孕震背景與地震危險分析方法

1、孕震背景與地震危險分析方法,胡家富云南大學(xué)資環(huán)學(xué)院地球物理系 2008年5月23日,1、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與速度分布 2、板塊運動與全球地震帶分布3、地震觀測與震源機制4、震級與烈度5、 地震衰減關(guān)系 6、 地震危險性確定性分析7、 地震危險性概率分析,主要內(nèi)容：,,,5.1地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地震成因5.1.1地球內(nèi)部分層與速度分布,,眾所周知，地震波有縱波（又稱P波或壓縮波）和橫波（又稱S波或剪切波）之分，其傳播方向和振動方

2、如圖3所示:,圖3 P波和S波通過介質(zhì)時的傳播情況,P波傳播方向與振動方向一致，主要造成介質(zhì)壓縮和膨脹；S波傳播方向與振動方向相互垂直，主要造成介質(zhì)剪切。兩種波的速度分別為：,地球內(nèi)部P波S波速度分布,地殼與上地幔的分界面稱之為Moho面，此面上地震波速發(fā)生突變的界面，P波從6.2km/s突變到8.3km/s；S波從3.5km/s突變到4.6km/s。 地殼與上地幔頂部組成了一個堅硬的外殼，稱之為巖石圈，平均厚度為120~1

3、50km，其下部為軟流層。形象地講，巖石圈如同漂浮在水面上的竹筏。,1915年德國氣象學(xué)家魏格納（Wegener）提出現(xiàn)在地球表面的陸地是由一個稱之泛大陸的整體經(jīng)過不斷破碎、又互相拼接而形成的。如圖所示的大陸位置變遷圖上：,,,5.1.2 板塊運動與全球地震帶分布,,圖1 大陸位置變遷圖,,大約在200百萬年以前，全球的大陸基本上是由北半球的勞亞大陸和南半球的岡瓦納大陸組成，中間被沿赤道分布特提斯洋所分隔。在200百萬年的演化過程中，隨

4、著大陸漂移形成了今天的格局。,印度板塊的漂移歷程,印度板塊與亞洲大陸的拼接造就了青藏高原的形成,印度板塊與亞洲大陸拼接的縫合帶,雄偉的喜瑪拉雅山脈,大陸漂移的動力來自地幔對流，由于熔融的地幔物質(zhì)從洋脊噴發(fā)，形成了新的海底，迫使舊的海底向兩側(cè)擴張，由此牽動了板塊的運動。,,由于地幔對流將巖石圈板分割成了太平洋板塊、北美洲板塊、南美洲板塊、歐亞板塊、非洲板塊、澳大利板塊和南極板塊。地幔對流牽引著板塊的運動，造就了洋殼－洋殼、洋殼－陸殼、陸

5、殼－陸殼的碰撞。其典型例子見日本海溝、秘魯－智利海溝、印度－歐亞板塊縫合帶。,南極洲板塊,太平洋板塊,澳大利亞板塊,歐亞板塊,北美洲板塊,南美洲板塊,非洲板塊,七大板板塊的分布及邊界,板塊之間的接觸形成了四種典型的邊界：（1）發(fā)散型（2）縫合型（3）轉(zhuǎn)換型（4）俯沖型 在板塊接觸的過程中，將導(dǎo)致板塊不斷地發(fā)生破裂從而引發(fā)地震，因此板塊邊界是主要的地震帶。,四種典型邊界,板塊運動形成不同類型的邊界及其地理分布,大洋中

6、脊的分布圖,地表上震中的空間分布稱之為地震活動帶，全球的地震帶有：環(huán)太平洋地震帶；歐亞地震帶；海嶺地震帶。,公元前780年—2000年中國地震（M>5.0）分布,中國地震帶分布,,,,,,,天山地震帶、南北地震帶、華北地震帶、華南地震帶、西藏察隅地震帶、臺灣地震帶,5.1.3 地震觀測與震源機制,大多數(shù)構(gòu)造地震發(fā)生于地殼中，地殼形變時能量緩慢積累且存儲于巖石中，由于局部地區(qū)力的不平衡狀態(tài)，使某些區(qū)域的應(yīng)力突然釋放，這就是引

