工程地震學

1931年日本地震學者末廣恭二赴美國講學,講題為“工程地震學”,側(cè)重強地面運動的觀測和建筑物振動性能的測量，這便是工程地震學成為學科名稱的起源。

1962年蘇聯(lián)梅德韋杰夫(С.В．Медведев)著有《工程地震學》一書，內(nèi)容包括地震區(qū)劃和小區(qū)劃以及結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。

1983年日本又出版了金井清著的《工程地震學》，涉及了地震觀測、地震活動性、地面和建筑物的振動、地震破壞現(xiàn)象、工程抗震設(shè)計準則等方面。

1956年，第一屆世界地震工程會議在美國舉行，以后，這樣的會議每 4年舉行一次，確立了“地震工程學(earthguake engineering)”這門學科。

影響地震烈度的場地條件固然復雜,但概括起來,主要有3個要素：

工程地震學地基土質(zhì)

早在1906年舊金山地震和1923年關(guān)東地震之后，人們就意識到地基土質(zhì)對震害的影響。日本學者注意到剛硬地基對柔性結(jié)構(gòu)有利，而軟弱地基對剛性結(jié)構(gòu)有利；還認為在不同性質(zhì)的地基土（包括土質(zhì)和覆蓋厚度）的情況下，地面振動有不同的卓越周期，而卓越周期又可以從平時地脈動中測出。金井清并從理論上提出，卓越周期是由于地震波在地基土層的表面和基底巖層界面之間的多次反射所形成，因而與覆蓋土層的厚度有密切關(guān)系。美國自30年代以來發(fā)展了地震反應(yīng)譜理論，并取得了大量的強震地面運動觀測記錄。在此基礎(chǔ)上研究了地面運動峰值、地震反應(yīng)譜特性、地震持續(xù)時間等要素與地基土類別的關(guān)系。通常把地基土按其堅硬程度，從基巖到軟弱土層，分為3～4類，利用強震觀測記錄作統(tǒng)計分析。一般的結(jié)論是，基巖上的運動具有頻率較高、頻帶較窄、持續(xù)時間較短的特點；而在軟弱土上的情況則相反。大量的宏觀現(xiàn)象表明基巖上建筑物的破壞要比一般土層上小得多。在理論工作方面，流行的方法是假定地震波以剪切波的形式從基巖豎直射入表土層，再根據(jù)波傳播理論計算地面的運動過程及其頻譜特征。這樣土壤的分層及其剛度的變化都能得到反映。應(yīng)用同樣的理論可以根據(jù)在地面上的觀測記錄反演基巖界面上的運動。研究已進入到地震波入射角度的影響和表面波的影響，以及土層變化的二維和三維問題。

飽和砂土的液化是地基土質(zhì)影響中的一個獨特問題。砂土的穩(wěn)定是依靠砂粒間的摩擦力來維持的。在地震的持續(xù)震動之下,砂土趨向密實,迫使孔隙水壓力上升、砂粒間的壓力和摩擦力減小,進而使砂土失去抗剪能力,形成液態(tài)，失去穩(wěn)定。因此液化的形成決定于地震的強度和持續(xù)時間、砂粒的大小和密度、砂層的應(yīng)力狀態(tài)和覆蓋厚度等等因素。在宏觀現(xiàn)象上，砂土液化表現(xiàn)為平地噴砂冒水，建筑物沉陷、傾倒或滑移，堤岸滑坡等等。1964年美國阿拉斯加地震、1964年日本新潟地震、1975年中國海城地震和1976年中國唐山地震都有飽和砂土的液化現(xiàn)象。探明液化機理，尋找預測、預防措施，成為各國重視的課題。

工程地震學地形

由于一般城鎮(zhèn)多半建設(shè)在平坦地區(qū)，地形問題不大為人重視。但中國地震區(qū)有很大部分位于崇山峻嶺，地形十分復雜，城鎮(zhèn)村落無法避開，地形的影響值得重視。中國的歷次大地震的經(jīng)驗表明孤立的小山包或山梁頂上的烈度比山下較高。反過來，低洼地的烈度是否低則不甚明顯。從地震波的傳播來探討地形影響的研究已經(jīng)有人進行，但作出結(jié)論為時尚早。

工程地震學局部地質(zhì)

