《地震概论第六章.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《地震概论第六章.ppt(72页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、作者:赵克常,第一节 张衡的候风地动仪 第二节 现代地震仪 第三节 地震台与地震观测台网 第四节 地震定位 第五节 震级测定,第六章 地震仪及地震基本参数的测定,作者:赵克常,地震观测推动了地震学的诞生和发展,地震观测是地震学的基础,它对地震学乃至整个地球科学的发展起着极其重要的作用。 地震仪(seismograph)是一种可以接收地面振动,并将其以某种方式记录下来的装置。 仅记录地震波到达时间的仪器只能叫验震器。 由于地震动的振幅和频率变化大,地震记录仪器是很恨复杂的。真正可以有效记录地震细节的地震仪价值不菲。,作者:赵克常,第一节 张衡的候风地动仪,候风地动仪是中国古代观测地震的仪器,是东
2、汉张衡于公元132年创制的。 候风地动仪是利用惯性原理,在仪器内底部中央,立有一根都柱,即倒立的惯性振摆。围绕都柱设有八条滑道。滑道上面,装有八组“牙机”,即传动杠杆,其外端呈曲尺形,穿有枢轴,通出仪器外面与龙头上颌接合。 候风地动仪的灵敏度很高,据史料记载,候风地动仪曾接收到震中在陇西、而洛阳人未曾感觉到的地震所引起的地面振动。 随着自然科学和社会科学的发展,张衡的这项发明引起国内外高度的重视和深入的研究。,作者:赵克常,复原研究的三个里程碑,1875年, 服部一三,文字变猜想图形 1951年,王振铎 , 变成展览模型 2008年,科学复原,变成科学仪器,具 有了科学生命,作者:赵克常,张衡
3、的候风地动仪(Seismoscope),王振铎经过对历史资料的整理和研究,并总结了一些地震学家的研究成果,于1959年又将张衡的候风地动仪重新复原,陈列在中国历史博物馆内。,作者:赵克常,王振铎1963年,王振铎1951年,作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,联合国世界知识产权组织总部, 日内瓦,80年代,作者:赵克常,张衡的候风地动仪(Seismoscope),以中国地震局地球物理研究所冯锐研究员为首的候风地动仪课题组,希望研制出和原先一样的候风地动仪,作者:赵克常,张衡,作者:赵克常,Bolt B.A. 美国, 1978, 2000,张衡,作者:赵克常,地动仪是验震器 不是地震它不动
4、 只有地震它才晃,中有都柱,报警器 只要地动,我就动,作者:赵克常,限于工艺,张衡的地动仪不会是非常精致的。 从近代科学意义上看,候风地动仪不应该算作地震仪,只能是验震器,除了功能不如近代地震仪,主要原因是它没有时间记录。 即使地面震动晃动地动仪内的摆,摆的方向也不一定能惟一地显示出震源方向。 遗憾的是,这精巧的仪器失传了,而且,详细的内部机制也没有被记录流传下来。 直到很久以后,才发明了能真实测量地动整个过程的地震仪。 现代地震仪和地动仪一样,利用的是摆的惯性原理。肯定地说,地动仪是现代地震仪的先驱。国外一千多年后才出现类似的仪器。,作者:赵克常,第二节 现代地震仪,一、现代地震仪的诞生 1
5、8世纪早期,在欧洲才出现记录地震的仪器,当时是用摆显示地动。然而,地震仪的发展是缓慢的,早期的验震器不能记录地震波到达的时间,也不能给出地震动的永久记录。 1880至1890,访日的英国人约翰米尔恩、詹姆斯尤因和托马斯格雷,在日本研制出记录地震动随时间变化的第一架具有科学意义而且较为实用的地震仪。 二战后,地震仪的放大倍数提高到数万倍甚至数百万倍,同时也展宽了观测频率范围。新的仪器不断出现,运用计算机快速处理和储存地震资料,使地震学的发展步入了一个崭新的阶段。,作者:赵克常,二、现代地震仪工作原理 虽然现代地震仪比米尔恩的地震仪复杂得多,但是所依据的基本原理是一样的,原理就是惯性。 地震时,地
6、面同时在三个方向上运动:上下、东西和南北。地面运动可以是位移、速度或加速度,它们是随时间变化的三维矢量,为了研究完整的地面运动,一定要将这三个分量都记录下来。 地面振动幅度的大小在很大一个量级范围内变化。 记录不同频段地震波的长周期、短周期、中长周期及宽频带等具有不同频率响应特性的地震仪。 基本原理:地震仪是建造在以一套弹簧摆为拾震器的基础上,即俗称的摆式地震仪。,作者:赵克常,现代地震仪(Seismometer),作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,意大利地质学家帕尔米里于1856年制造的电磁地震记录仪,它已能记录地震到达当地的时间,作者:赵克常,现代地震仪,作者:赵克常,现代化的野外
