1、第八章地震觀測與震源參數測定第八章地震觀測與震源參數測定l地震觀測發展與地震儀原理地震觀測發展與地震儀原理l地震臺網與地震臺選址和架設的一般原則地震臺網與地震臺選址和架設的一般原則l震相分析震相分析l地震基本參數的測定地震基本參數的測定地震定位地震定位l地震基本參數的測定地震基本參數的測定震級測量震級測量lP波初動測定震源機制波初動測定震源機制l地震活動性分析地震活動性分析l地震預測問題的討論地震預測問題的討論 震級是表示地震大小的等級。依據釋放能量多少，地震震級是表示地震大小的等級。依據釋放能量多少，地震分為不同震級，震級越高，釋放能量越多，破壞力越大分為不同震級，震級越高，釋放能量越多，破

2、壞力越大。 世界上常用世界上常用“里氏震級里氏震級”標準區分地震震級標準區分地震震級。 “里氏震級里氏震級”最初由地震學家查爾斯最初由地震學家查爾斯里克特（里克特（Charles Ricer）（下頁圖）（下頁圖）1935年在美國加州理工學院發明的。里克年在美國加州理工學院發明的。里克特提出按照地震儀器探測到的地震波的振幅將地震分級特提出按照地震儀器探測到的地震波的振幅將地震分級。 這種分級系統最初只用于衡量南加州當地的這種分級系統最初只用于衡量南加州當地的地震的大小，地震的大小，現在全世界地震的研究都使用這種分級系統?，F在全世界地震的研究都使用這種分級系統。五、地震基本參數的測定五、地震基本參

3、數的測定震級測量震級測量2012年春(1) 里氏震級里氏震級 （加（加州地震臺州地震臺網）網）各次地震的振幅變化曲線大各次地震的振幅變化曲線大體彼此平行體彼此平行任何兩次大小不等的事件，任何兩次大小不等的事件，它們的最大振幅對數之差與它們的最大振幅對數之差與震中距無關震中距無關引入震級的概念引入震級的概念提出計算震級的公式提出計算震級的公式E(A/T)2常數2001101TATAEE對于兩次不同強度對于兩次不同強度地震，震源深度相地震，震源深度相同，同一震中距同，同一震中距001101lglg8 . 1lgTATAEE介質不是各向介質不是各向同性，還存在同性，還存在吸收、擴撒吸收、擴撒0011

4、lglgTATAMM為里氏震級為里氏震級(2)地方震級1) Local Magnitude的定義 MLlog10A()log10A0()A0一標準地震在某一確定震中距處產生的最大振幅，一標準地震在某一確定震中距處產生的最大振幅， A待定震級的地震記錄的最大振幅待定震級的地震記錄的最大振幅 log10A0為量規函數(Calibration Function) 其中A0的規定是：采用Wood-Anderson地震儀 （T0=0.8sec，D=0.8， V=2800），地震記錄水平分量的最大振幅值。零級地震的規定零級地震的規定 伍德伍德安德森標準地震安德森標準地震儀在震中距等于儀在震中距等于100k

5、m處處，A010-3mm，則，則此此次地震的震級為零級次地震的震級為零級。 盡管如此平移標定曲線盡管如此平移標定曲線來定義來定義ML0 ，目前依，目前依然測到了負震級。然測到了負震級。(2)地方震級地方震級2) 意義意義 客觀量度地震大??；客觀量度地震大??； 簡便；簡便； 提供了分類方法，深化了研究，它是描繪地震的第一提供了分類方法，深化了研究，它是描繪地震的第一個物理量。個物理量。 因為地震的大小變化范圍很大，所以用對數來壓縮測因為地震的大小變化范圍很大，所以用對數來壓縮測量到的地震波振幅是很方便的。量到的地震波振幅是很方便的。 精確的定義是：里氏震級精確的定義是：里氏震級ML是最大地震波振

6、幅以是最大地震波振幅以10為底的對數。為底的對數。 一種被稱之為伍德一種被稱之為伍德-安德森（安德森（Wood-Anderson）的特）的特殊地震儀記錄到的振幅測量精度達到殊地震儀記錄到的振幅測量精度達到1毫米。里克特沒毫米。里克特沒有指定特殊的波型，因此最大振幅可以從有最高振幅的任有指定特殊的波型，因此最大振幅可以從有最高振幅的任何波形上取得。何波形上取得。 由于一般振幅隨著距離增大而減少，里克特選擇距震由于一般振幅隨著距離增大而減少，里克特選擇距震中中100千米的距離為標準。千米的距離為標準。 按著這個定義，對一個按著這個定義，對一個100千米外的地震，如果伍德千米外的地震，如果伍德-安安

