1、天然地震學(xué)的內(nèi)容及主要研究方面： 所謂天然地震學(xué)就是研究天然地震發(fā)生、地震波的接收與傳播，地球介質(zhì)的構(gòu)造及特征的一門學(xué)科。,Natural Seismology,運(yùn)用物理學(xué)、數(shù)學(xué)、地質(zhì)學(xué)的知識(shí)， 研究地震發(fā)生的狀況，地震波在地球 內(nèi)的傳播規(guī)律，地殼和地球內(nèi)部的分 層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及介質(zhì)特征。 預(yù)測(cè)、預(yù)防、預(yù)報(bào)及控制地震。,研究目的,研究?jī)?nèi)容,1.強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)地震學(xué)宏觀地震學(xué)或工程地 震學(xué)； 2.地震波傳播理論和地球內(nèi)部物理學(xué)理論地震學(xué)、定量地震學(xué)，計(jì)算地球物理學(xué)的重要內(nèi)容； 3.測(cè)震學(xué)； 當(dāng)前主要研究領(lǐng)域 1.地震烈度與區(qū)劃防震抗震； 2.地震構(gòu)造物理學(xué)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、動(dòng)力學(xué)； 3.震源物理地震成因；,

2、當(dāng)前主要研究具體內(nèi)容：1.地震烈度與區(qū)劃防震抗震；2.地震構(gòu)造物理學(xué)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、動(dòng)力學(xué)；3.震源物理地震成因；4.地震波傳播理論正演（射線追蹤/合成理論地震圖；5.地殼及地球內(nèi)部物理分層結(jié)構(gòu)、非均一性、各向異性；6.模型地震學(xué)實(shí)驗(yàn)、模擬；7.觀測(cè)系統(tǒng)及資料分析和處理方法；8.預(yù)報(bào)綜合研究；,第一節(jié) 天然地震分類及活動(dòng)規(guī)律,一、地震學(xué)基本名詞與概念 1.空間概念 震源；震源深度h 震中；極震區(qū) 震中距,2.發(fā)震時(shí)刻t0 3.強(qiáng)度: 烈度I;等震線；震級(jí)M； 震中烈度I0與震級(jí)M的關(guān)系： M=1+2/3I0 地震能量E與震級(jí)M之間的關(guān)系： logE=+M 古登堡、里克利統(tǒng)計(jì)得出=11.8, =1.

3、5， 當(dāng)M=0時(shí)，E(J)=6.3104焦耳； M=4時(shí)， E(J)=6.31010焦耳； 1kg炸藥產(chǎn)生E(J)=4.2106焦耳； 日本廣島2萬(wàn)噸原子彈釋放出能量E=8.4 1013焦耳,相當(dāng)于M=6.1級(jí)地震釋放得能量。,二、天然地震分類,1.成因分類 構(gòu)造地震；火山地震；誘發(fā)地震； 2.震源深度分類 淺源地震：h300km. 3.按震中距分類： 地方震：1000km;,4.按震級(jí)分類弱震：M3; 有感地震：3M4.5中強(qiáng)震： 4.5M6強(qiáng)震： M6，其中M 8稱巨大地震。,三、地震活動(dòng)規(guī)律與板塊構(gòu)造,1. 板塊邊界地震 匯聚邊界，離散邊界，轉(zhuǎn)換斷層。 2. 板內(nèi)地震,世界大地震分布圖,

4、第二節(jié) 彈性波理論基礎(chǔ),一、 理想彈性介質(zhì)及彈性模量,均勻各向同性 介質(zhì)連續(xù)性 完全彈性,1.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,1.1.1概念：應(yīng)力、應(yīng)變,1. 應(yīng)力 體力、面力應(yīng)力：物體在外力作用下其內(nèi)部產(chǎn)生與外力平衡的附加內(nèi)力，即內(nèi)聚力的改變量。定義為任意截面上單位面積內(nèi)的附加內(nèi)力為應(yīng)力。分解為沿截面法向和切向兩個(gè)分量，分別稱為正應(yīng)力和剪應(yīng)力。,2.應(yīng)變 應(yīng)變是應(yīng)力所引起的物體形變的一種量度，定義為單位長(zhǎng)度或單位體積內(nèi)的形變量。 線應(yīng)變 體應(yīng)變 切應(yīng)變,1.1.2 Hook定律,在彈性限度內(nèi)，應(yīng)變與應(yīng)力呈正比，即Hook定律，滿足該定律的物體稱為完全彈性體。,1.2 彈性模量,1.2.1 楊氏模量 （線