7、起地震的直接原因。,由于板塊之間的相互擠壓導(dǎo)致局部巖體突然錯斷而形成地震，同時造就了地表景觀，另外，能量以地震波的形式傳到地表，并對地表造成破壞。,地震波對地表的影響,地震儀是用來測量地震引起的地表質(zhì)點的運動情況，并將它記錄下來的儀器，在下圖中，支架 定于地表，沙袋懸掛于支架上，當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生運動時，沙袋下面的紙上記錄下了沙袋運動的痕跡，這就是最簡單的地震儀工作原理。,單力作用于地球內(nèi)部，產(chǎn)生的P波初動分布和節(jié)面。北半球膨脹，南半球壓縮。,

8、,,x,y,,在指向正北的單力Z0作用下，在地表距震源R處，P波和S波引起的位移：,,時P波位移為零，此面稱之為P波節(jié)面，節(jié)面兩側(cè)P波初動的符號相反。分別為P波，S波速度和介質(zhì)密度。,斷層錯動模型：,走滑斷層,正斷層,逆斷層,斷層錯動可等效為力偶的作用，其位移為：,斷層錯動可等效為力偶的作用，其位移為：,在zx平面內(nèi)， 時 達到極大， 時 達到極大。,下圖是力偶作用所導(dǎo)致的P波初動及其節(jié)面分

9、布情況，2個1/4球體壓縮，另2個1/4球體膨脹，存在兩個P波節(jié)面，其中的一個是斷層面。,利用地表的地震臺站記錄波形的初動方向確定主壓應(yīng)力方向。一般把壓縮區(qū)涂為白色，表示主壓應(yīng)力的方向。,球面投影與平面投影,走滑斷層、正斷層和逆斷層在地球表形成的P波初動分布情況,由地表初動方向確定主壓應(yīng)力的方向,汶川地震的震源機制,,,,,,汶川地震的震源機制,5.2地震危險性分析方法,為了使工程具有抗御未來可能遭受到的地震破壞能力，在設(shè)計階段，需

10、考慮工程壽命期內(nèi)內(nèi)可能遭受到的地震動的強弱及其相關(guān)性。目的：為各類建設(shè)工程選址與抗震設(shè)防要求的確定、防震減災(zāi)規(guī)劃、社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃等提供抗震設(shè)防的依據(jù)。為已有工程的抗震可靠性分析和震害預(yù)測等提供地震作用依據(jù)為其它有關(guān)問題決策（如投資決策、地震保險、房屋出售）提供依據(jù),地震破壞作用與工程建設(shè)防震,1935年里克特總結(jié)出：用伍德—安德森式標(biāo)準(zhǔn)地震儀（放大倍數(shù)2800，周期0.8s，阻尼0.8）在震中距 處

11、，記錄到兩水平分量最大振幅的平均值為 的地震定義為零級地震。 觀測表明，震級每增加0.5級，相當(dāng)于能量增加10倍。,5.2.1震級與烈度的基本概念,對于任意震中距處，取兩個水平分量最大位移的算術(shù)平均（以微米作單位）的對數(shù)，再加上臺站較正和距離校正項：,由此確定的震級之為里氏震級。,震級標(biāo)定的過程,地震烈度與烈度表：按一定的宏觀標(biāo)準(zhǔn)，表示地震對地表破壞程度的一種量度稱之為烈度，通常用I表示，按烈度值的大小排列成表

12、，稱為烈度表，我國使用的是12度烈度表。 一次地震發(fā)生以后，僅用一個震級來衡量其強度，但對應(yīng)多個烈度，地表烈度相同的點的聯(lián)線稱為等震線。震中烈度I0與震級級M之間的統(tǒng)計關(guān)系：,,地震烈度：地震對地面影響和破壞程度的一種度量。 烈度表等震線,我國、歐美都是12度烈度表。日本為7度烈度表。 I～V度以地面上人的感覺為主。 VI ～X度以房屋震害為主。 XI、XII度以地表現(xiàn)象為主。,等

13、震線：地面上等烈度的聯(lián)線。,對地表建筑物的破壞主要取決于地震動三要素： 地震動峰值（加速度、速度、位移） 譜（反應(yīng)譜 、富氏譜、功率譜等） 持續(xù)時間,5.2.2地震動參數(shù)及其衰減關(guān)系,1 反應(yīng)譜,地震動的工程特性分析,地震動反應(yīng)譜,定義：具有同一阻尼比的一系列單自由度體系在同一地震動輸入下的反應(yīng)的絕對最大值與單自由度體系自振周期的關(guān)系，即為這一地震動的反應(yīng)譜,2個參數(shù)：周期、阻尼比3個譜量

