地震烈度(Seismic Intensity),指地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。其是在沒有儀器記錄的情況下,憑地震時人們的感覺或地震發生后器物反應的程度、工程建筑物的破壞程度、地表的變化狀況而定的一種宏觀尺度。
地震烈度與地震震級都是描述地震強弱的方法,但兩者應嚴格區分。對于某次地震,震級是一個定值,代表著這次地震的大小;而地震烈度在同一次地震中因地而異,可以劃分出好幾個烈度不同的地區。地震烈度受震級、震源深度、距震源的遠近、地面狀況、地層構造和建筑物等因素影響。
1564年,地圖繪制者蓋斯塔爾蒂在標注阿爾卑斯地震的強弱影響時,在地圖上用不同顏色加以分檔,這是世界上最早的具有地震烈度概念的記錄。1883年,意大利的羅西和瑞士的弗瑞爾聯合發表了羅-弗氏(R-F)地震烈度表,這是第一個得到廣泛使用的綜合性地震烈度表。世界各地使用的地震烈度表主要有:中國地震烈度表(GB/T 17742-2020)、修正的麥加利烈度表(MM)、歐洲地震烈度表(EMS-98)、日本地震烈度表(Shindo scale)等。
地震烈度可用于震害的簡便估計,是描述地震影響大小的宏觀尺度,是防御和減輕地震災害工作中的實用參數等。世界各國建立不同的設防標準(烈度區劃或地震動參數區劃),一般基于設防地震動參數進行建筑結構抗震設計,而按照設防地震烈度要求采取抗震構造措施。
定義
地震烈度(seismic intensity):指地震引起的地面震動及其影響的強弱程度,是在沒有儀器記錄的情況下,憑地震時人們的感覺或地震發生后工程建筑物的破壞程度、地表的變化狀況而定的一種宏觀尺度。通常,地震烈度用大寫英文字母I表示,I0表示為震中烈度。
地震烈度通常把在地面上感受到的地震強烈程度,從無感到毀滅劃分為若干“度”,以宏觀的地震影響,作為劃分地震烈度的標志。這些地震的宏觀現象可以表現在自然環境的變化、建筑物的損毀、人的感覺、器物的反應等方面。
地震烈度與地震震級都是描述地震的強弱的方法。“地震震級”用于描述地震本身的大小;“地震烈度”用于描述地震影響或造成破壞的大小。
地震烈度應與地震震級嚴格區分。對于某次地震,震級是一個定值,代表著這次地震的大小。一次地震只有一個震級,但它所造成的破壞,在不同的地區是不同的,也就是說,地震烈度在同一次地震中因地而異,可以劃分出好幾個烈度不同的地區。
一般情況下,震級越大烈度也越大。一次地震發生后,震中區的破壞最重,烈度最高,這個烈度稱為震中烈度。從震中向四周擴展,地震烈度逐漸減小。
研究歷史
1564年,地圖繪制者蓋斯塔爾蒂(J Gastaldi)在標注阿爾卑斯地震的強弱影響時,在地圖上用不同顏色加以分檔,這是世界上最早的具有地震烈度概念的記錄。1828年,荷蘭的數學教員埃根(P Egen)用顏色標示了地震晃動的程度,紅色為Ⅰ~Ⅱ度,藍色為Ⅲ~Ⅳ度,黃色為Ⅴ~Ⅵ度。
1883年,意大利的羅西(M.S.de Rossi)和瑞士的弗瑞爾(F.A.Forel)聯合發表了羅-弗氏(R-F)地震烈度表,這是第一個得到廣泛使用的綜合性地震烈度表,其把非破壞性地震由弱至強分作7個等差度,破壞性地震從破壞至毀滅分為3個等差度,烈度共有10度。
1902年,意大利地震學家麥卡利(Mercali)制定了麥卡利地震烈度表。1904年意大利人坎卡尼(A·Cancani)修改了麥卡利烈度表的10度劃分,將其細化為12度。
1923年,德國人西伯格(A.Sieberg)對麥卡利烈度表和坎卡尼烈度表進行了改造,并考慮了各個國家建筑物的抗震能力及破壞形態的描述,制定了MCS烈度表,每一烈度的判據從多方面給予充實,成為當時最完備的烈度表。一些國家便以此為藍本,結合該國的實際,編制適用于該國的烈度表。
1931年,美國地震學家哈里·伍德和弗蘭克·諾伊曼對麥卡利地震烈度表的描述進行了簡化,并去掉了加速度指標,該烈度表在美國等國家得到廣泛應用。
1956年,查爾斯·里克特(Charles Richter)對麥卡利烈度表進行修訂,應用于各種類型的建筑結構。該烈度表共有12個烈度,用羅馬數字Ⅰ至Ⅻ來標志,以任何人都能體驗到的現象來描述每一級的烈度。
