孕震背景与地震危险分析方法

孕震背景与地震危险分析方法1、地球内部结构与速度分布地球内部结构与速度分布 2、板块运动与全球地震带分布板块运动与全球地震带分布3、地震观测与震源机制地震观测与震源机制4、震级与烈度震级与烈度5、地震衰减关系地震衰减关系 6、地震危险性确定性分析地震危险性确定性分析7、地震危险性概率分析地震危险性概率分析主要内容：主要内容：众所周知，地震波有纵波（又称众所周知，地震波有纵波（又称P波或压缩波）波或压缩波）和横波（又称和横波（又称S波或剪切波）之分，其传播方向和振波或剪切波）之分，其传播方向和振动方如图动方如图3所示所示:图3 P波和S波通过介质时的传播情况P波传播方向与振波传播方向与振动方向一致，主要动方向一致，主要造成介质压缩和膨造成介质压缩和膨胀；胀；S波传播方向波传播方向与振动方向相互垂与振动方向相互垂直，主要造成介质直，主要造成介质剪切。两种波的速剪切。两种波的速度分别为：度分别为：地球内部地球内部P波波S波速度分布波速度分布 地壳与上地幔的分界面称之为地壳与上地幔的分界面称之为Moho面，此面，此面上地震波速发生突变的界面，面上地震波速发生突变的界面，P波从波从6.2km/s突变到突变到8.3km/s；S波从波从3.5km/s突变到突变到4.6km/s。地壳与上地幔顶部组成了一个坚硬的外壳，地壳与上地幔顶部组成了一个坚硬的外壳，称之为岩石圈，平均厚度为称之为岩石圈，平均厚度为120150km，其下，其下部为软流层。形象地讲，岩石圈如同漂浮在水部为软流层。形象地讲，岩石圈如同漂浮在水面上的竹筏。面上的竹筏。1915年德国气象学家魏格纳（年德国气象学家魏格纳（Wegener）提出现在地球表面的陆地是由一个称之泛大陆提出现在地球表面的陆地是由一个称之泛大陆的整体经过不断破碎、又互相拼接而形成的。的整体经过不断破碎、又互相拼接而形成的。如图所示的大陆位置变迁图上：如图所示的大陆位置变迁图上：5.1.2 板块运动与全球地震带分布板块运动与全球地震带分布 图1 大陆位置变迁图 大约在200百万年以前，全球的大陆基本上是由北半球的劳亚大陆和南半球的冈瓦纳大陆组成，中间被沿赤道分布特提斯洋所分隔。在200百万年的演化过程中，随着大陆漂移形成了今天的格局。印度板块的漂移历程印度板块与亚洲大陆的拼接造就了青藏高原的形成印度板块与亚洲大陆拼接的缝合带印度板块与亚洲大陆拼接的缝合带 雄伟的喜玛拉雅山脉雄伟的喜玛拉雅山脉 大陆漂移的动力来自地幔对流，由于熔融的地幔物质从洋脊喷发，形成了新的海底，迫使旧的海底向两侧扩张，由此牵动了板块的运动。由于地幔对流将岩石圈板分割成了太平洋由于地幔对流将岩石圈板分割成了太平洋板块、北美洲板块、南美洲板块、欧亚板块、板块、北美洲板块、南美洲板块、欧亚板块、非洲板块、澳大利板块和南极板块。地幔对流非洲板块、澳大利板块和南极板块。地幔对流牵引着板块的运动，造就了洋壳洋壳、洋壳牵引着板块的运动，造就了洋壳洋壳、洋壳陆壳、陆壳陆壳的碰撞。其典型例子见日陆壳、陆壳陆壳的碰撞。其典型例子见日本海沟、秘鲁智利海沟、印度欧亚板块缝本海沟、秘鲁智利海沟、印度欧亚板块缝合带。合带。南极洲板块南极洲板块太平洋板块太平洋板块澳大利亚板块澳大利亚板块欧亚板块欧亚板块北美洲板块北美洲板块南美洲板块南美洲板块非洲板块非洲板块七大板板块的分布及边界七大板板块的分布及边界 板块之间的接触形成了四种典型的边界：板块之间的接触形成了四种典型的边界：（1）发散型）发散型（2）缝合型）缝合型（3）转换型）转换型（4）俯冲型）俯冲型 在板块接触的过程中，将导致板块不断地发生在板块接触的过程中，将导致板块不断地发生破裂从而引发地震，因此板块边界是主要的地震带。