第7章地震及地球內部構造-地震--地震波與地震儀(重難點)--地震的強度--地震的分布--地震的預報與預防--地球的內部構造(重難點)-汶川北川2008年5月12日14時28分04秒汶川8.0級地震汶川映秀鎮(zhèn)都江堰街道汶川縣城北川中學都江堰市都江堰小學綿竹遵道鎮(zhèn)鵬花村2008年5月16日2006年8月11日2008年5月16日2006年8月11日專家稱汶川地震能量堪比400顆廣島原子彈仙臺市藤塚福島南相馬市鹿島區(qū)2011年3月11日13時46分日本9.0級地震，引發(fā)海嘯宮城縣石卷港福島核電站宮城飯子浜福島縣相馬市原町南灘福島南相馬市鹿島區(qū)仙臺市荒濱宮城縣谷川浜仙臺機場名取市名取市不安穩(wěn)的地下燁燁震電，不寧不令。百川沸騰，山冢萃崩。高岸為谷，深谷為陵?！对娊浶⊙拧酚涗浿苡耐醵晔轮?公元前780年)發(fā)生在陜西歧山的地震地震Earthquake地震：指地殼某個部位的巖層應力突然釋放而引起的一定范圍內地面及其建筑物照成的巨大破壞強烈地震的特點突發(fā)性破壞性連鎖性震源震中地震要素震源：引發(fā)地震、釋放地震深部能量的源區(qū)震中：震源在地面的垂直投影點震源深度(震深)：震源到震中的距離震中距：震中到地震臺的水平距離震源距：震源到地震臺的距離等震線：同一地震在地面引起相等破壞程度(烈度)的各點的連線地震類型成因分類構造地震：又稱斷裂地震，由低下巖石發(fā)生錯斷所引起的，占90%左右火山地震：火山爆發(fā)時氣體的沖擊說引起的，占7%左右陷落地震：上覆巖石超過巖石的支撐力時，地表發(fā)生塌陷引發(fā)的，占3%左右2011年3月11日13時46分，日本發(fā)生里氏8.9級地震，震中位于宮城縣以東的太平洋海域，震源深度20公里3m1906舊金山地震彈性回跳說美國加利福尼亞州埃爾森特羅市地表被錯開按震源深淺：深源地震：300-700km中源地震：70-300km淺源地震：<70km，占90%，集中在5-20km范圍按震級：微震：<3級弱震：3-4.5級中震：4.5-6級強震：>6級地震分類目前最大地震？智利9.5級地震按震中距：地方震：震中距<100km近震：100-1000km遠震：>1000km按發(fā)震時代：現(xiàn)代地震：儀器和資料記錄歷史地震：資料記錄古地震：無資料記錄地震序列地震序列：發(fā)生在同一地質構造帶或同一震源體內，具有成因聯(lián)系的一系列地震前震：主震發(fā)生之前的地震(foreshock)主震：最大的一次地震(mainchock)余震：主震之后發(fā)生的地震(aftershock)地震序列分類：主震型：主震明顯震群型：地震相當，沒有明顯主震和余震單發(fā)型或孤立型：基本不見前震和余震地震波地震波：地震發(fā)生時，以彈性振動波形式傳遞的能量就是地震波體波：縱波-壓縮波-P波橫波-剪切波-S波面波：瑞利波-R波勒夫波-L波(Q波)體波：由震源發(fā)出的縱波：P-wave，推進波(pushwaves)，P波，初至波(Primarywave)質點做前后運動，振動方向與傳播方向一致，物質疏密交替速度快，5.5-7km/s，在固液氣介質中均可傳播最先到達地表(震中)，破壞力相對較弱橫波：S-wave，剪切波(shearwaves)，S波，次至波(Secondarywave)質點上下振動，振動方向與傳播方向垂直速度較慢，3.2-4.0km/s，只能在固體中傳播比縱波晚到震中，振動垂直建筑物，破壞力較強體波PwaveSwave體波P波到達不同密度的物質時，會發(fā)生折