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1、基础地震学
1-1 地震的性质
地震是地球表面的振荡，有时是剧烈的运动，随着地壳中的能量释放而发生。这种能量可以通过地壳段的突然错位，火山喷发或人为的爆炸产生。 然而，大多数破坏性地震是由地壳的错位造成的。
当受到板块构造的地质力量的影响时，地壳产生初始弹性地应变（即弯曲和剪切）。对于纯轴向载荷，胡克定律给出了该应变伴随的应力。
sigma;=Eε
当岩石受到应力时，对于纯轴向载荷它存储应变能量U，单位体积的弹性应变能为
U=sigma;ε/2
当应力超过岩石的极限强度时，岩石破裂并迅速移动到新的位置。在断裂应变过程中释放能量并产生地震波。这是描述地震发生弹性回弹基本理论。
这些地震波从地震的源头（称为震源）传播到沿着地球表面并达过地球上的更远的地方。波速取决于地震波和地震波通过的物质的性质（ 详情请参见第1-14节）。某些振动因具有足够高的频率则可听见，而其他振动具有非常低的频率，周期为多秒，因此听不见.
现代理论可以解释一些地震是如何被诱发的。地质学家们知道，在高压下将液体泵入地下可能会引发地震。法国的天然气生产地区现在有证据表明，从地下深处的孔隙中除去液体也可以触发地震。石油和天然气是地层中的主要流体;从接近地表的含水层抽取水可能不会导致地震。理论认为，当气体或油被抽掉时，储藏层收缩，但周围的岩石 层不会这样。这导致岩层在后来的地震中释放压力。
1-2 地震术语
地震的震中是震源在地球表面正上方的点。 地震的位置通常由其震中的地理位置及其震源深度来描述。地震的震源深度是从地球表面到震源的深度。这些专业术语如图1.1所示。
震源深度小于约40英里（60公里）的地震被归类为浅源地震。由于地壳中脆性岩石的破裂或内部应变能克服了断层相对侧面的摩擦锁定，造成了浅源地震。加州的震源通常很浅，其原因为尚未完全了解的震源深度范围为40至190公里（60至300公里）。地震的深度可能高达450公里（700公里）。
图1.1 地震术语
地震波沿着断层传播，速度高达向外辐射地震剪切波前的速度，约3 km / s，整个受影响的地层是运动的（见第1节 -14有关剪切波的描述）。
1-3 全球地震
大多数地震发生在与太平洋接壤的地区。这个绰号为火环的环太平洋带包括北美的Pacofic海岸，南美洲，阿留申群岛，日本，东南亚，亚洲和澳大利亚。 这种集中的原因由板块构造理论解释。 （见第1.5节）
美国遭受的破坏比其他地震地区的破坏程度较小。 这是由于国家年龄相对较小，对抗震施工方式的关注，但是数百万美国人现在生活在潜在的地震区域。美国西部的大部分地区被认为很容易受到地震的破坏。 没有哪个地方比加利福尼亚更为需要关注。核反应堆，水坝，学校，医院和高层建筑物在高地震危险的地方建造，这迫切需要更多地注意减轻地震造成的损害。
1-4 大陆漂移
从二十世纪初以来，众所周知，大陆相对移动称为大陆漂移。 事实上，过去的气候记录（古气候学领域的主题）表明了数百万年的大陆漂移。例如，在印度和北极发现了同样的3亿年前的化石矿床。
大陆漂移理论在20世纪30年代才被确定，但并没有被普遍接受。 在五十年代，新兴的磁性科学为大陆漂移提供了新的支持性证据。 许多岩石，如熔融岩固化的火山岩，含有微量的磁性矿物，如菱镁矿。 当这些矿物形成时，它们保持了地球磁场的磁性取向。岩石的磁性取向表明了古气候学和其他地质学标准提出的大陆相同的古代位置。 事实上，过去的气候记录表明，这个大陆已经在全球缓慢移动了数亿年。 例如，在印度和北极，发现同样的3亿年历史的化石矿床。
1950年代期间收集了大量的地理数据，特别是进行海洋学研究的船只，如Glomar Challenger。 发现了一个连接海底脊的系统，称为海洋中脊，环绕在地球上。 这些脊大约位于正在分开的大陆（如非洲与南美洲之间）中间。 新的海洋地壳在脊部形成，并被添加到正在分开的板块上，这被称为海底扩散。
大型海底的壕沟也位于太平洋火山的火山弧形凸起的海洋两侧。 地震的倾斜区域从这些沟槽向下垂深达450英里，进入火山弧下方和后方的地幔。在移动板后面的扩张脊上形成海洋结壳。
已知由高而弱的磁性海洋地壳材料的交替带组成的海洋地壳显示了在板块分裂后的间隙中形成新的地壳的磁记录，对称带在新形成的脊的相对侧记录了环境磁力。
