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灾害学概论防灾科技学院综合减灾研究所李平chinaliping1981@126.com第二章地震灾害•地震和地震波关于地震地震地震波西方版画中记载的1805年意大利那不勒斯地震金字塔，1201，1754年地震土耳其卡里亚王陵，17，60，155地震巴比伦空中花园，957-8，1007年地震阿波罗青铜巨像，前225年建成，56年后倒亚历山大灯塔，117米，885，1201，1211宙斯雕像，344，368地震月亮女神庙（Izmit），17，60年地震但都看不见了！1.1什么是地震地震成因•中国的天人感应和日本的鱼怪•古希腊的山裂和地火•断层错动和地震波•岩浆冲击和相变“夫天下之气不失其序……阳伏而不能出，阴迫而不能蒸，阳失其所而镇阴，于是有地震”《国语周语》中国古代关于地震成因的阐述跨越圣安德列斯断层的篱笆墙在古代世界很多地震区人民对地震都有宗教性的解释。中国常以“天人感应”将地震与社会的变动相联系，日本则认为地震是由地下一个状似鲶鱼的神灵所控制。对古代地震的许多引喻可在《圣经》和当时其他宗教著述中见到。•理解地震成因的转折点来自对1906年4月18日震撼美国加利福尼亚的旧金山地震的研究。地震调查委员会的报告指出，强烈的地面摇动是由圣安德烈斯大断层突然错动产生的，该断裂从墨西哥边界一直延伸到旧金山以北达400多千米，断裂西侧的岩块向北错动了好几英尺。•除上述断裂产生地震的学说之外，其他比较重要的地震成因假说还有岩浆冲击成因说和相变成因说。岩浆冲击说在火山地区受到重视,因为那些地区的岩浆活动相当普遍。火山地震就是岩浆冲击的结果。火山地震一般不大，涉及区域也不广。中国除台湾省外，大陆上绝大部分地震都与火山无关。ZhangHeng(A.D.78-139)张衡发明的侯风地动仪，标志着地震科学的开始《后汉书。张衡传》记：‘阳嘉元年，复造侯风地动仪，以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒樽，饰以篆文，山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机；外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍张口承之。其牙机巧制，皆隐在樽中，覆盖周密无际。如有地动，樽则振，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙机发，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在，…..”公元一三八年，陕西发生地震，千里之外的洛阳并无感觉，但地动仪却测到了，许多人都不相信，几天后，驿马送来了消息，于是朝廷内外尽皆信服。可惜的是，公元四世纪，这台仪器在战乱中散失，至今失传。•现代关于地震成因的解释基于大陆漂移、板块运动和弹性回跳学说。板块构造，又叫全球大地构造。所谓板块指的是岩石圈板块，包括整个地壳和莫霍面以下的上地幔顶部，也就是说地壳和软流圈以上的地幔顶部。新全球构造理论认为，不论大陆壳或大洋壳都曾发生并还在继续发生大规模水平运动。但这种水平运动并不象大陆漂移说所设想的，发生在硅铝层和硅镁层之间，而是岩石圈板块整个地幔软流层上像传送带那样移动着，大陆只是传送带上的“乘客”。法国地质学家勒皮雄（XLepichon,1937-1993)美国摩根（WJMorgan)Seaflorage:variationsinspreadingvelocity&rateofaccretion:From10cm/yr(GakkelR.)to~100cm/yr(EPR)Variationsinratesoreruption,typeofdeformationandhydrothermalism地球岩石圈主要分成了7个大板块：非洲板块、欧亚板块、印度-澳洲板块、太平洋板块、南极洲板块、北美板块和南美板块。图上还给出了一些较小的板块。三种不同的板块边界在图中用不同的线条表示。左下方的插图表示兰绿色的板块在红色软流圈上飘浮的情况。板块的边界带：发散边界、汇聚边界和转换边界。