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地震九讲(第7章 预测强地面运动)

时间:2013-03-07 16:04:28.0 来源:宣教中心 作者:

  多数人想到地震预报时,想的都是努力预报未来地震的时间、地点和震级,事实上预报地面震动的强度和持续时间也同等重要。这样的预报不仅是一门成熟学科的标志,而且对理解地震烈度怎样随地点而变化和可能发生什么样的损坏模式至关重要。

  在发生地震的国家,所有关键设施,如医院、大桥、大坝、高层建筑、电厂和海上油井平台都必须考虑建筑的抗震能力。当工程师们为一特定地区设计一抗震设施时,他们依据对地面震动的预测来估计该设施在其使用期间可能经受的最大地面震动。

  7.1 绘制地震烈度图

  最初的和现在还在广泛使用的衡量地震震动强度的标准是地震烈度,它衡量建筑的损坏程度、地表面的破坏程度和人们感受到的地震的强度。烈度不是用记录仪器评估,而是通过观察极震区,即地震破坏最强烈区域的反应来评估的。因此,烈度也可以用于衡量历史地震。

  第一个实用的烈度表是由意大利的罗西(Rossi)和瑞士的弗瑞尔(Forel)在19世80年代发展起来的。该表将烈度从Ⅰ到Ⅹ分为10度,1906年旧金山大地震的烈度图就是根据它绘制的。为了确定一个特定地点地震的烈度值,地震学家选择一些容易观察的普通现象作为评估依据,如感震人的比例、他们身体的反应(比如他们跑到室外没有)、室内物体的运动、烟筒和没加固庙宇的损坏,等等,然后将这些描述与烈度表上每个烈度值相应反应的描述对比,选择最接近的值。

  

  更精确的烈度表是在1902年由意大利火山学家和地震学家麦卡利(Mercalli)设计的,它将烈度从Ⅰ到Ⅻ分为12度。为适合加利福尼亚州建筑和社会条件伍德(Wood)和纽曼(Neumann)曾作过校正(然而,它不适合加州的所有条件。一次,在遥远的北内华达山脉发生了一次地震,一位被惊扰的居民打电话问我,当地震噪声如同一头熊爬上房顶时其烈度相当于修正的麦卡利表上多大的烈度值)。欧洲和日本等国家条件不同于加州,它们所用的烈度表也略有不同。

  按照所用的特定烈度表的描述,对受地震影响地区的不同地点评定烈度,根据各地点不同烈度值的等值线作出等震线图。这些图提供了原始但有价值的强地面运动分布、土壤和下伏地层的影响、断层破裂范围和其他与工程问题相关因素的信息。

  因为目击者报告是主观的,而且破坏程度取决于一个国家的社会和建筑的标准,所以把目击者报告作为地震波震动的定量衡量有明显的缺陷。特别是它们几乎没有涉及波的频率、强震的持续时间、垂直能量与水平能量的比率和平移振动与旋转振动的比率等,但这些都是建筑设计者所需要的信息。显然,要获得地震动的完整图像,需要仪器记录。

  7.2 描述地震动

  自20世纪30年代设计了强震加速度计以来,大地震震源附近的剧烈震动已能被记录到(在震源附近,地面加速度在5~20赫的频率范围内能超过重力加速度)。直到本世纪60年代,这种加速度计的数目在世界上多地震国家才逐渐多起来,因为当时的地震学家和工程师需要有关地面强震动更多的信息, 所以促进了这种仪器的迅速发展。现在全球大约安装了5 000台加速度计。目前,仅加利福尼亚在野外就有600多台强震动仪器,相连的成套的加速度计在50多座建筑物内、大桥和大坝上运转着,其中绝大多数加速度仪不受邻近大型建筑震动的影响而能记录到真实的地震波。这些加速度计彼此相距几十千米甚至几百千米。相反,为了能测量到地震时建筑地基导致的震动的种种细微差别,建筑内部相互连接的仪器彼此相距仅几十米。这两种测量对抗震设计都是至关重要的。

  当然,要预报未来地震的烈度,仅靠仪器记录是不够的,记录到的地震动必须给予解释。距离震源相当远时,地震动的记录一般来说在特征上相当简单,由许多十分容易分离的波形组成。然而,大地震震源附近的地面震动通常相当复杂,解释这些复杂的地震波十分困难,目前还只能泛泛而谈。因为科学研究的目标经常要考虑实际问题的需要,现在地震学研究把很大的注意力都集中到了地面强震动问题上。全世界科学家们正试图增强自身的能力,以预报确定地质条件下的地面震动强度。从一开始,由强震动加速度计记录中就可以十分容易地读出两个信息:最大或者峰值加速度和震动持续时间。它们为建筑工程师们提供了两个简单的测量数据,而不是对实际地震复杂地面运动作冗长的描述。

  静止的建筑物没有加速度,在重力和它的支承框架抗压力的作用下,建筑物处于平衡状态。当地震发生时,地震力施加到建筑物的支承地基上。因为这些力与地面加速度成比例,所以地震波的峰值加速度就成为工程师们确定地震动最常用的简单参数。地面加速度以及地震力是在水平和垂直两个方向上同时施加到建筑物的地基上的,由于建筑物的设计已经考虑抵抗向下的重力,所以一般也能抵抗地表的垂直力的作用,主要是水平地面加速度导致了建筑物的破坏。

  