最主要的是斷層影響。地面上的斷層隨處皆有，但有活動與否、深淺、大小、破碎帶寬窄、斷面傾角陡緩等的差別。地震時斷層對烈度、對震害的影響如何是不清楚的。宏觀現(xiàn)象表明，緊靠地震斷裂兩側(cè)的震害是嚴重的，如中國1970年通海地震、1973年爐霍地震均如此。強震觀測亦表明斷裂兩側(cè)的地面震動是劇烈的，如美國帕克菲爾德地震和圣費爾南多地震均如此。但在一些地震時沒有活動的斷層上就看不出有震害或震動加劇的現(xiàn)象。難點在于在地震發(fā)生之前，無法預測哪些斷層會在地震時活動，因而如何對有斷層通過的場地進行評價還是一個懸案。此外，地震時山崩滑坡在很大程度上決定于局部地質(zhì)，如巖層的形成和風化歷史、巖質(zhì)和傾角等等。這個問題在山區(qū)很重要，但研究者甚少。2100433B

近場地震動理論

工程地震學中的數(shù)值方法

工程結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和地震安全性分析

邊坡地震的穩(wěn)定性分析

早期的地震觀測主要為地震學服務(wù)，目的在于確定地震發(fā)生的時間、位置和大小以及其他震源參數(shù)，通常用靈敏度較高的儀器在遠場觀測地面的微弱震動以達其目的。服務(wù)于工程需要的強震觀測則在于取得大地震近場地面運動過程和在它作用下建筑物反應(yīng)過程的準確記錄。由于大地震不常發(fā)生，儀器不值得經(jīng)常運轉(zhuǎn)，只宜在震時觸發(fā)記錄,所以觀測儀器比較復雜,觀測工作開展較晚。首批強震儀是1932年在美國設(shè)置的，有位移儀和加速度儀兩種(前者以后沒有發(fā)展)，可以記錄地面運動的全過程。這批儀器多設(shè)置在建筑物內(nèi)，同時觀測地面的運動和結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。設(shè)置以后，很快就取得了有用的記錄。在50年代，日本跟著開展了這項工作。到二十世紀初全世界約有40個國家設(shè)置了強震觀測臺網(wǎng)，總共約有5000臺儀器，幾乎全是加速度儀。盡管儀器有這么多，但和世界上地震區(qū)的總面積相比，覆蓋密度還是很低的。所以積累的記錄還遠遠不足分析之用，有意義的系統(tǒng)性記錄屈指可數(shù)。對世界上破壞性極大的地震都沒有取得極震區(qū)的記錄。1978年在夏威夷檀香山舉行了第一次國際強震觀測臺陣會議。會議討論了加密觀測臺網(wǎng)的計劃并把研究地面運動作為首要目的；在全世界范圍選擇了28個最有希望取得記錄的地區(qū)，作為優(yōu)先考慮布設(shè)密集臺陣的地區(qū)；同時提出了觀測震源機制、波傳播和局部場地影響各類臺陣的設(shè)計原則。這是強震觀測走向國際合作和更有計劃地布設(shè)臺陣的新起點。

工程地震學強震儀

強震儀自30年代以來也有很大發(fā)展。最初的一類是直接光記錄式的，即將光點投射到拾振擺上的鏡片，再反射到感光膠卷或感光紙上以記錄擺的振動。這類儀器經(jīng)過幾十年的不斷改進，已經(jīng)達到公認的可靠適用程度。第二類是50年代在日本發(fā)展的機械式儀器，其特點是用寶石筆尖在臘紙上刻劃出分辨率極高的記錄跡線。第三類是電流計記錄式，即由拾振器產(chǎn)生電信號，通過電流計的偏轉(zhuǎn)以光記錄的方式顯示，其優(yōu)點是便于在近距離進行多點觀測。蘇聯(lián)最先使用，中國在60年代也生產(chǎn)和使用了這種儀器。第四類是模擬磁帶式的，它把振動信號記錄在磁帶上，使用時經(jīng)過回放和模數(shù)轉(zhuǎn)換給出數(shù)據(jù)，避免了光記錄或機械記錄所需要的復雜而又費時的數(shù)字化程序。第五類即最新、最有前途的一類，是數(shù)字磁帶記錄式的。記錄信號可以直接從磁帶通過回放以數(shù)字形式輸出，與計算機連用，而且有動態(tài)范圍較大和能夠貯存觸發(fā)前信息等優(yōu)點。但這種儀器尚在發(fā)展階段，未臻完善。在發(fā)展上述儀器的同時，也研制了若干種簡單的地震計，它不記錄地震運動的全過程，只記錄地面運動的加速度峰值或?qū)?yīng)于一定周期和阻尼的地震反應(yīng)譜值，意在降低造價、便于管理、能夠廣泛設(shè)置。但地震計的推廣并不如理想那樣快，原因是造價與加速度儀相比還不夠低，而所得信息量卻遠不及加速度儀。

