工程地震的基本概念

工程地震的基本概念

地震作为一种突发性的自然灾害，给人民的生命财产带来了巨大的危害。在目前还不能准确预报地震的情况下，认真搞好工程抗震，从而使各种建筑物以及工程设施和设备在地震时不遭受重大破坏，并避免由此带来重大的次生灾害就有着十分重要的意义。解决这一课题必须首先了解工程地震的一般概念。

一地震成因和地震活动性

1．工程地震学基本名词

世界上发生的大多数地震为构造地震。由于地球的板块构造运动产生地应力，在地应力作用下构成地壳的岩石要发生变形。当应力在岩石弹性极限内，岩石以弹性变形的方式将其能量积累起来；在过大的应力作用下，变形超过允许值，岩石发生突然的脆性破裂，形成断层，并产生剧烈的相对运动，将积累的应变能转变为动能，急剧地释放出来形成地震波向四周传播而发生地震。它是由地球内部动力作用引起的一种地质现象。下面简要的介绍地震工程中常用的名词。

（1）震源

地震学家定义地壳内首先发生断层破坏的一点为震源，但断层面积可能很大，断裂面的几何中心常接近能量释放中心。

（2）震中

地震的震源在地表面的投影称为震中，又称仪器震中。能量释放中心在地表的投影为宏观震中，即破坏中心。两者有时相距几公里至几十公里。通常工程上的震中指的是一个区域，又称震中区。

（3）震中距

地面上某点到震中的直线距离称为震中距。

（4）震源深度

震源至震中的垂直距离称震源深度。震源深度从几公里到几百公里。震源深度小于70公里的称为浅源地震，以小于30公里的情况最多。由于震源浅，对地面破坏严重，但影响范围小。浅源地震约占地震总数的73%。震源深度在70～300公里范围内的称中源地震，主要分布在环太平洋地区；占地震总数的23%。震源深度大于300公里的称深源地震。影响范围大，但由于震源很深，地震引起的地面加速度小，一般对地面没有大的破坏，它占地震总数的4%。

（5）地震波

地震时从震源引起的振动以弹性波的形式向周围传播，这种运载能量的弹性波称为地震波。地震波可分为体波（纵波和横波）及面波（瑞雷波和洛夫波）两种。

体波是一种通过地球体内传播的地震波，按其振动形式的不同，又分为纵波和横波。纵波——纵波又叫拉压波或P波，纵波只有体积变形而无畸变，传播方向与振动方向一致，在地壳中，纵波的速度为7～8 km/s，是所有地震波中波速最大的一个。

横波——横波又称剪切波或S 波，横波只有形状改变而无体积改变，它的传播方向与振动方向相垂直。横波的波速永远小于纵波，在地壳中，横波的波速为4～5 km/s，对地

面的破坏比纵波大。

面波是指在自由表面或两种介质的分界面产生的波，波速较小，约为0.6～4.5 km/s，但振幅大，周期长，能传播很远，故对地面破坏最大，面波又分为瑞雷波和洛夫波。

瑞雷波——又称R波，质点在波的传播方向和地表面法向组成的平面内作椭圆运动，在地面上为滚动形式。瑞雷波是体波到达地面后反射叠加所形成的，在震中附近并不出

现。

洛夫波——又称Q波，它是另一种面波。传播时，质点在与传播方向相垂直的水平方向运动，洛夫波的存在条件是：半无限空间上存在一松软水平覆盖层。

一般说来，纵波造成地面构筑物上下颠簸；横波和面波造成构筑物前后左右晃动和扭动。

除构造地震外，还有火山地震和塌陷地震。火山地震由火山爆发引起，塌陷地震由地壳中空洞塌陷引起，这两种地震强度不大，影响范围小，而且发生的次数极少，不是研究对象。

除了天然地震以外，还有一种人工诱发地震，它是人类进行大型工程活动所诱发的，如新建大型水库或向地下大量注水，使地下岩层负荷增加，造成原有断层面或破碎带的活动而引起地震；又如地下核爆炸或大型爆炸引发的地震。该类地震发生在工程场地附近，震源浅且多为小震。

2．地震成因

构造地震占全世界地震总数的绝大多数，破坏性最大，因此我们只讨论构造地震。对地震成因存在各种假说，其中较多的人倾向于用“地幔对流学说”和“地球自转动力学说”来说明地震成因。

一种观点认为，地震是由组成地幔的气、夜、固及等离子体的复合态间对流和破裂引起的。该学说认为：地下放射性元素的衰变和岩石物理化学特性的改变，积累了巨大的热能，使其物质具有可塑性和流动性。由于地幔上、下部冷热物质温度差异，致使产生热流循环运动。同时伴随重力分离，这种过程是缓慢而持久的。地壳与上地幔顶部的岩石层分为大大小小的板块，也随着缓慢而持久地漂移，导致了地壳升降、挤压及褶皱。这就是所谓的地幔对流学说。

这一学说导致了板块学说的发展，使很多现象获得进一步的解释。例如，上升流造成大洋中脊和大陆裂谷岩石圈分裂；而下降流造成碰撞带岩石圈的俯冲和消失，使板块不停运动，相邻板块相互运动的碰撞就构成震源。全球地壳可以分为六大板块，即欧亚、太平洋、美洲、非洲、印度洋与南极板块。各大板块之内还可以划分为较小的板块，绝大部分地震发生在板块边缘；板块内的地震频度低，地点也零散。

地震成因的另一种解释是从地球自转动力学出发的。地球自转时，由于角速度ω的变化，产生从两极向赤道方向的运动，从而形成两极向赤道方向的水平压力。由于地球有很高的旋转速度，因此，在北半球的地壳有由北向南的水平压力；而在南半球有由南极向赤道方向的水平压力。由于这种压力的存在，使地壳发生变形，形成各种方向和形状的构造线。在构造线形成过程中，由于岩石的破裂、褶皱、岩浆的喷发从而引起地震。这种学说认为，地壳运动是以水平运动为主，地面的升降作用是由水平压力的挤压而产生的。地球自转速度由于各种原因而有变化，这就引起某一地区构造运动的强弱变化。上述两种地震成因学说能较好地说明地震现象，因而为多数人接受。

3．地震的机制

地震是由板块构造运动引起的，它是地壳岩石中长期积累的应变能在瞬时变换为动能的结果。弹性回跳理论从震源局部动力学观点较好地解释了震源机制。

弹性回跳理论的基本概念是，根据述两种学说，地震前地壳活动断层两端的地质构造存在相对运动，横跨断层的岩石随着地壳运动而变形，当应力和应变超过岩石强度时开始破裂，由于应变的消失，断层两端的岩石各自重新回弹到原有的形状，从而将积累的应变能变为动能释放出来，形成地震波，向四周传播出去。断层发生了弹性回跳之后，该地区重新调