归东理工大军 今 SHANDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY oG 第四章.地震作用 §4-1地震的有关知识 §4-2地震作用 §43多质点体系的地震作用
2 第四章.地震作用 §4-1 地震的有关知识 §4-2 地震作用 §4-3 多质点体系的地震作用
§4.1地震的有关知识 为了减轻或避免地震带来的损失，就需要对地震有较深入的了解， 研究如何防止或减少建（构）筑物由于地震而造成的破坏。本节先就地 震的有关基本知识进行简要介绍。 一、地震的产生和类型 地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震， 它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来， 以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地 震约占地震总数的90%以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山 地震，约占地震总数的7%。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如 岩洞崩塌（陷落地震）、大陨石冲击地面（陨石冲击地震）等。 人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成 的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力， 有时也会诱发地震
3 §4.1 地震的有关知识 一、地震的产生和类型 地震分为天然地震和人工地震两大类。天然地震主要是构造地震， 它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来， 以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地 震约占地震总数的90%以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山 地震，约占地震总数的7%。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如 岩洞崩塌(陷落地震)、大陨石冲击地面(陨石冲击地震)等。 人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成 的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力， 有时也会诱发地震 为了减轻或避免地震带来的损失，就需要对地震有较深入的了解， 研究如何防止或减少建(构)筑物由于地震而造成的破坏。本节先就地 震的有关基本知识进行简要介绍
§4.1地震的有关知识 地震成因 引起构造地震的成因与地球的构造和地质运动有关，地球的构造如图4.1所示。 地壳 40km 2900 地幔 图4.1地球的构造 地壳是由各种结构不均匀、厚薄不一的岩层组成。地球上绝大部分地震 都发生在这一层薄薄的地壳内。 地幔主要是由两部分构成：外部主要是40~70m厚的结构较均匀的质地 坚硬的橄榄石岩层，内部是厚度约几百公里呈塑性状态并具有粘弹性质的软流 层。 到目前为止，所观测到的地震深度最深为700km,即地震仅发生于地球表 面部分 地壳内和地幔外部。 4
4 二、地震成因 引起构造地震的成因与地球的构造和地质运动有关，地球的构造如图4.1所示。 图4.1 地球的构造 地壳是由各种结构不均匀、厚薄不一的岩层组成。地球上绝大部分地震 都发生在这一层薄薄的地壳内。 地幔主要是由两部分构成：外部主要是 40～70km 厚的结构较均匀的质地 坚硬的橄榄石岩层，内部是厚度约几百公里呈塑性状态并具有粘弹性质的软流 层。 到目前为止，所观测到的地震深度最深为700km，即地震仅发生于地球表 面部分——地壳内和地幔外部。 §4.1 地震的有关知识
§4.1地震的有关知识 由地质勘探可知，地表以下越深，温度越高。经推算，地壳以下地幔 外部的温度大于1000℃，在这样的高温下，地幔的物质变得具有流动性， 又由于地幔越往地球内部温度越高，构成地幔热对流，引起地壳岩层的地 质运动。除地幔热对流外，地球的公转和自转、月球和太阳的引力影响等， 也会引起地质运动，但目前普遍认为地幔热对流是引起地质运动的主要原 因。 地球内部在运动过程中，孕育了巨大的能量，能量的释放在地壳岩层 中产生强大的地应力，使原本水平状的岩层在地应力作用下发生变形。当 地应力只能使岩层产生弯曲而未丧失其连续完整性时，岩层仅仅能够发生 褶皱；当地应力引起的变形超过某处岩层的本身极限应变时，岩层就发生 突然断裂和猛烈错动，而承受应变的岩层在其自身的弹性应力作用下发生 回跳，弹回到新的平衡位置。在回弹过程中，岩层中原先积累的应变能全 部释放，并以弹性波的形式传到地面，从而使地面随之产生强烈振动，形 成地震，如图4.2所示，这就是地震成因之一的断层说
