概論-地球物理2

1地球科學概論-地球物理學地球科學概論地球物理學IntroductiontoGeophysics教員：王彥賓

地球物理學系2012-2013學年第一學期2地震學與地球內部物理SeismologyandPhysicsoftheEarthInterior3地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學4地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學5地震學的起源地震是活動的地球表現(xiàn)出來的一種自然現(xiàn)象。地球在整個地質時期都經受過地震，在人類文字記載之前，活動斷層上的古地震標志顯示出地質歷史上的地震活動。

6地震學的起源人類關于地震的文字記載可追溯到過去的幾千年。在中國，學者們曾從很早以前的歷代王朝文獻、文學作品及其他來源得到地震證據(jù)。最早的可追溯到公元前1831年的山東省地震，據(jù)《竹書記年》記載：“夏帝發(fā)七年（公元前1831年）泰山震”。從公元前780年起中國北部的地震記載就已經相當完整了。更早的地震文字記載包括象形文字記載是在中東和阿拉伯，在這些地區(qū)，我們可以把地震記載追溯到公元前40世紀。在記載中，地震給人們的印象就是一場災難。大的地震導致歷史上一些最重大的災害，沒有其它自然現(xiàn)象能在那樣大的面積、那樣短的時間里，造成如此大的破壞。地震甚至能使山川道路等地貌全然改觀，其威力可見一斑。

7地震學的起源根據(jù)考證，古代世界的七大奇跡都毀于地震災害。8地震學的起源地震到底是怎么回事？這是人們一直在思考、探索的問題。在古代世界很多地震區(qū)人民對地震都有宗教性的解釋，對古代地震的許多引喻可在《圣經》和當時其他宗教著述中見到。古代日本人認為是一種鯰魚的翻身造成了地震，印度人認為是地下的大象發(fā)怒引發(fā)了地震，古代中國人則把地震歸因于抽象的“陰陽失調”，把地震與其他自然災難聯(lián)系起來，諸如洪水、干旱和瘟疫等，并從超自然的關系中尋求原因。

9地震學的起源早在希臘科學發(fā)展的早期，其實踐者已開始考慮用地震的物理原因取代民間傳說和神話提示的神學原因。第一個這樣的論述是由希臘學者亞里士多德（Aristotle）（公元前384～322年）發(fā)起的。亞里士多德原理認為地下洞穴將像暴風雨云造成閃電一樣產生火。這股火將快速上升，如遇阻，將強烈爆發(fā)穿過圍巖，引起震動和聲響。古羅馬學者塞尼卡（Seneca）（公元前4年至公元65年）在其著作《自然界的問題》中提出他自己的地震成因解釋，其原理與他前輩的原理相反。他的著作部分地受到意大利公元63年大地震的啟示。塞尼卡推測震動是空氣尋路鉆入地下通道的結果。當空氣受壓縮時，產生強風暴，當它們破土而出抵達地面時造成廣泛的破壞。風/氣體模型的解釋持續(xù)到1700’s。

10地震學的起源真正對地震的科學認識始于東漢陽嘉元年(公元132年)

張衡侯風地動儀的出現(xiàn)。候風地動儀是基于這樣一種對于地震的本質性的科學理解，即地震是一種遠方傳過來的地面震動。而這一概念建立了地震和地震波的直接聯(lián)系，這一概念直到18世紀才被西方科學家所重新確認。候風地動儀的出現(xiàn)以及它所基于的這樣一種科學思想實際上代表了地震科學的開始。11地震學的起源1755年里斯本地震是迄今歐洲最大的地震，這個地震在歐洲的許多地區(qū)都有感，里斯本建筑物倒伏嚴重，約6萬人死亡，這一地震對地震科學研究起了關鍵性的促進作用。對這一地震的調查標志著現(xiàn)代地震學研究的開始。首相斯巴迪恩·馬盧（SebastiaodeMelo)除了進行重建外，還對各個教區(qū)因地震而影響的情況進行了咨詢，問題包括：地震持續(xù)了多久？地震后出現(xiàn)了多少次余震？地震如何產生破壞？動物的表現(xiàn)有否不正常？水井內有什么現(xiàn)象發(fā)生？當時對這些問題的答案現(xiàn)在還存放于葡萄牙國家檔案館。因為馬盧是第一個對地震的經過和結果進行客觀科學描述的人，他也被認為是現(xiàn)代地震學的先驅。12地震學的起源里斯本地震是最早的現(xiàn)代“地震學之父”之一的英國工程師米歇爾（John

Michell）（1724～1793年）靈感的主要源泉。在1760年，雖然他對地震成因還沒有得到正確的認識，但那時他寫的有關地震的研究報告中已試圖用牛頓的力學原理討論地震動。他相信“地震是地表以下幾英里巖體移動引起的波動”。他還把地震波分為兩類：迅速的震顫和接著而來的地面波狀起伏。米歇爾的一個重要結論是，地震波的速度能用地震波到達兩點之間的時間來實際測量。在審閱了見證人的報告之后，他計算出里斯本地震的波速約為500米/秒。即使米歇爾得到的數(shù)值未必準確，但他首次作出這類計算的貢獻不可磨滅。13地震學的起源1

8世紀中期在牛頓力學影響下的科學家和工程師開始發(fā)表研究報告，把地震和穿過地球巖石的波聯(lián)系起來。19世紀理論上的發(fā)展包括：1821-1822：彈性力學基本方程的提出（NavierandCauchy）1830：Poisson通過計算證實均勻固體介質中只能傳播兩種彈性波（P和S波）1859：愛爾蘭工程師羅伯特·馬萊對1857年意大利地震的野外研究為現(xiàn)代地震學奠定了堅實的基礎。馬萊作出了第一個現(xiàn)代地震目錄，超過6800條，給出地震的位置和影響。他推斷出地震波在不同物質中傳播速度不同。人們首次清楚地理解地震波受其通過的不同類型巖石的物理性質的影響。馬萊是第一個試圖通過觀測來確定地震位置的先驅。14地震學的起源1