7、德森地震儀記錄到德森地震儀記錄到1厘米的峰值波振幅（即厘米的峰值波振幅（即1毫米的毫米的10000倍）倍）,則震級則震級4。 用用一張特殊的標度圖，計一張特殊的標度圖，計算一個地震的算一個地震的ML的過的過程：程： （1）用）用S波與波與P波到達的波到達的時間差，計算出距震源的距離時間差，計算出距震源的距離（S-P24秒）；秒）； （2）在地震圖上測量出）在地震圖上測量出波運動的最大振幅（波運動的最大振幅（23毫米）；毫米）； （3）在框圖）在框圖3.2左邊選取左邊選取適當的距離（左邊）點，在右適當的距離（左邊）點，在右邊選取適當的振幅點，兩點聯邊選取適當的振幅點，兩點聯一直線，從它與中央震級

8、標度一直線，從它與中央震級標度線相交點可讀出線相交點可讀出ML=5.0。 按震級大小可把地震劃分為以下幾類：按震級大小可把地震劃分為以下幾類：弱震：弱震：震級震級小于小于3級。如果震源不是很淺，這種地震一級。如果震源不是很淺，這種地震一般不易覺察。般不易覺察。有感地震：有感地震：震級等于或大于震級等于或大于3級、小于或等于級、小于或等于4.5級。這級。這種地震能夠感覺到，但一般不會造成破壞。種地震能夠感覺到，但一般不會造成破壞。中強震：中強震：震級大于震級大于4.5級、小于級、小于6級。屬于可造成破壞的級。屬于可造成破壞的地震，但破壞輕重還與震源深度、震中距等多種地震，但破壞輕重還與震源深度、

9、震中距等多種因素有關。因素有關。強震：強震：等于或大于等于或大于6級。級。強烈地震：強烈地震：等于或大于等于或大于7級。級。巨大地震：巨大地震：大于等于大于等于8級。級。(3)推廣推廣1)面波震級面波震級(Surface Wave Magnitude)為了標定為了標定遠的遠的、淺的大淺的大震，采用震，采用MSlog10AB( )其中：其中：A是記錄到的最大地動水平矢量的模是記錄到的最大地動水平矢量的模 ( m)； B( )為零級地震對應的標定曲線；為零級地震對應的標定曲線； 為震中距；為震中距； 最大地動周期一般都在最大地動周期一般都在20秒左右，又稱秒左右，又稱20秒面波震級。秒面波震級。(

10、3)推廣推廣2）體波震級體波震級(Body Wave Magnitude) 為了標定深震，采用為了標定深震，采用mblog10(A/T)B( ,h)S其中：其中： S是臺站校正；是臺站校正；B ( ,h)log10(A0/T0)（A0、T0零級地震的地動振幅及周期）零級地震的地動振幅及周期）A和和T是是P或或PP的水平或垂向最大地動位移和周期，的水平或垂向最大地動位移和周期，也也可以可以 是是S波的水平向波的水平向(即即SH)最大地動位移和周期。最大地動位移和周期。體體波振幅隨深度的變化可粗略估算。波振幅隨深度的變化可粗略估算。由由彈性理論可知：彈性理論可知： A/T正比于周期為正比于周期為T

11、的諧波分量的平均能流密度。的諧波分量的平均能流密度。 震級本身沒有任何上下限（雖然地震大小有震級本身沒有任何上下限（雖然地震大小有上限）。自本世紀有了地震儀以后所記錄到的地上限）。自本世紀有了地震儀以后所記錄到的地震僅有幾次震級達到震僅有幾次震級達到8.5級以上（下頁圖）。例如，級以上（下頁圖）。例如，1964年年3月月27日在阿拉斯加威廉王子海灣的大地震日在阿拉斯加威廉王子海灣的大地震的里氏震級約為的里氏震級約為8.6。另一方面，小斷層的滑動可。另一方面，小斷層的滑動可能產生小于零震級的地震（即負值能產生小于零震級的地震（即負值）。）。 在局部地區記錄的非常靈敏的地震儀可探測在局部地區記錄的

12、非常靈敏的地震儀可探測到小于到小于-2.0級的地震。這種級的地震。這種地震釋放的能量大約相地震釋放的能量大約相當于一塊磚頭從桌子上掉到地面的能量。當于一塊磚頭從桌子上掉到地面的能量。2012年春本世紀全球發生8級和8級以上地震數目的變化 ML、MS和mb三種震級都屬里氏震級系統 由于里氏震級所用的波形沒有被限定，而且伍德由于里氏震級所用的波形沒有被限定，而且伍德-安德森地震儀僅有安德森地震儀僅有有限的記錄能力，因此在地震研究中有限的記錄能力，因此在地震研究中ML不再廣泛使用。由于淺源地不再廣泛使用。由于淺源地震具有易記錄到的面波，地震學家們選擇周期近震具有易記錄到的面波，地震學家們選擇周期近2