7、地震仪,作者:赵克常,作者:赵克常,地震图(Seismograms),地震图也被称为地震记录,作者:赵克常,作者:赵克常,第一个远震 记录: 在德国Potsdam 记录到的日本发 生的地震,作者:赵克常,1906年旧金山地震记录,作者:赵克常,1906年旧金山地震时,加利福尼亚大学里克观测台尤因地震仪 在旋转圆盘上记录了地面南北方向和东西方向上的地震波动,作者:赵克常,作者:赵克常,1983-4-3哥斯达黎加地震在德国贝尔恩台记录的运动垂直分量 P波在地表反射一次或两次后分别为PP和PPP波,如在最后一次反射后 转换为S波,则得到PS和PPS波,S波在地表反射可产生SS和SSS波。 记录中最明
8、显的是通过大洋路径传播过来的瑞利波,作者:赵克常,常见的地震仪一般由拾震器、放大器(换能器)及记录系统三个部分组成。 拾震器是接收地面运动的一种传感器,它主要有一个摆锤,通过弹簧拴在一个能与地面一起运动的固定支架上。 地震仪的放大技术是逐渐发展的。最早采用的是机械放大和光杠杆放大,将摆的运动通过杠杆放大,直接在熏烟纸上记录或由摆反射的光写在相纸上。这种早期地震仪的放大倍数到千倍级已经很有难度了。现代地震仪基本采用电子放大器以提高地震仪的灵敏度。此时就必须采用换能装置,先将地面运动的机械信号转换成电信号。,作者:赵克常,由于模拟记录图上的地震震相到时及地震波振幅大小只能靠人工用刻度尺读取,存在较
9、大误差;如要借用计算机进行波形分析,还需要将地震波形记录进行数字化处理;此外,模拟记录的保存及传输、交换均不方便。 随着数字电路技术的高速发展和普及,传统的模拟记录正逐步被数字记录所取代。,作者:赵克常,图6-2 数字地震仪工作原理框图,第一步 第二步 第三步 第四步 第五步,数字记录,地震动,作者:赵克常,一、地震台 地震台(seismic station)是指利用各种地震仪器进行地震观测的观测点,是开展地震观测和地震科学研究的基层机构。 很久以前的地震台多是建在天文台附近,因为可以获得准确的时间。,第三节 地震台与地震观测台网,作者:赵克常,米尔恩1895年从日本回到英国,在怀特岛的赛德建
10、立了地震台,后来该台成为著名的地震研究中心。 不到几年时间,他就组建了第一个全球地震台网,10个台在大不列颠,30个台在国外。 随着在赛德的记录积累,他开始系统地分析地震类型。地震台的数目稳步增加,到1957年国际地震概要(International Seismological Summary)列入了大约600个地震台。国际地震概要是由米尔恩的赛德台的继承者在英国操作的一个国际组织。 由于米尔恩对地震观测的贡献,他被称为现代地震学的奠基人。,作者:赵克常,北京国家地球观象台(简称北京台)的前身是鹫峰地震台鹫峰地震台是我国自己创建的最早的地震台,年开始记录,年因日军大举侵略中国而被迫停止运行年,
11、地震台改建在北京西郊白家疃,年恢复地震观测,同时增加地磁观测项目年年底在台站南侧约千米处修建了长米的大型山洞,为开展高灵敏度地球物理观测和仪器研制、运行试验提供了良好的环境年月北京台被国家地震局(现中国地震局)确定为中美合作中国数字地震台网()的示范性数字地震观站,作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,二、地震观测台网 地震台网(seismologic network)是由各级地震台、 站所构成的观测网络。按其控制震级的大小分为微震台网和强震台网;按监视范围分为全球地震台网、国家地震台网和区域地震台网;按台站仪器设置分为长周期地震台网和短周期地震台
12、网;按信息记录方式还可分为模拟地震台网和数字地震台网等。 地震台网内观测数据由各台站定时发往地震数据处理及分析预报中心,中心负责数据的收集、整理、编辑和储存以及对数据的综合分析研究。 为记录不同震级和距离的地震一般要设置短、中长和长周期地震仪;相应的记录器也要有大、中、小的振幅类型 才能获得适合于分析用的真实的记录。,作者:赵克常,全球地震台网GSN (Global Seismic Network),由128个超宽频带数字式观测台组成 为研究地球构造与地震而设立的极高质量的标准地震台,作者:赵克常,作者:赵克常,图6.4 “十.五”期间中国地震局建立的 中国基本台网地震台的分布图,作者:赵克常