中華人民共和國自成立以來,分別于1956年、1977年、1990年、2015年四次編制全國性的地震烈度區劃圖。
影響因素
地震烈度不但與地震本身釋放能量的多少(震級)有關,還與震源深度、距離震中的遠近、地面狀況、地層構造、建筑物的類型、地基情況,甚至調査人員本身因素,當地人對地震的經驗等都有關系。
一般情況下,地震強度越大,烈度越大。對于相同大小的地震,震源深度越深,觀測點距離震源越遠,得到的烈度就越小;反之,則烈度就越大。地震斷層越長、埋藏越淺,等烈度帶越趨于橢圓形;反之,等烈度帶越趨于圓形。
地震烈度在不同位置和方向有所不同,如在覆蓋土層淺的山區衰減快,而覆蓋土層厚的平原地區衰減慢。同時,根據長期積累的經驗,松軟地基上的地震災害比堅硬地基上的災害大,如果地質條件和地基狀況不夠理想,則相應的烈度就會比較大。
震中烈度(I0)與地震震級(M)、震源深度(H)關系如下:
烈度劃分
烈度定量
由于地震烈度是一個定性概念,人們希望賦予它一個定量的物理指標,這種物理標準既要同震害現象密切相關又要便于用儀器測定,既可以給烈度一個定量指標,又可以使它為工程抗震設計服務。既然烈度也是表示地震動強弱的概念,應該尋找一個地震動的參數與之相對應,這個參數通常就是“地震動加速度”。
1956年,古騰堡(Gutenberg)等最早試圖用強震觀測記錄到的地震動加速度最大值來與地震烈度相聯系,但事實說明烈度不能只用地震動加速度來表示,烈度是由地震動的許多獨立參數共同決定的。
地震動加速度可區分為水平向和垂直向,最大加速度亦稱加速度峰值。地震動加速度估計的主要目的就是為抗震設計提供一個定量的設防標準,地震動估計一般有3種途徑:①通過地震烈度的估計,再利用地震烈度與地震動的對應關系,將烈度換算為地震動設計參數;②根據強震觀測結果,確定地震動衰減規律,然后直接用此衰減規律來估計地震動;③通過震源機制解理論分析,應用動力學原理,計算出地面附近的地震動。
地震烈度表
地震烈度表是指將反映不同烈度的宏觀現象,按照烈度的順序分類列成的表格。一次地震發生后,就可以對照烈度表中的宏觀現象在現場確定各個地點的烈度,不同地點的烈度也不同。
人們曾試圖制定國際通用的地震烈度表,但是各地區的建筑各有不同,多震和少震地區人們對地震的經驗差別很大,各地的生活狀況也不相同(如自備汽車的普及程度等),最終還是由各國根據具體情況制定地震烈度表。
國際上流行的烈度表共分12度,就是將地震的影響,不用儀器測量,而由人們所能感覺到的最輕微的地動直到最嚴重的山崩地裂,分成12個等級。烈度沒有負值,最小值是1,最大值為12。另外,還有些國家使用10度或7度的烈度表。
世界各地使用的地震烈度表主要有:中國地震烈度表(GB/T 17742-2020)、修正的麥加利烈度表(MM)、歐洲地震烈度表(EMS-98)、日本地震烈度表(Shindo scale)及應用于印度、以色列、俄羅斯等國家的麥德維捷夫-施蓬懷爾-卡尼克烈度表(MSK-64scale)。
中國地震烈度表
中國把烈度劃分為12個等級,分別用羅馬數字Ⅰ~Ⅻ表示。不同烈度的地震,其影響和破壞大體如下:
小于3度,人無感覺,只有儀器才能記錄到;3度,在夜深人靜時人有感覺;4~5度,睡覺的人會驚醒,吊燈搖晃;6度,器皿傾倒,房屋輕微損壞;7~8度,房屋受到破壞,地面出現裂縫;9~10度,房屋倒塌,地面破壞嚴重;11~12度,毀滅性的破壞。
麥卡利地震烈度表
美國、中國香港地區、中國澳門地區使用的是修訂的麥卡利烈度表(MM)。
歐洲地震烈度表
歐洲地震烈度表(EMS-98)為歐洲各國使用。
日本地震烈度表
日本沿用日本氣象廳烈度表,以無感為零度,將有感范圍分為7度。中國臺灣地區使用的也是日本烈度表,并將烈度叫震度。
衰減規律
地震烈度衰減規律是描述烈度隨著震級或震中烈度和距離而變化的關系。
式中H為震源深度;r為等震線半徑;S為烈度衰減系數,由實際資料確定;Ii為各條等震線的烈度。
式中a1,a2、a3、a4"為回歸常數。
式中r為橢圓的矢徑;d1、d2、d3、d4為回歸常數; (a、b分別為長短軸)為橢圓的偏心率。