破裂从而引发地震，因此板块边界是主要的地震带。四种典型边界四种典型边界板块运动形成不同类型的边界及其地理分布板块运动形成不同类型的边界及其地理分布大洋中脊的分布图大洋中脊的分布图地地表表上上震震中中的的空空间间分分布布称称之之为为地地震震活活动动带带，全全球球的的地地震震带带有有：环环太太平平洋洋地地震震带带；欧欧亚亚地地震震带带；海海岭岭地地震震带。带。公元前公元前780年年2000年中国地震（年中国地震（M5.0）分布）分布 中国地震带分布中国地震带分布天山地震带、南北地震带、天山地震带、南北地震带、华北地震带、华南地震带、华北地震带、华南地震带、西藏察隅地震带、西藏察隅地震带、台湾地震带台湾地震带5.1.3 地震观测与震源机制地震观测与震源机制 大多数构造地震发生于地壳中，地壳形变时能量缓慢积累且存储于岩石中，由于局部地区力的不平衡状态，使某些区域的应力突然释放，这就是引起地震的直接原因。由于板块之间的相互挤压导致局部岩体突然错断而形成地震，同时造就了地表景观，另外，能量以地震波的形式传到地表，并对地表造成破坏。地震波对地表的影响地震波对地表的影响地震仪是用来测量地震引起的地表质点的运动情况，并将它记录下来的仪器，在下图中，支架 定于地表，沙袋悬挂于支架上，当地表发生运动时，沙袋下面的纸上记录下了沙袋运动的痕迹，这就是最简单的地震仪工作原理。单力作用于地球内部，产生的单力作用于地球内部，产生的P波初动分布波初动分布和节面。北半球膨胀，南半球压缩。和节面。北半球膨胀，南半球压缩。xq qj jRzy在指向正北的单力Z0作用下，在地表距震源R处，P波和S波引起的位移：时P波位移为零，此面称之为P波节面，节面两侧P波初动的符号相反。分别为P波，S波速度和介质密度。断层错动模型：走滑断层走滑断层正断层正断层逆断层逆断层 断层错动可等效为力偶的作用，其位移为：D Dxq qj jRxzy 断层错动可等效为力偶的作用，其位移为：在zx平面内，时 达到极大，时 达到极大。下图是力偶作用所导致的P波初动及其节面分布情况，2个1/4球体压缩，另2个1/4球体膨胀，存在两个P波节面，其中的一个是断层面。利用地表利用地表的地震台的地震台站记录波站记录波形的初动形的初动方向确定方向确定主压应力主压应力方向。一方向。一般把压缩般把压缩区涂为白区涂为白色，表示色，表示主压应力主压应力的方向。的方向。球面投影与平面投影球面投影与平面投影走滑断层、正断层和逆断层在地球表形成的走滑断层、正断层和逆断层在地球表形成的P波初动波初动分布情况分布情况由地表初动方向确定主压应力的方向由地表初动方向确定主压应力的方向汶川地震的汶川地震的震源机制震源机制汶川地震的震源机制汶川地震的震源机制 为了使工程具有抗御未来可能遭受到的地震破坏能为了使工程具有抗御未来可能遭受到的地震破坏能为了使工程具有抗御未来可能遭受到的地震破坏能为了使工程具有抗御未来可能遭受到的地震破坏能力，在设计阶段，需考虑工程寿命期内内可能遭受到力，在设计阶段，需考虑工程寿命期内内可能遭受到力，在设计阶段，需考虑工程寿命期内内可能遭受到力，在设计阶段，需考虑工程寿命期内内可能遭受到的地震动的强弱及其相关性。目的：的地震动的强弱及其相关性。目的：的地震动的强弱及其相关性。目的：的地震动的强弱及其相关性。