1.3地震与地震动在线视频

大家好

本节介绍

地震与地震动

主要内容包括五个方面

地球的构造

地震类型与成因

地震常用术语

地震波和地震动这五个方面

首先我们来看一下地球的构造

地球包括三个圈层

最外边是地壳

厚度大概是在30到40公里

地壳下面是地幔

地壳和地幔之间是通过莫霍界面来划分的

地幔的厚度大概是2900公里

地幔的下面是地核

地幔和地核之间通过古登堡界面来进行划分

对于地球内部三个圈层的划分

我们主要是通过地震发生之后

地震波在地球内部的传播

在传播的过程中

地震波会有一些突变

比如说它的波速等方面

那么根据这些

我们确定出来了莫霍界面和古登堡界面

从而把地球内部划分为地壳、地幔和地核

其中地幔又可以分为上地幔和下地幔，在上地幔的上部存在着一个软流层

软流层在高温和不平衡压力的作用下产生缓慢的移动

从而带动其上的地壳发生相对的运动

这是我们地球的构造（运动）

二、地震类型与成因

首先来看一下地震类型，构造地震由于地壳的构造运动及断裂构造运动而引发的地震

这类地震发生次数最多

约占全球地震总数的90%

破坏性大

影响范围广

是地震工程主要研究的对象

（比如说）

2008年的汶川地震和2011年的东日本大地震

都属于构造地震

火山地震是由于火山爆发、岩浆猛烈冲击地面而引发的地震

这类地震占全球地震的7%左右

比如说1914年的日本樱岛火山爆发，引发的地震相当于一个6.7级的地震

陷落地震

主要是由于地下岩洞或者是矿井顶部坍塌而引起的地震

这类地震的规模相对来说比较小

次数也比较少

主要发生在溶洞密布的石灰岩地区或者是大规模

地下开采的矿区

比如1972年

山西大同煤矿发生了采空区大面积的顶板坍塌

引发了地震

相当于一个3.4级的地震

诱发地震

由于水库蓄水或深井注水引起的地面震动

这类地震通常发生在特定的水库、库区或油田地区

如1962年

广东河源新丰江水库坝区发生了诱发地震，震级为6.1级

在全球各地的水利工程中

诱发地震时有发生

但是震级相对来说不会特别的高

最高的震级也就是6级左右

下面我们来看一下构造地震的成因

首先看到的宏观背景

这个图是全球板块的构造分布图

根据板块构造学说

地球表面的岩石层是由亚欧板块、美洲板块

非洲板块太平洋板块、印度洋板块、南极板块等六大板块和若干小板块组成

这些板块

之间会产生相互运动

主要就是由于上地幔上部的软流层造成的

从而引发板块之间相互的碰撞和挤压，引发地震

与此同时

在板块内部

由于存在着复杂的应力状态

和不均匀的变形

导致板块内部的岩层断裂而发生地震

据统计

全球85%左右的地震发生在板块边界带上

15%左右的地震发生在板块内部

下面来看它的局部机制

首先看第一个图

这是岩层的初始状态

受到了挤压

变形比较小

随着岩层受到的挤压逐渐增大

岩层出现变形和褶皱

最后由于岩层承受不了这么大的应力

最后发生断裂

从而诱发地震

这是地震的局部机制

下面我们来看一下地震的常用术语

岩层发生断裂的地方

我们称之为震源

震源在地面的投影

我们称之为震中

震源到震中的距离为震源深度；

地面上某一点到震中的距离

我们称为震中距

那么岩层断裂之后会产生地震波

包括体波、面波等

后面我们会给大家做详细介绍

根据震源深度

地震又可以划分为浅源地震

震源深度在七十公里以内

这类地震约占地震总数的72%

所释放的能量占地震总释放能量的85%

所以说浅源地震是非常多的

比如说2008年汶川地震

震源深度大概是十几公里左右

属于典型的浅源地震

所以说它的破坏会非常的巨大

主要原因就是岩层断裂之后，能量在传播的过程中