883：美國地質學家G.K.Gilbert發(fā)現(xiàn)地震與斷層的聯(lián)系。1887,1911：英國科學家LordRayleigh和A.E.H.Love發(fā)現(xiàn)沿自由表面存在的面波。1906：美國工程師H.F.Reid根據(jù)舊金山大地震的地表觀測提出震源的彈性回跳理論。15地震學的起源觀測儀器的發(fā)展：132年：東漢時期張衡發(fā)明了侯風地動儀，138年記錄到發(fā)生在甘肅省內的一次地震，可以說這是人類歷史上第一臺地震儀。1875年，意大利人FilippoCecchi發(fā)明了放大倍數(shù)僅2倍的兩分向地震儀。1879年，在日本任教的英國學者米爾恩(MilneJohn)和跟他一起來日本的格雷(GrayT.)和伊文(EwingJ.A.)同日本科學家合作，研制成功具有現(xiàn)代地震學意義，稱其為科學儀器的“擺式地震儀”。16地震學的起源觀測儀器的發(fā)展：1889年：德國Potsdam的擺式地震儀記錄到了日本發(fā)生的地震，這是第一個遠震記錄。1898年：德國地震學家維歇爾特(E.Wiechert)研制了了帶阻尼的地震儀，記錄信號的帶寬有了進一步提高。1906年，俄國地震學家伽利津(B.B.Galitzen)成功地研制出第一臺電磁式地震儀，并首次引入了電流計記錄。并在俄國建立了地震臺網。

1906年，分布在世界上的十幾臺地震儀記錄到美國舊金山大地震的地震圖。17地震學的起源20世紀初由于地震波的記錄和分析，使地震學從宏觀描述向數(shù)理科學的方向發(fā)展，擴展了研究領域，出現(xiàn)了一些分支學科，并有了多方面的應用。發(fā)展形成為一個獨立的研究領域。二十世紀是地震學全面、迅速發(fā)展的時期，其特征表現(xiàn)在：1、觀測儀器的精度不斷提高，觀測臺站的不斷增多2、觀測數(shù)據(jù)的數(shù)量增多、質量提高3、地震波傳播理論與震源理論的發(fā)展4、地震學應用領域的不斷擴展5、對地球內部物理認識的不斷加深6、地震學研究的廣泛開展，中國、世界所有發(fā)達國家都在開展研究。7、行星地震學研究的開展18地震學的起源現(xiàn)代地震學在中國的發(fā)展：中國的現(xiàn)代地震學，是從19世紀末、20世紀初外國傳教士在中國領土上建立觀象臺、進行地震觀測開始的。中國學者的地震研究開始于1917年安徽霍山地震和1918年廣東南澳地震。1920年寧夏海原地震的考察：翁文灝于1920年代發(fā)表的一系列關于地震構造、歷史地震和地震前兆的論文，是中國近代地震研究的最早的論文。19地震學的起源現(xiàn)代地震學在中國的發(fā)展：1930年，在翁文灝主持下，中央地質調查所在北京鷲峰建立地震觀象臺，使用外國儀器，由李善邦負責籌建和技術管理。1931年，在竺可楨主持下，中央研究院氣象研究所在南京北極閣建立地震臺，使用外國儀器，由金詠深負責籌建和技術管理。這兩個地震臺于1937年日軍侵華時中止記錄。1943年，遷往重慶北碚的李善邦自行設計制成“霓式”地震儀，建立北碚地震臺，這是當時中國大陸唯一的地震臺，該臺于1946年遷往南京。20地震學的起源現(xiàn)代地震學在中國的發(fā)展：1946年，留學美國的傅承義在美國《地球物理》雜志上發(fā)表一系列關于地震波理論的論文，并因這些論文后來被《地球物理》雜志在“銀刊紀念”時評為經典作者。傅承義于1947年回國，主持中央研究院氣象研究所的地震研究。20世紀前半葉是經典地震學的創(chuàng)業(yè)時代，其主體結構都是在這一期間形成的。由于中國當時的社會環(huán)境，除地震波理論中的一些問題之外，中國實際上沒有、也不可能對當時世界地震學的發(fā)展做出與一個“地震大國”相匹配的貢獻。21地震學的起源現(xiàn)代地震學在中國的發(fā)展：1953年，中國科學院地震工作委員會成立，由李四光、竺可楨任正副主任。1953開始陸續(xù)在北京地質學院(1953年)、北京大學(1956年)、中國科學技術大學(1958年)等高等院校開始地球物理專業(yè)人才的培養(yǎng)。1966年河北邢臺地震后，在周恩來總理主持下，國家科委組織中國科學院、石油部、地質部、國家測繪總局等單位以及一些高等院校進行現(xiàn)場觀測，開展地震預測研究。我國大規(guī)模的地震預測研究自此開始。1969年，在周恩來主持下，成立了中央地震工作小組。1971年成立了國家地震局(1998年改為中國地震局)。22地震學的起源現(xiàn)代地震學在中國的發(fā)展：1975年，主要以前震信息、地球物理場的異常信息和宏觀異常信息為基礎，中國地震專家對2月4日遼寧海城7．3級地震做出了成功的臨震預報，有效地避免了傷亡和損失。這次地震的預報被認為是人類歷史上第一次具有科學意義和社會效益的成功的強震預報。。從1970年代末，中國開始參加國際大地測量和地球物理學聯(lián)合會(IUGG)以及國際地震學與地球內部物理學協(xié)會(IASPEI)的活動。1978年以后，中國地震研究逐步開始全方位的對外開放，并在國際地震研究中發(fā)揮愈加積極的作用。中國專家在聯(lián)合國組織的“國際減災十年計劃”(IDNDR)等國際科技合作計劃中發(fā)揮了重要作用。23地震學的起源現(xiàn)代地震學在中國的發(fā)展：1990年代，由中國和其他亞洲國家的地震專家發(fā)起，成立了IASPEI亞洲地震委員會(ASC)。1996年ASC在唐山正式宣告成立，ASC秘書處從成立起一直設在中國。從1980年代起，中國向國外大量派遣留學人員和訪問學者，留學、訪問回國的學者中的很多人，后來成為中國地震研究的骨干。旅居海外的華人、華僑學者，在地震學研究和中外地震科技交流方面也做出了重要貢獻。24地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學25地震學的定義：根據(jù)中國大百科全書的地震學（Seismology）條目（傅承義，1985）：研究固體地球的震動和有關現(xiàn)象的一門科學，固體地球物理學的一個重要分支。它不僅研究天然地震，也研究某些人為的或自然因素造成的（如地下爆炸、巖漿沖擊、巖洞塌陷等）地的震動。26地震學的定義：根據(jù)QuantitativeSeismology(2ndEdition,byAki-Richards,2002):