5、應(yīng)變）,1.2.2 體積模量（不可壓縮系數(shù)）,1.2.3 剪切模量（剛度）,二、 地震波類型及其傳播規(guī)律,地震波類型 體波 面波,2.1 體波,在整個(gè)三維空間傳播彈性應(yīng)變能量，稱為體波。,2.1.1 縱波,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。,2.1.2 橫波,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。它有偏振：質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)的振動(dòng)分量，稱為SH波，質(zhì)點(diǎn)在垂直面內(nèi)的振動(dòng)分量稱為SV波。,2.2 面波,一部分能量沿著界面?zhèn)鞑?，隨深度增加其能量迅速衰減，形成面波。換句話說(shuō)，面波是一種導(dǎo)波，其能量限制在波導(dǎo)內(nèi)。在波導(dǎo)內(nèi)傳播的波稱為導(dǎo)波，又稱為槽波。有關(guān)地層的頂?shù)酌骈g構(gòu)成一個(gè)波導(dǎo)，自由界面與莫霍面間形成波導(dǎo)，自有界

6、面與幔核界面構(gòu)成另一波導(dǎo)。,傳播速度隨周期而異，稱為頻散（dispersion)現(xiàn)象,周期越大，速度也越大，稱為正頻散，反之，稱為倒頻散。,面波特點(diǎn),2.2.1 瑞利面波LR,瑞利波沿介質(zhì)與大氣層接觸的自由界面?zhèn)鞑?。其特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)大致作逆時(shí)針?lè)较?，軌跡為橢圓的運(yùn)動(dòng)。,瑞利波的成因,它是縱波p和橫波垂直分量SV在層面上疊加而形成的。其質(zhì)點(diǎn)的位移隨深度按指數(shù)規(guī)律減小，存在垂直和平行半無(wú)限彈性介質(zhì)界面的二個(gè)分量。但垂直分量強(qiáng)，是水平分量的1.47倍，因此逆進(jìn)橢圓長(zhǎng)軸直立。瑞利波衰減系數(shù)與波頻成正比。與波長(zhǎng)成反比。,瑞利波的傳播速度：,2.2.2 勒夫波LQ,勒夫波是在物質(zhì)非均勻，如一低速通道（上

7、覆、下伏介質(zhì)的速度均大于中間層的速度時(shí)形成。它是橫波的水平偏振分量SH波在層頂和層底之間多次反射疊加而成。因此質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)垂直于波的傳播方向且在水平面內(nèi)。,勒夫波的形成,勒夫波的傳播速度：,在半無(wú)限均勻介質(zhì)中，不產(chǎn)生勒夫波，產(chǎn)生的瑞利波無(wú)頻散。,第三節(jié) 震相及走時(shí)方程,地震儀把地面震動(dòng)分解為南北、東西、上下三個(gè)分量經(jīng)放大記錄在圖紙上，就得到了天然地震記錄地震圖。在地震圖中，一個(gè)清晰的震動(dòng)脈沖的初至?xí)r刻稱為地震相。不同的地震相表示不同傳播路徑的地震波。天然地震相的識(shí)別也是依據(jù)地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)（走時(shí)、震中距與速度）特征和動(dòng)力學(xué)（周期、振幅、相位及震動(dòng)方向）特征。,一、近震震相及走時(shí)方程,震中距在100k

8、m1000km范圍內(nèi)所記錄到的地震，稱為近震。 1.直達(dá)波 2.莫霍界面上的反射波（P11和S11) 3.莫霍界面下上地幔頂部的折射波（Pn,Sn) 4.康拉德面上的反射波（P*,S*),近震走時(shí)曲線,直達(dá)波,反射波,折射波,二、遠(yuǎn)震震相及走時(shí)表,震中距超過(guò)1000km（即地心角10）接收到的地震稱為遠(yuǎn)地震相。震中距大于11000km(地心角105 )稱為極遠(yuǎn)地震相。 由于地球結(jié)構(gòu)大致分為殼、幔、核，有體波（P,S)，轉(zhuǎn)換波，還有面波。,(1). 從震源經(jīng)過(guò)地幔到達(dá)地表某臺(tái)站的回 折波（P,S）叫遠(yuǎn)震直達(dá)波。 (2). (P,S)在地面反射一次用PP和SS表示。反射兩次用PPP和SSS表示。P