目的：n n为各类建设为各类建设为各类建设为各类建设工程选址工程选址工程选址工程选址与与与与抗震设防要求的确定、防震减抗震设防要求的确定、防震减抗震设防要求的确定、防震减抗震设防要求的确定、防震减灾规划、社会经济发展规划灾规划、社会经济发展规划灾规划、社会经济发展规划灾规划、社会经济发展规划等提供抗震设防的依据。等提供抗震设防的依据。等提供抗震设防的依据。等提供抗震设防的依据。n n为已有工程的为已有工程的为已有工程的为已有工程的抗震可靠性分析抗震可靠性分析抗震可靠性分析抗震可靠性分析和和和和震害预测震害预测震害预测震害预测等提供地震等提供地震等提供地震等提供地震作用依据作用依据作用依据作用依据n n为为为为其它有关问题决策其它有关问题决策其它有关问题决策其它有关问题决策（如投资决策、地震保险、房屋（如投资决策、地震保险、房屋（如投资决策、地震保险、房屋（如投资决策、地震保险、房屋出售）提供依据出售）提供依据出售）提供依据出售）提供依据地震破坏作用与工程建设防震地震破坏作用与工程建设防震 1935年里克特总结出：用伍德年里克特总结出：用伍德安德森式安德森式标准地震仪（放大倍数标准地震仪（放大倍数2800，周期，周期0.8s，阻尼，阻尼0.8）在震中距）在震中距 处，记录到两水平分处，记录到两水平分量最大振幅的平均值为量最大振幅的平均值为 的地震定义为零级的地震定义为零级地震。地震。观测表明，震级每增加观测表明，震级每增加0.5级，相当于能量级，相当于能量增加增加10倍。倍。对于任意震中距处，取两个水平分量最大对于任意震中距处，取两个水平分量最大位移的算术平均（以微米作单位）的对数，位移的算术平均（以微米作单位）的对数，再加上台站较正和距离校正项：再加上台站较正和距离校正项：由此确定的震级之为里氏震级。由此确定的震级之为里氏震级。震级标定震级标定的过程的过程 地震烈度与烈度表：按一定的宏观标准，地震烈度与烈度表：按一定的宏观标准，表示地震对地表破坏程度的一种量度称之为烈表示地震对地表破坏程度的一种量度称之为烈度，通常用度，通常用I I表示，按烈度值的大小排列成表，表示，按烈度值的大小排列成表，称为烈度表，我国使用的是称为烈度表，我国使用的是1212度烈度表。度烈度表。一次地震发生以后，仅用一个震级来衡量一次地震发生以后，仅用一个震级来衡量其强度，但对应多个烈度，地表烈度相同的点其强度，但对应多个烈度，地表烈度相同的点的联线称为等震线。震中烈度的联线称为等震线。震中烈度I0I0与震级级与震级级M M之之间的统计关系：间的统计关系：地震烈度：地震对地面影响和破坏程度的一地震烈度：地震对地面影响和破坏程度的一种度量。种度量。烈度表烈度表等震线等震线 我国、欧美都是我国、欧美都是12度烈度表。日本为度烈度表。日本为7度烈度表。度烈度表。IV度以地面上人的感觉为主。度以地面上人的感觉为主。VI X度以房屋震害为主。度以房屋震害为主。XI、XII度以地表现象为主。度以地表现象为主。等震线：地面上等烈度的联线等震线：地面上等烈度的联线。对地表建筑物的破坏主要取决于地震动三要素：对地表建筑物的破坏主要取决于地震动三要素：地震动峰值（加速度、速度、位移）地震动峰值（加速度、速度、位移）谱（反应谱谱（反应谱、富氏谱、功率谱等）、富氏谱、功率谱等）持续时间持续时间t,秒 a/g0a/g加速度时程包络函数加速度时程包络函数 地震动加速度时程震动加速度时程a(t)1 反应谱反应谱单自由度体系在加速度作用下产生的最大加速的函数，其零周期的反应谱值即为加速度时程的峰，它是周期，阻尼度称之为加速度反应谱。