“SeismologyisthescientificstudyofmechanicalvibrationsoftheEarth.Quantitativeseismologyisbasedondatacalledseismograms,whicharerecordingsofthevibrations,whichinturnmaybecausedarteriallybyman-madeexplosions,orcausednaturallybyearthquakesandvolcaniceruptions.”27地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學28地震學的研究內容：1、通過解釋地震圖，來揭示：地球（包括其他天體）內部結構（深部、淺部）地震震源過程、機理地震引起的地面震動火山、礦山塌陷、核爆炸以及其他任何引起地表震動的現(xiàn)象（或事件）。。。。。。2、以多學科的方法與手段研究天然地震現(xiàn)象本身，認識地震、火山、海嘯等災害的發(fā)生機理，為減輕、抵御、乃至最終預測地震災害29地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學30地震波的傳播：31地震波的傳播：現(xiàn)代地震學的創(chuàng)始人之一，俄國地震學家伽利津(B.B.Galitzen)有一句名言，“可以把一次地震比作一盞明燈，它點燃的時間雖短，但可照亮地球的內部”。這盞明燈的光線就是地震波。地震波：由地震震源發(fā)出的在地球介質中傳播的彈性波。地震發(fā)生時，震源區(qū)的介質發(fā)生急速的破裂和運動，這種擾動構成一個波源。由于地球介質的連續(xù)性，這種波動就向地球內部及表層各處傳播開去，形成了連續(xù)介質中的彈性波。

32連續(xù)介質力學的基本概念

“連續(xù)介質”假設：我們所要研究的對象包含大量的“微觀粒子”（質點），宏觀上把它視為“連續(xù)體”，即：它的物理性質是連續(xù)變化的。利用“微元分析”的方法，將牛頓力學用于該“連續(xù)”介質，從而建立連續(xù)介質力學的基本方程（偏微分方程）。根據(jù)宏觀實驗規(guī)律，建立“本構方程”。聯(lián)立求解“連續(xù)介質力學的基本方程”與“本構方程”。33

xyzdV=dxdydz

微元（dV）既是“宏觀”的概念(包含大量的微觀“粒子”）；也是“微觀”的概念（與所研究問題的特征尺度相比），在宏觀上可以被當作“質點”處理；假定（質點）牛頓定律在微元適用。34彈性體介質的彈性性質(elastic)：DLs未加載

加載卸載35應力、應變及廣義胡克定律hDhAF截面積：作用在A上的拉力胡克定律：在彈性限度內，物體的形變跟引起形變的外力成正比。

應力：應變：36

xyz(x,y,z)

一般情況下，物體的變形用位移場或形變場描述。

因此，一般情況下的應變用位移場來描述。37

一個簡單例子（一維情況）

xx+Dxxx+Dxu(x)x+Dx+u(x+Dx)x+uFDx38彈性波動方程一維彈性縱波波動方程xx+DxDxx體積元所受到的和力：體積元的慣性力：39一維彈性縱波波動方程(1)

利用牛頓定律得到：（一維彈性動力學方程）結合胡克定律得到：（)E：介質的彈性模量40一維彈性縱波波動方程（2）

其中，41一維彈性橫波波動方程(1)x體積元所受到的和力：體積元的慣性力：zDirectionofpropagationSheardisplacementFzw(x)w(x+dx)xAFzz-axisx-axisxx+dx42一維彈性橫波波動方程(1)

利用牛頓定律得到：（一維彈性動力學方程）結合胡克定律得到：（)μ：介質的剪切模量43一維彈性橫波波動方程（2）

其中，44地震波在無界彈性介質中，存在兩種基本類型的彈性波：縱波（Longitudinalwave,orCompressionalwave)--質點振動方向與振動（能量）傳播方向一致

--傳播速度為：(2)

橫波（Transversewave,orShearwave)--質點振動方向與振動（能量）傳播方向垂直

--傳播速度為：縱波速度比橫波速度大（一般為：）因此，在地震記錄上縱波總是首先到達。所以，縱波也被稱為P波（Primarywave）

橫波也被稱為S波（Secondarywave）45縱波橫波46縱波橫波47

在一定的邊界條件下，彈性波動方程還給出面波和自由振蕩解。當P波和S波到達地球的自由面時，在一定條件下會產生沿地球表面?zhèn)鞑サ拿娌?，面波包括瑞利波（Rayleighwave）和勒夫波（Lovewave）兩種。勒夫波和瑞利波的速度總比P波小，與S波的速度相等或小一些。48面波的類型