  用峰值加速度作为一种衡量地震动的参量在本世纪60年代得到发展。当时实用的强震动记录已经积累了不少,在许多有地震危险的国家,某些记录成为建筑设计要求的标准,其中最著名的是,通过在加州埃尔森特拉安放的距破裂断层约6千米的加速度计,在1940年帝国谷6.7级地震中获得的强震动记录。它被作为标准广泛使用,以至于当我访问国外工程研究实验室时常常见到对方提出埃尔森特拉地震记录。当时获得的水平地面峰值加速度是0.33g(即重力加速度的33%),震动持续时间大约为30秒。

  

  近些年来,随着强震动加速度计在全世界的布设,人们从许多中强地震和几个大地震中获得了有价值的测量资料。1966年,加州帕克菲尔德地震记录到一个0.5g的峰值加速度。此后的一些年里,人们在几个震例中还测量到了更大的峰值加速度,比如在1979年10月5日加州帝国谷地震中,在垂直方向上,地震动的峰值加速度大约为1.7g。

  甚至就在本书的撰写过程中,这个世界纪录被1992年5月发生在北加州靠近门多西诺角的7.0级地震打破。在这次地震期间,人们测量到了一个至少为1.8g的垂直地震动加速度峰值。在多数情况下,这种相当高的加速度值仅出现在记录上一个或两个高频波段,而并不是全部波形的特征。虽然这样的剧烈巅簸可能颠翻较小的物体或者影响机械和电气装备,但是这些窄峰对普通的工程建筑影响不大。

  随着地面震动测量资料的增加,人们注意到峰值震动的另一特性。即,即使是十分小的地震,通常强震动仪器在震源附近也能记录到甚高加速度。1972年6月21日意大利的安科拉地震就是一个例子。这次剧烈震动的震级仅为4.5,但它依然损坏了城市中古老而没有加固的建筑设施。此次地震记录到的水平峰值加速度为0.61g,为在1940年埃尔森特拉6.7级地震的断裂源附近所记录到的加速度的2倍。这些观测表明峰值加速度并不总是与地震的大小相关。

  在实践中,峰值加速度没有为工程师们提供足够的信息,因为峰值加速度发生在高频段上,通常高频震动对大型建筑设施,比如桥梁、大坝和高层建筑没有什么破坏,这一点在后面合成地震图一节还要加以说明,通常建筑的损坏主要源于地基前后运动的速度,特别是地基的位移。因此,当工程师们设计抗震建筑时,他们还考虑地面的最大速度和最大位移。

  通过数学计算,特别是应用积分技术,可以从记录的峰值加速度曲线上获得地面最大位移和最大水平速度这两个参数。首先,地震学家们将每个瞬间地震的峰值加速度随时间的变化绘在图上,给出加速度随时间变化的过程。对加速度时程曲线积分,得到速度时程曲线,显示出每个时间的以及瞬间的峰值速度值。速度的平方与传递到建筑中的地震波能量成正比。这种能量通过结构的抵抗力在建筑中传播和耗散,或使建筑弹性地振动,或者在最坏的情况下使支承框架弯曲和破裂。对速度时间曲线再积分可得到位移随时间变化的过程。

  为了消除高地面加速度的影响,工程师们已试图将建筑物的地基与地震动在某种程度上脱耦或"隔离"起来。这种目标可追溯到至少一个世纪前,当时提出了许多抗震专利设计把地面震动与建筑设施"隔离"。事实上,这种方案是由赖特在他的东京帝国旅馆提出的,其照片见第1章的框图1.1和框图1.2。它的核心思想是让建筑物在地震时能有效地移动,并且同时借助于在地面与建筑物框架之间安置缓冲装置(它的作用就像汽车的减震器一样),减弱向上传入建筑物的高频加速度。在这种设计中,至关重要的是最大位移,而非峰值加速度。虽然迄今仅有几座这样的基地隔离建筑经历了大地震,但是考验的结果是鼓舞人心的。

  然而,能抵抗峰值加速度短暂运动的建筑物在持续的震动中可能被摧毁。因此,另一个描述地震动的重要测量参数是强震动在某地持续的时间长度,专业术语称为地震持续时间。在预报地面震动的全部能量和了解建筑物所受的破坏程度方面,它是关键。

  地震持续时间也是地震波源大小的一种衡量。正如在第4章中所描述的那样,地震波是从错位处发射出的,而错位移动错断整个断层面,因此断层的大小与从这断层发出的地震波的全部时间是直接关联的。

  地震的持续时间随着震级的增大而变长,这种趋势被在许多地震中得到的测量数据所证实,并且得到了一条曲线。画曲线所用的地震持续时间是强震加速度的持续时间,强震加速度在建筑设计上很重要。通常在地震时人们感觉地震的持续时间要比强震加速度的持续时间长许多,这是因为人们很敏感,甚至能感受到加速度为0.001g的微小震动,而这个加速度完全不会对建筑物产生破坏。

  画出峰值加速度、峰值速度、峰值位移随时间变化的曲线,再给出地震持续时间,就能很好地概括强烈地震时地面震动的时间过程。以这4个参数为特征的时间历程描述了由时间域提供的景像,时间域是我们可能描述地震的两种窗口的一种。但是地震学家和工程师们还把注意力转向了对地震的另一种描述,那就是在各种频率上的地面震动记录--频率谱。在时间域或者频率域(或者傅里叶域)内,地震动都可以方便地被处理。

  

  然而,相位谱在许多方面也是重要的。它限定地震波的形态。

  我们在第2章中强调过,各种地震波,无论是P波、S波还是面波,都是按顺序到达的,这个顺序取决于特定类型的波的速度。所以在强震动记录上,将有许多能量脉冲,它们到达某地的时间由波的类型和该地与破裂断层相对位置决定。加上相位谱就完整地描述了整个波形。