值地震动的工程特性分析地震动的工程特性分析地震动反应谱地震动反应谱定义：定义：具有同一阻具有同一阻尼比的一系列单自尼比的一系列单自由度体系在同一地由度体系在同一地震动输入下的反应震动输入下的反应的绝对最大值与单的绝对最大值与单自由度体系自振周自由度体系自振周期的关系，期的关系，即为这即为这一地震动的反应谱一地震动的反应谱2个参数：个参数：周期、阻尼比周期、阻尼比3个谱量：个谱量：加速度、速度、加速度、速度、位移反应谱位移反应谱 一般情况下，地震动峰值与震级一般情况下，地震动峰值与震级M和震中距和震中距r相关，相关，通过建立一定衰减模型，利用观测的峰值记录回归得到通过建立一定衰减模型，利用观测的峰值记录回归得到其系数。原则：近场大震饱和；远场小震有感。其系数。原则：近场大震饱和；远场小震有感。地震动衰减关系的形式地震动衰减关系的形式与地震大小关系与地震大小关系地震几何扩散地震几何扩散大震饱和大震饱和地震动衰减关系模型地震动衰减关系模型点圆衰减点圆衰减椭圆衰减椭圆衰减断层距衰减断层距衰减 不同震级时，长、短轴方向的峰值加速不同震级时，长、短轴方向的峰值加速度与随距离的变化关系曲线：度与随距离的变化关系曲线：地震危险性分析实际上是长期地震预报问题，它要回地震危险性分析实际上是长期地震预报问题，它要回答某一地区未来答某一地区未来50或或100年内遭遇多大强度的地震，从年内遭遇多大强度的地震，从而为工程抗震提供依据。而为工程抗震提供依据。1、地震构造法、地震构造法 在同样地质构造和地震活动性的区域，具有发生同样在同样地质构造和地震活动性的区域，具有发生同样大小的地震的可能。将最大潜在地震置于其可能发生范大小的地震的可能。将最大潜在地震置于其可能发生范围内距场址最近处，利用衰减关系分别计算场址处的地围内距场址最近处，利用衰减关系分别计算场址处的地震动参数，取结果中的最大者。震动参数，取结果中的最大者。于其可能发生范围内距场址最近处于其可能发生范围内距场址最近处 M2、历史地震法、历史地震法 历史上发生过地震的地方，仍然具有发生同样大小历史上发生过地震的地方，仍然具有发生同样大小地震的可能，这就是可重复性原则，因此可用历史地震地震的可能，这就是可重复性原则，因此可用历史地震来预报将来场址可能遭受的地震强度来预报将来场址可能遭受的地震强度。（1）历史地震参数不完备时）历史地震参数不完备时 当历史地震的位置不准确时，当历史地震的位置不准确时，通过调查，获得历史通过调查，获得历史地震对场址的最大影响烈度，转换成地震加速度峰值。地震对场址的最大影响烈度，转换成地震加速度峰值。以上计算单位为以上计算单位为gal(cm/ss)，并注意到重力加速，并注意到重力加速度：度：（2）历史地震参数完备时）历史地震参数完备时 根据历史地震的位置，震中烈度，转换得到历史地根据历史地震的位置，震中烈度，转换得到历史地震震级震震级M：选择合适的衰减关系，利用历史地震震级选择合适的衰减关系，利用历史地震震级M，以及距，以及距场址的距离进行计算，取以上二者中的最大值作为历史场址的距离进行计算，取以上二者中的最大值作为历史地震的结果。地震的结果。在目前的科学认识水平下，地震发生的地点在目前的科学认识水平下，地震发生的地点和强度均具有不可预见性，必须以概率的方式来和强度均具有不可预见性，必须以概率的方式来描述。具体的方法就是根据场址周围的构造环境，描述。