射，因為在某些地區(qū)形成地震波的陰影區(qū)面波面波(surfacewaves)：縱波與橫波在地面相遇時激發(fā)產生的，波長大，振幅大，傳播速度小，主要的破壞力，不能在液體中傳播勒夫波：Lovewave，L波振動平行于巖層的橫波在物質層中干涉疊加，并可在物質層傳播振動平行于地面，成蛇形狀前進的橫向波動振幅隨深度增加而減弱，較薄的地表巖層，勒夫波很強瑞利波：Rayleighwave，R波兼有縱波和橫波的振動特點，類似質點做圓周運動在地表縱波和橫波相交或疊加的結果地震波的記錄橫波：縱波：面波(勒夫波、瑞利波)：利用慣性原理制成地震儀記錄地球的垂直運動記錄地球的水平運動地震儀候風地動儀候風地動儀是世界上第一架測驗地震的儀器。中國東漢時期天文學家張衡于漢順帝陽嘉元年（132）制成，候風地動儀用精銅制成，直徑2.7米，其外形像一個大型酒樽，如果發(fā)生較強的地震，都柱因受到震動而失去平衡，這樣就會觸動八道中的一道，使相應的龍口張開，小銅珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震發(fā)生的時間和方向elliptical瑞利波：兼具縱波和橫波的振動特點質點做圓周運動勒夫波：振動平行于地面縱波(P波)先到，然后橫波(S波)，最后面波(R波和Q波)震源的定位發(fā)生位置不同，地震波傳輸?shù)臅r間不同同一地震發(fā)出的地震波到達不同地震臺的時間不同地震臺網對震源的定位利用P-S波傳播速度不同引起的時間差，確定地震震源距離地震臺的距離，以此距離為半徑畫圓Akita秋田Tokyo東京Pusan釜山來自日本和韓國的同一地震的地震圖案例：日本神戶地震distance

Tokyo:434km

Pusan:549km

Akita: 697kmfrom:/cgi-bin確定震源：利用P-S波傳播速度不同引起的時間差，確定地震震源距離地震臺的距離，以此距離為半徑畫圓三個圓的交叉點位于：Kobe神戶，震源位置確定AkitaPusanTokyoAkita:30mmPusan:90mmTokyo:170mm測量3張圖的振幅from:/cgi-binfrom:/cgi-bin震級計算圖震中距、震級、振幅相關性圖震中距震級振幅distance(fromearlier)Tokyo:434kmPusan:549kmAkita:697kmamplitudeAkita:30mmPusan:90mmTokyo:170mmMagnitude：~6.8震中距震級振幅地震強度震級：衡量地震級別的物理量，常用里氏震級(ML)烈度：地震對地面的破壞程度，分為12級等震線：烈度相同的連線一個地震只有一個震級，但有多個烈度1886，Charleston查爾斯頓，弗吉尼亞地震烈度圖地震烈度地震分布環(huán)太平洋地震帶：80%的地震地中海-印尼地震帶：15%的地震洋脊地震帶：淺源地震，地震一般較小陸內變形帶：分布范圍小，主要在板塊碰撞帶(斷裂帶)和陸內裂谷帶，震級大，震源淺，一般不超過20km，破壞性很強earthquakesandplatetectonics1998-2004年全球Ms>=4.0地震分布圖環(huán)太平洋地震帶分布于瀕臨太平洋的大陸邊緣與島嶼。從南美西海岸安第斯山開始，向南經南美洲南端、馬爾維納斯群島（福克蘭群島）到南喬治亞島；向北經墨西哥、北美洲西岸、阿留申群島、堪察加半島、千島群島到日本群島；然后分成兩支，一支向東南經馬里亞納群島、關島到雅浦島，另一支向西南經琉球群島、我國臺灣、菲律賓到蘇拉威西島，與地中海--印尼地震帶匯合后，經所羅門群島、新赫布里底群島、斐濟島到新西蘭。