Rayleigh波Rayleigh波Love波Rayleigh波勒夫波的質點偏振方向與傳播方向垂直，為水平方向的剪切運動方式。瑞利波的質點偏振在沿傳播方向的平面內，呈現(xiàn)與傳播方向相反的橢圓運動軌跡。49面波的類型

Love波Rayleigh波50地球自由振蕩(FreeOscillationoftheEarth)

環(huán)型振蕩球型振蕩51地球自由振蕩(FreeOscillationoftheEarth)

0S0:?balloon?or?

breathing

?:radialonly(20.5minutes)0S2

:?football?mode(Fundamental,53.9minutes)0S3

:(25.7minutes)0S29

:(4.5minutes)......Rem:0S1=translation...52地球自由振蕩(FreeOscillationoftheEarth)

1T2

(12.6minutes)0T2

:?twisting?mode(44.2minutes,observedin1989withanextensometer)0T3(28.4minutes)Rem:0T1=rotation

0T0=notexisting53一個近震的地震圖，地震圖也被稱為地震記錄54一個遠震的地震圖，可以看到體波和面波55印尼地震的遠震地震圖，可以看到自由震蕩波形56地震波傳播

地震波與其它波動現(xiàn)象（如，光波、電磁波）一樣，有反射、透射、衍射、散射等現(xiàn)象；也滿足：惠更斯原理（Huygens’Principle)和費爾馬原理（Fermat’sPrinciple)。但控制地震波傳播的最基本原理仍是牛頓定律，即：牛頓定律在連續(xù)介質力學中的表達形式57費爾馬原理

（Fermat’sPrinciple）光學中的Fermat定理：

“光在介質中傳播的路徑為走時（travel-time)最小的路徑”地震學中的Fermat定理：

地震波在介質中傳播的路徑為走時最小的路徑.

地震學中的Fermat定理不是永遠成立，是高頻情況下地震波波動方程的漸近解。58地震射線(SeismicRay)能量束，能量分布呈高斯分布（GaussianBeam)能量束的寬度（d）反比于頻率（f）：

d當時，能量束成為“線”（射線）59非均勻介質中的地震射線

射線（Ray)60Fermat原理在地震學中的應用（1）

---

Snell定律入射波（IncidentWave）反射波（ReflectedWave）透射波（TransmittedWave）Snell定律：61射線AOB的走時為：Fermat原理Fermat原理Snell定律Fermat原理Snell定律（1）反射點x應使t大到最小值。即：rhABLxL-xV2V1o62rhABLxL-xV2V1o射線AOB的走時為：Fermat原理Fermat原理Snell定律Fermat原理Snell定律（2）反射點x應使t大到最小值。即：63射線參數(shù)

p

是射線參數(shù)。對于給定的射線,射線參數(shù)是一常數(shù)，即在射線傳播過程中保持不便。646566臨界透射當V2

>V1

時,存在臨界角滿足：即：問題：此時射線參數(shù)為何值？67首波的射線參數(shù)68ABV2V1oABV2V1oV2>V1存在臨界角

,滿足:

ABV2V1OPV2首波,側面波（Headwave）6970地震波走時方程走時方程：

T-X

關系71反射波的走時方程（1）72反射波的走時方程（2）

走時方程：T-X

關系T0X073直達波的走時方程V1XsXTSlope=dT/dX=1/V174首波的走時方程走時方程：T-X

關系75直達波、反射波和首波76多層介質、垂向連續(xù)變化介質中地震波的射線XXzVz77zVzHX多層介質、垂向連續(xù)變化介質中地震波的射線78球對稱介質中的地震射線79球對稱介質中Snell定律dr1r2oCAB80球對稱介質中Snell定律dr1r2oCAB在射線傳播過程中是一不變量。（射線參數(shù)）注意：球對稱介質中的射線參數(shù)與垂向變化介質中的射線參數(shù)不同。8182介質存在高速層時地震射線的時距曲線時(間)(震中)距曲線走時方程83介質存在低速層時地震射線的時距曲線84介質存在高速層時地震射線的時距曲線85介質存在低速層時地震射線的時距曲線86地球深部構造及地震射線87地球內部結構PREM模型88地殼構造及地震射線地殼震相:Pg、PmP、Pn89地殼構造及地震射線90上地幔構造及地震射線91下地幔、地核構造及地震射線震相：

PSpsKIJci92下地幔、地核構造及地震射線93下地幔、地核構造及地震射線94下地幔、地核構造及地震射線P波影區(qū)PwaveshadowzoneS波影區(qū)Swaveshadowzone95地球內部結構非均勻性與地震波傳播96地球內部結構非均勻性與地震波傳播97地球內部結構非均勻性與地震波傳播98地球內部結構非均勻性與地震波傳播99地球內部結構非均勻性與地震波傳播100地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學101地震儀原理與地震圖張衡地動計(Seismoscope)102103地震儀(Seismometer)104105現(xiàn)代地震儀106地震圖(Seismograms)＊地震圖也被稱為地震記錄107108第一個遠震記錄：在德國Potsdam記錄到的日本發(fā)生的地震1091906年舊金山地震記錄110

