1.3　地震震级与地震烈度

1.3.1　地震震级

为了衡量地震的威力，人们提出了地震强度等级的概念，即震级（Earthquake magnitude），它是利用体波或面波的最大振幅，对地震释放能量大小及断层尺寸的定量化度量。常用的震级测度有以下4种：

（1）里氏震级（Richter，1935），又称近震震级、局部震级ML。里氏震级一般用于测量小型、浅源、震中距小于600km的地震。可按式（1.3.1）估算里氏震级：

式中：Δ为震中距，km；A为标准伍德-安德森扭摆式地震仪（放置在Δ＝100km处）记录的以微米（μm）为单位的水平位移最大振幅；A0为标定因子。

为了使结果不为负数，规定0级地震为在Δ＝100km处的最大位移A＝1μm的地震。按照这个定义，若在同一震中距处测得的地震波位移振幅为1mm（1000μm）的话，则震级ML＝3。伍德-安德森标准地震仪用来测量周期介于0.5～1.5s的地震波。

近来，伍德-安德森地震仪几乎被弃用，在公众媒体报道中局部震级逐步被其他震级所替代。

（2）面波震级MS。这种震级测度适用于浅源、远距离（Δ＞2000km）发生的、长周期（约为20s）的瑞雷面波所主导的大震。振幅A（μm）、周期T（s）、震中距Δ与面波震级MS的关系为

此处Δ为震中距，但以角度计，例如360°为地球一周。这种震级适于中～大震的震级估计，但很少超过8.0级。

（3）体波震级Mb。这种震级适用于深源、震中距Δ大于100km的中小型地震，它由体波中的P波确定，其主震周期T约为1.0s。对于长周期S波（周期为1.0～10.0s），相应震级测度用Mb。振幅A（μm）、周期T（s）、震中距Δ（角度）与体波震级Mb的关系为

（4）矩震级Mw。这种震级与地震矩相联系，它考虑了破裂前断层中的应力状态及断层尺寸，可用来估计特大地震。地震矩M0［单位为尔格（erg），1erg＝10-7J］定义为

式中：S为断层介质的材料断裂强度，MPa；D 为断层上、下盘的平均相对错动或滑移量，km；A为断层破裂面积，km2。

矩震级Mw与地震矩M0的关系为

为测定地震矩及矩震级，可用宏观的方法，直接从野外测量断层的平均位错和破裂长度，从等震线的衰减或余震推断震源深度，从而估计断层面积。也可用微观的方法，由地震波记录反演计算这些量。

上述里氏震级ML、面波震级MS及体波震级Mb都存在所谓的饱和性，即地震震级并不随地震强度而一直增加。ML、Mb和MS在矩阵级Mw＝7.0、6.5和8.5以后不再增加。而矩震级Mw在实用范围2＜Mw＜10内不存在饱和现象，因此可用于所有大小的地震震级估计。

面波震级MS与震源发出的总能量E（单位为erg）之间的关系是

式（1.3.6）表明，震级每增加1级，地震所释放出的能量约增加101.5＝槡1000＝31.6倍。该式也适用于矩震级Mw。

2008年汶川里氏8.0级大地震，其释放的能量约为6.3×1016J，相当于1500万t TNT炸药或750个投放于日本广岛市原子弹的能量。

1.3.2　地震烈度

地震烈度（Intensity）是地震引起的地面震动及其影响的强弱程度。地震烈度不仅与震级有关，还和震源深度、震中距及地震波通过的介质条件（如岩土层性质、地质构造、地下水埋深）等多种因素有关。一般情况下，震级越高、震源越浅、距震中越近，地震烈度就越高。

一次地震只有一个震级，但震中周围地区的破坏程度则随距离的加大而减小，因而形成多个不同的地震烈度区。震中区的烈度称为震中烈度。根据我国1900年以来的资料，局部震级ML与震中烈度I0的关系为

例如，发生于我国的唐山（1976年）和汶川（2008年）的大地震，局部震级ML分别为7.8级和8.0级，代入式（1.3.7）则可得震中烈度约为11度。

在工程建筑中，划分建筑区的地震烈度是很重要的，因为一个工程从建筑场地的选择到工程建筑的抗震措施等都与地震烈度有密切的关系。

（1）地震烈度表。地震烈度表通常是根据地震发生后地面的宏观现象和定量指标两方面的标准划定的。

当前国际上常用的地震烈度制有MCS制（南欧）、MM制（北美，中国及其他几个国家）、MSK制（中东欧及其他几个国家）、EMS制（是MM制的发展，自1998年被欧洲采用）和JMA制（日本）。其中MM烈度制将地震烈度划分十二度，分别用罗马数字Ⅰ～Ⅻ表示，也常用阿拉伯数字1～12表示。

我国共3次颁布中国地震烈度表（1980年、1999年、2008年）。附录A是《中国地震烈度表（2008年）》，充分利用了大量的已有震害资料和地震烈度评定经验，借鉴参考了国外地震烈度表，并利用了汶川地震部分震害资料后在以前版本的基础上修订而成。建筑物震害程度的定量指标用震害指数（Damage index）（以0.00～1.00之间的数字表示由轻到重的震害程度）来表示。

