如何正确使用地震仪来检测地震？

发明人：公元132年，张衡发明了地动仪；1855年，卢伊吉·帕尔米里（Luigi Palmieri）发明了地震计；1880年，约翰·米尔恩（John Milne）发明了地震仪。

今天我们所熟悉的地球经历了久远年代的震动和变迁。在地表以下数英里的地方，地壳的运动造成了地表的褶皱、隆起和裂缝，慢慢构造了我们能看到的高山、峡谷、丘陵和悬崖。地表一直在改变着形状，只是我们感觉不到而已，因为下面的地基滑动和塌陷非常缓慢，但有时也会伴随着令人恐惧的、意想不到的震动，以及建筑物倒塌、山崩海啸、河流改道。自古以来，人类一直在寻找能够准确预测地震的方法，保护人类不受地震带来的伤害。

世界上许多地区遭受灾难性的地震。有纪录以来最强的是1960年智利比奥比奥（Bío Bío）发生的里氏9.5级地震。1964年，第二强烈的地震袭击了阿拉斯加的安克雷奇，震级为里氏9.2级。2004年，苏门答腊岛北部西海岸发生里氏9.1级地震。2011年，日本本州海岸发生了里氏9.1级的地震，引发了一场巨大的海啸（由地震引起的一系列巨大海浪），摧毁了福岛第一核电站，导致核反应堆熔毁。1952年，俄罗斯远东地区的堪察加半岛发生了里氏9.0级地震。

里氏震级是1935年由加州理工学院的查尔斯·里希特（Charles Richter）创立的。自1900年以来，最强烈的地震发生在1960年的智利，震级高达里氏9.5级。据估计，地震及其余震已造成5700人死亡，3000人受伤，200万人无家可归，造成的损失超过5亿美元。

在美国，从1811年12月到1812年2月，阿肯色州东北部和密苏里州新马德里附近地区发生了一系列地震，据估计震级在里氏7.0到7.5级之间（当时还没有记录仪器）。地震导致山体滑坡，密西西比河倒流，实际上改变了它的流向。地震掀翻了船只，震响了远在波士顿的教堂塔楼上的塔钟。1906年4月18日黎明前，美国最有名的地震袭击了旧金山。震级为里氏8.3级，煤气和水管破裂，引发了一场大火，摧毁了这座城市的大部分地区。

地震仪是用来探测和测量地球内部振动的仪器，记录的内容被称为地震图。这些单词的前缀来自希腊语词汇seismos，意思是“震动”或“地震”。地震仪以研究地震最为人知晓，但它们也是研究火山、了解更多关于地球结构的信息、为结构工程师收集数据及进行油气勘探的好助手。

地震仪沿三个轴测量地震波：两个水平轴（南北和东西）和一个垂直轴（上下）。地震波有三种主要类型，纵波（P）和横波（S）穿过地球的主体（纵波和横波均属于体波），面波沿着地表传播。

纵波（初级波）在地球上传播，并沿着波的传播方向振动，产生压缩力，或挤压某物的应力。纵波传播速度最快，将是地震仪记录的第一波。当压缩力通过地面上升时，它们的运动主要在垂直轴上。

横波（二次波）也在地球上传播，但它们在垂直于传播方向的方向上来回振动，造成剪切力。它们的运动将主要出现在水平的南北轴和东西轴上。横波比纵波慢，两波到达的时间差可以用来确定地震仪到震中的距离。

图1　地球的这一横截面说明了不同类型的地震波。先感受快速纵波（P），传递压缩力。横波（S）速度较慢，在垂直于运动方向的振动中传播剪切力。面波沿地表传播。

地震的类型

尽管地震可能是由火山活动、地下洞穴的坍塌，甚至是一次大爆炸引起的，但最常见的类型是由构造板块（地壳的一部分）的运动引起的。正断层（构造板块相接的地方）是板块之间张力的结果，当两个相互接触的板块的上盘相对于下盘向下滑动时，地貌就会延伸。由于板块之间的挤压，导致上盘相对于下盘向上滑动，地貌就会收缩，从而导致逆向断层。当大型板块水平向相反方向滑动时，就会发生走滑型地震，导致上面的地面发生位移和震动。

第三种也是最慢的波是面波。它们以起伏波动（瑞利波）或左右运动（勒夫波）沿地表传播，并在地震仪的三个轴上都显示出来。虽然面波比体波慢，但它们的振幅非常大，往往是破坏性最强的。