9、波反射后轉(zhuǎn)換為S波，記為PS。S波轉(zhuǎn)換為P波，記為SP。同理，可以有PSP,PPS,SSP等。,遠(yuǎn)地震相,(3). P,S波在地核界面反射或反射轉(zhuǎn)換時(shí)， 相應(yīng)產(chǎn)生PcP,ScS及ScP等波（c表示波在地核界面的反射）。 (4). P波穿越地核以及發(fā)生轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生 PkP,PkS（k表示P波在地核內(nèi)的一段射線)。 S波投射到核界面，在核內(nèi)只產(chǎn)生折射P波， 待穿出核界面外轉(zhuǎn)換為S波，稱為SkS,P波在核內(nèi)反射一次時(shí)，產(chǎn)生PkkP和PkkS波。,地幔折射波與地核穿透波,(5). 遠(yuǎn)震能經(jīng)常記錄到基階瑞利波和勒夫波。它是研究地殼結(jié)構(gòu)的重要信息。,第四節(jié) 地震波射線性質(zhì)及地球內(nèi)部波速的計(jì)算,一、射線參數(shù)

10、 在三角形OA1A2 中應(yīng)用正弦定理：,令層數(shù)無(wú)限增加，而層厚趣于無(wú)限小，得到速度連續(xù)變化情形：V=V(r). 射線由折線變?yōu)楣饣€。射線上任一點(diǎn)都有：,當(dāng)半徑與地面上的速度給定后，射線參數(shù) 只是射線對(duì)地面的入射角的函數(shù)。,二、射線走時(shí)方程,三、本道夫定律,四、不同的速度分布對(duì)射線形狀及走時(shí)曲線形狀的影響,由本道夫定律知，一族出射角不同的射線它到達(dá)地面各點(diǎn)的p值亦不同。表現(xiàn)在走時(shí)曲線上各點(diǎn)切線斜率不同，所以速度的變化與走時(shí)曲線形態(tài)的變化關(guān)系必然在dt/d中反映出來(lái)。設(shè)在t-坐標(biāo)系中，當(dāng)d2t/d20時(shí)，曲線凸向軸（凹向t軸），當(dāng)d2t/d20時(shí),曲線凸向t軸（凹向軸）。,對(duì)于出射到地表的 射

11、線頂點(diǎn)半徑都隨 增大而逐漸減小。 即dr/d0.,地球內(nèi)部的速度V(rp)隨深度的增加而增加，即速度的變化率d V(rp)/d rp0,則有,見前圖（上一張幻燈片）。,(一）速度隨深度連續(xù)變化,(二）低速層的影響,(三）高速梯度帶的影響,五、計(jì)算地球內(nèi)部波速的古登堡方法,六、赫格羅茲一維歇爾特積分法,第五節(jié) 用天然地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu),一、用近震體波研究地球上地幔結(jié)構(gòu),1.反射波（P11）的利用 在x2-t2坐標(biāo)下，采用回歸分析，可求出斜率k=tg=1/V2和截距b=(2H-h)2/V2,顯然有,2. 折射波（Pn）的利用,已知震源深度h,又從P11求得莫霍面以上的速度V,當(dāng)莫霍面近水平時(shí)，

12、折射波時(shí)距曲線的斜率的倒數(shù)即為上地幔頂部的速度速V2。,3.直達(dá)波和折射波的聯(lián)合應(yīng)用,4.折射波時(shí)間項(xiàng)法,由折射波時(shí)距曲線在t軸上的截距t0，求得炮點(diǎn)下的莫霍界面深度H0,若已知V1、V2,則第N個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的莫霍界面深度由下面的時(shí)間項(xiàng)公式：,二、用遠(yuǎn)震體波獲得地球內(nèi)部速度結(jié)構(gòu),橫波分層,三、地震層析成象(Seismic tomography),層析成像的理論是Radon變換，即對(duì)穿過(guò)物體內(nèi)部的射線攜帶的信息進(jìn)行投影重建，以恢復(fù)物體的內(nèi)部影像。 層析成像從不同波場(chǎng)角度可分為地震層析成像、大地電磁層析成像和位場(chǎng)層析成像。 地震層析成像可分為反射波場(chǎng)層析成像和面波層析成像和衍射地震波層析成像。,地震層