其基本位置和環(huán)太平洋火山帶相同，但影響范圍較火山作用帶稍寬，連續(xù)成帶性也更明顯。這條地震帶集中了世界上80％的地震，包括大量的淺源地震、90%的中源地震、幾乎所有深源地震和全球大部分的特大地震地中海-印度尼西亞地震帶西起大西洋亞速爾群島，向東經地中海、土耳其、伊朗、阿富汗、巴基斯坦、印度北部、中國西部和西南部邊境、經過緬甸到印度尼西亞，與環(huán)太平洋地震帶相接它橫越歐亞非三洲，全長2萬多公里，基本上與東西向火山帶位置相同，但帶狀特性更加鮮明。該帶集中了世界15％的地震。主要是淺源地震和中源地震，缺乏深源地震洋脊地震帶分布在全球洋脊的軸部，均為淺源地震，震級一般較小陸內變形帶此外，大陸內部還有一些分布范圍相對較小的地震帶。如東非裂谷地震帶。我國鄰近環(huán)太平洋地震帶和地中海--印尼地震帶的交接地區(qū)，地震頻繁。歷史上以及近期都發(fā)生過破壞性地震。如1966年邢臺地震，1973年甘孜地震，1974年海城營口地震，1975年溧陽地震、爐霍和道孚地震，1976年唐山地震和云南昭通地震，1977年溧陽地震。這些地震除發(fā)生在溧陽的兩次地震略低于7級外，其余均在7級以上。中國地震帶臨近環(huán)太平洋地震帶賀蘭山-六盤山-龍門山-橫斷山地震帶我國西部地震帶地震的預報和預防預報地震是地震和地質工作者的神圣使命中長期預報：主要通過地震和地質情況的調查研究來實施短期預報：既要靠地震和地質情況的調查研究，還要靠運用各種監(jiān)測手段震前預報：主要靠各種監(jiān)測手段地震監(jiān)測主要是利用各種儀器設備去研究巖石中正在發(fā)生的各種物理變化地震儀對微弱震能進行連續(xù)記錄，分析研究記錄，可以推斷地震的發(fā)震趨勢此外，天氣和動物的異常反應，地光、地聲的產生，也是地震將到來的預兆人為誘發(fā)地震地下注水：1960’s，落基山脈某兵工廠注水試驗，誘發(fā)M=5.5級地震大壩建設1930’s胡夫水壩蓄水誘發(fā)地震硬度某水庫蓄水誘發(fā)M=6.3級地震東非、南加利福利亞水庫蓄水均發(fā)生過地震地下油水混合采礦原子彈爆炸美國地震分布圖美國地震風險評估圖地面晃動火災滑坡土壤液化地面移位地震的危害海嘯發(fā)生條件：震級足夠大，震源深度較淺海岸臨近深海，大量海水洶涌上岸震源斷裂的錯動為上下方向的運動為主日本海嘯波浪：700km/h夏威夷檀香山印尼海嘯(2004-12-26)印尼亞齊地區(qū)發(fā)生里氏7.9級地震并引發(fā)印度洋海嘯,這可能是世界近200多年來死傷最慘重的海嘯災難上圖拍攝于6月23日，下圖拍攝于12月28日兩張12月30日發(fā)布的衛(wèi)星圖片顯示的是印度尼西亞亞齊省首府班達亞齊海濱地區(qū)受海嘯襲擊前后的情形印尼受襲最為嚴重，該國共有238945人死亡或失蹤；泰國確認遇難者總人數(shù)為5393人；斯里蘭卡遇難者總人數(shù)為30957人；印度死亡人數(shù)是10749人地震波的利用探索板塊俯沖探索地殼結構東太平洋的洋隆用地震波研究地球內部構造地球內部地震波速突變的主要界面internalEarthstructurefromseismologycrust:0-60kmmantle:60-2900kmcore:2900-6370kmthin,outerlayermetallicdenserock內部圈層的劃分根據(jù)地震波傳播速度的突然變化，先后發(fā)現(xiàn)地球內部存在著七個顯著的地震波速不連續(xù)界面其中最主要的不連續(xù)界面有兩個，它們?yōu)椋耗袈寰S奇面(簡稱莫霍面)古登堡面莫霍洛維奇面(簡稱莫霍面)最先由克羅地亞學者莫霍洛維奇(A.Mohoroviche,1857-1936)于1909年發(fā)現(xiàn)在莫霍面上下，縱波速度從7.0km/s迅速增加到8.1km/s左右；橫波速度則從4.2km/s增加到4.4km/s左右．