1.3　地震震級與地震烈度

1.3.1　地震震級

為了衡量地震的威力，人們提出了地震強度等級的概念，即震級（Earthquake magnitude），它是利用體波或面波的最大振幅，對地震釋放能量大小及斷層尺寸的定量化度量。常用的震級測度有以下4種：

（1）里氏震級（Richter，1935），又稱近震震級、局部震級ML。里氏震級一般用于測量小型、淺源、震中距小于600km的地震。可按式（1.3.1）估算里氏震級：

式中：Δ為震中距，km；A為標準伍德-安德森扭擺式地震儀（放置在Δ＝100km處）記錄的以微米（μm）為單位的水平位移最大振幅；A0為標定因子。

為了使結果不為負數，規定0級地震為在Δ＝100km處的最大位移A＝1μm的地震。按照這個定義，若在同一震中距處測得的地震波位移振幅為1mm（1000μm）的話，則震級ML＝3。伍德-安德森標準地震儀用來測量周期介于0.5～1.5s的地震波。

近來，伍德-安德森地震儀幾乎被棄用，在公眾媒體報道中局部震級逐步被其他震級所替代。

（2）面波震級MS。這種震級測度適用于淺源、遠距離（Δ＞2000km）發生的、長周期（約為20s）的瑞雷面波所主導的大震。振幅A（μm）、周期T（s）、震中距Δ與面波震級MS的關系為

此處Δ為震中距，但以角度計，例如360°為地球一周。這種震級適于中～大震的震級估計，但很少超過8.0級。

（3）體波震級Mb。這種震級適用于深源、震中距Δ大于100km的中小型地震，它由體波中的P波確定，其主震周期T約為1.0s。對于長周期S波（周期為1.0～10.0s），相應震級測度用Mb。振幅A（μm）、周期T（s）、震中距Δ（角度）與體波震級Mb的關系為

（4）矩震級Mw。這種震級與地震矩相聯系，它考慮了破裂前斷層中的應力狀態及斷層尺寸，可用來估計特大地震。地震矩M0［單位為爾格（erg），1erg＝10-7J］定義為

式中：S為斷層介質的材料斷裂強度，MPa；D 為斷層上、下盤的平均相對錯動或滑移量，km；A為斷層破裂面積，km2。

矩震級Mw與地震矩M0的關系為

為測定地震矩及矩震級，可用宏觀的方法，直接從野外測量斷層的平均位錯和破裂長度，從等震線的衰減或余震推斷震源深度，從而估計斷層面積。也可用微觀的方法，由地震波記錄反演計算這些量。

上述里氏震級ML、面波震級MS及體波震級Mb都存在所謂的飽和性，即地震震級并不隨地震強度而一直增加。ML、Mb和MS在矩陣級Mw＝7.0、6.5和8.5以后不再增加。而矩震級Mw在實用范圍2＜Mw＜10內不存在飽和現象，因此可用于所有大小的地震震級估計。

面波震級MS與震源發出的總能量E（單位為erg）之間的關系是

式（1.3.6）表明，震級每增加1級，地震所釋放出的能量約增加101.5＝槡1000＝31.6倍。該式也適用于矩震級Mw。

2008年汶川里氏8.0級大地震，其釋放的能量約為6.3×1016J，相當于1500萬t TNT炸藥或750個投放于日本廣島市原子彈的能量。

1.3.2　地震烈度

地震烈度（Intensity）是地震引起的地面震動及其影響的強弱程度。地震烈度不僅與震級有關，還和震源深度、震中距及地震波通過的介質條件（如巖土層性質、地質構造、地下水埋深）等多種因素有關。一般情況下，震級越高、震源越淺、距震中越近，地震烈度就越高。

一次地震只有一個震級，但震中周圍地區的破壞程度則隨距離的加大而減小，因而形成多個不同的地震烈度區。震中區的烈度稱為震中烈度。根據我國1900年以來的資料，局部震級ML與震中烈度I0的關系為

例如，發生于我國的唐山（1976年）和汶川（2008年）的大地震，局部震級ML分別為7.8級和8.0級，代入式（1.3.7）則可得震中烈度約為11度。

在工程建筑中，劃分建筑區的地震烈度是很重要的，因為一個工程從建筑場地的選擇到工程建筑的抗震措施等都與地震烈度有密切的關系。

（1）地震烈度表。地震烈度表通常是根據地震發生后地面的宏觀現象和定量指標兩方面的標準劃定的。

當前國際上常用的地震烈度制有MCS制（南歐）、MM制（北美，中國及其他幾個國家）、MSK制（中東歐及其他幾個國家）、EMS制（是MM制的發展，自1998年被歐洲采用）和JMA制（日本）。其中MM烈度制將地震烈度劃分十二度，分別用羅馬數字Ⅰ～Ⅻ表示，也常用阿拉伯數字1～12表示。

我國共3次頒布中國地震烈度表（1980年、1999年、2008年）。附錄A是《中國地震烈度表（2008年）》，充分利用了大量的已有震害資料和地震烈度評定經驗，借鑒參考了國外地震烈度表，并利用了汶川地震部分震害資料后在以前版本的基礎上修訂而成。建筑物震害程度的定量指標用震害指數（Damage index）（以0.00～1.00之間的數字表示由輕到重的震害程度）來表示。