由于震源浅

耗散的比较少

所以说对地表的

建筑物破坏比较大

第二种

中源地震

震源深度在七十到三百公里范围内

约占地震总数的23%

所释放的能量占地震总能量的12%左右

比如2007年在太平洋

瓦努阿图海域发生的7.1级地震

震源深度达到了160公里

三、深源地震

震源深度超过三百公里

相对数量比较少

约占地震总数的5%

所释放的能量约占3%

那么随着震源深度的增大

地震的能量在传播的过程中耗散就比较大

所以说对于地表

建筑物破坏相对来说就小得多

比如2002年

在我们国家吉林汪清县发生了7.2级地震

按照这个震级应该发生的破坏会比较大

但是由于它的震源深度达到了540公里

所以说虽然它的震级比较高

但是对地表和建筑物的破坏要小得多

这就是我们根据震源深度

划分的浅源地震、中源地震和深源地震

四、地震波

地震波指的是地震引起的振动

以波的形式从震源向各个方向传播

并释放能量

称为地震波

也就是岩层断裂之后

它的这个振动以波的形式向外传播

同时能量也随之向外传播

地震波划分为体波和面波

体波主要指的是在地球内部传播的波

包括纵波和横波

纵波是震源向外传播的压缩波

其质点振动的方向与波的前进方向一致

大家可以看一下

这边这个图

那么使介质不断的受到压缩和疏松

所以说又称为压缩波

简称为P波

纵波的特点是波速快

但是周期短

振幅比较小

引起的是地面上下的颠簸

从这个图大家可以看到

地震波从下方传来之后

介质的振动方向和波的前进方向是一致的

所以说使地面运动产生上下的颠簸

第二

横波

横波是震源向外传播的剪切波

它的介质的振动方向和波的前进方向是相垂直的

所以说又称为剪切波

简称S波

横波的振动特点是波速比较慢

但是周期比较长

振幅比较大

引起地面水平方向的左右晃动

从这个图大家可以看到质点的振动方向是这样振动的

所以说它引起的是地面的左右的摇晃

对于纵波和横波

我们来看一下它的波速

可以看到

纵波的波速大概是1.67倍的横波的波速

所以说纵波的传播的速度会比较快

横波会慢一点

下面我们来看一下面波

面波指的是沿地球表面及其附近传播的波

面波是体波

经过地层界面多次反射之后

形成了次生波

面波所包括瑞雷波和洛夫波

瑞雷波又称之为R波

它的振动方式看这个图，质点在波的传播方向和地表法向组成的平面内做逆进的椭圆运动

就是一个逆椭圆运动

瑞雷波引起的地面运动

以垂直运动为主

瑞雷波的波速比横波稍慢一点

大概是0.9倍左右

洛夫波又称之为L波

质点在与波的传播方向

垂直的水平方向运动

也就是在地面上呈蛇形的运动

大家可以看一下这个图

洛夫波引起的地面运动以左右摇晃为主

所以说它也是引起地表的左右的晃动

洛夫波的波速与它的波长和频率有关

相对来说传播速度也比较慢

下面我们来看一下面波的特点

根据我们刚才的介绍的面波是周期比较长

振幅比较大

由于只在地表附近传播

所以说衰减会比体波慢

影响范围广

根据我们刚才的介绍

地震波的传播速度

纵波最快

横波次之

面波最慢

从振动幅度来说

纵波振幅比较小

而面波和横波振幅比较大

所以在地震发生时

中心区的人们的感觉是先上下颠簸

然后左右摇晃

当横波和面波到达的时候

地面的振动最为猛烈

产生的破坏也最大

这是一个地震波的波形图

前面的是

纵波

后面的是横波

后面到达的是面波

从这个图可以看到纵波振幅比较小

横波和面波的振幅比较大

下面介绍一个概念

地震预警

这些年大家在新闻中经常能够听到或者是看到地震预警这个名词

地震预警利用的就是纵波

传播速度比较快

而振幅比较小