对应于一次地震，在受到的影响区域内，可以按照地震烈度表中的标准，对一些有代表性的地点评定出烈度。具有相同烈度的各个地点的外包线称为等烈度线（或等震线，Isoseisms），其形状与发震断裂取向、地形、土质等条件有关，多数近似呈椭圆形。图1.3.1和图1.3.2表示的是唐山地震和汶川地震后作出的等烈度线。一般情况下，等烈度线的度数随震中距的增大而递减，但有时由于局部地形或地质构造的影响，也会在某一烈度区内出现小块高1度或低1度的异常区（Intensity anomaly area）。利用历史地震的等烈度线资料，可以针对不同地区建立宏观的烈度随距离衰减的关系式。

（2）地震烈度的确定。在进行工程建筑设计时，经常用的地震烈度有基本烈度（Basic intensity）和设计烈度（Design intensity）。此外，还要考虑场地因素对地震烈度的影响。

1）基本烈度。地震基本烈度是指一个地区今后一定时期内（我国取50年），在一般场地条件下按一定概率（我国取不超过10%）可能遭遇到的最大地震烈度。它是一个地区进行抗震设防的依据。基本烈度所指的地区并非是一个具体的工程建筑物地段，而是指一个较大范围的地区，因此基本烈度也叫区域烈度。一般场地条件是指在上述地区范围内普遍分布的地层岩性条件及一般的地形、地貌、地质构造和地下水条件等。基本烈度主要根据对该地区的实地地震调查、历史记载、仪器记录并结合地质构造情况综合分析研究而得出。

依据地质构造资料、历史地震规律及强震观测资料，采用地震危险性分析的方法，可以计算出某一地区在未来一定时限内关于某一烈度的超越概率，从而可以将国土划分为不同基本烈度所覆盖的区域。这一工作称为地震区划（Seismic zoning或Seismic regionalization）。可以针对一个大区域或全国，或者一个小区域进行地震区划，作为工程抗震设防的依据标准。我国先后于1957年、1977年和1990年3次编制出版了中国地震烈度区划图，各省也编制了比例尺更大的烈度区划图。另一种方式是，针对一些大型重点工程，如大型水利枢纽、核电厂等，根据工程部门的要求，进行专门的地震安全评价，作出较精确的地震烈度区划，以供选址和设计时参考。

由于烈度终究只是间接表征地震作用强度评定的定性标志，而工程设计需要的是准确定量的物理参数，因此国家地震部门于2001年发布了中国地震动参数（以峰值加速度与峰值反应谱特征周期表征）区划图（附录B和附录C），取代了过去的基本烈度区划。该区划图对应的也是50年超越概率10%的设防水准。

2）设计烈度。根据建筑物的重要性，针对不同建筑物，将基本烈度予以调整，作为抗震设防的依据，这种烈度叫设计烈度，也叫计算烈度或设防烈度。永久性的重要建筑物（如高坝）需提高基本烈度作为设计烈度，并尽可能避免设在高烈度区，以确保工程安全。临时性建筑和次要建筑物可比永久性建筑或重要建筑物低1～2度。

3）场地条件对地震烈度的影响。在同一个基本烈度地区，由于建筑场地的地质、地貌条件不同，往往在同一次地震作用下，地震烈度并不相同，因此，在对工程建筑确定地震的影响时，应该考虑场地条件对烈度的影响。考虑场地条件对烈度的影响，一般是以场地区域范围内的岩土层性质、地形地貌、水文地质和地质构造等因素作为主要依据，对基本烈度适当地进行提高和降低。岩石地基较安全，烈度应比一般工程地基降低0.5～1度；淤泥类土、饱和粉细砂较基岩烈度高2～3度。基岩区地形对烈度影响不大，非岩质区地形中的陡坡、小山包及冲沟等都加重了地震影响，但不能作为调整烈度的依据，只能为场地选择提供参考。地下水接近地表时，烈度可提高0.5度。

在水利水电工程建设中，考虑地质条件的影响，对地震烈度应作如下的考虑：

1）基本烈度为6度或6度以上地区的粉细砂或淤泥质软土等地基，应考虑震动土壤液化（Soil liquefication，详细说明见第2章）、不均匀沉降和地基强度降低等地基失稳的可能性，并应采取相应的抗震措施。

2）在基本烈度为7度或7度以上地区布置水工建筑物时，应尽量避开发震断裂或现代活动性断裂。发震断裂是指地震发生时能产生破裂或集中释放能量的活动性断裂构造。

3）在基本烈度为7度或7度以上地区，水工建筑物应尽量避开地震时易引起滑坡、坍滑的斜坡地段，或采取相应的防治措施。

水工建筑物的场地按构造活动性、边坡稳定性和场地地基条件等进行综合评价，可划分为有利地段、不利地段和危险地段3类，见3.1节。