對應于一次地震，在受到的影響區域內，可以按照地震烈度表中的標準，對一些有代表性的地點評定出烈度。具有相同烈度的各個地點的外包線稱為等烈度線（或等震線，Isoseisms），其形狀與發震斷裂取向、地形、土質等條件有關，多數近似呈橢圓形。圖1.3.1和圖1.3.2表示的是唐山地震和汶川地震后作出的等烈度線。一般情況下，等烈度線的度數隨震中距的增大而遞減，但有時由于局部地形或地質構造的影響，也會在某一烈度區內出現小塊高1度或低1度的異常區（Intensity anomaly area）。利用歷史地震的等烈度線資料，可以針對不同地區建立宏觀的烈度隨距離衰減的關系式。

（2）地震烈度的確定。在進行工程建筑設計時，經常用的地震烈度有基本烈度（Basic intensity）和設計烈度（Design intensity）。此外，還要考慮場地因素對地震烈度的影響。

1）基本烈度。地震基本烈度是指一個地區今后一定時期內（我國取50年），在一般場地條件下按一定概率（我國取不超過10%）可能遭遇到的最大地震烈度。它是一個地區進行抗震設防的依據。基本烈度所指的地區并非是一個具體的工程建筑物地段，而是指一個較大范圍的地區，因此基本烈度也叫區域烈度。一般場地條件是指在上述地區范圍內普遍分布的地層巖性條件及一般的地形、地貌、地質構造和地下水條件等。基本烈度主要根據對該地區的實地地震調查、歷史記載、儀器記錄并結合地質構造情況綜合分析研究而得出。

依據地質構造資料、歷史地震規律及強震觀測資料，采用地震危險性分析的方法，可以計算出某一地區在未來一定時限內關于某一烈度的超越概率，從而可以將國土劃分為不同基本烈度所覆蓋的區域。這一工作稱為地震區劃（Seismic zoning或Seismic regionalization）。可以針對一個大區域或全國，或者一個小區域進行地震區劃，作為工程抗震設防的依據標準。我國先后于1957年、1977年和1990年3次編制出版了中國地震烈度區劃圖，各省也編制了比例尺更大的烈度區劃圖。另一種方式是，針對一些大型重點工程，如大型水利樞紐、核電廠等，根據工程部門的要求，進行專門的地震安全評價，作出較精確的地震烈度區劃，以供選址和設計時參考。

由于烈度終究只是間接表征地震作用強度評定的定性標志，而工程設計需要的是準確定量的物理參數，因此國家地震部門于2001年發布了中國地震動參數（以峰值加速度與峰值反應譜特征周期表征）區劃圖（附錄B和附錄C），取代了過去的基本烈度區劃。該區劃圖對應的也是50年超越概率10%的設防水準。

2）設計烈度。根據建筑物的重要性，針對不同建筑物，將基本烈度予以調整，作為抗震設防的依據，這種烈度叫設計烈度，也叫計算烈度或設防烈度。永久性的重要建筑物（如高壩）需提高基本烈度作為設計烈度，并盡可能避免設在高烈度區，以確保工程安全。臨時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）場地條件對地震烈度的影響。在同一個基本烈度地區，由于建筑場地的地質、地貌條件不同，往往在同一次地震作用下，地震烈度并不相同，因此，在對工程建筑確定地震的影響時，應該考慮場地條件對烈度的影響。考慮場地條件對烈度的影響，一般是以場地區域范圍內的巖土層性質、地形地貌、水文地質和地質構造等因素作為主要依據，對基本烈度適當地進行提高和降低。巖石地基較安全，烈度應比一般工程地基降低0.5～1度；淤泥類土、飽和粉細砂較基巖烈度高2～3度。基巖區地形對烈度影響不大，非巖質區地形中的陡坡、小山包及沖溝等都加重了地震影響，但不能作為調整烈度的依據，只能為場地選擇提供參考。地下水接近地表時，烈度可提高0.5度。

在水利水電工程建設中，考慮地質條件的影響，對地震烈度應作如下的考慮：

1）基本烈度為6度或6度以上地區的粉細砂或淤泥質軟土等地基，應考慮震動土壤液化（Soil liquefication，詳細說明見第2章）、不均勻沉降和地基強度降低等地基失穩的可能性，并應采取相應的抗震措施。

2）在基本烈度為7度或7度以上地區布置水工建筑物時，應盡量避開發震斷裂或現代活動性斷裂。發震斷裂是指地震發生時能產生破裂或集中釋放能量的活動性斷裂構造。

3）在基本烈度為7度或7度以上地區，水工建筑物應盡量避開地震時易引起滑坡、坍滑的斜坡地段，或采取相應的防治措施。

水工建筑物的場地按構造活動性、邊坡穩定性和場地地基條件等進行綜合評價，可劃分為有利地段、不利地段和危險地段3類，見3.1節。