板块构造和地震发散边界–大西洋洋中脊（宽：1000-3000km，相对高：1000-3000m,长》10000km).汇聚边界平移（转换）边界-圣安德列斯断层边界类型两侧的板块地貌特征地质事件示例发散边界海洋-海洋大洋中脊海底扩张大西洋、太平洋的大洋中脊浅源地震岩浆溢出火山陆地-陆地裂谷裂开成深谷东非裂谷地震岩浆上涌火山汇聚边界海洋-海洋岛弧和海沟俯冲，深地震西阿留申群岛岩浆上涌火山变形海洋-大陆山脉和海沟俯冲，深地震亚洲东部日本海沟岩浆上涌火山变形大陆-大陆造山带深地震岩石变形喜玛拉雅山转换边界海洋-海洋错断洋中脊地震太平洋洋中脊大陆-大陆形变小的山脉沿断层变形地震岩石变形美国圣安德列斯断层板块构造和地震刚性的板块脆弱的边界水平的运动•板块构造说以极其简洁的形式（最基本的就是板块的生长、漂移、俯冲和碰撞），深刻地解释了地震和火山分布,地磁和地热现象,岩浆与造山作用；它阐明了全球性大洋中脊和裂谷系、环太平洋和地中海构造带的形成，也阐明了大陆漂移、洋壳起源、洋壳年青性、洋盆的生成和演化等重大问题。地球科学第一次对全球地质作用有了一个比较完善的总的理解。板块构造研究所阐明的地质构造背景和岩石圈活动规律，对于寻找金属矿、石油等矿产资源，以及预测地震、火山等地质灾害，有一定指导意义。•板块构造说还存在一些有待解决的难题。除驱动机制这一最大难题外，现有的板块构造模式不能有效地解释板块内部的地震、火山和构造活动，包括水平变形、隆起和陷落。目前，板块构造说仍在不断修正和发展中。•弹性回跳原理弹性回跳认为地震的发生源自地壳中岩石的断裂错动。岩石本身具有弹性，在断裂发生时已经发生弹性变形的岩石，在外力消失后便向相反的方向整体回跳，恢复到未变形前的状态。这种弹跳可以产生惊人的速度和力量，把长期积蓄的能量于霎那间释放出来，造成地震。跨圣安德烈斯断层的篱笆当断裂弹性回跳时造成的结果。(a)篱笆垂直穿过断层，地震前未发生形变。（b）构造力作用下横过断层的篱笆发生弯曲，A点和B点向相反方向移动；（c）在C点发生破裂，在断裂两侧的应变岩石弹回到C1和C2。●A●B●C●A●B●C●A●B●C2●C1●A●B●C●A●B●C●A●B●C2●C1岩层断裂过程模拟图解弹性回跳•弹性回跳能够较好地解释浅源地震的成因，但对于中、深源地震则不好解释。因为在地下相当深的地方，岩石已具有塑性，不可能发生弹性回跳的现象。地震分类按成因：(1)构造地震：由于地球内部物质的不断运动，逐渐积累了巨大的能量。当岩石中的应力积累达到某种水平，超过地壳较软弱部分的破裂强度时，断层两侧突然发生相对滑动，产生地震，这类地震被称为构造地震，占地震总数90%以上。(2)火山地震：火山地震是指在火山爆发后，由于大量岩浆损失，地下压力减少或地下深处岩浆来不及补充，出现空洞，引起上覆岩层的断裂或塌陷而产生地震。这类地震数量不多，只占地震总数量7%左右。这类地震在我国很少见。(3)陷落地震：由于地表或地下岩层突然大规模陷落或崩塌而造成的地震。这类地震的震级很小，造成的破坏也很小。只占地震总数的3%左右。(4)诱发地震：由于水库蓄水或深井注水等引起的地震。(5)碰撞地震：大陨石与大气或地球表面碰撞(6)人工地震：化学炸药和核爆炸也会引发地震按照震源的不同深度，通常把地震分成三类：(1)浅源地震：震源深度在70km以内，一年中全世界所有地震释放能量的约85%来自浅源地震。(2)中源地震：震源深度在70－300km，一年中全世界所有地震释放能量的约12%来自中源地震。(3)深源地震：震源深度超过300km，一年中全世界所有地震释放能量的约3%来自中源地震。地震的震源深度与板块边界有密切的关系，在板块的发散边界和转换型边界，发生的地震多是浅源或中源的，而在汇聚边界，发生的地震则多是深源的，随着海洋板块从海沟向大陆的俯冲，震源的深度也不断的增加。按照地震所处构造位置的不同:可分为板缘地震和板内地震。日本位于狭小的岛弧上，地震均为板缘地震，其中大部分地震的震源位于周边海底，相对于这些地震，震源位于岛上陆地的地震被称为直下型地震。