在研究烈度衰減時,可從歷史地震的烈度分布中統計各次地震的烈度與震中距的資料,然后用回歸分析求經驗關系。若在一個地震帶上重復發生地震,利用回歸求出的系數,按上面的規律可計算出烈度的理論分布。一些地區還有其他類型的經驗公式。
相關預測和研究
等震線圖
等震線圖也稱烈度分布圖,一次地震發生后,根據建筑物破壞的程度和地表面變化的狀況,評定距震中不同地區的地震烈度,連接相同烈度點構成封閉的等震線,組成等震線圖。該圖可根據最高烈度區確定宏觀震中位置,根據震級和震中烈度估計震源深度,了解一次地震中各地地面烈度的變化等。
繪制烈度等震線有兩個步驟,首先將調查所得各地點的烈度標在一張大地圖上,再用曲線將不同烈度區分開,使得在同一區內的烈度都相同。通常不要求一個烈度區內完全不存在不同的烈度點,以免烈度分區線過分曲折。但是,一個烈度分區中至少應該以同一烈度的點數占大多數,而可以容忍有一小部分高或低1度的烈度異常點。許多烈度異常點密集在一起所構成的地區稱為烈度異常區。
地震烈度區劃
地震烈度區劃是指對大區域的地震基本烈度進行鑒定劃分。地震烈度區劃圖則是表現全國或一個地區地震烈度區劃的地圖,以地震烈度或地震動參數為指標,表示將來一定期限內可能發生在某一區域內的最大烈度,按照長時期內各地可能遭受的地震危險程度,將全國劃分為不同抗震設防要求的區域。地震烈度區劃大多逐漸以地震動參數區劃取代。
地震的發生具有很大的隨機性,地點、時間和強度均是不確定的。地震烈度區劃主要采用基于概率含義的地震預測方法,將地震的發生及其影響看作隨機事件,首先根據區域地質構造、地震活動性和歷史地震資料,確定地震危險區,即未來50年期限內可能發震的地段,并估計每個發震地段可能發生的最大地震,從而確定出震中烈度。然后,預測這些地震的影響范圍,即根據地震衰減規律、用概率方法評價其周圍地區的烈度。
地震烈度區劃圖廣泛應用于一般建設工程的規劃選址和抗震設防,同時也是編制社會經濟發展規劃、國土利用規劃、防震減災規劃、城市規劃,以及地震監測設施建設、社會防御措施制定和應急準備等防震減災各項工作的基礎依據。同時,地震烈度區劃也有中長期地震預報的作用,可以推測地震的危險地段、區劃出不同震級及地震范圍、震中的分布地點等。
中國編制了全國性的地震烈度區劃圖,并于2015年批準發布了《地震動參數區劃圖》(又稱第五代地震區劃圖)。
實際應用
地震烈度可用于震害的簡便估計,是描述地震影響大小的宏觀尺度,是防御和減輕地震災害工作中的實用參數等。
震害的簡便估計
一次強震之后,政府或社會為了解震害的大小和分布情況,需要有一個極為綜合而簡便的描述,便于了解各地區的災情。經過實踐,人們采用了地震烈度,這種綜合而簡便的劃分便于人們理解。
宏觀尺度
地震烈度可為地震工作者提供一種宏觀尺度,用以描述地震影響的大小。其可積累震害資料的,特別是歷史地震,一般只有地震現象的描述,沒有儀器記錄,也只有通過宏觀烈度的概念來加以整理和利用。通過研究震中區烈度分布,可估計震源情況和地質構造。由于地震活動性是地震工作研究的核心,地震預報和地震工程都以此為根據,地震預報的精度和抗震工作的成效,都依賴于人們對地震活動性的認識程度。所以歷史地震資料是必須利用的。
實用參數
地震烈度作為一種粗略而簡便的指標,可為地震工程總結抗震經驗、進行烈度區劃,從而規定地震動設計參數。
地震烈度分布圖能反映地震影響的全貌及其衰減規律,可以從等震線圖的形態推論震源機制的特征,從烈度的分布異常研究場地條件對地面震動的影響,還可以以地震烈度為背景來總結建筑物的抗震經驗。
在防御地震方面,全世界各國建立不同的設防標準(烈度區劃或地震動參數區劃)。地震烈度在建筑物的抗震設計中被使用,一般基于設防地震動參數進行建筑結構抗震設計,而按照設防地震烈度要求采取抗震構造措施。
參考資料 >
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?【科普】地震烈度的從古至今.微信公眾平臺.2024-04-05
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科普圖解|一圖讀懂中國地震動參數區劃圖.江蘇省地震局.2024-04-04