13、0秒的面波的最大秒的面波的最大振幅計算震級，這樣求出的震級稱作面波震級振幅計算震級，這樣求出的震級稱作面波震級MS，ML震級是為了用震級是為了用于當地地震而提出的，而于當地地震而提出的，而MS震級可用于距接收臺站相當遙遠的地震。震級可用于距接收臺站相當遙遠的地震。對于遠距離的地震，對于遠距離的地震，MS值近似地給出當地里氏震級的補充，并且綜值近似地給出當地里氏震級的補充，并且綜合地給出中強地震帶來的潛在損失的合理估計。合地給出中強地震帶來的潛在損失的合理估計。 MS震級不能用于深源地震，因為深源地震不能激發顯著的面波。所震級不能用于深源地震，因為深源地震不能激發顯著的面波。所以地震學家們發展了

14、第二種震級，以地震學家們發展了第二種震級，mb，它是根據，它是根據P波的大小而不是根波的大小而不是根據面波的大小確定地震的震級。據面波的大小確定地震的震級。所有的地震都可以清楚地讀到所有的地震都可以清楚地讀到P波的波的初始，因此用初始，因此用P波震級波震級mb有很大優點，它可以提供深源、淺源甚至遠有很大優點，它可以提供深源、淺源甚至遠距離的任何地震的震級值。距離的任何地震的震級值。 )(logRAML)(R式中，式中，A為與地震記錄最大振幅相應的地動位移為與地震記錄最大振幅相應的地動位移(單位單位m), 應取兩個水平分量最大振幅的幾何平均值計算，不應取兩個水平分量最大振幅的幾何平均值計算，不過

15、實用中常取兩個水平分量最大振幅的算術平均值；過實用中常取兩個水平分量最大振幅的算術平均值； 稱稱為量規函數，與震為量規函數，與震中距中距 有正變關系，還與有正變關系，還與記錄儀類型有關。記錄儀類型有關。21max)log()log(ccTAMS式中，A為地震記錄的最大面波振幅的地動位移（m，一般取瑞利波兩個水平分量最大合成位移），T為相應周期（秒）。),()log(maxhQTAmb式中，式中，A/T為記錄的最大體波振幅（為記錄的最大體波振幅（m）及相應）及相應周期（秒周期（秒），），Q(,h)為震級起算函數，也稱量規函為震級起算函數，也稱量規函數，是震中距數，是震中距和震源深度和震源深度h的

16、函數。的函數。 對同一地震采用不同的震級標度測量，對同一地震采用不同的震級標度測量，測量值是不同的。為了統一，在各種震級標測量值是不同的。為了統一，在各種震級標度間建立了用于換算的一系列經驗性公式度間建立了用于換算的一系列經驗性公式。 對于特大型地震，用里氏系列的震級標對于特大型地震，用里氏系列的震級標度測量將出現度測量將出現“飽和飽和”問題問題。 用震級描述地震的大小或強度非常方便，用震級描述地震的大小或強度非常方便，但是這個參數沒有物理意義。但是這個參數沒有物理意義。44(4) ML,MS和和mb的不統一與統一震級的不統一與統一震級M和和m的提出的提出1)問題：盡管努力湊合標定曲線問題：盡

17、管努力湊合標定曲線(各臺不同的各臺不同的)，但同一臺，但同一臺記錄所測定的，同一個地震的三個震級不相同。記錄所測定的，同一個地震的三個震級不相同。經統計，得出：mb0.63MS2.5MS1.27(ML1)0.016ML2利用這一結果可得由實測MS推算的體波震級Mb；以及由實測mb推算的面波震級MSmb0.63MS2.5Ms1.59mb3.97事實上，兩者依然不統一。3)統一震級的定義 3/4 1/4mmbMbM ms MS實用價值不大。(5) 震級飽和現象震級飽和現象二十世紀六十年代接連發生多次巨震二十世紀六十年代接連發生多次巨震(great earthquake)，所測震級與宏觀現象所測震級

18、與宏觀現象(震害表現震害表現)相差較大。相差較大。仔細對比大量觀測結果，得出各種震級的飽和值如下：仔細對比大量觀測結果，得出各種震級的飽和值如下：飽飽和現象表明對于巨震能量估計偏低。和現象表明對于巨震能量估計偏低。49(6) 不飽和的新震級不飽和的新震級(矩震級矩震級)MW1) 震級和地震波輻射能量的經驗關系震級和地震波輻射能量的經驗關系非常簡化的考慮：非常簡化的考慮：簡諧波的能量與其振幅的平方成正比，簡諧波的能量與其振幅的平方成正比，EA2，logE2logA2M2B( )總可以認為：總可以認為：logEaMb (G-R公式，即能級公式）公式，即能級公式）對大量的地震，分別獨立地估計對大量的