強震記錄的積累帶來了記錄的處理和利用的問題。已經(jīng)取得的強震記錄基本上都是模擬式加速度記錄。首先遇到的是如何準確地進行數(shù)字化，確定記錄上的零線和通過兩次積分取得速度和位移等問題。這些問題經(jīng)過了30年的不斷努力才獲得解決，其原因是來自儀器本身和記錄處理各個環(huán)節(jié)的誤差十分復雜。1969年美國加利福尼亞理工學院地震工程研究室開始了一項處理強震記錄的研究，經(jīng)過數(shù)年，成功地建立了一套標準程序。包括：①模擬記錄的數(shù)字化。這是用半自動的數(shù)字化設(shè)備實現(xiàn)的，同時還進行跡線和時標的光滑化以及零線的初步調(diào)整。這樣處理后的記錄稱為未校正記錄。②記錄的校正。有兩部分：一種是對未校正記錄的高、低頻的濾波,濾掉可靠頻段以外的噪聲和信息,以消除數(shù)字化過程中的隨機誤差；一種是對儀器動態(tài)響應(yīng)失真的校正。③反應(yīng)譜分析。包括在不同阻尼下的加速度、速度和位移反應(yīng)譜。④傅里葉譜分析。應(yīng)用了消除泄漏效應(yīng)和混淆誤差的技術(shù)。數(shù)據(jù)處理的技術(shù)仍在不斷發(fā)展之中。當前的趨勢是采用全自動數(shù)字化技術(shù)。將所有強震記錄貯存于計算機中；建立數(shù)據(jù)庫，以便進行處理和提取。同時引用信息論的成果，在強震記錄中提取更多的信息。

工程地震學近場地面運動

地震造成的破壞主要來自地震近場的地面運動，因此地面運動特性成為工程地震學的主要研究對象之一。從理論上說,地面可以有3個坐標方向的平動和繞著 3個坐標軸的轉(zhuǎn)動。但觀測和研究還只限于3個方向的平動（兩個水平向和豎向）。

地震破壞作用應(yīng)當用什么地面運動參數(shù)來表達是首要的研究課題。由于人們長期采用宏觀烈度表來衡量地震破壞作用，尋求與烈度對應(yīng)的單一地面運動參數(shù)一直是研究者追求的目標。迄今研究過的參數(shù)不下十余種，它們或者是直觀的地面運動的某種幅度，或者為標志地面運動總體破壞力的某種數(shù)量（見地震烈度）。這些參數(shù)與宏觀烈度的統(tǒng)計關(guān)系已經(jīng)在工程實踐中應(yīng)用，其缺點在于單一參數(shù)與地震烈度的相關(guān)性較差。地面運動是非常復雜的時間變化過程，其破壞作用涉及地震的強度、地震波頻譜構(gòu)成和地震持續(xù)時間，很難用單一的物理參數(shù)來表達。盡管人們還沒有放棄這種努力，但傾向是采用多種參數(shù)來表征地震破壞力。這個問題的圓滿解決還有待于對地震作用下結(jié)構(gòu)破壞機理的認識的深化，也有待于更多的大地震近場觀測記錄的積累和大比例尺模型破壞性試驗的發(fā)展。

在工程抗震設(shè)計中，通常只考慮地面運動較大水平分量的作用。很明顯，另一個水平分量和豎向分量的作用有時也不可忽視。尤其在極震區(qū)，豎向分量可能會大于水平分量。所以地面運動多個分量的組合作用也逐漸為研究者所注意。由于地震波的波長通常遠遠超過工程結(jié)構(gòu)的尺寸，在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計中一般不考慮地面運動的相位差。但對于某些特大尺寸的結(jié)構(gòu)，例如管道、長橋、大壩等，相位差的影響不能忽略。因此關(guān)于近距離地面運動的變化及其相關(guān)性的研究也在發(fā)展之中。

近場地面運動的時間過程極不規(guī)則，通常被視為隨機過程。由于地面運動的隨機性，按照確定的地面運動過程進行工程抗震設(shè)計失去了意義。解決這個問題有兩個途徑。其一是采集在給定條件下的成組的實際地面運動記錄作為設(shè)計依據(jù)；其二是用人工合成方法擬合地面運動的統(tǒng)計特征，產(chǎn)生一系列的隨機的地面運動過程。常見的擬合對象是給定的地震反應(yīng)譜或傅里葉譜。