  波到达的形式或者相位的形式是造成建筑破坏(比如混凝土裂缝)的一个重要因素。如果受影响的建筑系统表现线性行为,那么即使波以相反的顺序到达建筑,建筑的反应也将是相同的。然而,在强震动中许多建筑表现出非线性行为。比如,如果强震动发生在地震开始时,最初的裂缝和弹性断裂会使建筑丧失强度,随后的震动,甚至在较低的加速度或者速度下,也能摧毁脆弱的建筑。相反,如果弱地面波动先到达,它将振动完好无损的建筑,但不会产生破坏作用。

  7.3 解释较复杂地震波的到来

  在本世纪40年代,要解释埃尔森特拉照片记录上的P波、S波和面波的扭曲线或者弄清楚破裂断层怎样产生它们的,几乎不可能。借助于比较互相邻近台站的波形图通常很容易识别出复杂地震图中的波型,利用波型的相关性,可以估计波的传播速度和方向。对于其他地震,由于不是总有互相邻近台站的记录可利用,而且1940年的地震也缺乏确定的,可用以进行理论或者数值模拟的科学描述,地震学家们感到仅用埃尔森特拉的地震动预测其他地方未来的地震动不容易。

  1966年加利福尼亚州帕克菲尔德附近的圣安德烈斯断层滑动产生的5.5级地震显示了,安装在近距离上加速度计组合的重要性。从圣安德烈斯断层向外垂直延伸安放的加速度计捕获到,随着距断层距离的改变,波形图有显著变化。

  离断层最近的仪器显示出,岩石在垂直于断层走向的水平方向上主要以单脉冲式的方式来回运动。在距断层较远处的仪器上,脉冲强度变弱,强震持续时间增加。对于活动断层附近的工程建筑设计,问题变为这样的脉冲或者强地震动是否是断层破裂附近的典型地震动,如果回答"是",那么在设计中将不得不制定特殊的限制。

  地震学家认识到,帕克菲尔德地震波形图的变化是窥视波发射和了解断层源性质的源泉。随后的研究表明,靠近所有的断层破裂都可能有大的水平脉冲,它可能是一个与沿断层应变岩石弹性回弹的摆动有关的SH波。

  然而,帕克菲尔德测量的弱点之一是,当时使用的各个加速度计都没有提供绝对时间。由于这个不足,各个台站的波形之间不能进行精确的时间相关比较。在70年代,当数字加速度计能记录绝对时间时,它们能清楚、详细地给出完整的波形。地震学家们能认真地考虑怎样最好地安排他们的仪器以便弄清靠近震源的复杂运动。

  7.4 现代地震望远镜--地震仪组合

  随着人们想获得强地震烈度精确测量数据的兴趣不断增长,1978年一些组织在夏威夷召集了一个国际专题讨论会,讨论强地面运动记录仪器的组合。许多国家对此颇感兴趣的地震学家和工程师被邀请参加,并且提出了一些创新的建议。会议报告强调:"隔离的单个仪器不能提供充足的信息,用以清楚地认识影响强地面震动的因素。对于所要的详细信息,我们需要的是多台仪器,二至三维的特殊组合的台阵。目前这种台阵的数目是不够的。只有当更多的这种台阵工作并且汇总数据时,才可能大大地改善预测某一特殊地方主要强地震动的精度。"

  专题讨论会还建议对于世界地震活动地区中的一些令人感兴趣的地点应该特别地设计台阵组合。出于这种考虑,在本世纪80年代出现了一批地震观测成果,而地震学家们在20年前还不能想象它们的存在。在短时间内,无论理论上还是观测上,关于强地震动的知识都迅速猛增。

  夏威夷会议认为,对于地震学不同问题的解决记录仪器应按适当间距布设,以便捕捉到适当频率的波。例如,高频率波的波长非常短,穿过土壤的2赫的波两个波峰相距仅100米。为了追踪其波形的变化,仪器将不得不以至少100米的间距安放。为了研究一条可产生长达100秒长周期波的很长的断层破裂产生的地震动,在台阵中台站之间距离需要10千米。然而,对于重要固定设施如核反应堆,10赫左右的频率波是重要的,这种高频率波的观测需要加速度计之间间隔为几十米。

  

  因为地震波通过地球内部后以不同角度抵达地面,所以仪器也需要沿铅垂线方向布设,比如,在钻孔内不同深度布设仪器以测量向上和向下传播的波。不幸的是,同地面仪器安置相比,布设井下组合的费用是昂贵的。除日本以外,这项计划最初进展得十分缓慢。直到1989年洛马普瑞特地震后,在加州安装井下台阵才得到契机。

  1980年9月在台湾的东北海岸安装了第一个数字强震动地震仪的列阵组合。因为它的位置在台湾,这个台阵被称为SMART 1,这是强地面运动台阵台湾1号(Strong Motion Array,Taiwan,No.1)英文的缩写。台湾是高地震区,选择台湾已被证明是明智之举。自从它工作以来,SMART 1已经记录了震级从3.6~7.0的50多次地震的3 000多张加速度图,这些地震的震中距台阵中心的距离从3千米到100千米不等,因此记录包含了具有丰富的地震类型和波传播距离的样本。记录也包含了各种震源机制类型的地震,从在加利福尼亚常见的走滑型,到其他地震区,特别是俯冲带中较为典型的挤压型。

  

  圆点表示台湾台阵组合中强震动地震仪的位置;袭来的地震波产生一系列记录,典型记录像在图右上方显示的那样;每个记录仪器位置都被地震波稍微移动,使原来的圆环台阵被微微扭曲,像图下面两个不同时间显示的台阵那样(台站位移被夸大了许多倍)

