[科普中国]-地震强度

概念

地震强度指地震能量的大小，可用震级来表示。也指地震影响的大小，用烈度来表示。它不但和地震能量有关，而且和震中距离，震源深度、地质条件等因素有关。1

地震强度是根据人们观察到的地震对人、建筑物和自然地物影响来确定的。随着观察者相对于震中位置的变化，地震强度在震区内的不同地点各不相同。

内容地震强度的大小有两类衡量体系：一是震级，震级反映地震释放的能量，与其带给建筑的破坏程度无关，如在深源地震的情况下，震级可能很大，但却几乎不会给建筑带来任何破坏；二是烈度，烈度反映地震带给某个特定地区的破坏程度(人类不用借助仪器就可以直接观察到的破坏，如建筑破坏、地面裂缝等)。2

震级

地震震级是度量地震本身强度大小的指标，它是地震的基本参数之一，用符号M表示。目前，国际上比较通用的是里氏震级。

⑴里氏震级

地震波是地震引起的震动在地球上的传播；地震波的记录运用的是称为地震仪的仪器。地震仪记录下来的曲折的迹线表示地震仪下面的大地振幅的不同。灵敏的地震仪对大地的运动进行放大，因而能够探测到地球上任何一个地方发生的强烈地震。地震的时间、地点以及量级都可以通过地震仪上记录的数据来确定。

里氏震级由加利福尼亚理工学院的查尔斯·F·里克特创立于1935年，它是一种比较地震大小的数学方法。震级的确定依据的是地震仪记录的地震波幅的对数，震级计算公式中还包含了为补偿地震仪与震中之间距离的不同所作的种种调整。在里氏震级中，地震量级是用整数和十进制小数来表示的。例如，5.3级可以被估算为中度地震，6.3级可以被定为强度地震。由于里氏震级是通过对数原理来计算的，整数增加一倍即表示所测量到的波幅扩大了十倍；作为对能量的估计，整数增加一级则表示释放出的能量比前一个相关的整数值扩大了31倍。许多大地震，如1964年发生在阿拉斯加的“黑色星期五”地震的震级达到了8.0级或者更高，在全世界，平均每年都要发生一次这种规模的地震。虽然里氏震级没有上限，目前已知的最大规模的地震只达到了8.8级到8.9级。

随着越来越多的地震观测站在世界上的建立，人们明显地看到，里氏创立的方法仅仅对于特定的频率和一定的距离范围才有效。为了发挥遍布全球的越来越多的地震观测站的作用，在里氏震级原型的基础上发展出了许多新的震级标准，其中包括体波震级“mb”和表面波震级“MS”。每一种震级只适用于特定的频率范围和地震信号类型，而每一种震级的有效范围都与里氏震级相当。3

⑵修正麦氏震级强度

地震强度的大小由一系列特定的重要反应所构成，比如人们从睡梦中惊醒、家具移动、烟囱被毁坏以及最终造成的彻底破坏。在过去的几百年里，尽管人们已经提出众多的强度等级来测量地震带来的影响，目前美国使用的仍是修正麦氏强度震级(MM)。修正麦氏强度震级是由美国的地震学家哈里·伍德和弗兰克·诺伊曼于1931年创立的，它包括12个依次递增的强度级别，从察觉不到的轻微震动到灾难性的破坏，都是用罗马数字表示的。它没有什么数学上的依据，而只是根据观察到的现象对地震强度进行认定。对于非专业人士而言。地震发生后，将修正麦氏震级强度应用于某一具体地点地震的严重性测定要比用来测定震级会更具有意义，其原因是，地震强度表明的是该地点实际遭受地震影响的大小。3

按照震级的大小，地震可以分为以下几种：

①微震，M5；

④强烈地震或大震，M>7；

⑤特大地震，M>8。2

烈度

对同样大小的地震，若震源深度、离震中的距离和土质条件等因素不同，则其带给地面和建筑物的破坏也不一样。若仅用震级来表示地震动的强弱，还不足以区别地面和建筑物破坏轻重程度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，而同一次地震中，不同地方的烈度是不同的。一般来说，地震烈度随着震中距的增大而减小，震中烈度通常是最大的。