莫霍面出現(xiàn)的深度，全球平均為33km，在大洋之下平均僅為7km后來，人們就把莫霍面之上稱為地殼，莫霍面之下到古登堡面之間稱為地幔古登堡面1914年由美籍德裔學者古登堡(B.Gutenberg,1889-1960)發(fā)現(xiàn)的在此不連續(xù)面上下，縱波速度由13.6km/s突然降低為7.98km/s；橫波速度從7.23km/s到突然消失此界面位于地下2885km深度，此界面之下到地心，稱為地核地幔是位于莫霍面以下，古登堡面以上的地球中間一個圈層其厚度約2850km，占地球體積的82.3%，質量的67.8%，是地球的主體部分地震波中的橫波可以穿過整個地幔，應該是由固態(tài)的巖石所組成球粒隕石的密度(3-5g/cm3)，化學成分與地幔相近，主要是由與球粒隕石成分相當?shù)拈蠙鞄r類[(Mg,Fe)2SiO4]所組成的，還含有少量金屬硫化物或氧化物的流體地幔內存在兩個物相變化的界線在400km深處的晶體結構，由上部的橄欖石結構(孤立的島狀四面體結構)轉變?yōu)橄虏枯^緊密的尖晶石結構(四面體和八面體混合型結構)在670km深處則由尖晶石結構向下轉變?yōu)楦o密的鈣鈦礦結構(八面體和立方體混合型結構)將地幔分為3層地幔分為三個次級圈層上地幔(Ｂ層，33-400km深)是由具橄欖石結構的鎂鐵硅酸鹽為主所組成地幔過渡層(Ｃ層，400-670km深)由具有尖晶石結構為主所組成的鎂鐵硅酸鹽下地幔(Ｄ層，670-2885km深)則由具有鈣鈦礦結構的鎂鐵硅酸鹽為主所組成在上地幔內部(即Ｂ層內)，還存在一個地震波的低速層，其深度一般在地表之下60-250km之間低速層的上下并沒有明顯的界面，地震波速表現(xiàn)為漸變的特征，低速層后來就被命名為軟流圈軟流圈以上、巖石強度較大的部分(包括地殼和上地幔頂部)稱為巖石圈地核地球內部古登堡面至地心的部分其體積約為地球的16.2%，質量約占地球的31.3%，地核的密度達9.98-12.5g/cm3其成分以鐵鎳合金為主，現(xiàn)在一般認為地核可能還含有10-15%的氫硫化物或硅酸鹽根據(jù)地震波的傳播特點，地核可分為三層：外核(E層，深度2885-4170km)，根據(jù)橫波不能通過，縱波發(fā)生大幅度衰減的事實推測其為液態(tài)過渡層(F層，4170-5155km)，過渡層則為液體-固體的過渡狀態(tài)內核(G層，5155km-地心)，橫波又重新出現(xiàn)，說明其又變?yōu)楣虘B(tài)固體地球的圈層結構巖石圈巴雷爾(Barrell.Joseph)于1914年根據(jù)板塊理論提出的地球圈層概念。巖石圈包括地殼和上地幔的上部。巖石圈的厚度是變化的，大洋部分在洋中脊的最新部分只有6-8千米，在最老部分則有100千米；大陸巖石圈更厚一些，基本上在100-400千米之間軟流圈是巴雷爾(Barrell.Joseph)與巖石圈同時提出的地球圈層概念。它位于上地幔低速層之下至過度層上部。