  SMART 1的设计者们决定在3个同心圆上安排它们的组合,是因为在台湾震源不是限定在某个特定的断层上,而是在围绕台阵的不同方位角上分布,台阵的圆形对称使其能对来自任何方向和任意距离的地震有同等良好的反映。由于它的灵活设计,SMART 1既可以用于工程研究,也可以用于地震学研究。

  在工程研究中,这种组合可用于分析建筑物对地震波的响应。由P波或S波组成的波前峰被各加速度计依次记录下来。当地震波从震源向外传播时,地震波稍微移动SMART 1中的每一台仪器,这种移动取决于地震波的类型和地震波的振幅以及相位。环的形变结果可以通过数字记录在台式个人微机上绘图显示出。图7.5中的左下图描绘了一次强震的某一瞬间37个加速度计记录到的波位移。连续许多时刻的波的位移可以被绘出而得到在时间上地面位移实际变化的一系列快照。

  图7.5中环的扭曲(被夸大了许多)也显示了当地震波及大建筑物时,它们是怎样变形的。比如,在图的底部显示的两个画面突出地说明了强地震动在连续变化过程中使大建筑物地基变形的方式。这里显示的情况是在200米的距离内产生的相对位移达5厘米。

  在很短的距离内从一点到另外一点,地震波在频率、振幅、相位和振动方向上可能是类似的,但也可能十分不同。邻近点波形图之间的相关程度被称为波的相干性。SMART 1组合已提供了许多记录,这些记录不仅显示了短距离内高频率波的类似程度,而且绘出了地震波的各种波型在各种波频率上的相干性。

  相干波可能对建筑物十分有害,也可能相对无害,这取决于它们的波长。用游泳池水面上的橡皮救生圈类比可以很好地描绘波长的影响。当水上的波具有比救生圈长度要长的波长时,救生圈几乎分毫不差地随着波峰和波谷起伏;相反,如果波是以涟漪的形式出现,则这些波长十分短的波几乎不能激起救生圈运动。同样,建筑地基的激动可能被增加也可能被减弱。因此,在大型建筑的设计中,波相干已成为一件必须考虑的重要事情。SMART 1的研究表明,在某些频率带内建筑对相干地震动的反应可被减弱达20%。

  

  

  烈度随震中距加大而衰减并受地质构造变化的影响。为确定整个强震区烈度的变化,也需要布设像SMART 1一样的台阵。

  7.5 决定强地面震动的因素

  地震波从震源向外传播时,一般峰值加速度、速度和位移将逐渐减小,因此,对一个给定的地震震级,从震源按照距离标注上各峰值,提供了一种描绘地面震动随距离衰减的方法。人们发现不同地区之间地面震动随距离衰减变化很大,要受地壳岩石性质的影响。例如在美国西部的衰减比美国东部要高很多,这是因为北美板块西部较年轻的地壳岩石与其东部较古老而又坚硬的地壳岩石相比,使波的能量衰减更快。

  然而,峰值加速度并不随着距震源距离的增加而平稳地减弱,在很大程度上它要受几种地质环境的影响:第一,走滑断层的面特别弯曲不平处,断层将产生突然增大的高频能量脉冲;第二,不均匀的地壳岩石和山脉、溪谷等陡峭地形会使波长几百米的高频地震波,被散射或放大;第三,厚的冲积土壤可能放大某些波,而削弱另一些波,这取决于土壤、岩石结构以及波的频率。被拉伸的地质构造,如冲积盆地,为地震波提供了多条传播路线,波可能从盆地边缘反射,在不同的位置相互加强。因此,任何场点地面震动的强度是由3个因素决定的:震源机制、震源与该场点之间岩石的不均匀性和结构变化,以及该场点的土壤和其他地质条件。用强震动加速度计和更广范围内布设的一般数字地震仪台阵,地震学家们已经能分析出这3种因素是如何联合产生剧烈破坏震动的区域。

  

  首先,考虑断层活动过程的重建。因为远处台站记录的地震波一般要被它所经过的距离内的地质构造的变化而大大改变,所以仪器与震源越近记录就越好。如果强震仪的台阵被设在破裂的断层附近,地震波将以特殊的方向穿过这个台阵--波的前锋从一个台站扫到下一个台站,各个台站依次记录地震动。根据波从台阵的一侧到另一侧的通过时间,可以测量波的速度,波的传播方向也可以由波的前锋扫过台站的顺序决定。因为每类波有它自己特定的速度,人们可以分辨出震波的不同波型。比如,P波首先到达,S波第二。因此,每个波前锋的方向和方位角可以通过比较地震台阵中每个台站的信号来确定。当然,计算机可以十分有效地确定连续记录的真实相关性。

  

  当破裂沿断层发展时,波前锋到达台阵的方向将变化。因此,对波动,例如直达S波方向的连续测量,可以描绘出沿断层破裂的一系列震中。这种情形下,强震动地震台阵类似于一组跟踪飞过的卫星的雷达接收天线。

  影响强地震动的第二因素是震源与场点之间岩石的不均匀性和结构构造变化。实际地震图根本不同于对均匀弹性岩石理论计算得到的平滑记录。实际地震波会遇到各种地质障碍体对地震波散射而产生高频率的变化。这种波的散射类似于空气分子对阳光的散射,后者产生了蓝天。地球地壳中散射障碍体的直径在几米到几十千米内变化。