地震仪是从地动仪发展而来的，它可以探测震动或地震的方向，但不能确定震动的强度或模式。已知最早用来探测地震的仪器是中国学者张衡在公元132年左右发明的。详细的描述显示，这是一个出色而聪明的发明，由一个装饰华丽的铜圆柱体，八个面向外的龙头围绕在圆柱体的上边缘。在龙首正下方的下圆周上，固定着八个铜蟾蜍。每条龙嘴里都叼着一个小球，当圆柱体内部的一根杆子被地震触发时，小球就会落到蟾蜍的嘴里。捕捉到落球的蟾蜍指明了地震的大致方向。

1700多年来，对地震的研究都依赖于不那么精确的仪器，比如张衡的仪器。在过去的几个世纪里，人们建造了各种各样的地震仪，其中许多都依赖于对水池或液态水银中波纹的探测。其中一个类似于蛙龙机器的装置，其特点是当地震发生时，一个浅盘的水银会溢出到放置在它周围的小碟子里。

另一种地震仪是在18世纪发明的，它由一个悬挂在天花板上的钟摆和一个指针组成，指针拖着一盘细沙，当钟摆摆动时，指针就会移动。在19世纪，第一个地震仪被制造出来。它利用各种各样的摆锤来测量地下振动的大小。

第一个真正的地震仪可能是意大利科学家路易吉·帕尔米耶里（Luigi Palmieri）在1855年设计的一个复杂的机械装置。这台机器使用充满水银的管子，并装有电触点和浮子。当震动干扰水银时，电触点使时钟停止，并触发一个记录浮子运动的装置，这个装置大致指示了地震的时间和强度。

1880年，被誉为“地震学之父”的英国地质学家约翰·米尔恩（John Milne）在日本发明了第一台精确的地震仪。米尔恩和英国科学家詹姆斯·艾尔弗雷德·尤因（James Alfred Ewing）、托马斯·格雷（Thomas Gray）一起发明了许多不同的地震仪器，其中之一就是水平摆式地震仪。这台精密的仪器由一根加重的杆组成，当受到震动的干扰时，它会移动一块有狭缝的金属板。板的运动允许反射光通过狭缝，以及通过它下面的另一个固定狭缝。落在一张光敏纸上，光就“写下”了地震的记录。今天大多数地震仪仍然依靠米尔恩和他的同事们当初的理论和设计基础，科学家们继续通过研究地球相对于钟摆的运动来评估震动。

1906年，俄罗斯王子鲍里斯·戈利钦（Boris Golitsyn）发明了第一台电磁地震仪。他采用了英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在19世纪发现的电磁感应原理。法拉第电磁感应定律表明，磁场强度的变化可以用来产生电流。基于这个想法，戈利钦制造了一台机器，通过震动使线圈在磁场中移动，产生的电流被输入振镜，振镜是一种测量和引导电流的装置。然后电流移动一面镜子，这面镜子与米尔恩机器（Milne）中引导光线的镜子类似。这种电子系统的优点是，记录仪可以设置在一个方便的地方，如科学实验室，而地震仪本身可以安装在地震可能发生的偏远地区。

在20世纪，核试验探测计划使现代地震学成为可能。尽管地震对人民和财产造成了真正的危险，但地震学家并没有大量使用地震仪，直到1960年地下核爆炸的威胁促使世界标准地震仪网络（WWSSN）得以建立，该网络在60个国家装配了120个地震仪。

第二次世界大战后发展起来的“普雷斯-尤因地震仪”使研究人员能够记录长周期地震波——以相对较慢的速度传播很长距离的振动。这台地震仪使用了一个类似米尔恩模型的摆锤，但是用一根弹性导线代替了支撑杆的支点，以减少摩擦。战后的其他改进包括原子钟，它使计时更准确，数字读数可以输入计算机进行编译。

模拟地震仪由安装在支座上的摆锤组成。老式模拟地震仪的钟摆直接连接到记录器上，比如墨水笔。较新的模拟地震仪输出的电信号可以转换成数字并记录下来。当地面震动时，钟摆保持静止，而记录仪移动，从而生成地震的记录。然而，今天的大多数地震仪都是数字化的。

现代最重要的发展是将地震仪阵列集成到监测网络中，监测网络可以在本地、区域或全球级别进行地震仪数据报告。这些网络中有些由数百个地震仪支持，连接到一个中央数据中心。通过比较不同台站产生的单个地震图，研究人员可以确定地震的震中，并提供早期预警检测和警报。