具体的方法就是根据场址周围的构造环境，将其划分为相应的地震带，地震带内划分出相应将其划分为相应的地震带，地震带内划分出相应的潜在震源区，以概率的方式确定每一震级档发的潜在震源区，以概率的方式确定每一震级档发生的概率、该震级档落在每一潜源区的概率，根生的概率、该震级档落在每一潜源区的概率，根据衰减关系计算对场址的影响。据衰减关系计算对场址的影响。工程场地 地震 M距离 R地震影响：烈度 I 加速度 aI=I(M,R)a=a(M,R)烈度（加速度）衰减关系烈度（加速度）衰减关系如果如果确切确切知道：距场址知道：距场址R R处，处，要要发生震级为发生震级为M M的地震的地震工程场地 地震 M距离 R地震影响：烈度 I 加速度 a我们我们只能说，由于距场址只能说，由于距场址R处，处，可能可能发生震级为发生震级为M的地震，的地震，场址场址可能可能受到烈度为受到烈度为I（加速度为（加速度为a）的影响）的影响！可能性的大小可能性的大小概率概率如果如果只只知道：距场址知道：距场址R R处，处，可能可能 发生震级为发生震级为M M的地震的地震I=I(M,R)a=a(M,R)工程场地 地震 M距离 R地震影响：烈度 I 加速度 a地震发生概率P如果这个地震地震发生的概率为如果这个地震地震发生的概率为P，则我们，则我们说：场址受到地震影响的烈度为说：场址受到地震影响的烈度为I（或加（或加速度为速度为a）的概率也是）的概率也是P。如果如果 A A，B B 两地都有发生地震的可能两地都有发生地震的可能 ，则工程场，则工程场地受到地震影响（烈度，地受到地震影响（烈度，加速度）将来自两个地震：加速度）将来自两个地震：工程场地地震 M1发生概率 P1距离 R1I 1 或 a 1地震 M2发生概率 P2距离 R2I 2 或 a 2这个例子的结果是：这个例子的结果是：工程场地受到地震工程场地受到地震M1的影响，地震影响为的影响，地震影响为I1（a1）的概率为的概率为P1，地震，地震M2的影响为的影响为I2（a2）的概率为）的概率为P2。最简单的情况，最简单的情况，M1=M2，R1R2，而且，而且P1P2自然自然：I1=I2I（a1=a2=a）那么那么，问：由于两个地震的影响，工程场址受到地震，问：由于两个地震的影响，工程场址受到地震影响为影响为I（或或a）的概率是多少）的概率是多少？a地震活动总体水平地震活动总体水平b大小地震的比例大小地震的比例小地震遗漏时，小地震遗漏时，b变小变小表示表示m级以上的累积地震数目。在实际使用时，震级级以上的累积地震数目。在实际使用时，震级m取取离散值，一般按间隔将最小震级离散值，一般按间隔将最小震级mmin以上震级分成以上震级分成n档，档，mi取震级区间的下限值，取震级区间的下限值，a，b为回归系数为回归系数。各震级地震统计的时间段统一各震级地震统计的时间段统一地震活动性参数V是是m级以上的年平均发生率。各震级级以上的年平均发生率。各震级v的统计年限不的统计年限不一定一致，但要保证该震级在所统计时段内是完整的一定一致，但要保证该震级在所统计时段内是完整的。