  每幅地震图都可以被认为是一系列能量脉冲的记录图。这些脉冲的每一个都是由地壳中障碍体引起的。当记录的波到达并通过一组仪器时,比较台阵记录可以确定在不同频率内能量脉冲方向的变化。用这种方法,可以推断地壳内主要散射体的位置。

  世界上许多地震活动区地质条件都相当复杂。例如,在加州旧金山海湾地区,沿着圣安德烈斯断层有一宽阔的破碎岩石带,断层的一侧是花岗岩,另一侧是很厚的沉积岩序列,沉积岩中有裂缝和成层序列。这两种截然不同的地质体并存,对1989年洛马普瑞特地震产生的破坏形式有重大影响。

  

  

  在稳定基岩上震动最弱,但当基岩风化、水饱和或者在陡峭斜坡位置上,滑坡是可能发生的;未固结的土壤,特别当土壤厚并且水饱和时,容易发生中等震动;淤泥和填充地则放大地震波,像震动地果冻碗一样。

  

  

  7.6 "世界锦标"地震

  1989年10月17日太平洋时间下午5点04分,球迷们为了看世界锦标棒球赛第三场比赛已在去旧金山南部堪德尔斯梯克公园的路上。在旧金山海湾地区的其他地方和加利福尼亚的中部,人们完成工作正准备回家,许多人打算收听即将开始的棒球比赛。然而比赛没有按时开始(因发生了大地震,人们将这次地震称为"世界锦标"地震,译者注)。

  近30年前,我放弃在澳大利亚无地震的平静生活,来到这个地震国家生活和工作。一到达伯克利,我的前任拜尔利(Byerly)教授就告诉我:"作为地质学家的你将是幸运的,因为在你工作期间你将亲身经历一个大地震,也许和1906年旧金山大地震差不多。"在我任加州大学地震台台长的27年里,我主要关心的就是维持地震仪的正常工作和改进仪器,随时准备着"那次大地震"的到来。但是,直到1988年我从台长的位置上退休下来时,那次大地震还没有发生。

  然而,1989年10月17日下午,我在距加州大学校园1千米的伯克利的家中,突然感到强烈震动。幸运的是我的房子没有被损坏。可是伯克利的一些烟囱倒了,抗震差的建筑受到一些较轻的破坏。从房子的反应和初始P波与随后S波之间的到时差,我能断定这次地震较大,距伯克利大约80~100千米。在地震台,加州大学校园的工作人员和学生立刻开始计算震源的位置和地震的大小。20分钟内他们把电话打到我家,报告这次地震的震级为6.5~7.0,位于圣塔克鲁斯山,旧金山海湾南大约100千米远的地方。这证实了我当时的判断。

  10月份的这次地震的另一位目击者--伯克利加州大学的纳森(Nathan)教授写道:"我们正开车回家,车子突然像被侧面狂风袭击一样剧烈摇晃起来。当回到家打开房子的前门时,我们看见墙上的每幅画都被震斜了,而且厨房柜子上的景泰蓝花瓶已翻落至地上。我们打开电视机才知道发生了地震。然而,无论电视画面如何清晰和逼真,也仍仅仅是画面而已。我的弟妹当时恰在奥克兰市的凯撒大楼高处,大楼开始扭曲和倾斜,并且持续扭曲和倾斜,好像度过了漫长的时间。与此同时,她和她的同事沿楼梯螺旋而下来到街上。我们的小女儿从单位冲回家,发现她的公寓乱成一团,一切东西都散落出来,杂乱堆积,公寓楼砖砌的门面也掉了。我女儿和弟妹带回家的是可怕的亲身经历。我们时常感到余震,也许余震提醒我们危险远未结束。"

  

  

  现在电视上经常播出如何求生或获救的方法,还有一些在人道救援中寻找被埋在废墟下的可能幸存者的戏剧性故事。我们真的需要英雄主义和奇迹。最权威的新声音是专家们的声音。地震学家们是第一批进入震区的,他们试图拿出如果不是人道的话,至少也是理智的面孔对待自然。接下来是工程师们,他们解释为什么物体会被震落,以及本来应该怎样或将来可以怎样设计建造以致于不会震落。不久,来自国家新闻网络的合声也加入了这一大合唱。当国家广播新闻播音员对被毁坏的柏树街现场报道时,全国都加入到了关注这次地震的行列。

  官方称这次地震为洛马普瑞特或"暗山"地震,暗山是圣塔克鲁斯山的最高峰。此次地震震级为7.1,是自1906年旧金山地震后袭击旧金山海湾地区的最大地震。该地区居住人口超过590万人,有感范围从南部的洛杉矶到北部的俄勒冈州界,东至内华达西部,面积近100万千米2。地震使62人死亡,3 700人受伤,12 000人无家可归。这次地震导致超过6亿美元的财产损失和包括高速公路设施,旧金山海湾大桥,水、电、煤气和通讯线路等在内的生命线工程的严重破坏。

  洛马普瑞特地震震源

  已经证实,洛马普瑞特地震的震源与预期的有所不同。对于这个沿圣安德烈斯断层产生的大地震,其实际滑动仅仅部分能用预测的解释。但是,在科学上这也不是第一次,利用事后认识对机制进行合理的解释。余震图(图5.20)显示,圣安德烈斯断层在主震中破裂的部分大约40千米长,20千米深。就这一构造区域而言,主震震源是偏深的,约15千米。破裂向地表延伸了几千米,但没有穿透到地表。1906年的地震报告曾指出,那次地震沿这一断层有一条一直延伸到地表的破裂。但是地质学家们在1989年10月18日晨乘直升飞机观察这一地区时感到很吃惊,因为他们没能找到圣安德烈斯断层带的延续断层错动。在山脚下有许多地陷及地面裂缝。能说明问题的主断层的滑动迹象不明显。

  另一件令人吃惊的事是破裂断层地区的地壳发生移位的方向。余震的震源清楚地显示,断层以约70度角向西南方向倾斜。从地震记录及过后的大地测量探查,地质学家们计算出,断层面西南边上的地壳相对东边已经向西北方向移动了约2米,向上移动了约1.33米。这一变形使人迷惑不解。因为这种位于圣安德烈斯断层西侧圣塔克鲁斯山脉的上升如果在地质历史时期一直持续的话,应该最终抬高西侧的山峰,但现在实际情况是东边的山峰比较高!