按照地震规模和灾害大小不同:地震可分为微震（1级≤震级3级）、小震（3级≤震级4.5级）、中震（4.5级≤震级6级）、强震（6级≤震级7级）、大震（震级≥7级）和特大震（震级≥8级）；仅震中附近的人才能感觉到的地震称为有感地震，造成人员伤亡和经济损失的地震称为破坏性地震，造成严重的人员伤亡和财产损失，使灾区丧失或部分丧失自我恢复能力的地震称为严重破坏性地震。按照观测台站到震中距离大小不同:地震可分为地方震（震中距小于100千米）、近震（震中距100-1000千米）和远震（震中距1000千米以上）。按照地震的发生序列不同，地震可分为前震、主震、余震和震群。中国地震震源分布图大部分地区为浅源地震台湾与喜马拉雅地区为中源地震东北地区为深源地震我国地震灾害特点大陆地震多发生在地下15km附近的地下深处•地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，这就是地震波。地震波波动介质质点围绕平衡位置做往复运动，一个质点的振动将带动相邻质点振动，振动随之向远端传播，形成了波。波动方程描述介质各质点在不同时刻的状态，振动方程则描述某个（或某些）质点在不同时刻的状态。波长λ和周期T正弦波两个相邻波峰间的距离称为波长λ,行进这一距离所需时间称为周期T；亦即质点振动完成一个循回所经历的时间。频率和圆频率周期的倒数f=1/T称为频率；单位为赫兹，表示在单位时间内完成的振动循环次数。圆频率波速V、视波速C和波数k•波速V取决于波动传播介质的力学特性（密度和弹性模量等）。•观察或测量波动时往往并不沿着波动的传播方向，这时观测到的波速称为视波速，视波速c与真实波速v之间有简单的换算关系C=V/sina；a为波的入射角。•波数k也是常用的描述波动的参数，定义为2π长度中所包含的波长λ的个数。波动基本性质•波在传播介质的界面上能产生反射和折射•弹性波叠加时遵守波的叠加原理•两束或两束以上的同频波叠加时能产生干涉现象；能量汇集形成驻波•弹性波在传播过程中遇到障碍物边缘或孔洞时将发生弯折现象，称为波的绕射（衍射）；•某些波具有偏振现象，既传播介质质点的振动发生在垂直于传播方向的平面内•波在传播过程中会有幅值衰减的现象。波的干涉波的绕射（衍射）地震与地震动体波(1)纵波：由震源向外传播的疏密波，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致。特点：周期短，振幅小。(2)横波：由震源向外传播的剪切波，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。特点：周期较长，振幅较大。地震波两种体波地震与地震动根据弹性理论，纵波的传播速度大约为横波的1.67倍，说明纵波的传播速度快，因此也把纵波叫初波，横波叫次波。面波：只限于在地面附近传播的波，也就是体波经过地层界面多次反射形成的次生波。周期长，振幅大，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。面波包括：瑞雷波和洛夫波Love面波传播方向传播方向Rayleigh面波地震预警除地球表层之外，人类长期以来对地球的结构一无所知；近代关于地球内部的知识，主要来自对地震波和大地震所激发的地球自由震荡的解读。通过研究地震波反射、折射的图像，人类得以了解地球内部构造、进而探索地壳运动规律。地震波的多种应用认识地球结构大事件年表如下：1)1906年奥尔德姆首先试图从地震波穿过地球的时间来推断整个地球内部构造。2)1909年莫霍洛维奇根据近震初至波的走时，算出地下存在一个速度间断面，通常称它为莫霍界面，其平均深度约为30公里，莫霍界面以上的部分称为地壳，以下的部分称为地幔。3)1914年古登堡根据地震体波的“影区”确认了地核的存在，并测定了核-幔间断面深度为2900公里。根据地核不能传播横波(地震波的一种，不能在液体中传播)的特性，地震学家又推断出地核是液态的。4）1936年赖曼通过对体波“影区”的进一步研究，发现了在液态的地核中还有一个固态的地球内核。5）我国留美学者宋晓东等发现，地球内核旋转速度要比外核快。•我国留美学者宋晓东等发现，地球内核相对于地幔的快速差异转动，速率为10/年•这一发现现仍有争议，许多研究说：地球外核相对于地幔的快速差异转动，速率为0.150/年•不过，没有否认快速差异转动的存在！！！利用地震波进行地下勘探全球