14、：加速度、速度、位移反應(yīng)譜,一般情況下，地震動峰值與震級M和震中距r相關(guān)，通過建立一定衰減模型，利用觀測的峰值記錄回歸得到其系數(shù)。原則：近場大震飽和；遠場小震有感。,地震動衰減關(guān)系的形式,,與地震大小關(guān)系,,地震幾何擴散,,,,大震飽和,地震動衰減關(guān)系模型,點圓衰減 橢圓衰減 斷層距衰減,,不同震級時，長、短軸方向的峰值加速度與隨距離的變化關(guān)系曲線：,,,地震危險性分析實際上是長期地震預(yù)報問題，它要回答某一地區(qū)未來50或10

15、0年內(nèi)遭遇多大強度的地震，從而為工程抗震提供依據(jù)。1、地震構(gòu)造法 在同樣地質(zhì)構(gòu)造和地震活動性的區(qū)域，具有發(fā)生同樣大小的地震的可能。將最大潛在地震置于其可能發(fā)生范圍內(nèi)距場址最近處，利用衰減關(guān)系分別計算場址處的地震動參數(shù)，取結(jié)果中的最大者。,,5.2.3地震危險性確定性分析方法,于其可能發(fā)生范圍內(nèi)距場址最近處,2、歷史地震法,歷史上發(fā)生過地震的地方，仍然具有發(fā)生同樣大小地震的可能，這就是可重復(fù)性原則，因此可用歷史地震來預(yù)報將

16、來場址可能遭受的地震強度。 （1）歷史地震參數(shù)不完備時 當(dāng)歷史地震的位置不準(zhǔn)確時，通過調(diào)查，獲得歷史地震對場址的最大影響烈度，轉(zhuǎn)換成地震加速度峰值。,,,以上計算單位為gal(cm/ss)，并注意到重力加速度：,（2）歷史地震參數(shù)完備時,根據(jù)歷史地震的位置，震中烈度，轉(zhuǎn)換得到歷史地震震級M：,,,選擇合適的衰減關(guān)系，利用歷史地震震級M，以及距場址的距離進行計算，取以上二者中的最大值作為歷史地震的結(jié)果。,5.2.4地震

17、危險性概率分析方法,在目前的科學(xué)認識水平下，地震發(fā)生的地點和強度均具有不可預(yù)見性，必須以概率的方式來描述。具體的方法就是根據(jù)場址周圍的構(gòu)造環(huán)境，將其劃分為相應(yīng)的地震帶，地震帶內(nèi)劃分出相應(yīng)的潛在震源區(qū)，以概率的方式確定每一震級檔發(fā)生的概率、該震級檔落在每一潛源區(qū)的概率，根據(jù)衰減關(guān)系計算對場址的影響。,,,工程場地,地震 M,距離 R,,地震影響：烈度 I 加速度 a,I = I ( M , R

18、 ) a = a ( M , R ) 烈度（加速度）衰減關(guān)系,,如果確切知道：距場址R處，要發(fā)生震級為M的地震,,,工程場地,地震 M,距離 R,,地震影響：烈度 I 加速度 a,我們 只能說，由于距場址R處，可能發(fā)生震級為M的地震，場址可能受到烈度為I（加速度為a）的影響 ！ 可能性的大小 — 概率,,如果只知道：距場址R處，可能

19、 發(fā)生震級為M的地震,,I = I ( M , R ) a = a ( M , R ),,,,工程場地,地震 M,距離 R,,地震影響：烈度 I 加速度 a,,地震發(fā)生概率 P,,如果這個地震地震發(fā)生的概率為 P，則我們說：場址受到地震影響的烈度為 I （或加速度為 a ）的概率也是 P 。,如果 A ， B 兩地都有發(fā)生地震的可能 ，則工程場地受到地震影響（烈度， 加速度）將來

20、自兩個地震：,,工程場地,,地震 M1發(fā)生概率 P1,距離 R1,I 1 或 a 1,,地震 M2發(fā)生概率 P2,距離 R2,I 2 或 a 2,這個例子的結(jié)果是：工程場地受到地震 M1的影響，地震影響為 I1（a1）的概率為P1，地震M2的影響為 I2 （ a2）的概率為P2。,最簡單的情況，M1=M2， R1 ＝ R2，而且 P1 ＝P 2 自然 ： I1 = I2 ＝I （ a1 = a2 = a）那么 ，問：由于兩