随着外壳的创造，它也在其他地方与海洋板块下沉在沟槽上相同的速度被破坏，并沿着地震带深入地幔。然而，地壳形成与破坏之间存在全球平衡。大西洋板材的材料的形成主要通过吸收太平洋的板块材料来补偿。
1-5 板块构造
大多数地震是地球外壳碎片化成各种大小板块的结果。有七个非常大的板，每个都包括海洋和大陆部分。 还有十几个或更多的小板块，并不是全部都显示在图1.2中。
图1.2 大陆板块
每个小板块厚约50英寸至60英寸，本体部分比其他部分更厚或更薄。 较薄的部分通过弹性弯曲和脆性断裂而变形。而较厚的部分则产生塑性变形。板块下面是引起整个板块滑动的粘性层。板块本身往往是内部刚性的，只在边缘相互作用。
这些板块相对于彼此相对运动，速度稳定在0.4英尺/年左右。 虽然板块速度按人类标准为缓慢，但地质速度标准为极快。 例如，只需一百万年，0.15英尺/年的运动总计达30英里。而一些板块运动已经持续了1亿年。
根据位置，板可以移动分开，缓慢碰撞以形成山脉，或横向滑过或滑向另一块板块重叠在其上方或底部。
1-6 海底洋脊
当板块拉开时，来自深层地幔的热材料填充空隙。 一些地幔材料在火山中显现为熔岩。 大部分凝固在海面以下，形成一个海底岭。 山脊相对于海底是高的，因为地幔材料是热的和密度低的。
随着板块的移动，脊料逐渐冷却并收缩，其表面下沉。 脊通常在垂直于板块运动方向的高度上形成阶梯状的变化。滑动断层与板块运动方向平行。
1-7 海底沟壑
在板块会聚的地方，一个下沉并在称为俯冲的过程中滑移到另一个之下。 一般来说，海洋板块在大陆板下面或另一个海洋板下方滑动或俯冲。 在俯冲板下降的地方形成沟槽。 来自海底的沉积物相对于顶板的前边缘被刮去。 这在图1.3中示出。
远离顶板，倾斜的地震区域向下进入地幔。 这些区域的平均深度约为80 英尺，但是这些区域的深度可以达到450 英尺。 这些区域的地震的震中表明了俯冲板块的轨迹。
火山带通常发生在该地震区域之上，大致平行于板边缘。 最终产生火山的岩石熔化开始于水与各种矿物的结晶结构结合，或者因为俯冲板上的压力增加除掉水。 水分损失降低了融化剩余岩石所需的净能量。
图1.3 俯冲断层
1-8 地震能量释放
浅源地震表示突然的板块滑移，伴随着长期存储在岩石中的弹性应变能量的释放。 深层地幔俯冲带地震是否伴随着类似的弹性释放，或仅仅是将部分俯冲板突然收缩到较高密度的岩石中并不完全清楚。 然而，最近的研究表明，前者的解释比后者更为合理。
地震中只有一部分释放的能量出现在地震波中。 大部分释放的应变能通过岩石的移动，变形和加热而局部地被吸收。吸收的比例随着地震规模的增加而不规则地增加。 小地震通常不能表现出足够的释放能量，以消除应变能量并防止大地震，尽管沿着断层的缓慢蠕变可以提供部分释放。 然而，大地震也不一定释放所有的应变能量。
大地震主要发生在板块交汇边界。 海底洋脊在相对浅的深度处是如此的热，以致其上方的固体岩石不能存储足够的弹性应变能以产生大地震。 在这些脊系统中发生的罕见大地震多数有较长的滑移断层。
1-9 地震海浪
当大地震期间海底突然升起时，水也随之升起，然后流动，找平水平面。 如果海底下降，水会冲入地下水中，大量的地下水突然出现，在复杂的大陆之间晃来晃去，持续了好几个小时。 结果表现为一系列地表海浪，每个都被称为地震海浪，或为海啸。 海底深度最突出的变化，最大的海浪是由浅层俯冲带地震引起的。
与任何表面波或浪涌波一样，海啸的速度主要取决于海洋深度。 深度越大，海啸的能量含量就越大。 在深海中，波浪以约500公里/小时的速度行驶。 海上的波浪可能相隔一小时，也许只有1英尺高。 结合波浪时间为5分钟至60分钟，几乎无法检测。 然而，随着波浪接近陆地，由于与越来越浅的海底的摩擦增加，波速降低。 随着波速的降低，波高增加。
只有正常和推力断层才会产生海啸。 如果海底地形和方向对于海啸形成是最佳的，波浪可以形成高度超过50英尺的水墙。 这样一波可以在冲上岸时造成巨大的破坏。 附近的沿海点，底部的地形是截然不同的，可能会看到同样的波浪通过，只是快速的浪涌和水的撤出。
1-10 断裂带
断裂带是地壳中的断层，在断层处两板块相对于彼此滑动。 一个地壳块可以在一个方向上水平移动，而相反的地壳块在相反方向水平移动。 或者，一个块可以向上移动，而另一个块向下移动。