破坏力比较小这个特点

当某一次地震发生之后

迅速监测到纵波的传播

推算出来这次地震的震级

然后

对相关地区发出地震预警

给大家一个

提前准备的时间

从而减少震害

这是地震预警的作用

相信以后地震预警这一块会逐渐的发展起来

五、地震动

地震动是由地震波引起的

地表附近土层的振动

包括地震动的加速度、速度和位移

一般通过记录地面运动的加速度来了解地震动的特征

地震动的特征

主要是通过地震动的三要素来反映

一、地震动的峰值

它是定量的反映

地震动的强度特性

主要反映地震动的峰值的大小

地震动峰值越高

它的强度就越高

地震动峰值受震级、震源机制、震中距

传播途径、结构和局部地形条件等影响

通常

近场基岩上的加速度峰值会大于软弱

场地上加速度峰值

而远场则正好相反

这是对于地震动峰值强度特性的介绍

二、频谱

地震的频谱特征反映的是地震动的振幅与频率或者是周期之间的一个关系

反映其周期分布特征

目前常用的频谱主要有反应谱、功率谱、傅里叶谱等

其中地震动反应谱已经被各国的设计规范

所广泛采用

我国的抗震设计规范也主要是依据地震动的反应谱来进行的，地震动频谱特性受震级、震源机制、震中距

场地条件等因素的影响

通常震级越大

震中距越远地震动记录中的长周期也就是低频

分量越显著

软土地基上地震动记录，它的卓越周期会比较显著

以长周期成分为主

而硬土地基上地震动的记录

包含多种频率成分

地震动频谱对于我们的结构的地震反应有较大的影响

比如1962年的墨西哥地震中

由于墨西哥城

它主要是以软弱地基为主的

所以说地震动的频谱特征主要就是以长周期、低频分量为主

虽然这一次地震的加速度峰值比较小

只有0.05g

但是却造成了墨西哥市高层建筑的严重破坏

而多层房屋则破坏较轻

主要原因就是地震动中的长周期成分比较明显

而高层建筑周期比较长

所以说二者结合之后

就会对高层建筑的破坏比较明显

而多层房屋由于它的自振周期相对来说比较短

从而远离地震动的

卓越周期

所以说它的震害相对来说就比较轻

这是地震动频谱对我们结构的一个影响

三、持续时间

强震持续时间可以反映地震动循环作用程度的强弱

持续时间越长

地震动对我们结构循环加载的次数就越多

结构受到的破坏可能就越大

工程上常采用有效持时来表示

地震动的持续时间，一般是取超过

一定加速度值

比如说取最大峰值的10%

这样作为一个阀值，超过10%的第一个峰值和最后一个峰值之间

这个时间把它称之为地震动的持续时间

对这种持时对结构的影响

主要在结构的非线性反应阶段

因为持续时间反映了对结构反复加载的次数

在弹性阶段

我们对结构反复加载的次数

对结构的影响相对来说是比较小的

但是在非线性阶段

结构初期产生了一定破坏之后

再对它循环加载

次数越多

结构的损伤累积越大

结构的破坏就会严重

比如1962年墨西哥地震

震级为6.8级

其中阿卡普尔地区震中距为60公里

加速度峰值为0.27g，强震的持续时间

非常短

只有8秒

所以说当地的烈度为五度

而1949年美国奥林匹亚地震，震级7.1级

二者差不多，一个,6.8

一个7.1，震中距是40公里

加速度峰值比较小

只有0.07g，但是强震的持续时间较长

达到了20到45秒

这样一来

循环加载的次数就比较多

对结构的破坏就比较大

当地的烈度达到了七度

那么通过这个例子对比

我们就可以知道强震的持续时间对结构也有比较大的影响

那么综合以上的各类结构的震害

主要就是由于地震动峰值、频谱和持续时间这三个基本要素综合影响

达到了一个结果

所以说我们把这三个方面称之为地震动的三要素

好

本节内容到此结束

谢谢大家