坏力，激发了科学研究的兴趣，开启了地震科学研究的时代。J.Mitchel(1761)和J.Drijhout(1765)首次发现了震源分离现象；推测地面震动是从远处震源传播过来的，发现了地震波传播现象；(From：TreatiseonGeophysics,2ndedition)VanHoff和APerry第一次系统的统计了地震事件的目录P.Eagen(1828)第一次统计计算了地震的烈度J.Noggerath(1847)第一次画出了地震等震线的图C.Lyell第一次发现地震会大致大面积区域的地表垂直形变1819年印度Rann和Cutch地震1822和1835年的Chulian地震序列1855年的新西兰Wairrarapa地震Mallet对地震进行了定位和系统统计R.Mallet(1810-1881)：爱尔兰地质与地理学家：完成了人类第一张最完整的地震分布图，给出了全球主要地震的分布条带，如环太平洋地震带、地中海-特提斯-喜马拉雅地震带等（1858）尝试了利用爆炸震源测量地震波速度；提出了地震可能是水遇到高温岩石产生的水蒸气突然膨胀所致的假说（第一次理性的提出了发震机理的猜想）。二、地震学发展历史地震分布图Mallet,1858,TreatiseonGeophysics,2ndedition二、地震学发展历史地震观测仪器人类第一次用烟熏纸记录到的日本1881年3月8号发生的近震1855:第一台真正意义上的地震仪由意大利科学家卢伊吉·帕尔米里发明，能粗略显示出地震发生时间和强度；Ewing于1881年利用水平摆锤地震计探测地震，于1881年3月8号探测到日本的一个地震；第一台精确的地震仪于1880年由英国科学家J.Milne和Gray在日本发明，Milne也被誉为”地震仪之父”；

人类第一个远震记录（E.von-Rebeur-Pashwitz，1989，Nature）德国波茨坦天文学家建立了灵敏的水平摆锤地震仪，用来观测潮汐引起的倾斜；1889/04/17观测到了来自日本一个5.8级地震的远震信号。1889/04/17第一个远震记录记录到的距离400英尺的主动源信号二、地震学发展历史现代的地震观测仪器二、地震学发展历史里氏震级（Richter，1935）为了研究美国加州的地震而设计，用伍德-安德森扭力式地震仪测量；目的是区分当时加州地区发生的大量小规模地震和少量大规模地震，后被广泛使用在现代地震学研究。J-B走时表（Jefferys&Bullen，1940）利用大量的数据，建立了一个地球标准模型，以及Jeffreys-Bullen走时表(1940)；发现地球基本上是球对称的，有一些界面；包含了地幔和液态外核的CMB界面。J-B走时表（1940）Gutenberg

(古登堡)发现核幔边界（1939）利用地震远震体波震相的影区，Gutenberg发现了2891km深度上，存在着一个物质界面；界面速度有明显跳变，界面之下不存在剪切波，称为核幔边界（CMB），又称古登堡面。Lehmann发现了地球的固态内核（1936）利用PKIKP发现ICB半径约为1400km可能为固态二、地震学发展历史Inge

Lehmann(1888-1993)二、地震学发展历史Gutenberg-Richterlaw二、地震学发展历史KeiitiAki和P.G.Richards建立了完整的地震学理论1966:K.Aki定义了地震矩概念给出了地震学定量的物理学量度；Mo=Area*slip*rigidity。1980：K.Aki和P.G.Richards完成了《QuantitativeSeismology》，被称为“地震学的圣经”。H.Kanamori完善了地震学理论1977年提出了矩震级的概念，避免了里氏震级出现的震级饱和的现象；建立利用远震波形反演地震滑移分布的方法；提出了地震预警的快速分析方法。1969-72:阿波罗登月，布设了月震仪，在地球之外开展了地震学研究；2018-2022：洞察号火星探测器，布设火震仪进行观测二、地震学发展历史限制核试验条约促使了现代台网和台阵的出现1963年联合国签订了限制核试验条约；建立了一批监测核试验为目的的地震台网；WWSSN网，包括了120个台站。建立了一批小口径地震观测台阵如澳大利亚的WRA,加拿大的YKA,印度的GBA,苏格兰的ESK,挪威的NORSAR苏联建设了ESSN台网，包括了100个台；1970年代，模拟台站开始向数字台站进行升级;1984年，美国USGS建立了GSN台网，代替WWSSN；1996年，国际数据中心（IDC）成立，通过国际监测系统收集地震数据，主要来自于GSN。二、地震学发展历史地震学为板块构造学说提供了关键证据二、地震学发展历史中国近现代的地震学研究我国第一个地震观测台是1930年由着名地震学家李善邦主持建立的，北京鹫峰地震台。傅承义：中国地球物理学和地震学的奠基人之一师从Gutenberg教授，在加州理工学院获博士学位；建立第一个中国地球物理教研室；提出了利用格林函数积分计算体波和面波的理论；开创了中国核试验地震观测和地震侦查的研究；开创了中国地震预测研究的尝试。地震波在地球内部传播，提供了探索地球内部构造的有力工具；结构和震源是地震学的两大研究内容；就研究对象和目的而言，地震学主要分为天然地震学和勘探地震学；三、地震波传播与震源三、地震波传播与震源地震发生时，释放的能量，一部分消耗在断层面错动产生的摩擦生热中，一部分消耗在碎裂岩石中，一部分作为势能，转化在地表的形变中，还有一部分，则由岩石反弹震动产生的弹性能，以波动的方式，通过地震波向四面八方传播，并引起地表的震动。定量描述地震波传播，需要研究固体介质中的内力和形变。