地面運動的衰減規(guī)律通常用統(tǒng)計方法建立。首先把地面運動參數(shù)寫成震級和震源距離的函數(shù)，再根據(jù)大量觀測數(shù)據(jù)導出回歸公式。隨著觀測數(shù)據(jù)不斷積累，這種經(jīng)驗公式也不斷更新。經(jīng)驗方法的缺點在于未能考慮震源性質(zhì)、傳播途徑和場地條件等因素，以致觀測數(shù)據(jù)相對于經(jīng)驗公式的離散性很大；再則由于經(jīng)驗公式的局限性，外推到近距離地面運動不夠準確。趨勢是將地震學的理論研究和統(tǒng)計方法結(jié)合起來，建立半理論、半經(jīng)驗的地面運動衰減規(guī)律，已有可喜的進展。

工程地震學地震危險性分析

這是旨在給工程場地提供在未來一定時期內(nèi)可能遭受地震襲擊的危險程度（簡稱地震危險性），以便采取適當?shù)姆烙胧５卣鹞ｋU性有兩重意義：其一是指地震的烈度，其二是指其發(fā)生的幾率。地震危險性可以用不同的方式方法來表示。它可以用按危險性高低分區(qū)的地圖形式來表示，也可以用預測的地面運動參數(shù)的等值線圖來表示；可以用確定性的預測數(shù)據(jù)來表示，也可以用給定的概率下的數(shù)據(jù)來表示。由于早期的工作是以地震區(qū)劃圖的形式出現(xiàn)，所以地震區(qū)域劃分這個名詞沿用至今。地圖形式適用于大量的一般工程的抗震設(shè)計、抗震加固和規(guī)劃工作。對于特別重要的工程，如大型水利工程樞紐、核電站、海洋平臺，設(shè)計者往往不能滿足于區(qū)劃圖的簡單規(guī)定，而要求針對以工程場地為中心的數(shù)百公里范圍內(nèi)的地震活動性和地震地質(zhì)作特殊研究，進行地震危險性分析，最后給出作為設(shè)計標準的地震烈度（宏觀烈度或地面運動參數(shù)）。設(shè)計標準通常要求分兩級。高的一級為一定時期內(nèi)工程場地可能遭受的最高地震烈度,在此地震下,要求工程設(shè)計保證建筑物不致倒毀和保障人身安全。低的一級為工程場地可能常遇的地震烈度，在此地震下，要求工程設(shè)計保證建筑物可以照常使用。

工程地震學地震小區(qū)劃

這是相對于地震區(qū)劃而言。地震區(qū)劃是從大范圍劃分地震危險性不等的區(qū)域；地震小區(qū)劃是在局部范圍分清對抗震有利或不利的場地，著重研究場地條件對地震烈度（廣義的）的影響。地震小區(qū)劃這個詞最初見于梅德韋杰夫的文章。他根據(jù)場地地基的軟硬，地下水位的高低、波速的快慢，將地震區(qū)劃所規(guī)定的烈度作增減的調(diào)整。場地條件對地震烈度的影響是很復雜的，這是一種簡單的、純經(jīng)驗的處理方法。地震小區(qū)劃的意義則為國際上所公認。當前的趨勢是從多方面來評價場地的優(yōu)劣，繪制各種小區(qū)劃圖件，供抗震設(shè)計者考慮采取針對性的抗震措施和土地利用方法。

在實踐中地震小區(qū)劃的方法大致有：①繪制詳細的地震、地質(zhì)、地形等圖件作為小區(qū)劃的基礎(chǔ)資料；②測量地基土層的波速、地面脈動的頻譜和卓越周期等物理參數(shù)并參考土壤鉆探資料，劃分地基類別，根據(jù)地基類別，采用不同的設(shè)計反應(yīng)譜；③根據(jù)地震危險性分析結(jié)果，在基巖界面上輸入相應(yīng)的地震波，考慮土壤特性和局部地形的影響，計算地面運動的過程；④根據(jù)土樣試驗和現(xiàn)場貫入試驗，判別土壤液化、震陷等地基失效的可能性；⑤最后以地圖形式在研究的小區(qū)域內(nèi)將預測的烈度、地面運動以及各種震害的分布狀況反映出來。

工程地震學近場地震學

傳統(tǒng)的地震學是從地震遠場效應(yīng)來研究震源情況和地球介質(zhì)性質(zhì)的。這里有兩個簡便之處，一是震源可近似地視為點源；二是可以對震相分別進行研究。但這樣做是以丟掉許多近場高頻信息為代價的。當?shù)卣饘W為工程服務(wù)的時候，這種對近場效應(yīng)的忽視就不能容許了，因為工程上所感興趣的地域恰恰是逼近震源一、二百公里的范圍之內(nèi)。強震觀測工作就是針對這個范圍進行的。由于工程上的需要和強震觀測工作的促進，在60年代關(guān)于地震近場效應(yīng)的研究日益發(fā)展，這個學科分支逐漸以“近場地震學”或“強震地震學”見于文獻。它研究的主題是近場地面運動和震源機制的關(guān)系。

