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1、第12章 天然地震及避灾 12.1 概述 在地壳表层因弹性波传播所引起的振动作用或现象称为地震（Earthquake），地震按其发生的原因可分为构造地震、火山地震和陷落地震、等，此外，还有因水库蓄水、深井注水和核爆炸等导致的诱发型地震。由地壳运动引起的构造地震是地球上规模最大、数量最多、危害最严重的一类地震，世界上90%以上的地震均属此类，它一般分布在活动构造带中，当地壳运动所积累的应变能一旦超过了地壳岩体的强度极限时岩体就会发生破裂，应变能会突然释放而表现为弹性波的形式使地壳振动而发生地震。在地壳内部振动的发源地叫震源，震源在地面上的垂直投影叫震中，震中到震源的距离叫震源深度。按震源深度可将
2、地震分为浅源地震（070km）中源地震（70300km）和深源地震（300km），震源深度最大可达700km。统计资料说明，大多数地震发生在地表以下数十千米以内的地壳中，破坏性地震一般均为浅源地震。地面上地震所波及到的范围叫震域，它的边界一般无法准确确定。震域的大小与地震时所释放出来的能量以及震源的深度等有关。释放的能量越大、震源越浅则震域越大。据统计，全世界每年发生地震约500万次，其中绝大多数是不为人们所感知的小地震，人们能感知的地震约80000次（而破坏性地震约1000次，其中强烈破坏性地震有十几次）。强烈地震可在顷刻之间在较大地域内酿成严重灾害。地震灾害可分为一次灾害和次生灾害2类，前
3、者为地震波导致土木工程结构的直接破坏和地基、斜坡的振动破坏，后者是由上一类灾害所造成的连锁灾害。,12.2 地震与地震波的基本特征 地震的发生与活动构造关系密切。全球震中地理分布实际资料表明，破坏性地震在地球上是有规律地沿一定深度集中分布在特定的部位，其总体呈带状展布，可划分为环太平洋地震带、地中海喜马拉雅地震带、大洋海岭地震带及大陆裂谷系地震带四大地震活动带，各地震带与全球各板块的交接部位完全一致，说明板块交接部位近期构造运动是最活跃的。最近几个世纪，环太平洋地震带地震活动最为强烈（全世界大约80%的浅源地震、90%的中源地震以及几乎所有的深源地震都集中在这个带上，其释放的能量约占全球地震释
4、放总能量的80%），其次是地中海喜马拉雅地震带（它所释放的能量占全球地震总能量的15%。除环太平洋地震带外几乎所有的中源地震和大的浅源地震都发生在此带内）。按板块构造理论，在坚硬岩石圈下的上地幔物质处于流塑状态（称为软流圈）。由于软流圈在海岭两侧热对流的流动方向相反，使海岭处承受拉力并使其中央峡谷的薄弱洋壳被拉开，地幔物质涌出冷凝成新的洋壳，新生的洋壳薄而脆弱又不断被拉开，地幔物质也就不断涌出使洋壳不断增生，洋壳也就不断地向两侧大陆方向漂移（故大陆边缘处洋壳、陆壳两板块间发生水平挤压）并使洋壳俯冲到大陆壳之下，由于洋壳在海岭增生并在大陆边缘俯冲而消减这种不断进行着的地壳运动就形成了有规律分布的
5、大地震活动带（包括堪察加半岛、千岛群岛、日本岛弧、琉球群岛和我国台湾岛在内的环西太平洋地震带就是太平洋板块与欧亚大陆板块之间的接触带。太平洋板块自NEE方向向大陆板块之下俯冲形成了新层面呈4550西倾的巨大活动断裂带。沿此带有规律地分布着一系列浅源、中源及深源地震）。大陆内部地震分布也与板块活动有一定联系，我国西部和东部地区活断层分布即是欧亚板块与印度板块、太平洋板块相互作用的结果，在活断层分布地段地震活动强烈。,世界地震分布略图,12.2.1 地震产生的条件 根据对大陆板块内的地震分布与活断层关系的分析得知，强烈地震的发生必须具备一定的介质条件、结构条件和构造应力场条件。 一般认为，硬脆性的