三维介质中的形变为应变，不同部分的内力为应力，应变和应力不是独立存在的，通过弹性固体介质中的本构关系联系起来。三、地震波传播与震源三、地震波传播与震源Thegroundmotion(velocity)fromtheJanuary17,1994Northridgeearthquakerecordedat88.5◦range三、地震波传播与震源P–PwaveinthemantleK–PwaveintheoutercoreI–PwaveintheinnercoreS–SwaveinthemantleJ–Swaveintheinnercorec–reflectionoffthecore–mantleboundary(CMB)i–reflectionofftheinner-coreboundary(ICB)三、地震波传播与震源地幔震相地核震相三、地震波传播与震源三、地震波传播与震源三、地震波传播与震源Pg Atshortdistances,eitheranupgoingPwavefromasourceintheuppercrustoraPwavebottomingintheuppercrust.AtlargerdistancesalsoarrivalscausedbymultipleP-wavereverberationsinsidethewholecrustwithagroupvelocityaround5.8km/s.Pb (alt:P*)EitheranupgoingPwavefromasourceinthelowercrustoraPwavebottominginthelowercrustPn AnyPwavebottomingintheuppermostmantleoranupgoingPwavefromasourceintheuppermostmantlePnPn Pnfree-surfacereflectionPgPg Pgfree-surfacereflectionPmP PreflectionfromtheoutersideoftheMohoPmPN PmPmultiplefreesurfacereflection;Nisapositiveinteger.Forexample,PmP2isPmPPmPPmS PtoSreflection/conversionfromtheoutersideoftheMohoSg Atshortdistances,eitheranupgoingSwavefromasourceintheuppercrustoranSwavebottomingintheuppercrust.AtlargerdistancesalsoarrivalscausedbysuperpositionofmultipleS-wavereverberationsandSVtoPand/orPtoSVconversionsinsidethewholecrust.Sb (alt:S*)EitheranupgoingSwavefromasourceinthelowercrustoranSwavebottominginthelowercrustSn AnySwavebottomingintheuppermostmantleoranupgoingSwavefromasourceintheuppermostmantleSnSn Snfree-surfacereflectionSgSg Sgfree-surfacereflectionSmS SreflectionfromtheoutersideoftheMohoSmSN SmSmultiplefree-surfacereflection;Nisapositiveinteger.Forexample,SmS2isSmSSmSSmP StoPreflection/conversionfromtheoutersideoftheMohoLg AwavegroupobservedatlargerregionaldistancesandcausedbysuperpositionofmultipleS-wavereverberationsandSVtoPand/orPtoSVconversionsinsidethewholecrust.Themaximumenergytravelswithagroupvelocityofapproximately3.5km/sRg Short-periodcrustalRayleighwave三、地震波传播与震源震源(hypocenter)：地震发生的起始点；其深度即为地震深度，深度的大小对地震灾害大小和影响范围影响很大。震中(epicenter)：震源与地心相连直线在地表的投影点；通常说的地震位置，一般就是震中的位置；震中区通常是灾害比较重的区域，但也不一定，与地震的破裂形态、滑移分布关系很大。三、地震波传播与震源三、地震波传播与震源大地震震源破裂过程三、地震波传播与震源有些地震可以引起很大的灾害，有些却只引起一场虚惊或根本不为人们所感觉。同一个地震可能在一些地方引起灾害，而其他地方却毫无损伤。为容易区别这些状况，地震学家用两种尺度—地震震级（Magnitude）和地震烈度（Intensity）。震级和烈度有关系，但是不完全对应。地震震级是判断一个地震的威力或释放出来的能量大小的尺度。与地点无关，有多种判断的标准，包括里氏震级、矩震级、面波震级等。地震震级与地震的破裂大小、破裂长度有关。地震烈度是衡量地震造成的破坏大小的衡量标准，主要通过造成的破坏和损失来确定。地震烈度是指距离震中某特定处，最早是以人体所感受到大地震动强度的大小，或物体因受震动所遭受的破坏程度来计算，是一种主观判判断的尺度。现在的烈度多以地动峰值加速度值（PGA）和峰值速度值（PGV）来判断，而世界各地烈度的分级是不一定相同的。三、地震波传播与震源地震本身震级震级越大释放的能量越多和震源的距离能量随着传递的距离衰减当地的地质环境和建筑物状况地下物质结构等因子影响地表振动幅度影响地震烈度的因素三、地震波传播与震源Wells&Coppersmith，BSSA，1994地震数量与震级关系地震类型：按成因分类构造地震由于地下深处岩层错动、破裂所造成的地震。这类地震约占全球地震数的90%以上。汶川大地震就属于构造地震。火山/爆炸地震由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的振动。火山地震一般影响范围较小，发生得也较少，约占全球地震数的7%。三、地震波传播与震源三、地震波传播与震源地震类型：按成因分类陷落地震由于地层陷落引起的地震。这类地震更少，大约不到全球地震数的3%，引起的破坏也较小诱发地震由于人类活动，比如石油、页岩气开采、水库蓄水等引发的地震。近些年来，随着资源开采和水利工程建设等的快速发展，诱发地震数量急剧上升，造成的灾害也越来越大三、地震波传播与震源地震类型：按震源机制分类正断层地震发生在正断层上的地震，上盘下落，下盘相对上升。典型的有意大利Norcia地震。震级相对较小。洋中脊等区域正断层地震比较多。走滑地震在走滑断层上发生的地震，位错主要以水平为主，两侧滑移量的差即为位错大小。典型的有昆仑山西口8.1级地震。大陆内部走滑地震较多。三、地震波传播与震源地震类型：按震源机制分类非双偶源地震由于人类活动，比如石油、页岩气开采、水库蓄水等引发的地震；还有陨石撞击、滑坡、冰川垮塌等引起的震动。目前非传统地震的研究已经越来越受到重视。逆冲地震发生在逆冲断裂带上的地震，主要由于板块俯冲等构造作用引起的地震。逆冲地震大部分发生在俯冲带附近，如苏门答腊大地震、日本Tohoku-Oki地震等；也有逆冲地震发生在大陆俯冲带上，典型的如汶川地震。由于逆冲地震的应力比较大，所以震级会比较大。三、地震波传播与震源日期