根據(jù)了解，淺源構(gòu)造地震的發(fā)生是由于地殼巖石在彈性應(yīng)變積累到一定程度時，突然破裂并由點及面以波速量級的速度擴展，導致應(yīng)變陡然釋放，破裂面兩側(cè)相對錯動，同時發(fā)射出地震波。位錯理論就是這一過程的數(shù)學模擬。位錯應(yīng)該是空間和時間的函數(shù)（稱為震源函數(shù)）。位錯理論在震源模式和近場地面運動之間建立了數(shù)學聯(lián)系，使人們可以進一步研究兩者之間的定量關(guān)系。位錯模式是震源機制的運動學模式。更進一步還有動力學模式。通常假定在破裂面上，由于粘性或脆性破裂，初始的剪應(yīng)力突然下降到摩擦力；這相當于在破裂面上施加一定的有效應(yīng)力（稱為應(yīng)力降），引起破裂面兩側(cè)相對滑動。近場地震學就是根據(jù)這兩個一般性震源模式,進行兩方面的研究：第一,建立能夠解釋高頻地面運動觀測資料的震源模式并測定其參數(shù)；第二，從震源機制預測近場地面運動。

近年來近場地震學最重要的進展之一是從觀測和理論兩方面證明了震源破裂過程的復雜性。破裂面上應(yīng)力降的分布很不均勻，高應(yīng)力降一般只發(fā)生在面積很小的區(qū)域內(nèi)，這些小區(qū)域為大面積的低應(yīng)力降區(qū)域所包圍。這種復雜性是由斷層面的幾何不規(guī)則性和破裂強度或構(gòu)造應(yīng)力沿破裂面的非均勻分布所造成。它引起破裂波前的變速運動，并由此發(fā)射出高頻地震波。這一認識導致一系列研究，包括：確定性的和隨機的非均勻震源模式，高、低應(yīng)力降區(qū)域大小之比，近源加速度與速度的上界，高頻地面運動復雜性的解釋，以及高頻地面運動的過程和峰值的預測。

近場地面運動的另一重要特征是它的方向性，即在斷層破裂傳播方向上地面運動顯著增強。這個輻射能量的聚焦效應(yīng)發(fā)生在一個狹窄區(qū)帶內(nèi)，地面運動增強程度主要取決于破裂傳播速度。沿破裂長度的平均破裂速度一般小于剪切波速，但在破裂面某些部位可能接近壓縮波速。此外，發(fā)震斷層的類型對近場地面運動也有影響。例如，逆斷層產(chǎn)生的加速度峰值一般大于正斷層所產(chǎn)生的加速度峰值。

勘探地震學通過人工方式在地面產(chǎn)生震動，形成一個人工震源向地下發(fā)射地震波，這些地震波在地下不同的巖石界面上形成反射最終回到地面來。勘探地震學采用地震波接收儀器將人工震源產(chǎn)生的地震波記錄下來，這些地震波攜帶了地下構(gòu)造的信息，利用地震波的波形和傳播時間研究地下構(gòu)造形態(tài)是勘探地震學最傳統(tǒng)的研究內(nèi)容。如何提高地震觀測的精度，提高用地震數(shù)據(jù)準確地認知地下構(gòu)造，甚至巖石類型，是勘探地震學追求的前沿研究問題?！?

模擬地震學是一種新型的實驗地震學光學模擬系統(tǒng)。它將實時全息技術(shù)與聲發(fā)射源測定技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于實驗地震學研究 ,前者檢測和記錄試件內(nèi)應(yīng)力場及其變化 ,后者檢測和記錄微破裂所激發(fā)的超聲波 ,借以確定試件內(nèi)微破裂發(fā)生的時間、位置和強度。

實用地震學是一門學科，包括地震勘探、深部地震測深、工程地基與質(zhì)量勘查以及淺部地質(zhì)災害預測等，在國民經(jīng)濟各方面起著重要作用，特別是在我國油氣資源勘探與開發(fā)中起著并將繼續(xù)起著不可替代的作用．

前景

在即將邁向21世紀的今天，我們探討一下實用地震學未來發(fā)展的道路是很必要的．實用地震學在21世紀仍將在地學研究和國家建設(shè)中發(fā)揮它應(yīng)有的作用，而且對它的要求也將越來越高，因而它在理論和應(yīng)用方面都有諸多疑難問題要研究2100433B