全球地震臺網GSN

(GlobalSeismicNetwork)由128個超寬頻帶數(shù)字式觀測臺組成為研究地球構造與地震而設立的極高質量的標準地震臺

111112地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學113地球內部結構的確定地震波傳播速度：P波S波地震波旅行時間推斷的波傳播速度隨深度變化可以給出地球介質參數(shù)隨深度的變化，進而推斷地球內部溫度、壓力、物質組成隨深度的變化。地震波在界面上的反射、透射可以在地震圖上記錄到，根據(jù)觀測地震圖，可以推斷地球內部界面的深度與物理性質變化。114地球內部結構的確定1151906年：外核的發(fā)現(xiàn)(Oldham）1161909年：莫霍面的發(fā)現(xiàn)(Mohorovicic）1171909年：莫霍面的發(fā)現(xiàn)(Mohorovicic）1181913年：古登堡古面的發(fā)現(xiàn)(Gutenberg）1191936年：內核的發(fā)現(xiàn)(IngeLehmann）1201939年：Jerffreys-Bullen理論走時曲線1211977年：地震層析成像

(Aki,Christofferson,Husebye)1221981年：地球內部結構PREM模型1231991年：地球內部結構(IASPEI91)模型124地震層析成像(SeismicTomography)醫(yī)學上的CT:

ComputerizedTomography地震學上的CT:

SeismicTomography

三維速度結構（3Dvelocitystructure)Aki,Christofferson,Husebye(1977)----ACH方法125地震層析成像(SeismicTomography)126地震層析成像(SeismicTomography)127北京及周邊地區(qū)地殼地震層析成像128北京及周邊地區(qū)地殼地震層析成像129北京及周邊地區(qū)地殼地震層析成像130北京及周邊地區(qū)地殼地震層析成像131北京及周邊地區(qū)地殼地震層析成像132北京及周邊地區(qū)地殼地震層析成像133134135地震層析成像(SeismicTomography)射線理論面波自由振蕩136137核幔邊界結構確定138核幔邊界結構確定139北京異?！癇eijinganomaly”-地幔結構確定140地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學141Description&MeasurementofEarthquake震源(focus,hypocenter)：震源深度(focaldepth):震源距(hypocenterdistance):震中(epicenter)：震中距(epicenterdistance):地震震級(Magnitude):地震烈度(Intensity):142Description&MeasurementofEarthquake震源(focus,hypocenter)：是地球內發(fā)生地震的地方。震源深度(focaldepth):震源垂直向上到地表的距離是震源深度。

震源距(hypocenterdistance):地面上受地震影響的任何一點到震源的距離，稱為震源距離（簡稱震源距）。143Description&MeasurementofEarthquake震中(epicenter)：震源上方正對著的地面的地方稱為震中。震中距(epicenterdistance):地面上受地震影響的任何一點到震中的距離，稱為震中距離（簡稱震中距）。144Description&MeasurementofEarthquake地震震級(Magnitude):地震震級是描述地震大小的一種基本參數(shù)，它代表地震本身的強度或所釋放的能量大小。地震烈度(Intensity):用來衡量某一地點地震動或震害強烈程度的一種標尺，通常把地震對地面所造成的破壞或影響的程度叫地震烈度。它表示地震時某地點地面的地震動和所受震害程度。

145HypocenterdistanceEpicenterdistance震中距hypocenter震源震中震源距146LocationofEpicenter147地震震級(Magnitude):體波震級(RichterScale):面波震級:地震矩震級:A的單位微米()148地震震級(Magnitude):體波震級(RichterScale):面波震級:地震矩震級:A的單位微米()149地震震級(Magnitude):弱震：震級小于3級的地震；有感地震：震級等于或大于3級、小于或等于⒋5級的地震；中強震：震級大于⒋5級，小于6級的地震；強震：震級等于或大于6級的地震。其中震級大于或等于8級的又稱為巨大地震。3級以下的地震人無感覺，稱為微震；5級以上的地震具有不同程度的破壞性，稱為破壞性地震。汶川地震：Ms8.0

里氏震級與能量的關系LogE=11.8+1.5M

里氏震級能量(ergs)倍數(shù)12.0X10133126.3X101432.0X10163146.3X101752.0X10193166.3X102072.0X10223186.3X1023150地震烈度（Intensity)

中國地震烈度表烈度Ⅰ人的感覺無感大多數(shù)房屋震害程度

平均震害指數(shù)

其他現(xiàn)象

加速度，mm/s2(水平向)

速度，mm/s2(水平向)

烈度Ⅱ人的感覺室內個別靜止中大多數(shù)房屋震害程度

平均震害指數(shù)

其他現(xiàn)象

加速度，mm/s2(水平向)

速度，mm/s2(水平向)

151地震烈度（Intensity)

中國地震烈度表烈度Ⅲ人的感覺室內少數(shù)靜止中的人感覺大多數(shù)房屋震害程度門、窗輕微作響平均震害指數(shù)

其他現(xiàn)象懸掛物微動加速度，mm/s2(水平向)

速度，mm/s2(水平向)

烈度IV人的感覺室內多數(shù)人感覺；室外少數(shù)人感覺；少數(shù)人夢中驚醒大多數(shù)房屋震害程度門、窗作響平均震害指數(shù)

其他現(xiàn)象懸掛物明顯擺動，器皿作響加速度，mm/s2(水平向)

速度，mm/s2(水平向)

152地震烈度（Intensity)

中國地震烈度表烈度V人的感覺室內普遍感覺；室外多數(shù)人感覺；多數(shù)人夢中驚醒大多數(shù)房屋震害程度門客、屋頂、屋架顫動作響，灰土掉落，抹灰出現(xiàn)微細裂縫平均震害指數(shù)

其他現(xiàn)象不穩(wěn)定器物翻倒加速度，mm/s2(水平向)

310

（220-440）速度，mm/s2(水平向)

30

（20-40）烈度Ⅵ人的感覺驚慌失措，倉惶逃出大多數(shù)房屋震害程度損壞---個別磚瓦掉落、墻體微細裂縫平均震害指數(shù)0-0.1其他現(xiàn)象河岸和松軟土上出現(xiàn)裂縫。飽和砂層出現(xiàn)噴砂冒水。地面上有的磚煙囪輕度裂縫、掉頭加速度，mm/s2(水平向)