軟流層溫度較高，但剛性較弱，能夠長期緩慢變形，相對低溫的、剛性的巖石圈可作為一個整體漂流在軟流圈之上地殼是地球最表面的構造層，只占地球體積的0.8%，根據(jù)其性質可分大陸地殼和大洋地殼縱波(P波)和橫波(S波)在地球內部圈層的傳輸變化crust/mantleboundary:Mohorovicicdiscontinuity(seismicevidence)crusttwotypeshigherseismicvelocity:7km/sec--dense,mafic(basalt/gabbro);thinner:0to10kmlowerseismicvelocity:6km/sec--lessdense,felsic(granite);thicker:30to50kmoceaniccontinentalmantle:60-2900kmdepth?solidrockwithisolatedpocketsofmagma?seismicvelocitiesof8km/sec--ultramafic,densemantle:60-2900kmdepth?uppermostmantleandcrustmakeuplithosphere(brittle,outershellthatformstheplates)?seismicwavevelocitiesdecreaseabruptlybelowlithosphere“l(fā)ow-velocity”asthenosphere(plastic;flowsslowly)blue=fastvelocities(cold)red=slowvelocities(hot)mantle:3DpictureofseismicvelocitiessimilartoCATscan--showsmantleisnothomogeneouscore:2sections--innerandoutercoreoutercore:liquidinnercore:solidevidenceforsolidandliquidcomesfromPandSwaves初步的地球參考模型PREMPreliminaryReferenceEarthModel(PREM)內部圈層的主要特性地球內部的主要物理性質密度壓力溫度磁性彈塑性密度計算出地球的質量為5.974×1021t(幾乎六十萬億億噸)，地球的平均密度為5.517g/cm3地表巖石平均密度僅為2.7-2.8g/cm3可以肯定地球內部物質的密度一定大于地球的平均密度密度變化根據(jù)地震波速向下變大的資料，計算固體地球的密度：地表巖石一般密度為2.6-2.7g/cm3在地殼下部為2.9g/cm3在莫霍面以下密度突然變大到3.32g/cm３地幔密度可由3.32g/cm3逐漸增大到與地球平均密度相當?shù)?.56g/cm3在古登堡面之下，密度劇增至9.98g/cm3，而在地心則可達12.51g/cm3壓力地球內部的壓力指在不同深度處單位面積上的靜巖壓力(其實應該叫壓強)來自其周圍各個方向(三維空間)的壓力大致相等，即地球內部壓力基本上保持平衡；其數(shù)值與該處上覆巖石的總重量相等，稱為靜巖壓力P＝ｈ·ρ·ｇ靜巖壓力(P)等于某一深度(ｈ)、該處上覆物質平均密度(ρ)與平均重力加速度(ｇ)的乘積地球內部壓力變化地球內部壓力隨深度加大而增高地殼的平均密度約2.75g/cm3，深度每增加１km，壓力增加27.5Mpa(1MPa=106N/m2≈10大氣壓力)深部隨著巖石密度的加大，靜巖壓力增加得更快些，靜巖壓力在莫霍面附近約1200Mpa古登堡面附近約135,200MPa，地心處可達361,700MPa，相當于360萬個大氣壓力溫度在地表附近，由于太陽幅射熱的影響，溫度有晝夜變化、季節(jié)變化和多年周期的變化，這一表層可叫外熱層(或變溫層)外熱層的深度一般在十幾米，最多不超過幾十米在其下界面附近，地溫常年保持不變，等于或略高于當?shù)啬昶骄鶜鉁?