6、介质材料能积聚很大的弹性应变能，而当应变能一旦超过了岩体的极限强度时就会导致突然的脆性破裂而大量释放应变能引发强烈地震。软塑性介质材料在应力作用下多以塑性形变来调节，应变能逐渐释放，因此不可能产生强震。 只有在活断层的一定部位才能发生地震。地震发生的实际构造部位虽然很复杂，但都是在活断层上地应力高度集中的部位。这些部位是活断层的端点、拐点、交汇点、分枝点和错列点（它们被称为活动断裂的锁固段或互锁段）。锁固段的岩体强度高、两盘互相粘结、应力集中、能积聚很大的应变能，当应力增长到超过锁固段岩体的强度极限时即会突然破裂而发生地震。因此，活动断裂的锁固段即成为控制地震发生的震源。光测弹性的破裂模拟实验
7、结果证实了活动断裂一些特殊部位容易引起应力集中。 地震的孕育与发生受控于现代构造应力场的特征。,12.2.2 地震波的特点 地震破坏力来自于震源所发出的地震波。通常认为地震波是一种弹性波，它包括体波和面波两种。体波是通过地球本体传播的波，而面波则是由体波形成的次生波（即体波经过反射、折射而沿地面传播的波）。体波又可分为纵波（P波）和横波（S波）两种。纵波是由震源向外传播的压缩波，质点振动与波前进的方向一致，一疏一密地向前推进，其振幅小、周期短、速度快。横波是由震源向外传播的剪切波，质点振动与波前进的方向垂直，传播时介质体积不变但形状改变，其振幅大、周期长、速度慢且仅能在固体介质中传播。根据弹性
8、理论，纵波和横波的传播速度计算公式为,VP、VS分别为纵波速度及横波速度；E、分别为介质的弹性模量、容重及泊松比。一般情况下，当=0.22时VP=1.67VS。显然，纵波速度大于横波速度。所以仪器记录的地震波谱上总是纵波先于横波到达，故纵波也叫初波（Primary Wave），横波也叫次波（Secondary Wave）。面波也可分为瑞利波（R波）和勒夫波（Q波）两种。,12.2.3 地震的震源机制与震源参数 地震发生的物理过程或震源物理过程称为震源机制，它可以通过多个地震台的地震记录图来确定。地震发生时震源处的一些特征量或震源物理过程的一些物理量称为震源参数。震源参数包括震源断层面的走向、倾
9、向和倾角；震源断层两盘错动的方向、幅度；震源断层面的长度、宽度；断层破裂的扩展速度；震源的主应力状态；错动时释放的应力；等。震源参数可通过震源机制断层面解、宏观地震测量及微震活动空间分析等途径来求得。震源机制和震源参数资料对区域地壳稳定性分析至关重要。 浅源地震P波初动与震源体初动方向之间的关系较明确而简单，即P波初动具有明显的象限分布特点。震源断层发动地震时，不同地区P波初动方向呈现压缩和拉伸有观律的分布，这种现象可用震源错动的单力偶和双力偶模式来解释。震源机制解能表示出震源断层的类型、断层面走向和地应力场的情况。大区域内大量震源机制解的资料还可用以判定区域构造应力状态。 震源参数可通过多种
10、途径求解。可借助等震线、地表地震断层与裂缝带特征、大地测量资料、等获得。,12.3 我国的地震分布及地震地质特征 我国地处环太平洋与地中海喜马拉雅两大地震带之间，地震分布比较普遍。除台湾东部、西藏南部和吉林东部地震属板块边缘消减带地震活动外，其余广大地域均属板内地震活动。而且绝大多数强震都发生在稳定断块边缘的一些规模巨大的区域性深大断裂带上或断陷盆地之内。主要地震区与活动构造带关系密切。中国科学院地球物理研究所把我国分为23个地震带，其中最主要的地震带有台湾与东南沿海地震带；郯城庐江地震带；华北地震带；西藏滇南地震带；南北向地震带；天山南北地震带；等。我国地震地质的基本特征可归纳为如下5点：
11、1）强震活动受活动构造的严格控制。 2）我国大陆地震受控于现代构造应力场特征。 3）强震活动经常发生在断裂带应力集中的特定地段上。 4）绝大多数强震发生在一些稳定断块边缘的深大断裂带上，而稳定断块内部很少或基本没有强震分布（四川台块、鄂尔多斯台块、塔里木台块和准噶尔台块等就属于这类稳定断块），而围限这些断块的深大断裂带则为强震发生带。 5）裂谷型断陷盆地控制了强震的发生。,我国地震震中分布略图,12.4 地震强度的衡量标准与意义 地震震级和地震烈度是衡量地震强度的两把标准尺度，它们含义不同但相互间有一定的联系。 （1）地震震级 地震震级是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小来决定