13、,地震定位是地震学中最经典、最基本的问题之一,提高定位精度也一直是地震学应用研究的重要课题之一。 地震学家们在建立地震台(网)后的首要任务就是找一种方法精确地确定震中。如果可能的话,也确定每次记录到的地震的震源。 1879年之前,没有地震仪,通常把地震破坏罪严重的地方定为震中,也叫宏观震中。 利用仪器记录进行震源定位始于欧洲和日本,最初使用方位角法,随后是几何作图法和地球投影法。 20世纪60年代后,计算机开始应用于地震定位,目前作图定位法已被计算机定位法代替。 为了直观认识地震定位的基本原理,本节介绍一种最简单的方法,即三角测量法:通过直接的三角测量发现震中的位置。,第四节 地震定位,作者:
14、赵克常,最简单的方法是通过直接的三角测量发现震中的位置。根据从其他地区地震或者爆破研究收集的时间资料,可以画出曲线来显示P波或S波从震源传播不同距离所需的平均时间。这些地震传播时间曲线(时-距曲线)是确定地震仪到震源距离的最基本工具。,作者:赵克常,假设在二维平面上,而且震源在地表(震源即震中),又假定有3个地震台,每一台记录到的都是同一个地震,而且各台位于震源的不同方向上。这3个台站的观测人员能够读到P波和S波的到达时间。 因为P波传播速度比S波快,所以这两种波传播得越远,它们的波前间隔的时间就越长。如果有了P波和S波到达的时间,从这两种波型的抵达某台时间间隔将可以直接求得震源到该地震台的距
15、离。 画3个圆,每个圆以一个地震台为圆心,计算得到的距离(震中距)为半径。这3个圆将会相交于所要求的震中点。 这3个数据最好是来自距震中为不同方向和不同距离的3个地震台。如果还要估算震源深度,需要第四个测量数据 。,作者:赵克常,P波、S波到达台站时间,根据上面S波与P波的时间差值估算出下列震中距离。,计算实例,作者:赵克常,据P波与S波的时间差值估算震中距离,作者:赵克常,作者:赵克常,通过计算机程序应用复杂的统计方法,分析许多台站P波和S波记录,并且确定发生在世界任何地方地震的震源位置。 为保证精度,地震台站必须合理地均匀地围绕着震中布设,而且应该有近台和远台的均匀分布。 通过对在同一地区
16、已知位置地震的先前记录的校对计算,可以更精确地定位震源。 今天在世界的多数地区,震中定位的精度大约为10千米,震源深度的精度更差,大约为20千米。,作者:赵克常,震级是表示地震大小的等级。依据释放能量多少,地震分为不同震级,震级越高,释放能量越多,破坏力越大。 世界上常用“里氏震级”标准区分地震震级。 “里氏震级”最初由地震学家查尔斯里克特(Charles Ricer)(下页图)1935年在美国加州理工学院发明的。里克特提出按照地震仪器探测到的地震波的振幅将地震分级。 这种分级系统最初只用于衡量南加州当地的地震的大小,现在全世界地震的研究都使用这种分级系统。,第五节 震级测定,作者:赵克常,作
17、者:赵克常,因为地震的大小变化范围很大,所以用对数来压缩测量到的地震波振幅是很方便的。 精确的定义是:里氏震级ML是最大地震波振幅以10为底的对数。 一种被称之为伍德-安德森(Wood-Anderson)的特殊地震仪记录到的振幅测量精度达到1毫米。里克特没有指定特殊的波型,因此最大振幅可以从有最高振幅的任何波形上取得。 由于一般振幅随着距离增大而减少,里克特选择距震中100千米的距离为标准。,作者:赵克常,按着这个定义,对一个100千米外的地震,如果伍德-安德森地震仪记录到1厘米的峰值波振幅(即1毫米的10000倍),则震级4。,作者:赵克常,用一张特殊的标度图,计算一个地震的ML的过程是很简
18、单的: (1)用S波与P波到达的时间差,计算出距震源的距离(S-P24秒); (2)在地震图上测量出波运动的最大振幅(23毫米); (3)在框图3.2左边选取适当的距离(左边)点,在右边选取适当的振幅点,两点联一直线,从它与中央震级标度线相交点可读出ML=5.0。,作者:赵克常,作者:赵克常,震级本身没有任何上下限(虽然地震大小有上限)。自本世纪有了地震仪以后所记录到的地震仅有几次震级达到8.5级以上(下页图)。例如,1964年3月27日在阿拉斯加威廉王子海湾的大地震的里氏震级约为8.6。另一方面,小断层的滑动可能产生小于零震级的地震(即负值)。 在局部地区记录的非常灵敏的地震仪可探测到小于-
