1.1　地震类型与成因

地震发生的原因是多方面的，主要有天然地震和人工诱发地震。天然地震按其成因主要分为以下3类：

（1）火山地震——因火山爆发、岩浆喷出而引起。

（2）陷落地震——因古旧矿坑或较大溶洞的塌陷而引起。

以上两类地震释放的能量和作用范围都不大，发生次数也少，破坏较轻，不是工程关注的重点。

（3）构造地震（Tectonic earthquake）——因地壳运动使岩层薄弱部位突然断裂错动而引起。这类地震破坏性大、影响面广，占地震总发生次数的90%。例如，我国发生的1976年河北唐山地震（7.8级）、2008年汶川地震（8.0级）以及2011年东日本大地震（9.0级）都属于构造地震。各类工程建筑物进行抗震设防（Seismic fortification）主要针对这类地震。

除了天然地震之外，还有人类工程活动，如注水和修建水库、矿山开采、人工爆破、地下核爆等可引发人工地震。这类地震一般都不太强烈，仅有个别情况（如水库地震）会造成严重的地震灾害。2008年汶川大地震后，水库地震问题备受国内外关注。对于紫坪铺水库和三峡工程的蓄水是否引发了2008年的汶川大地震，存在着分歧和争议。多数人认为，紫坪铺水库和三峡工程的蓄水不具有触发汶川大地震的条件，而汶川大地震也不具备水库触发地震的特征。

水库地震是指由于水库蓄水或水位变化而导致库区和坝址环境物理状态的改变，从而引发地震的现象。在水库地震中，社会和工程界主要关心构造型水库触发地震。迄今，全球范围内构造型水库地震震级超过6级的约有4例，即印度柯以那（Koyna）（6.5级，1967年）、希腊克雷玛斯特（Kremasta）（6.3级，1966年）、我国新丰江（6.1级，1962年）和赞比亚卡里巴（Kariba）（6.0级，1963年）的水库触发地震。这种类型的地震只是在一定的地震地质和水文地质条件下才能发生，其成因机制很复杂，至今并未解决，主要是由于目前对水库地震震源所处岩层深部高温高压条件下岩体性态和水体运动规律的认识还很不足。因此，还很难建立一个物理模型对这一复杂的过程进行描述，主要只能以统计和类比方法探讨其本质规律。目前对构造型水库地震较普遍的共识是：库水渗透到岩石中使岩体孔隙水压力增大，导致断层面的法向有效应力减小，抗剪强度降低，以致断层构造面失稳而触发地震。未来的水电工程建设需要按照GB　21075—2007《水库诱发地震危险性评价》和SL　516—2013《水库诱发地震监测技术规范》的要求，对水库诱发地震的危险性进行评价。对评价可能发生5级以上的强水库地震的水电工程，应布置地震台网进行监测。

下面进一步阐述构造地震。可以从宏观背景和局部机制两个层次上解释其具体成因。从宏观背景上考察，地球内部由地壳（Crust）、地幔（Mantle）与地核（Core）3个圈层构成（图1.1.1）。通常认为地球最外层是由一些巨大的板块组成，板块向下延伸的深度大约为70～100km。由于地幔层内不均匀分布的高温高压物质的对流运动，这些板块一直在缓慢地相互运动着。板块的构造运动是构造地震产生的根本原因。从局部机制上分析，地球板块在运动过程中，板块之间的相互作用力会使地壳中的岩层发生变形。当这种变形积聚到超过岩石所能承受的程度时，该处岩体就会发生突然断裂或错动，能量便从断裂处释放出来，其中小部分的能量（震源释放的总能量包括破裂能、地震波辐射能和摩擦产生的热能）引起岩石的振动，以地震波（Seismic wave）的形式向外传播。当波动传至地球表面时，地面就会震动起来。强震动会造成近地表建筑物的破坏和人员的伤亡。由于这种地震是由地球内部构造发生剧烈变动引起的，因而人们称之为构造地震。容易想象，地球内部积累的能量总是从较薄弱的地方开始释放，因此断层破裂位置常常是地震发生的位置。

地震动的特性受活动断层（Active fault）滑移机制的影响。断层面两侧发生相对位移的岩体或岩层称为断盘（Fault wall）。断层面倾斜时，上部的岩体为上盘（Hanging wall），下部的岩体为下盘（Foot wall），如图1.1.2所示。根据断层上盘和下盘相对滑移的方向，可将断层分为正断层（Normal fault，上盘相对下移，下盘相对上移）和逆断层（Reverse fault，上盘相对上移，下盘相对下移）。断层有两种基本运动形式：倾滑运动（沿断层倾向滑动）和走滑运动（沿断层走向滑动）。另外，走滑运动又可分为左旋走滑（观察者站在断层的一侧，面向断层，另一边的岩体向他/她左方滑动）和右旋走滑（观察者站在断层的一侧，面向断层，另一边的岩体向他/她右方滑动），如图1.1.3所示。实际的断层运动是这些基本运动的合成运动。

2008年发生在我国的汶川8.0级地震，震后在都江堰虹口处发现一断层坎的水平与垂直位移达到4.7m，如图1.1.4所示，可判断此处断层发生了逆冲左旋走滑运动。

图1.1.5为断层破裂处即震源产生地震波，经过地壳岩石的传播，到达近地表工程场地，并对其上的建筑物产生影响。

地球内部断层开始错动并引起周围介质振动的部位称为震源（Focus），如图1.1.5所示。震源正上方的地面位置叫震中（Epicenter）。震源到地面的垂直距离叫震源深度（Focal depth）。地面上某一工程场地（例如某水利枢纽的大坝坝址）到震中的距离Δ称为震中距（Epicentral distance）。工程场地到断层地表破裂迹线或断层面延伸至地表位置的最短距离，称为断层距（Fault distance）。

根据震源深度可以对地震进行分类。通常，震源深度在60km之内的地震叫浅源地震（Shallow-focus earthquake），60～300km的叫中源地震，300km以上的叫深源地震（Deep-focus earthquake）。至今观测到的最深的地震震源深度是700km左右，而世界上绝大多数的地震震源深度都在5～30km左右，属于浅源地震。例如：1976年7月28日发生在我国河北省的唐山大地震，震源深度为16km；2008年5月12日发生的我国汶川大地震的震源深度南端较深为20km，北段较浅为10km，发震断层长度超过300km，发震持时超过100s，能量释放的时空分布极不均衡。

在一定时间内相继发生在相近地区的、在成因上有联系的一系列大小地震称为地震序列，其中最强烈的一次称为主震（Main shock），主震前的地震称为前震（Foreshock），主震后的地震称为余震（Aftershock，岩层的破裂往往是由一系列裂缝组成的破碎地带，整个破碎地带的岩层不可能同时达到平衡，因此在一次强烈地震之后，岩层的变形还将继续进行调整，从而形成一系列余震）。强震序列一般有3种基本类型：

（1）主震型。序列中主震突出，释放的能量占全序列的绝大部分，在破坏性地震中最为常见。

（2）震群型。主要能量通过多次震级相近的地震释放，主震不突出。

（3）孤立型。能量基本上由一次主震释放，前震、余震释放的能量都很小。

例如，2008年5月12日汶川大地震的主震震级为8.0级。在随后的半年多里，汶川地区发生了震级4.0～4.9级余震240次，5.0～5.9级33次，6.0级以上8次（不包括主震），最大余震震级为6.4级。主震和余震震中分布如图1.1.6所示，表明汶川发震断层是向一主要方向产生破裂（即单侧破裂），自起始点震中汶川向东北方向延伸，具有方向性。