沿着断层运动的方式之一是沿着断层的地壳或岩石的位移或滑动。 在1906年的旧金山地震期间，加利福尼亚北部的圣安地列斯断层，地面被移走了21英尺。 相比之下，1989年洛马·普里埃塔（Loma Prieta）地震的最大位移约为6英尺。
加利福尼亚的大部分断层是垂直或近垂直断裂。 沿着这些断层的运动主要是向北或西北方的水平移动。 右侧运动是断层对侧的一块向右移动。 相反，块在左侧断层中向左移动。 侧向运动是由滑移断层产生的。
垂直运动的断层称为下浸滑移断层。 在正常断层中，吊壁相对于脚壁向下移动。 在逆断层中，也称为推力断层，悬壁相对于脚壁向上移动。
沿着许多断层运动是水平和垂直的。 这些断层通过组合每种运动的名称来命名。 例如，图1.4显示的左侧正断层，也称为倾斜断层。
加利福尼亚有一些逆断层活动。 这些断层的平面倾向于地球表面。 断层面以上的岩石向上推覆到断层以下的岩石上。 1952年的Arvin-Tehachapi地震是由白狼逆断层造成的。 1971年的圣费尔南多大地震是由圣加布里埃尔山脚下的逆向断层突然断裂造成的。
图1.4 断层类型
1-11加利福尼亚州的断层
美国最易发生地震的地区是与加利福尼亚州圣安地列斯断层系统相邻的地区，以及将内华达山脉与大盆地分开的断层系统。 已知这些主要系统中的多个个别断层在过去200年中一直处于活跃状态。 自从大约10000年前的最后一次伟大的冰川结束以来，其他的被认为是活跃的。
在过去200年中，图1.5所示的许多断层经历了突然的滑动或缓慢的蠕变。 然而，其他断层的活动只能从地质学和地形学关系推断出来，这些关系表明过去几千年来这些断层一直活跃。 这种活跃表明这些断层可能再次滑落或爬行。
加州的地震相对较浅，与活动断层的运动有明显的关系。 许多加州的地震已经造成地表破裂。
图1.5 加州活动的断层
1-12 圣安德烈亚斯断层
圣安地列斯断层是穿越加州沿海地区岩石的断层网络中的主要断层。 这种右侧断层是超过600英里长的巨大断层。 它几乎垂直延伸到地球至少20英里的深度。 详细来说，这是一个从几英尺宽到一英里宽的破碎和破碎的岩石的复杂区域。 许多较小的断层分支并加入圣安地列斯断层。
在大部分长度上的地球表面的线性低谷显示了圣安地列斯断层的存在。 从空中，湖泊，海湾和山谷的线性布置显而易见。 在地面上，断裂带可以被长而直的悬崖，狭窄的山脊以及由小岩石沉降形成的小而不排水的池塘所识别。 但是，地面上的人通常也不会意识到他们正在断层或接近断层。
研究洛杉矶和旧金山之间的断层的地质学家认为断层总积累位移可能高达350公里。 类似地，Tejon Pass和Salton Sea之间的一段断层的地质学研究揭示了距离150英里的断裂带边缘具有相似的地质地貌。 这表明分离是沿着圣安地列斯运动和分支圣加布里埃尔断层的结果。
自1934年以来，沿着圣安地列斯断层系统的地震活动集中在三个方面：（1）位于最北端的一个离岸地区，称为门多西诺断裂带，（2）沿着断层的区域 弗朗西斯科和公园场，以及（3）大部分由洛杉矶和墨西哥边界界定的最南端的断层。 这些地区经常发生蠕变，滑移和中度地震。
这三个活跃区域之间的两个区域自1857年南部和北部的1906年发生大地震以来几乎没有地震或已知的滑坡。 这意味着圣安地列斯断层系统的这两个区域暂时被锁定，并且应变能量正在积累中。 锁定区域的地震活动不足可能意味着这些区段经常发生较不频繁但较大的断层运动，相应地会发生更严重的地震。
1-13徐变
除了断层破裂之外，还会发生第二种类型的断层运动，称为蠕变。 蠕变的特征是连续或间歇运动，没有明显的地震。 在Hayward，Calaveras和San Andreas断层的部分地区发生的断层蠕变已经产生了，在街道和铁路轨道上出现了从毫米到近1英尺的累积偏移。
观察到的偏移量与测得的蠕变速率一致。 精确的测量显示，在圣安地列斯断层的一些地方，缓慢的漂移接近2年。 在过去1亿年中发生了超过350公里的偏移。
1-14 地震波
地震波有三种类型：纵波，横波和面波。 纵波和横波从震源穿过地球的内部移动到表面。 然而，只有纵波才能通过地球的熔核。 因为纵波以很高的速度行进，并且通常首先到达表面，所以它们被称为P波。 P波速度由公式1.3给出。
横波不像纵波一样快速地流过地球的地壳和地幔。 因为它们通常到达表面，所以它们
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