通过对场地的调查研究和人群的问卷调查，可以确定一个地区的地震烈度。调查结果通常以等烈度线的形式反映在地震烈度图上。对应于一次地震，在受到影响的区域内具有相同烈度的各个地点的外包线，称为等烈度线。等烈度线表明了地震破坏在地理上的分布情况，也指出了地形以及不同类型的土层在放大或减弱地震作用中所起的作用，通常松散土层比坚硬土层烈度要高。此外，等烈度线的形状有助于地下断层的定位，它们的间距则有助于确定地震能量以及震源深度。2

我国将地震烈度分为12个烈度，具体划分标准及其描述如下：

1度，无感，仅仪器能记录到；2度，微有感，特别敏感的人在完全静止中有感；3度，少有感，室内少数人中在静止中有感，悬挂物轻微摆动；4度，多有感，室内大多数人和室外少数人有感，悬挂物摆动，不稳器皿作响；5度，惊醒，室内大多数人有感，家畜不宁，门窗作响，墙壁表面出现裂纹；6度，惊慌，人站立不稳，家畜外逃，器皿翻落，简陋棚舍损坏；7度，房屋损坏，地标出现裂缝及喷沙冒水；8度，大多数建筑物破坏，路基塌方，地下管道破裂；9度，建筑物普遍破坏，铁轨弯曲；10度，建筑物普遍摧毁，道路毁坏，山石大量崩塌，水面大浪扑岸；11度，房屋大量倒塌，路基堤岸大段崩毁，地表发生很大变化；12度，建筑物毁坏，地形剧烈变化，动植物遭毁灭。4

应用与发展1、小波分析作为一种新兴的理论，是数学发展史上的重要成果。小波分析已经广泛应用于理论数学、应用数学、信号处理、语音识别与合成、自动控制和图像处理与分析等领域。同传统的傅立叶分析相比，小波分析的最大优势在于可以同时在时频两方面实现局部化分析。研究学者应用小波分析理论对地震波的瞬时谱进行估计，此时的瞬时谱可以考虑地震动的频率非平稳性；然后将估计的瞬时谱带入三角级数模型生成人工地震波。为了拟合给定设计反应谱，研究者将生成的人工地震波的小波谱进行适当的调整直至人工地震波的反应谱与设计反应谱相一致，从而生成与给定设计反应谱相一致的地震波。为了研究地震强度对结构反应的影响，研究者使用CANNY程序对两个抗震设防等级为8度的建筑进行了弹塑性时程分析，并对结构在10条实际地震波和15条人工地震波作用下弹塑性时程分析的结果和输入地震波的各种控制指标的关系进行了对比分析。结果表明，早先提出的基于小波分析的地震强度指标由于考虑了地震动的时频局部化特性，可以较好的评估地震动强度对结构的影响。5

2、采用基于状态相关的剪胀理论的临界状态砂土模型，以SUMDES2D为有限元平台，对直接建造在基岩上的心墙堆石坝进行了1组抗震性能计算，分析了坝体在不同的地震强度下的动力响应，以研究地震强度对土石坝变形机理的影响。计算结果表明，地震强度越大，地震所引发永久变形和局部变形就越大;局部土单元的动力响应，揭示位于坝体上游坝坡马道附近单元由于密实度小，在应力不大的情况下就达到材料的临界状态，随着地震强度的增加，该部位由稳定逐步过渡到"临界状态"，而后沿着临界状态线发展，土单元由稳定逐步过渡到"流动变形"。6

3、近几年来，在一些发达国家，基于概率理论的新一代抗震性能评估方法已开始用于特定建筑物的抗震性能评估。研究基于全概率理论的新一代抗震性能评估方法，并将其应用于我国建筑结构的抗震性能评估，对于减灾防灾和提高建筑结构的抗震性能有重要意义。以FEMA P-58的抗震性能评估流程为框架，结合我国建筑结构的特点和规范要求，以某一单个建筑物为对象，采用有限元分析软件PERFORM 3D和抗震经济性能评估分析软件PACT，用增量动力分析(IDA)方法进行建筑物各个强度状态的易损性分析;用基于强度的性能评估方法，依据构件易损性分组和人员流动模型，得到包括人员伤亡、修复和重建造价以及居住中断时间等建筑性能的概率分布，为我国建筑结构的抗震性能评估提供了参考。7