630

（450-890）速度，mm/s2(水平向)

60

（50-90）153地震烈度（Intensity)

中國地震烈度表烈度Ⅶ人的感覺大多數(shù)人倉惶逃出大多數(shù)房屋震害程度輕度破壞---局部破壞、開裂，但不妨礙使用平均震害指數(shù)0.11-0.30其他現(xiàn)象河岸出現(xiàn)坍方。飽和砂層常見噴砂冒水。松軟土上地裂縫較多。大多數(shù)磚煙囪中等破壞加速度，mm/s2(水平向)

1250

（900-1770）速度，mm/s2(水平向)

130

（100-180）烈度Ⅷ人的感覺搖晃顛簸，行走困難大多數(shù)房屋震害程度中等破壞-結構受損，需要修理平均震害指數(shù)0.31-0.50其他現(xiàn)象干硬土上亦有裂縫。大多數(shù)磚煙囪嚴重破壞加速度，mm/s2(水平向)

2500

（1780-3530）速度，mm/s2(水平向)

250

（190-350）154地震烈度（Intensity)

中國地震烈度表烈度Ⅸ人的感覺坐立不穩(wěn)；行動的人可能摔跤大多數(shù)房屋震害程度嚴重破壞-墻體龜裂，局部倒塌，復修困難平均震害指數(shù)0.51-0.70其他現(xiàn)象干硬土上有許多地方出現(xiàn)裂縫，基巖上可能出現(xiàn)裂縫。滑坡、坍方常見。磚煙囪出現(xiàn)倒塌加速度，mm/s2(水平向)

5000

（3540-7070）速度，mm/s2(水平向)

500

（360-710）烈度X人的感覺X騎自行車的人會摔倒；處于不穩(wěn)狀態(tài)的人會掉出幾尺遠；有拋起感大多數(shù)房屋震害程度倒塌-大部倒塌，不堪修復平均震害指數(shù)0.71-0.90其他現(xiàn)象山崩和地震斷裂出現(xiàn)?；鶐r上的拱橋破壞。大多數(shù)磚煙囪從根部破壞或倒毀加速度，mm/s2(水平向)

10000

(7080-14140)速度，mm/s2(水平向)

1000

(720-1410)155地震烈度（Intensity)

中國地震烈度表烈度Ⅺ人的感覺

大多數(shù)房屋震害程度毀滅平均震害指數(shù)0.91-1.00其他現(xiàn)象地震斷裂延續(xù)很長。山崩常見?；鶐r上拱橋毀壞加速度，mm/s2(水平向)

速度，mm/s2(水平向)

烈度Ⅻ人的感覺

大多數(shù)房屋震害程度

平均震害指數(shù)

其他現(xiàn)象地面劇烈變化，山河改觀加速度，mm/s2(水平向)

速度，mm/s2(水平向)

156地震烈度（Intensity)157地震烈度（Intensity)158地震烈度（Intensity)159震級最大烈度160地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學161彈性回跳理論及其提出地震是由地下巖石的突然斷裂而造成的，地球內部的不斷運動造成地殼大規(guī)模變形是地震的根源，沿地震斷裂面的突然滑移是地震波能量輻射的直接原因。1906年發(fā)生的舊金山大地震，為理解什么是地震提供了直接的觀測事實。

美國工程師里德（Reid）根據(jù)這些該地震觀測結果，提出了地震的彈性回跳假說：地球深部的作用力使地震活動區(qū)巖石產生變形，隨時間增加變形漸漸變大。這種變形在很大程度上，起碼在大約千年尺度上，是彈性變形。舊金山地震前，包括圣安德烈斯斷層在內的廣大區(qū)域發(fā)生彈性變形，積聚了彈性能量，地震時，圣安德烈斯斷層發(fā)生錯動，釋放了積聚的能量，整個區(qū)域又回到原來的狀態(tài)。162地震震源彈性回跳理論(ElasticReboundTheory)：163地震震源彈性回跳理論(ElasticReboundTheory)：跨圣安德列斯斷層的籬笆在1906年舊金山地震之后發(fā)生3米的錯動。164震源輻射圖案（RadiationPattern):構造地震震源：

地球介質剪切破裂左旋斷裂與右旋斷裂165初動（FirstMotion)166167震源機制解

FocalMechanismSolution168震源機制解正斷層逆斷層169震源機制解走滑斷層170震源機制解與板塊邊界171震源機制解與板塊邊界172震源機制解與板塊邊界大洋中脊（正斷層）俯沖帶（逆斷層）轉換帶（走滑斷層）173震源機制解與板塊邊界174震源機制解與板塊邊界175震源機制解與板塊邊界176地震學對大地構造學說的確立做出了重要貢獻177復雜震源過程178復雜震源過程179汶川地震復雜震源過程180地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學181防震減災地震預測：地震危險性預測：抗震工程：工程地震學：地震工程學：182地震預測地震三要素：時間－空間－強度成功的地震預測：準確地預測出地震的三要素183地震預測我國是聯(lián)合國教科文組織認定的唯一對大地震作出過成功短臨預報的國家。1975年2月，我們成功地預報了遼寧海城7.3級地震，拯救了成千上萬人的生命。此外，我們對1976年松潘—平武間的7.2、6.7、7.2級地震，1976年鹽源一寧蒗間的6.7、6.4級地震，以及1998年寧蒗6.2級震群型地震等許多破壞性地震，也都作過不同程度的預報，取得了比較好的社會效益。但是，1976年的唐山7.8級大地震和2008年的汶川8.0級地震及其它不少破壞性地震，我們卻沒有作出預報。在世界上其它國家，包括象美國、日本等發(fā)達國家在內，地震預報也仍然處于探索階段，地震預報還遠遠沒有做到象天氣預報那樣準確。