Lg(N)M0.75 某地震带1500年以来6级以上地震资料基本完整，根据样本统计得到该带b值为0.62，该地震带1500年至2000年间共发生过7级以上地震8次，则依7级以上地震推断该地震带4级以上地震年平均发生率应为（1.16）（注：10=4.168）V4=8/(2000-1500)100.62(7-4)某地震带4=2.4，b值=0.7，则该地震带7.0-7.9震级段地震的年平均发生率为（0.0159）（注：10=5.1286）2.4=7（7-4）2.4=8（8-4）,7-8=某地震带4=1.12，6=0.112，则该地震带的b值约为（）102b,10=10=(6.06.4)的发生率的发生率+(6.56.9)的发生率的发生率-0.002)-0.001)未来未来t年发生年发生n次次M0级以上地震的概率为：级以上地震的概率为：未来未来t年，事件发生的次数为年，事件发生的次数为0，也就是不发生的概率：，也就是不发生的概率：为至少发生一次的概率为至少发生一次的概率T年内超越概率年内超越概率重重现期期三者关系如下：三者关系如下：年超越概率年超越概率例如例如 50年超越概率年超越概率10%，P50P1=0.0021T=475共有共有N个潜源（地震带）对场点有影响，则场点总的超越概个潜源（地震带）对场点有影响，则场点总的超越概率为：率为：共有共有2个潜源，源个潜源，源1在场址在场址S产生地震动值产生地震动值A的概率为的概率为0.7；源；源2在场址在场址S产生地震动值产生地震动值A的概率为的概率为0.2，则场址，则场址S处地震动超越处地震动超越A的概率为（）的概率为（）1-（1-0.7）（1-0.2）.源源3在场址在场址S产生地震动值产生地震动值A的概率为的概率为0.6，则场址，则场址S处地处地震动超越震动超越A的概率为（）的概率为（）1-（1-0.7）（1-0.2）（1-0.6）地震动三要素地震动三要素 地震动峰值（加速度、速度、位移）地震动峰值（加速度、速度、位移）谱（反应谱谱（反应谱、富氏谱、功率谱等）、富氏谱、功率谱等）持续时间持续时间有效峰值加速度有效峰值加速度有效峰值速度有效峰值速度 项目分析项目分析项目分析项目分析 针对不同建设工程，确定设防水准、设计地震动针对不同建设工程，确定设防水准、设计地震动针对不同建设工程，确定设防水准、设计地震动针对不同建设工程，确定设防水准、设计地震动参数等参数等参数等参数等设防水准：设防水准：设防水准：设防水准：核电、水工、交通、构筑物、小区划、管线核电、水工、交通、构筑物、小区划、管线核电、水工、交通、构筑物、小区划、管线核电、水工、交通、构筑物、小区划、管线区划等对设防水准的规定区划等对设防水准的规定区划等对设防水准的规定区划等对设防水准的规定参数：参数：参数：参数：加速度、速度、位移加速度、速度、位移加速度、速度、位移加速度、速度、位移反应谱、时程反应谱、时程反应谱、时程反应谱、时程设计层位：设计层位：设计层位：设计层位：我国地震危险性概率方法我国地震危险性概率方法(CPSHA)(CPSHA)增加了地震带划分这一重要环节增加了地震带划分这一重要环节,反映地震活反映地震活动在时间、空间不均匀分布的特点动在时间、空间不均匀分布的特点划分地震带划分地震带地震带内划分潜地震带内划分潜在震源区在震源区潜在震源区潜在震源区场地场地潜在震源区定义潜在震源区定义具有相同震级上限，地震活动性相对均具有相同震级上限，地震活动性相对均匀分布的区域。匀分布的区域。我国地震危险性概率分析的技术步骤我国地震危险性概率分析的技术步骤n划分地震带并确定地震活动性参数划分地震带并确定地震活动性参数n划分潜在震源区、确定震级上限、确定划分潜在震源区、确定震级上限、确定地震空间分布函数地震空间分布函数n确定地震烈度或地震参数衰减关系确定地震烈度或地震参数衰减关系n地震危险性概率计算（专用程序）地震危险性概率计算（专用程序）谢 谢 ！