  其水平断错也明显有别于1906年曾见到的沿圣安德烈斯断层的以水平位移为主的情况。

  洛马普瑞特地震没有明显的前兆,尽管其附近1年前及1个月前,曾发生过两次中等地震。不能预报这次地震,是对最近众多对特殊地震预报持乐观态度者的一个严重警告!

  破裂开始于40千米长的断层的中心处,并同时向南北发展。由于破裂速度估计约为2.5千米/秒,这一破裂应在8秒内完成。假如滑动不是从中间而是从该破裂段的一端开始,破裂将单向传播2倍的距离,从而使地震波产生时间达16秒。换句话说,洛马普瑞特地震的强烈震动只持续了同等量级的单向破裂断层地震的一半时间。

  在旧金山海湾地区,许多强震动加速度计记录了这次震动。这些记录难得地测量到了地震波随震源的方位、距离和地质条件的变化。一个惊人的发现是,距震源仅为中等距离的圣何塞市附近地区的地震波并不比旧金山和东湾地区的地震波的振幅高,虽然旧金山和东湾地区距震源较远,可是那里的损失却是本次地震中最严重的。

  

  震后不久就报告旧金山海湾大桥--旧金山和东湾城市,比如奥克兰,伯克利及瓦纳特克里克之间的重要交通动脉已被破坏。另外,从旧金山海湾大桥东边通往奥克兰市的在海湾上的两层水泥高速公路严重塌落。沿着柏树街主体交通枢纽的2.5千米一段,高速公路上层路面整个掉到下层上,砸坏了下面的许多汽车。由于每天那个时间高速公路上上下班车辆通常一辆接一辆,起初人们担心会有数千人丧命。事实上,由于当时交通量少见的稀疏,只有26人在柏树街交通枢纽处丧生。经判断,在奥克兰和旧金山地区内一些严重破坏的孤立城区,修正麦卡利地震烈度是Ⅸ度,而震中附近长50千米,宽25千米的区域内地震烈度相对小一些,为Ⅷ度。这个区域包括拉斯加托斯、沃森维尔和圣塔克鲁斯。

  

  根据加速度计的记录,戏剧性的新发现解释了反常的烈度变化。首先,许多从洛马普瑞特震源向下传播的震波在地壳底部被反射回来抵达80~100千米外的地表,这一距离正巧对应旧金山。但是反射震波却跳过了旧金山海湾南部的城市。第二,数字模型显示,从圣塔克鲁斯山震源发出的向北传播的震波前锋被海湾地区地质结构的剧烈变化所折射而偏离其大圆弧形路径。圣安德烈斯断层西边的大面积花岗岩及东边的海洋沉积物以不同的速度传播地震波,其结果就是使震波前锋先向西北阿拉斯加方向传播,再折回到旧金山。同样,原来朝向内华达里诺方向传播的震波转回到海湾东侧,通过类似的数字计算地质学家可以预测其他地区潜在震源能量的集中。

  旧金山和奥克兰在1989年地震中很不幸,它们收到双倍的能量,震动很剧烈,这不仅是由于震波的折射,也是由于那些最严重破坏地区自身地质条件不好。

  

  

  7.7 滨海区的震灾

  洛马普瑞特地震破坏最严重的地区之一是旧金山,尽管它离震中有100千米。1906年旧金山大地震时,旧金山泻湖沿岸就曾经历了高烈度的震动,该区后来行政上被称为滨海特区。为了准备1912年巴拿马-太平洋国际展览会,震后泻湖已用海砂以及1906年地震中震毁的建筑物瓦砾所填埋。多年来,这一地区成为城市中最吸引人的地方之一。

  由于滨海区土地的组成不良,即使对普通的破坏性地震它也难以承受,因为其砂质土有液化作用。在地震晃动中,浸满水的细颗粒土壤在数次剪应力变化的作用下变得具有液体特性。在洛马普瑞特地震袭来时,滨海区填充地面在主震中下沉了5英寸。地面倾斜,浸满水的砂砾地段液化;建筑物与其地基分离,其中一些倒塌。震后,记录装置被安放在填充区及其周围的岩石上,以便比较强余震引起的地震动。结果表明,填充地区将地震动放大了8倍(图7.12)。滨海区的损坏程度由于其自身结构问题而增高。许多住宅楼的底层都是车库,它们只有简单的支柱,没有对地震剪应力的抵抗能力。在震后,调查者发现70%以上位于填充地的建筑物已不适于居住。

  

  

  在旧金山海湾周围其他地方的新沉积物,以及靠近震源附近的太平洋沿岸砂质土地也有液化。表层土向下的压力将液化砂砾沿裂隙挤压出来,通常形成被形象称为"沸沙"和"沙火山"的奇特现象。这些现象以及地面张裂和土壤裂缝不仅能在滨海区见到,也能在奥克兰港、奥克兰机场、阿拉米达岛及沿海岸线具有由于水沉积物产生的疏松砂质土及具有浅表地下水台地特征的其他一些地区见到。