13、析成像（Seismic tomography）,地震波層析成像從不同波場(chǎng)角度亦可詳細(xì)地分為直達(dá)波ST、反射波ST、折射波ST和面波ST. 從算法上可分為射線理論層析成像和波動(dòng)方程層析成像。,1.秦嶺地震層析成像剖面,大別造山帶地震層析成像剖面,天山地震層析成像（平面）,5km,27km,50km,71km,120km,171km,四、面波與地殼上地幔結(jié)構(gòu),面波頻散,五、地震波Q值與地殼上地幔結(jié)構(gòu),品質(zhì)因數(shù)Q系指在一周期中，儲(chǔ)存在振動(dòng)系統(tǒng)中的能量E與所損耗的能量E的比值：,對(duì)于非完全彈性介質(zhì)中傳播的波，它的振幅隨距離以指數(shù)衰減，如不考慮散射的影響，則品質(zhì)因數(shù)Q與衰減系統(tǒng)有以下關(guān)系：,六、轉(zhuǎn)換波求

14、地殼巖石圈速度結(jié)構(gòu),第六節(jié) 深部地殼和上地幔探測(cè),在一點(diǎn)爆炸或組合可控震源激發(fā)地震波，布置一條或數(shù)條測(cè)線，觀測(cè)來(lái)自地殼內(nèi)及其底面的反射波、折射波以及梯度層內(nèi)的回折撥，分析研究它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，推斷深部地殼、上地幔結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)的一套方法，稱為深地震測(cè)深（Deep Seismic Sounding),簡(jiǎn)稱DSS.,按測(cè)線長(zhǎng)度和觀測(cè)系統(tǒng)的不同分為三種類型： 1. 廣角反射剖面（Wide angle refletction profile),主要觀測(cè)莫霍界面的反射波PmP,以及殼內(nèi)的阻抗界面。 2. 大陸地殼反射剖面（Consortium for Continental Reflectio

15、n Profile)，簡(jiǎn)稱COCORP,采用連續(xù)振動(dòng)源和多次覆蓋技術(shù)，獲得殼內(nèi)細(xì)結(jié)構(gòu)、斷裂深部延伸 、巖漿囊的定位等。 3.折射剖面（Refracted profile),在盲區(qū)外布置測(cè) 點(diǎn)，接收來(lái)自上地幔頂部的回折波(折射波)Pn.,一、波速分布的確定,二、深部界面的繪制,（一）x2-t2法(回歸法）,（二）折射波回歸法,對(duì)于折射波，時(shí)距曲線為直線，同理，可用線性回歸方法，求出斜率和截距，按下式計(jì)算出折射界面深度和界面之下介質(zhì)的速度。,第七節(jié) 地殼上地幔結(jié)構(gòu),一、莫霍不連續(xù)面的性質(zhì),至少有三種類型： 1.穩(wěn)定地盾區(qū)發(fā)育尖銳間斷面； 2.大陸裂谷和洋中脊速度出現(xiàn)階梯狀或 梯度狀向下增加，表現(xiàn)為莫霍層； 3.褶皺造山帶發(fā)育高低速層狀疊置或高 低速梯度疊置；,莫霍性質(zhì),二、地殼分層結(jié)構(gòu),華北地塊地殼結(jié)構(gòu),三、地殼與上地幔低速層；大陸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多層性、層間活動(dòng)性及非耦合性,四、大陸地殼結(jié)構(gòu),五、大洋地殼結(jié)構(gòu),5+km深度速度平面分布,我國(guó)西部巖石圈速度結(jié)構(gòu),中國(guó)西部層析成像,27+km深度速度平面分布,50+km深度速度平面分布,中國(guó)西部層析成像,中國(guó)西部層析成像,71km深度速度平面分布,120km深度速度平面分布,中國(guó)西部層析成