184地震預測長期預報：十幾年至百年左右可能發(fā)生的地震;中期預報：幾個月至幾年可能發(fā)生的地震;短期預報：幾天至幾個月可能發(fā)生的地震;臨震預報：幾小時至幾天可能發(fā)生的地震。預報地震是人們長期的愿望，但由于地震是在地下發(fā)生的，不能直接觀察，更由于影響因素十分復雜，因此尚未完全解決，有成功的經驗，也有失敗的教訓。1851995-2001年全球4級以上地震震中分布圖

全球三個主要地震帶：環(huán)太平洋地震帶，歐亞地震帶，大洋海嶺地震帶和東非裂谷地震帶。地震主要發(fā)生在洋脊和裂谷、海溝、轉換斷層和大陸內部的古板塊邊緣等構造活動帶。186187我國地處全球兩大地震帶之間，是一個多地震國家，地震帶主要分布在：東南—臺灣和福建沿海一帶，華北—太行山沿線和京津唐渤地區(qū)，西南—青藏高原、云南和四川西部，西北—新疆和陜甘寧部分地區(qū)。中國是個多地震的國家188中國是個多地震的國家據(jù)歷史記載，幾乎各省都曾發(fā)生過破壞性地震。20世紀全世界發(fā)生的7級以上強震中，中國大陸占35%，有3次震級為8.5級以上的巨大地震發(fā)生在中國大陸。據(jù)統(tǒng)計，在全球10次死亡人數(shù)超過萬人的大地震中，總死亡人數(shù)達百萬，其中發(fā)生在我國的4次大震中死亡的人數(shù)占55%。所以，我國是世界上地震災害最為嚴重的國家之一。1891901975年2月4日海城7.3級大地震.死亡人數(shù)為1328人，是無地震警報和疏散居民情況下預期死亡人數(shù)的10%。

191地震危險性預測本地震烈度區(qū)劃圖上所標示的地震烈度值，系指在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇超越概率為10％的烈度值。該烈度值稱為地震基本烈度。192地震危險性預測193地震小區(qū)劃地震小區(qū)劃是指在城市或工程場區(qū)范圍內，反映局部工程地震條件下地震破壞作用差異的地震安全性評價成果。該成果是城市和工程場區(qū)編制土地利用規(guī)劃、制定防震減災對策的基礎資料，也是城市和工程場區(qū)內新建工程項目確定抗震設防要求的依據(jù)。地震小區(qū)劃包括地震動小區(qū)劃和地震地質災害小區(qū)劃。這些研究成果不僅依賴于對場地和區(qū)域地震與地質環(huán)境條件的研究；更重要的是必須建立在對場區(qū)范圍內局部工程地震條件的詳細勘探與測試的基礎上。其中，地震動小區(qū)劃應包括加速度峰值和反應譜小區(qū)劃；地震地質災害小區(qū)劃應包括砂土液化、軟土震陷、地震斷層、地震滑坡等內容。

194地震小區(qū)劃195地震小區(qū)劃各建設、勘察、設計、工程咨詢單位、施工圖審查機構，市、區(qū)有關管理部門:

為進一步提高我市建設工程的抗震設防能力,保障人民群眾的生命財產安全，根據(jù)《中華人民共和國防震減災法》、《地震安全性評價管理條例》（國務院令第323號）、《建設工程抗震設防要求管理規(guī)定》（中國地震局令第7號）和《湖北省工程建設場地地震安全性評價管理辦法》（省政府令第183號）,并結合我市實際，現(xiàn)就進一步加強我市建設工程抗震設防要求管理的有關規(guī)定，通知如下:

一、凡在我市行政區(qū)域內新建、擴建、改建的建設工程（含土木工程、建筑工程、線路管道和設備安裝工程）,必須達到抗震設防要求,并按國家有關抗震設防規(guī)定、規(guī)范進行勘察、設計和施工。

二、我市主城規(guī)劃區(qū)范圍以內的一般建設工程,必須按照國家批準的“武漢市主城規(guī)劃區(qū)地震動參數(shù)小區(qū)劃”結果進行抗震設防；主城規(guī)劃區(qū)范圍以外的一般建設工程按“中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖”(GB18306-2001)確定的抗震設防要求進行抗震設防。

三、我市主城規(guī)劃區(qū)按工程地質等情況，劃分為ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB、ⅡC、ⅢA、ⅢB七個設計地震動參數(shù)分區(qū)(詳見附件：“武漢市主城規(guī)劃區(qū)地震動參數(shù)小區(qū)劃圖”)，其中Ⅰ表示剝蝕丘陵區(qū)、Ⅱ表示老粘性土和隱伏老粘性土區(qū)、Ⅲ表示一般粘性土和淤泥質土區(qū)，A、B、C表示同一區(qū)中不同地震動參數(shù)分區(qū)，以上各區(qū)對應的基本地震烈度均為Ⅵ度。各分區(qū)對應于50年超越概率63%、10%和2%的地表水平向設計地震動峰值加速度及加速度反應譜(5%阻尼比)參數(shù)值如下表所示。