19、地震，分別獨立地估計E和實測和實測M，經統計得出：，經統計得出：logE1.5M11.8地地震矩是由受構造應力影響使斷裂面突然滑移的力學模型，震矩是由受構造應力影響使斷裂面突然滑移的力學模型，推導出來的地震整體大小的量度。它是推導出來的地震整體大小的量度。它是1966年美國地震學家安年美國地震學家安藝（藝（Aki）提出的。）提出的。 現在受到地震學界歡迎，因為它與斷裂破裂過程的物理實現在受到地震學界歡迎，因為它與斷裂破裂過程的物理實質直接聯系。根據它能推斷活動斷裂帶的地質特性。質直接聯系。根據它能推斷活動斷裂帶的地質特性。 地震矩定義為巖石的彈性剛度、施力的面積和突然滑移中地震矩定義為巖石的彈

20、性剛度、施力的面積和突然滑移中斷裂的位錯量三者的乘積。這種量度的好處是，它不像基于地斷裂的位錯量三者的乘積。這種量度的好處是，它不像基于地震波幅的量度，受到波的傳遞過程中巖石摩擦使能量耗散的影震波幅的量度，受到波的傳遞過程中巖石摩擦使能量耗散的影響。在適宜的情況下，地震矩能夠簡單地從在野外測量的地面響。在適宜的情況下，地震矩能夠簡單地從在野外測量的地面破裂的長度和從破裂的長度和從余震深度推斷的破裂深度估算出來。余震深度推斷的破裂深度估算出來。 地震矩可以描述從最小到最大的地震震級變化。地震矩可以描述從最小到最大的地震震級變化。2)地震矩地震矩(Seismic Moment) 這種識別地震大小的

21、方法的優點是通過分析地震圖這種識別地震大小的方法的優點是通過分析地震圖或者通過野外測量地震斷層破裂的尺寸，包括深度，或者通過野外測量地震斷層破裂的尺寸，包括深度，就可以計算出地震矩。從任何普通的現代地震儀記錄就可以計算出地震矩。從任何普通的現代地震儀記錄到的地震圖都可以計算出地震矩，而且該方法考慮到到的地震圖都可以計算出地震矩，而且該方法考慮到地震發生時出現的所有波形。由于其上述優點，現在地震發生時出現的所有波形。由于其上述優點，現在人們多半都計算地震的矩震級，記為人們多半都計算地震的矩震級，記為Mw。 Mw震級給出了地震大小更具有物理意義的衡量，震級給出了地震大小更具有物理意義的衡量，特別是

22、對最強烈地震。特別是對最強烈地震。 3)矩震級矩震級MW從地震波記錄可獨立地測出從地震波記錄可獨立地測出M0，代入，代入GR的震的震級級能量的統計公式，可得到折算的能量的統計公式，可得到折算的MW ： 要要由由M0計算計算MW的原因在于：的原因在于： M0已是地震波輻射源的強度的定量標志，但是震級已已是地震波輻射源的強度的定量標志，但是震級已積累了許多資料，許多論文已引用，故折算成積累了許多資料，許多論文已引用，故折算成MW。M0難測，中小震更難，甚至目前無法測準，所以要折難測，中小震更難，甚至目前無法測準，所以要折算成震級。算成震級。對于應力完全釋放的大震，所釋放的應變能為：對于應力完全釋放

23、的大震，所釋放的應變能為：050105MWGR能級公式：能級公式：矩震級矩震級Mw的計算公式如下：的計算公式如下：M0地震的標量矩，單地震的標量矩，單位位為為dyne-cmM0地震的標量矩，單位為地震的標量矩，單位為N.m 由于地震波能量輻射花樣的方位性，地震波傳由于地震波能量輻射花樣的方位性，地震波傳播路徑的影響、記錄臺臺基效應的影響等，不同播路徑的影響、記錄臺臺基效應的影響等，不同臺站即使測定同一個地震的震級值也會有所不同，臺站即使測定同一個地震的震級值也會有所不同，這是經常發生的事情這是經常發生的事情。 震級是表征地震強弱的量度，但震級的測量精震級是表征地震強弱的量度，但震級的測量精度是有限的，一般認為，震級的測定精度在度是有限的，一般認為，震級的測定精度在0.3左左右。右。(7)關于震級和地震矩的討論關于震級和地震矩的討論1)里氏震級的意義、優點和缺點里氏震級的意義、優點和缺點A. 意義、優點意義、優點a.測量方法簡便；測量方法簡便；b.提供了客觀的一種分類，深化了研究，測量方法簡便；提供了客觀的一種分類，深化了研究，測量方法簡便；c.對地震本身的強弱作了客觀的量度。對地震本