位置

死亡人数

震级01/23,1556

中国陕西华县

830,000

~807/27,1976

中国唐山

255,000 7.508/9,1138

Aleppo,叙利亚

230,000 n.a.12/26,2004

Sumatra,印度尼西亚

225,000+ 9.301/12,2010

海地

222,570 7.012/22,856

Damghan,伊朗

200,000 n.a.05/22,1927

青海西宁附近

200,000 7.912/16,1920

中国甘肃

200,000 7.803/23,893

Ardabil,伊朗

150,000 n.a.09/01,1923

Kwanto,日本

143,000 7.910/05,1948

Ashgabat,土库曼斯坦

110,000 7.312/28,1908

Messina,意大利

70,000–100,000

7.209/1290

直隶,中国

100,000 6.8?05/12,2008

汶川地震，中国

87,587

7.910/08,2005

巴基斯坦

80,361

7.610,1667

Shemakha,高加索

80,000

n.a.11/18,1727

Tabriz,伊朗

77,000

n.a.12/25,1932

中国甘肃

70,000

7.611/01,1755

葡萄牙里斯本

70,000

8.705/31,1970

秘鲁

66,000

7.905/30,1935

Quetta,巴基斯坦

30,000–60,000 7.501/11,1693

Sicily,意大利

60,000

n.a.1268

Silicia,小亚细亚

60,000

n.a.06/20,1990

伊朗

50,000 7.702/04,1783

Calabria,意大利

50,000

n.a.四、地震学应用地球内部结构成像四、地震学应用四、地震学应用四、地震学应用地球内部结构成像四、地震学应用~80%环太平洋带~15%地中海-欧亚带，青藏高原及周边地区~5%板块内部、大洋中脊Weaver.,2005,Science地震事件在时空上极端不均匀，基于天然地震事件数据的成像方法难以对特定地区精细地壳结构进行有效探测。背景噪声成像实现了任意区域台阵下方精细结构成像四、地震学应用四、地震学应用地震定位/预警地震预警是当地震发生后，通过布设在地震震中附近的监测仪器，快速准确确定地震大小、位置及可能的地震灾害，通过现代通讯系统，快速的发出地震的信息，从而为地震逃生、重要设施的保护提供关键性信息的系统。地震预警不是地震预报！地震预报是地震还没发生时，就给出未来地震的位置、大小及破坏性预测；二地震预警则是地震发生后，通过快速判断，给出地震信息的方式。重点区“首次警报”平均仅7秒！我国建成全球最大地震预警网四、地震学应用地震预警日本和南加州建立了世界上最完备的地震预警系统；预警在不同时间，逐步修正预警信息；地震发生的立即给出单台信息；10秒内给出2~3个台的结果；20秒内给出3~5个台