5 由地质勘探可知，地表以下越深，温度越高。经推算，地壳以下地幔 外部的温度大于1000℃，在这样的高温下，地幔的物质变得具有流动性， 又由于地幔越往地球内部温度越高，构成地幔热对流，引起地壳岩层的地 质运动。除地幔热对流外，地球的公转和自转、月球和太阳的引力影响等， 也会引起地质运动，但目前普遍认为地幔热对流是引起地质运动的主要原 因。 地球内部在运动过程中，孕育了巨大的能量，能量的释放在地壳岩层 中产生强大的地应力，使原本水平状的岩层在地应力作用下发生变形。当 地应力只能使岩层产生弯曲而未丧失其连续完整性时，岩层仅仅能够发生 褶皱；当地应力引起的变形超过某处岩层的本身极限应变时，岩层就发生 突然断裂和猛烈错动，而承受应变的岩层在其自身的弹性应力作用下发生 回跳，弹回到新的平衡位置。在回弹过程中，岩层中原先积累的应变能全 部释放，并以弹性波的形式传到地面，从而使地面随之产生强烈振动，形 成地震，如图4.2所示，这就是地震成因之一的断层说。 §4.1 地震的有关知识
§4.1地震的有关知识 (a)岩层原始状态 (b)褶皱变形(c)断裂错动 图4.2构造运动与地震形成示意图 板块学说则认为，地壳和地幔外部厚70~100km的岩石层，是由欧 亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块等 大大小小的板块组成，类似一个破裂后仍连在一起的蛋壳，板块下面 是呈塑性状态并具有粘弹性质的软流层。软流层的热对流推动软流层 上的板块做刚体运动，从而使各板块互相挤压、碰撞，致使其边缘附 近岩石层脆性破裂而引发地震。板块学说更易于解释地球上的主要地 震带主要分布在板块的交界地区的原因，据统计，全球85%左右的地震 发生在板块边缘及附近，仅有15%左右发生在板块内部。 6
6 (a) 岩层原始状态 (b) 褶皱变形 (c) 断裂错动 图4.2 构造运动与地震形成示意图 板块学说则认为，地壳和地幔外部厚70～100km的岩石层，是由欧 亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块等 大大小小的板块组成，类似一个破裂后仍连在一起的蛋壳，板块下面 是呈塑性状态并具有粘弹性质的软流层。软流层的热对流推动软流层 上的板块做刚体运动，从而使各板块互相挤压、碰撞，致使其边缘附 近岩石层脆性破裂而引发地震。板块学说更易于解释地球上的主要地 震带主要分布在板块的交界地区的原因，据统计，全球85%左右的地震 发生在板块边缘及附近，仅有15%左右发生在板块内部。 §4.1 地震的有关知识
§4.1地震的有关知识 图4.3所示的是有关地震的几个术语。震源即发震点，是指岩层断裂 处。震源正上方的地面地点称为震中。震中至震源的距离为震源深度。地面 某处到震中的距离称为震中距。 等震线 震中距 餮源距 图4.3 地震术语示意图 地震按震源的深浅分，可分为浅源地震（震源深度小于60km)、中源地震 (震源深度为60~300km)和深源地震（震源深度大于300km)。破坏性地震一 般是浅源地震，发生的数量也最多，约占世界地震总数的85%。当震源深度超 过1O0km时，地震释放的能量在传播到地面的过程中大部分被损失掉，故通 常不会在地面造成震害。我国发生的地震绝大多数是浅源地震，震源深度一 般为5~50km。年的唐山地震的震源深度为12km
7 图 4.3 所示的是有关地震的几个术语。震源即发震点，是指岩层断裂 处。震源正上方的地面地点称为震中。震中至震源的距离为震源深度。地面 某处到震中的距离称为震中距。 图4.3 地震术语示意图 地震按震源的深浅分，可分为浅源地震(震源深度小于60 km)、中源地震 (震源深度为60～300 km)和深源地震(震源深度大于300 km)。破坏性地震一 般是浅源地震，发生的数量也最多，约占世界地震总数的85%。当震源深度超 过100 km时，地震释放的能量在传播到地面的过程中大部分被损失掉，故通 常不会在地面造成震害。我国发生的地震绝大多数是浅源地震，震源深度一 般为5～50 km。如1976年的唐山地震的震源深度为12 km。 §4.1 地震的有关知识