12、。按李希特（CFRichter）1935年所给出的原始定义，震级（M）是指距震中100km处的标准地震仪在地面所记录的以微米表示的最大振幅A的对数值。即,标准地震仪的自振周期为0.8s、阻尼比0.8、最大静力放大倍率为2800。如果在距震中100km处标准地震仪记录的最大振幅为10cm（即105m），则M=5，是5级地震。实际上，距震中100km处不一定有地震仪，而且地震仪也并非上述的标准地震仪，此时就需采用经验公式经修正而确定震级。一个1级地震的能量相当于2106J。震级每增加1级能量增大30倍左右。 （2）地震烈度 地震烈度是衡量地震所引起的地面震动强烈程度的尺度，它不仅取决于地震能量，同
13、时也受震源深度、震中距、地震波传播介质的性质等因素的制约。一次地震只有一个震级，但在不同地点，烈度大小是不一样的。,中国地震烈度表,中国地震烈度表（续）,地震震害指数等级划分标准,一般土木工程结构可采用基本烈度为设防烈度，重大土木工程结构（比如核电站、大坝、大桥）则可将基本烈度适当提高作为设计烈度。我国规定，基本烈度度（包括度在内）以下地区的土木工程结构可以不设防，超过度的必须采取设防措施。,12.5 地震的效应 在地震作用影响所及的范围内地面出现的各种震害或破坏称之为地震效应。地震效应与场地工程地质条件、震级大小及震中距等因素有关，也与土木工程结构的类型和结构有关。地震效应大致可分为振动破坏
14、效应、地面破坏效应和斜坡破坏效应3个方面。 12.5.1 地震的振动破坏效应 地震发生时，地震波在岩土体中传播而引起强烈的地面运动会使土木工程结构的地基基础以及上部结构都发生振动，从而给土木工程结构施加了一个附加荷载（即地震力）。当地震力达到某一限度时，土木工程结构即发生破坏。这种由于地震力作用直接引起土木工程结构的破坏，称为振动破坏效应。在地震效应中振动破坏效应是最主要的。一次强烈地震发生时，土木工程结构的破坏、倾倒主要是由地震力的直接作用引起。地震对土木工程结构振动破坏作用的分析方法主要有静力法和动力法两种。 静力法假定土木工程结构是刚性体（即地震时土木工程结构各部分的加速度与地面加速度完
15、全相同），并且规定地震作用于土木工程结构的力只是一个固定不变的力，它是由地面振动的最大加速度（max）所引起的惯性力。并据此进行静力分析。地震时震波在传播过程中使介质质点作简谐振动，地震力就是由这种简谐振动引起的加速度所决定的。,动力分析法多种多样，目前应用最普遍的是简化反应谱法。简化反应谱法假定土木工程结构为单质点系的弹性体，作用于其基底的地震运动为简谐振动，所测得的结构系统的动力反应，不仅取决于地面振动的最大加速度还取决于结构本身的动力特性，结构的自振周期和阻尼比是其动力特性中两个最重要的参数。在地震振动力作用下，对于结构的某一特定阻尼比来说，其体系的最大位移（或最大速度、最大加速度）与自
16、振周期间的关系可表示为一条曲线。在动力分析中，有两个重要的参数与之有关，它们是卓越周期T0和动力系数。 12.5.2 地面的破坏效应 地震的地面破坏效应可分为破裂效应和地基效应两种基本类型，前者指的是强震导致地面岩土体直接出现破裂和位移引起附近或跨越破裂带土木工程结构变形或破坏的效应，后者指的是地震使松软土体压密下沉、砂土液化、淤泥塑流变形、等导致地基失效而使上部土木工程结构破坏的效应。 12.5.3 斜坡的破坏效应 斜坡破坏效应包括地震导致的滑坡、崩塌、泥石流、等，主要发生在山区和丘陵地带。地震时巨大的滑坡和崩塌会摧毁斜坡上、下的土木工程结构而酿成严重灾害。滑坡发生的主要原因是厚层灵敏粘土层的破坏和透镜状薄砂层的振动液化。如果地震前长期降雨，则地震发生时不但滑坡、崩塌灾害会加剧，而且还易发生泥石流（震害将更加惨重）。,12.6 场地工程地质条件对宏观震害的影响特征 场地地震效应受许多因素的制约，其中场地的工程地质条件对宏观震害影响最为显著。国内外大量宏观震害调查资料显示，在一个范围较大的场地内（比如一个城市）对震害有重大影响的工程地质条件