  这些结果清楚地显示了将地质调查同土地利用计划及建筑规则相结合的重要性。液化作用的影响可以用加密砂砾或者特殊加固建筑地基的方法加以减小。有些沿海岸边的土壤填充地是用现代方法在工程师的指导下填埋的,它们在地震中表现得很好。尽管有海边泥土及其他不利地下因素存在,但是没有关于位于这些良好填充物之上的建筑物地基受到破坏的报道。

  洛马普瑞特地震震害说明场地的局部条件,如同以前提及的那样,是决定地震烈度的第3个重要因素。目前特殊研究计划已在探求局部地质及土壤条件,诸如陡峭山脊或者冲积盆地内厚层土壤对地震动的影响作用。冲积盆地的危险性在1985年墨西哥城地震中尤其突出,半个墨西哥城因此而被毁灭。

  

  7.8 远距离作用:1985年墨西哥地震

  加利福尼亚本世纪内发生了5次大于7级的地震,但与墨西哥相比,地震数目就少多了。墨西哥在本世纪已发生42次地震,其中许多地震伤亡惊人。最大的一次地震为8.1级,发生于1985年9月19日,是一场悲剧。这次地震的震中位于墨西哥太平洋海岸下面的俯冲板块中,发生在已由地震学家们指出达10余年的一个地震空区内,见图8.1。

  这次地震严重毁坏了许多企业和学校的建筑物。由于地震发生在当地时间早晨7点17分,当时这些建筑物中人不太多,因而还算幸运。尽管如此,距震中340多千米的墨西哥城内还是有8 000多人死亡,3万多人受伤,约5万人无家可归。大约500多座建筑物受到严重损坏或破坏,其造成的经济损失估计为4亿美元。由于墨西哥城人口超过1 800万人,建筑物大约有80多万座,这些统计表明地震严重破坏的只是这座城市的一小部分。靠近震源沿海岸的损坏也很严重,但范围很有限,部分是由于建筑物的类型及地质因素所致。

  墨西哥城和沿太平洋海岸是受这次地震影响最大的地区,加速度计台网提供了这次地震地震动十分丰富的测量数据。早在地震之前,在沿海岸边的许多被特殊挑选的地方就已经安放了一些仪器,这是响应1978年在夏威夷召开的国际专题学术会议提出的建议的结果。那次会议建议在世界上地震活动最活跃的地区布设加速度计台阵,包括墨西哥,目的是为了获得强震动必不可少的数据。大约在会议后的7个月,一次7.8级地震袭击了墨西哥沿岸。墨西哥和美国的地震学家在协作评估了不同地区发生地震灾害的可能性后,决定在有地震空区的古尔欧州和迈克阿肯州西北的阿卡普尔卡另外安置一些加速度计。在随后而至的1985年地震中,这些台站提供了距震中很近的16个强地震动数字记录。

  地震波从海岸附近的震源穿过350千米的距离到达墨西哥峡谷时,其振幅已大幅度减小。建立在坚固土壤及岩石上的建筑物很少受到破坏。然而在墨西哥城中的一些地方,冲积盆地近地表的地质条件造成了十分危险的环境。在最近的地质时期,雨水携带着碎石、砂砾及泥土进入盆地并将它们沉积在德克斯科湖中,这个湖的水在西班牙人征服阿兹台克人后为了城市的发展被抽干。现代墨西哥城虽然大部分建立在德克斯科湖周围较高地面上,但是在城市中心附近一些地方仍被很松软的砂子及高水分的泥土厚沉积所覆盖。正是在盆地的这一地带,多数建筑物在9月19日的大地震中倒塌。

  

  怎么解释呢?让我们从迈克阿肯海岸地下俯冲带内的沿断层的突发性运动而产生的地震波的辐射开始说起。从局部上讲,地震波从震源向上辐射到地表要经过20千米或更长的距离。沿这部分海岸安置的加速度计显示出地面震动在水平方向上数值为0.16g,对这样一个大地震来讲,这只算中等强度。当震波穿过地壳岩石向墨西哥城传播时,它们在空间上分散开来,而且其平均振幅有所衰减。那些在墨西哥城较高的地方(比如墨西哥国家大学)的坚硬地表,其震波水平加速度减到仅有0.04g,并且没有造成破坏。可是在湖泊地带,周期约2秒的面波被粘土层特别地放大。

  物理学上有一条基本定律,就是当一个弹性系统,如吉他弦,被迫按其固有频率运动时,运动的振幅将会比以其他频率运动时容易增加。沉积盆地有其固有频率,地震运动如果与这个频率相同将会发生共振使振动振幅增大。共振频率的值取决于土壤层厚及沉积盆地的形状和大小。这些地质结构的作用是捕获到来的地震波并将其中一部分放大。在墨西哥城松软湖泊沉积物中,强震仪测到的水平加速度峰值达到0.4g。此外,在地下震波已经传播完毕,地面仍不断以特定频率持续振动。因此,到达墨西哥城的S波和面波被伸展开,以致在散射的震波系列中含有15次以上的震动。

  

  地震波也被某些建筑物的振动特性再次放大。像盆地一样,建筑物及其他结构也有固有振动频率,当它们的地基被这些频率的地震波横推时,它们将前后摆动,就像倒挂的钟摆。

  

  在墨西哥地震中,震波被10~14层高的建筑物所放大。在这些建筑物中,共振作用导致了大移位及结构的破坏。然而,即使在最严重的振动带上,墨西哥城大多数建筑物也没受到结构上的损坏。没有受到损坏的多是低矮建筑物及摩天大楼,如37层高的拉丁美洲塔,它是本世纪50年代建筑的,其巨大高度使它的固有振动周期长达3.7秒,远大于最强的地震面波周期而不会发生共振。