21、個地震的影響，工程場址受到地震影響為 I （ 或 a ）的概率是多少 ？,,,,a 地震活動總體水平b 大小地震的比例小地震遺漏時， b變小,表示m級以上的累積地震數(shù)目。在實際使用時，震級m取離散值，一般按間隔將最小震級mmin以上震級分成n檔，mi取震級區(qū)間的下限值，a，b為回歸系數(shù)。 各震級地震統(tǒng)計的時間段統(tǒng)一,地震活動性參數(shù),,V是m級以上的年平均發(fā)生率。各震級v的統(tǒng)計年限不一定一致，但要保證該震級在所統(tǒng)計時

22、段內(nèi)是完整的。,,Lg(N),M,0.75,,某地震帶1500年以來6級以上地震資料基本完整，根據(jù)樣本統(tǒng)計得到該帶b值為0.62，該地震帶1500年至2000年間共發(fā)生過7級以上地震8次，則依7級以上地震推斷該地震帶4級以上地震年平均發(fā)生率應(yīng)為（1.16 ）（注：100.62=4.168） V4=8/(2000-1500) ×100.62(7-4),某地震帶ν4=2.4，b值=0.7，則該地震帶7.0-7.9震級段地震的年平

23、均發(fā)生率為（0.0159 ）（注：100.71=5.1286） 2.4=ν7×5.1286（7-4） 2.4=ν8×5.1286（8-4） ,ν7-ν8=0.014321,某地震帶ν4=1.12，ν6=0.112，則該地震帶的b值約為（0.50 ）1.12=0.112×102b ,10=102b ,b=0.5,某地震帶6級以上地震的年平均發(fā)生率為0.004，6.5級以上地震的年平均發(fā)生率為0.

24、002，7.0級以上地震的年平均發(fā)生率為0.001。帶內(nèi)劃分有一個震級上限為7級潛在震源區(qū)，6.0-6.4震級檔空間分布函數(shù)為0.02，6.5-6.9震級檔空間分布函數(shù)為0.03，則該潛在震源區(qū)6.0級以上地震的年平均發(fā)生率為0.00007 = (6.0～6.4)的發(fā)生率+ (6.5～6.9)的發(fā)生率 = (0.004 -0.002)×0.02+(0.002 -0.001)×0.03,未來t年發(fā)生n次M0級以上地

25、震的概率為：,,未來t年，事件發(fā)生的次數(shù)為0，也就是不發(fā)生的概率：,,為至少發(fā)生一次的概率,T年內(nèi)超越概率,重現(xiàn)期,三者關(guān)系如下：,,年超越概率,例如 50年超越概率10%，P50=0.1 P1=0.0021 T=475,共有N個潛源（地震帶）對場點有影響，則場點總的超越概率為：,共有2個潛源，源1在場址S產(chǎn)生地震動值A(chǔ)的概率為0.7；源2在場址S產(chǎn)生地震動值A(chǔ)的概率為0.2，則場址S處地震動超越A的概率為（0.7

26、6） 1-（1-0.7）×（1-0.2）,……..源3在場址S產(chǎn)生地震動值A(chǔ)的概率為0.6，則場址S處地震動超越A的概率為（0.904） 1-（1-0.7）×（1-0.2）×（1-0.6）,地震動三要素 地震動峰值（加速度、速度、位移） 譜（反應(yīng)譜 、富氏譜、功率譜等） 持續(xù)時間,有效峰值加速度有效峰值速度,項目分析 針對不同建設(shè)工程，確定設(shè)防水準(zhǔn)、設(shè)

27、計地震動參數(shù)等設(shè)防水準(zhǔn)：核電、水工、交通、構(gòu)筑物、小區(qū)劃、管線區(qū)劃等對設(shè)防水準(zhǔn)的規(guī)定參數(shù)：加速度、速度、位移反應(yīng)譜、時程設(shè)計層位：,我國地震危險性概率方法(CPSHA ),增加了地震帶劃分這一重要環(huán)節(jié),反映地震活動在時間、空間不均勻分布的特點,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

28、,,,,,,,,,,劃分地震帶,,地震帶內(nèi)劃分潛在震源區(qū),,,,,,,,潛在震源區(qū),,?,,場地,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,潛在震源區(qū)定義,具有相同震級上限，地震活動性相對均勻分布的區(qū)域。,,,我國地震危險性概率分析的技術(shù)步驟,劃分地震帶并確定地震活動性參數(shù)劃分潛在震源區(qū)、確定震級上限、確定地震空間分布函數(shù)確定地震烈度或地震參數(shù)衰減關(guān)系地震危險性概率計算（專用程序）,謝