19、2.0级的地震。这种地震释放的能量大约相当于一块砖头从桌子上掉到地面的能量。,作者:赵克常,本世纪全球发生8级和8级以上地震数目的变化,作者:赵克常,关于媒体常用的里氏震级的说明,地震台常用的震级已经包括3种新的震级,标为MS、mb和Mw。 在新闻介和大众中仍然使用里氏震级ML。这是媒体引起的错误,因为ML起初是专为测定南加州地方小震的大小而创立的震级,对较大的地震并不适合,例如说汶川大地震是里氏8.0级是不对的,其实是面波震级MS。 但是,地震学界也不打算纠正这种民众的错误,主要大家已经习惯了里氏震级。,作者:赵克常,ML、MS和mb三种震级都属里氏震级系统,由于里氏震级所用的波形没有被限定
20、,而且伍德-安德森地震仪仅有有限的记录能力,因此在地震研究中ML不再广泛使用。由于浅源地震具有易记录到的面波,地震学家们选择周期近20秒的面波的最大振幅计算震级,这样求出的震级称作面波震级MS,ML震级是为了用于当地地震而提出的,而MS震级可用于距接收台站相当遥远的地震。对于远距离的地震,MS值近似地给出当地里氏震级的补充,并且综合地给出中强地震带来的潜在损失的合理估计。 MS震级不能用于深源地震,因为深源地震不能激发显著的面波。所以地震学家们发展了第二种震级,mb,它是根据P波的大小而不是根据面波的大小确定地震的震级。所有的地震都可以清楚地读到P波的初始,因此用P波震级mb有很大优点,它可以
21、提供深源、浅源甚至远距离的任何地震的震级值。,作者:赵克常,式中,A为与地震记录最大振幅相应的地动位移(单位m), 应取两个水平分量最大振幅的几何平均值计算,不过实用中常取两个水平分量最大振幅的算术平均值;,称为量规函数,与震中距 有正变关系,还与记录仪类型有关。,作者:赵克常,式中,A为地震记录的最大面波振幅的地动位移(m,一般取瑞利波两个水平分量最大合成位移),T为相应周期(秒)。,作者:赵克常,式中,A/T为记录的最大体波振幅(m)及相应周期(秒),,为震级起算函数,也称量规函数,是震中距和震源深度h的函数。,作者:赵克常,对同一地震采用不同的震级标度测量,测量值是不同的。为了统一,在各
22、种震级标度间建立了用于换算的一系列经验性公式。 对于特大型地震,用里氏系列的震级标度测量将出现“饱和”问题。 用震级描述地震的大小或强度非常方便,但是这个参数没有物理意义。,作者:赵克常,地震矩是由受构造应力影响使断裂面突然滑移的力学模型,推导出来的地震整体大小的量度。它是1966年美国地震学家安艺(Aki)提出的。 现在受到地震学界欢迎,因为它与断裂破裂过程的物理实质直接联系。根据它能推断活动断裂带的地质特性。 地震矩定义为岩石的弹性刚度、施力的面积和突然滑移中断裂的位错量三者的乘积。这种量度的好处是,它不像基于地震波幅的量度,受到波的传递过程中岩石摩擦使能量耗散的影响。在适宜的情况下,地震
23、矩能够简单地从在野外测量的地面破裂的长度和从余震深度推断的破裂深度估算出来。 地震矩可以描述从最小到最大的地震震级变化。,作者:赵克常,这种识别地震大小的方法的优点是通过分析地震图或者通过野外测量地震断层破裂的尺寸,包括深度,就可以计算出地震矩。从任何普通的现代地震仪记录到的地震图都可以计算出地震矩,而且该方法考虑到地震发生时出现的所有波形。由于其上述优点,现在人们多半都计算地震的矩震级,记为Mw。 Mw震级给出了地震大小更具有物理意义的衡量,特别是对最强烈地震。,作者:赵克常,矩震级Mw的计算公式如下:,M0单位为Nm,作者:赵克常,由于地震波能量辐射花样的方位性,地震波传播路径的影响、记录台台基效应的影响等,不同台站即使测定同一个地震的震级值也会有所不同,这是经常发生的事情。 震级是表征地震强弱的量度,但震级的测量精度是有限的,一般认为,震级的测定精度在0.3左右。,作者:赵克常,强震加速度及加速度地震仪,近震、强震记录的需要 工程地震的需要 地震信息的完整,作者:赵克常,END !,Thank you for,your attention and cooperation!,
链接地址:https://www.31doc.com/p-2564731.html