  许多地震灾害是由凹陷地区所含的软土及粘土层块对震波的放大引起的。这样的盆地多位于世界上人口稠密地区,如洛杉矶、墨西哥城、东京、上海及旧金山海湾边缘。

  

  

  7.9 合成地震图

  现在已有数百个强地震被世界各地的加速度计所记录。不过,样本仍不足以预测不同岩石及土壤环境下、特定的断层机制下震源附近的强地面震动。在以往20年里,从加州大地震中获得了许多加速度记录,其中多数是在距断层源20多千米的地方记录到的。这些重要的珍藏记录仍不是完备的,尽管它包括了许多类型的土壤条件及地震机制,但并没包括所有的地质条件。

  因此,出于实际应用的需要及纯科学兴趣,产生了所谓的人工或合成地面震动的特殊研究。这些合成地面震动并不是震动的实际再现,像"合成"一词所隐含的那样,而是通过合理的分析来估计地震动。在写本书时,我已经对海沃德断层上最大可能发生的地震的可能地震动进行了估计。这是一条穿过加州大学伯克利校园的活断层,由于它的滑动,在1868年发生了一次大规模的破坏性地震,其震级估计为7~7.25级。

  我和我的同事对估计这次地震在旧金山海湾大桥产生的地面震动有特殊的兴趣。这座大桥东起奥克兰,西至旧金山,东西横跨海湾,这些估计可帮助那些与运输部签约的工程专家,他们正在对海湾大桥抗震情况进行调查。尽管1989年洛马普瑞特地震中有一段桥面从其桥墩上崩塌,但它并没有被彻底损坏,关键问题是如何在较近处发生大地震时保证大桥的安全。

  为了开始我们对地面震动合成的实施,我和我的同事从最近的观测中估计了如果在海沃德断层发生7.25级地震,距震源10千米可能产生的峰值加速度、速度和位移。我们从1989年洛马普瑞特地震经验得知,在该地区这种大小的地震对应的断层长度约为40千米,深度可达15千米。

  接下来我们应用衰减曲线估计了距震源10千米处的地面运动峰值。我们发现海湾大桥的预期加速度为0.7g、速度为25厘米/秒、位移为30厘米。当然,任何特定地震实际产生的峰值都会在预期值上下有些变化,这主要取决于从断层发生破坏处到海湾大桥的实际距离及海沃德断层上的地质条件及孕震因素 -- 一些现今仍不为人所知的因素。

  知道了这些峰值,我们就可着手去获得完整的震动图像。下一阶段就是要选择一项已观测过的具有相似峰值的地震记录,如果有的话,我们能找到的最好记录就是卡皮托拉城的记录。该城距洛马普瑞特15千米,其记录是在1989年洛马普瑞特地震时取得的。卡皮托拉的记录加速度不够大,不能满足我们的峰值参数条件,因而我们不得不按比例增大其振幅,持续时间也调整到30秒,也就是7.25级地震的平均期望值,然后从以往研究中选择出适合这样震级的地震动频谱,并将记录加以修正,从而得到类似频谱。

  

  

  由于地震震源有不同的类型和深度,并发生于不同的地质构造中,这种合成地震图方法需要对已记录到的地面震动进行大量的解释和外插。因而,地震学家试图发展建立合成地震动经验法。模拟由实际震源产生的强地震的数字方法最近有了飞跃发展。当然,计算能力的迅速提高对地震学领域这一蓬勃发展起了重要作用。成功的数字模拟方案的核心,是要指定所提出的断层滑动的长度及宽度,将这一区域分成小单元,按电脑程序计算各自的定量滑动。从震源点开始,破裂以特定速度向各个方向传播。周围岩石对应于每个小单元滑动所产生的震动,可根据突发断裂的弹性理论计算出来。通过进一步计算,全部断层的波经过复杂的岩石介质传播到达特定地点后的运动被汇总,以合成一个地震记录。这里用的数学方法与预计敲击钢琴琴弦某一部位时琴弦的相应运动的方法类似。

  这些方法的结果中的不确定性主要是来自简单化的假设引起的误差,一些假设十分武断,比如在断层面上破裂传播的实际过程和滑动的详细时间历程并不清楚。此外,人们对沿断层岩石的物理条件(即岩石粗糙度或障碍体的分布)及断层破裂终止处的底、顶和末端的位置也知之甚少。

  计算出从特定断层源发出的地震波,地震学家就能绘出不安全地区,如旧金山、洛杉矶、波士顿、东京和基多的预期地震烈度图。就像我们将在第9章中见到的一样,这些图是多地震国家规划未来发展、评估旧建筑结构的安全性、设计抗震新建筑及从其他方面减轻地震危险性的首要资料。

  波运动的频率谱使我们看见整个波形的每个分量:它显示了在运动中出现的每个频率的波的振幅和组成整个波形的每个波的位置(或相位)。最著名的例子是彩虹谱,它是由玻璃透镜散射白光产生的,白光散射成彩色光,从红到紫每个都有自己的振幅(或亮度)和相位。强地面震动的谱也是由两部分组成:振幅谱和相位谱。通常,在强震动地震学和地震工程中只考虑振幅谱,因为在每个频率上的波振幅直接与在这个频率上建筑设施振动的方式有关。

  来源:Bruce A·Bolt著.马杏垣等译.石耀霖等校. 2000.北京:地震出版社。

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