196設定地震模擬(Scenarioearthquakesimulation)197設定地震模擬(Scenarioearthquakesimulation)198設定地震模擬(Scenarioearthquakesimulation)199地震學是現(xiàn)代地球科學中年輕的、重要的學科200地震學與地球內部物理學地震學的起源地震學的定義地震學的研究內容地震波及其傳播地震儀原理與地震圖地球內部結構的確定地震的描述地震的產生地震預報工程地震勘探地震學201勘探地震學是勘探地球物理學的一個分支，它運用地震學理論和方法研究地球內部結構，利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態(tài)。地震勘探是鉆探前勘測石油與天然氣資源的重要手段，在煤田、某些金屬框得勘查和工程地質勘查、區(qū)域地質研究和地殼研究等方面，也得到廣泛應用。應用領域：勘探和開發(fā)利用石油與天然氣、地熱資源、金屬與非金屬礦藏、預測與預防（或防治）諸如地震、火山、滑坡及巖爆等、自然災害、保護與監(jiān)測地球生態(tài)環(huán)境、…地球物理勘探（特別是地震勘探），對資源的開發(fā)和利用起到了關鍵作用勘探地震學202天然地震學：

被動源方法（passivesourcemethod），觀測天然地震產生的地震波場。研究對象的尺度很大（幾百到幾千公里，甚至全部地球）?？碧降卣饘W：主動源方法（activesourcemethod），利用人工震源（人工爆破、空氣槍等）將信號傳入地下，然后記錄傳回地表的地震波場。研究對象的尺度較?。◣装倜椎綆坠锘驇资?、幾百公里）?？碧降卣饘W203勘探地震學的起源1851年：愛爾蘭工程師羅伯特·馬萊（RobertMallet）用炸藥激發(fā)的人工地震波來測量彈性波在地殼中的傳播速度。這可以說是地震勘探方法的萌芽。在第一次世界大戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)雙方都曾利用重炮后坐力產生的地震波來確定對方的炮位。幾位有關的人員后來都成為地震勘探方法的開拓者。

1913年左右：反射法地震勘探起源，加拿大發(fā)明家費森登（R.Fessenden）的提出反射地震學的想法，進行了嘗試工作,但當時在技術上尚未達到能夠實際應用的水平。1917年，他申請了該方法的專利并在第一次世界大戰(zhàn)期間用于探測潛艇。204勘探地震學的起源1916年：德國地球物理學家明特羅普（LudgerMintrop）設計出一種地震儀，申請了專利，其測量精度使得地震勘探從實用性、經濟性和精度上成為可能。1921年，他開辦了一個名為Seismos（地震的希臘語）的公司。Seismos使用這種技術為全球的石油公司鑒別可能含有石油的巖層。1921年：美國俄克拉何馬大學地球物理學家卡切爾(J.C.Karcher)把反射法投入實際應用，在俄克拉何馬州首次記錄到人工地震造成的清晰的反射波。1920年他和他人合作成立了地質工程公司。205勘探地震學的起源1930：根據(jù)反射法地震勘探的結果,在美國俄克拉何馬地區(qū)發(fā)現(xiàn)了3個油田，從此反射法進入了工業(yè)應用的階段。

1919年：折射法的實際應用開始于德國人明特羅普（LudgerMintrop），他于1919年申請到折射法的專利。從1924年開始的幾年內，利用折射法在墨西哥灣沿岸地區(qū)發(fā)現(xiàn)了很多鹽丘(一種儲油構造),其中有不少已成為高產油田。20世紀30年代末：蘇聯(lián)Г.А.甘布爾采夫等吸收了反射法的記錄技術對折射法作了相應的改進。早期的折射法只能記錄最先到達的折射波；改進后的折射法還可記錄后到的各個折射波，并可更細致地研究波形特征。中國于1951年開始正式進行地震勘探工作。206勘探地震學的作用現(xiàn)在的石油業(yè)，無論是采油的，煉油的，還是銷油的，都能掙到可觀的利潤，沒有那種產品能夠完全替代石油及石油衍生產品。

內燃機的誕生，使石油第一次成為動力源，成為推動人類文明不可替代的動力能。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，內燃機被普遍用于火車、汽車、飛機與輪船，大大刺激了對石油的需求。二戰(zhàn)后汽車進入家庭，石油業(yè)步入黃金時期，年需求量以6%的速度持續(xù)遞增，加上化工業(yè)的興起和發(fā)展，使石油成為今天人類賴以生存的基礎。

2008年全球500強企業(yè)前10名：1、美國?？松梨?ExxonMobil)，石油和石化，2、中國石油，石油和石化，4、俄羅斯天然氣工業(yè)公司(Gazprom)，石油和石化，9、英國皇家荷蘭/殼牌集團，石油和天然氣。207勘探地震學的作用中國石油需求：在經濟持續(xù)強勁增長的推動下，中國油氣產業(yè)在過去十年中發(fā)展十分迅猛。目前中國是世界上僅次于美國的第二大石油消費國，石油消費量約占全球總消費量的9%。盡管中國的油氣儲備十分龐大，但是需求的迅猛增長和相對不足的生產水平使中國從1994年就成為石油凈進口國。2004年，進口原油的數(shù)量占中國全年石油消費量的40%，這一比率還可能繼續(xù)上升。208勘探地震學的作用容易找到的石油都找到了，剩下的60%石油，由于地質更復雜，隱蔽性更強，常規(guī)勘探技術已解決不了，必須用最先進的技術才能找到。地震勘探技術當之無愧成為油氣藏勘探主角。地震勘探技術是當今發(fā)現(xiàn)新油氣資源的重要手段，巖石物理技術是了解地下巖石和液體聲波響應的最有效途徑，地震巖石物理技術有效地將地震勘探與巖石物理研究緊密聯(lián)系起來，成為油氣地球物理勘探的關鍵基礎研究領域之一，并于近十年來成功地推動了地震勘探技術的快速發(fā)展。幾乎所有的石油公司都依賴地震勘探資料來確定勘探和開發(fā)井位。三維地震勘探技術能提供豐富的地質細節(jié)，極大地發(fā)掘了油藏工程的潛力。在我國，自大慶油田