，該處稱為常溫層地熱增溫(地熱增溫率)常溫層以下，受到地球內部熱量的影響，溫度逐漸升高，一般把在常溫層以下，每向下加深100ｍ所升高的溫度稱為地熱增溫率或地溫梯度世界上不同地區(qū)，地溫梯度都不相同，地球表層的平均地溫梯度為3℃．海底的地溫梯度一般為4-8℃，大陸為0.9-5℃，大陸的地溫梯度一般來說是顯著低于海底的如果都用上述地表附近的地溫梯度來推算地球深部的溫度，則地殼底部將為900℃，核幔邊界將達86,000℃，到地心將高達192,100℃地心：熔融或化為氣體狀態(tài)?發(fā)生熱核反應?地球內部溫度比較公認的推算結果在莫霍面附近地溫約為400-900℃在巖石圈底面約在1100℃左右地幔內的溫度大致在1000-3500℃之間地核的溫度在4000-5000℃之間不同學者用不同方法所獲實驗結果略有出入，差值在幾百度到上千度之間彈塑性固體地球具有彈性，也具有塑性地球具有彈性，表現(xiàn)在地球內部能傳播地震波，因為地震波是彈性波地表的固體巖石在日、月引力的作用下也有交替的漲落現(xiàn)象，其幅度為7-8cm，這種現(xiàn)象稱為固體潮重力地球吸引力和離心力的合力就是重力地球的離心力相對吸引力來說是非常微弱的，其最大值不超過引力的1/288，因此重力的方向仍大致指向地心地球周圍受重力影響的空間稱重力場重力場的強度用重力加速度來衡量，并簡稱為重力(單位為伽或毫伽：1Gal=1cm/s2=103mGal)

地球表面各點的重力值因引力與離心力的不同呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化重力值具有隨緯度增高而增加的規(guī)律，赤道處重力值為978.0318Gal，兩極為983.2177Gal，兩極比赤道增加5.1859Gal地球的重力形狀(重力測量)地球內部各圈層的物質組成地球內部的物理狀態(tài)和化學組成推斷地球內部各圈層物質組成的主要依據(jù)：根據(jù)各圈層密度和地震波速度與地表巖石或礦物的有關性質對比進行推測根據(jù)各圈層的壓力、溫度，通過高溫高壓模擬實驗進行推測根據(jù)來自地下深部的物質進行推斷?；鹕絿姲l(fā)和構造運動有時能把地下深部(如上地幔)的物質帶到地表與隕石研究的結果進行對比各圈層物理狀態(tài)與化學成分地殼是莫霍面以上的地球表層其厚度變化在5-70km之間。其中大陸地區(qū)厚度較大，平均約為33km；大洋地區(qū)厚度較小，平均約7km；總體的平均厚度約16km，約占地球半徑的1/400，占地球總體積的1.55％，占地球總質量的0.8％。地殼物質的密度一般為2.6-2.9g/cm3，其上部密度較小，向下部密度增大。地殼為固態(tài)巖石所組成，包括沉積巖、巖漿巖和變質巖三大巖類這些巖石主要由各類富鋁的硅酸鹽礦物所組成它們具有架狀、鏈狀或層狀等比較松散的硅酸鹽晶體結構架狀結構：硅氧四面體排列成空架狀，為各類長石的晶體結構鏈狀結構：硅氧四面體排列成鏈狀，為角閃石與輝石的晶體結構層狀結構：硅氧四面體排列成層狀為云母與粘土礦物的晶體結構島狀結構：硅氧四面體排列成孤立的島狀，它直接與周圍的鐵、鎂等離子相連結，為橄欖石等的晶體結構尖晶石結構：硅氧組成四面體與八面體混合的結構，為尖晶石所常見的晶體結構鈣鈦礦結構：硅氧組成八面體與立方體混合的緊密結構，為鈣鈦礦所常見的晶體結構硅酸鹽的架狀結構(長石結構)硅酸鹽的鏈狀結構(角閃石