§4.1地震的有关知识 三、地震分布 地震虽然是一种随机现象，但从对已发生地震分布的统计中仍可得到其 呈现某种规律性。由图4.4可见地球上的地震主要分布在环太平洋带（活动最 强，约全球地震总数的75%左右发生于此)，阿尔比斯-喜马拉雅带，大西洋中 脊和印度洋中脊（约全球地震总数的22%左右发生于此）上。总的来说，地震主 要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动 带。图4.5展示了全球4级以上地震震中分布图。 30E6090120150E180150W12090 30 30E6090120150E180150W1209060 图4.4 世平个地震带示意图 图4.5全球4级以上地震震中分布图 8
8 三、地震分布 地震虽然是一种随机现象，但从对已发生地震分布的统计中仍可得到其 呈现某种规律性。由图4.4可见地球上的地震主要分布在环太平洋带(活动最 强，约全球地震总数的75%左右发生于此)，阿尔比斯-喜马拉雅带，大西洋中 脊和印度洋中脊(约全球地震总数的22%左右发生于此)上。总的来说，地震主 要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动 带。图4.5展示了全球4级以上地震震中分布图。 图4.4 世界两个地震带示意图 图4.5 全球4级以上地震震中分布图 §4.1 地震的有关知识
§4.1地震的有关知识 我国地处世界两大地震带的交汇处，因此地震发生频繁，且强度较 大。我国的地震分布如图4.6所示，其中台湾地区东部是我国地震活动 最强、频率最高的地区。 中国强震及地震带分布图 太平洋板块 图4.6我国的强震级地震带 及地震活动最强、频率最高 印度洋板块 菲律宾板块 的地区分布图 9
9 我国地处世界两大地震带的交汇处，因此地震发生频繁，且强度较 大。我国的地震分布如图4.6所示，其中台湾地区东部是我国地震活动 最强、频率最高的地区。 图4.6 我国的强震级地震带 及地震活动最强、频率最高 的地区分布图 §4.1 地震的有关知识
§4.1地震的有关知识 四、地震波、震级及地震烈度 1.地震波 地震时，将引起周围介质运动，并以波的形式从震源向各个方向传播并 释放能量，这就是地震波。地震波是一种弹性波，它包括在地球内部传播的 体波和只限于在地面附近传播的面波。 体波中包含两种形式的波，即纵波(P波)和横波(S波)。 纵波是由震源向外传播的疏密波，在传播过程中，其介质质点的振动方 向与波的前进方向一致，从而使介质不断地压缩和疏松，故纵波又被称为压 缩波或疏密波。其特点是周期较短，振幅较小，波速快。在地壳内的速度一 般为200~1400m/s(图4.7(a)。 纵波引起地面垂直方向振动。 纵波的传播速度可按下列公式计算： B(1-D p(1+D)(1-2u 式中，E一介质弹性模量： p一介质密度： )一介质的泊松比。 10
10 四、地震波、震级及地震烈度 1. 地震波 地震时，将引起周围介质运动，并以波的形式从震源向各个方向传播并 释放能量，这就是地震波。地震波是一种弹性波，它包括在地球内部传播的 体波和只限于在地面附近传播的面波。 体波中包含两种形式的波，即纵波(P波)和横波(S波)。 纵波是由震源向外传播的疏密波，在传播过程中，其介质质点的振动方 向与波的前进方向一致，从而使介质不断地压缩和疏松，故纵波又被称为压 缩波或疏密波。其特点是周期较短，振幅较小，波速快。在地壳内的速度一 般为200～1400m/s(图4.7(a))。 纵波引起地面垂直方向振动。 纵波的传播速度可按下列公式计算： §4.1 地震的有关知识 ( 1 )( 1 2 ) E( 1 ) p ρ υ υ υ ν + − − = υ
§4.1地震的有关知识 横波是由震源向外传播的剪切波，在传播过程中，其介质质点的振动方 向与波的前进方向垂直。横波又被称为剪切波，其特点是周期较长，振幅较 大，波速慢，在地壳内的速度一般为100~800m/s(图4.7(b))。 横波引起地面水平方向振动。 横波的传播速度可按下列公式计算： 2p1+D】 式中，G一介质剪切模量。其余同前。 波前进方向 波前进方向 质点振动方向 波长 (a)纵波（压缩波） (b)横波（剪切波）
11 横波是由震源向外传播的剪切波，在传播过程中，其介质质点的振动方 向与波的前进方向垂直。横波又被称为剪切波，其特点是周期较长，振幅较 大，波速慢，在地壳内的速度一般为100～800m/s (图4.7(b))。 横波引起地面水平方向振动。 横波的传播速度可按下列公式计算： 2 (1 ) s E G v ρυ ρ = = + (a) 纵波(压缩波) (b) 横波(剪切波) 式中，G—介质剪切模量。其余同前。 §4.1 地震的有关知识