标准的地震仪有三个轴：一个轴记录垂直运动，两个轴记录水平运动。地震仪具有一定的灵敏度，可以探测到最大地震的最小震动。它们通常分为短周期、长周期和宽频仪器。周期是地震波完成一次完整振荡或来回摆动所需的时间长度。

图2　力平衡加速度计的概念图。质量块由柔性铰链悬挂。受力线圈产生的磁场使质量块保持在中心。传感器检测质量块的位移，并向反馈电路发送校正信号，反馈电路调整受力线圈中的电流。施加在质量块上的力越强，放大器需要向受力线圈输出的电流就越大，从而在输出端产生一个与质量块所受到的加速度成正比的电压信号。

短周期地震仪用来研究移动速度最快一次和二次的地震波的振动。长周期地震仪用来测量沿主次波移动的慢波。今天最常用的宽频仪器，既能处理高频率，也能处理低频率，而且振幅范围广。

大多数数字地震仪使用一组三个力平衡加速度计来探测垂直和水平运动，并将这些信息转换成数字数据。这些地震仪中的力平衡加速度计由一个悬挂在连接到电子反馈机构的电线圈之间的质量块组成。当一个力作用在物体上时，反馈电路试图阻止物体移动，需要的电流与力成正比，然后将当前读取的数据转换为数字数据进行传输。(www.xing528.com)

大多数宽频地震仪使用力平衡传感器来检测加速度（方向或速度的变化）。在加速度计内部，由一个弹簧（一个可以弯曲的部件）、一个绷紧的金属带或一对轴承悬浮起来一个由高磁导率（在磁场中导通磁力线的能力）材料制成的“验证质量块”。一个受力线圈产生一个磁场，使验证质量块居中。当外力（比如地球的地震活动）试图移动物体时，传感器装置就会检测到物体的位移，并产生与所施加的力成比例的信号。这个位移信号被输入放大器和反馈电路，反馈电路调节进入受力线圈的电流。这个结果可以通过在取样电阻上的电压读出。外力越大，输出的电压就越大。因为质量块所受到的加速度与所施加的力成正比，所以这个输出电压表示加速度的幅值。

数字化电路将加速度计的模拟电压输出转换成数字信号，该数字信号可在本地记录还可以传输到地震探测网络的一个远程站点。

地震仪设备是由少数几家公司生产的，其产品满足了地震探测、地壳研究、工程、石油化工勘探等方面的具体需要。虽然基本组件是相似的，但用途不同，使用的传感器类型、数据采集（记录）和通信需要也不一样。例如，有人可能需要一个非常灵敏的仪器来研究几千英里以外的地震事件。另一个地震学家可能会选择一种摆幅只有几秒钟的仪器来观察地震的早期震动。对于水下研究，必须使用防水地震仪。

传统的地震仪测量位移或速度，而今天许多都是加速度计传感器。一旦转换成数字，就可以很容易地将不同类型仪器的数据转换成所需的输出。

今天的地震仪通常在一个仪器中包含两个或三个轴的传感器，但在某些场合，有时只需要一个或两个轴的传感器。

1．某个地点可能会引起地震学家的兴趣，原因有很多。最明显的可能因素是，该地区是地震多发地，也可能是因为它很靠近地壳的断层或裂缝。这些断层或裂缝的挤压碰撞导致附近的板块向断层的高处、低处或水平方向移动，使该地区更容易发生进一步的不稳定。还可以对目前没有地震仪的地区进行安装，以便地震学家能够收集更多的数据，做到更全面地了解该地区的情况。

2．虽然有些地震仪为了教育的目的被安放在大学或博物馆的地下室里，但地震研究的理想地点应该是一个非常安静、不那么繁忙的地方。为了更准确地记录地球的地震运动，地震仪应该放置在交通和其他震动最小的地方。在某些情况下，地震仪安装在未使用的隧道或天然地下洞穴中。如果在需要地震仪的地方不存在其他地下洞，地震学家甚至会选择挖一口井，把仪器放在井里。地面安装地震仪必须在坚实的岩石基础之上。

3．地震仪的工作部件是在专门的工厂组装好后装运的。加速度计（进行测量的部分）可以是一个单独的单元，也可以集成到数字地震仪中。一个或多个加速度计可以与多通道数字仪和记录仪相连。地震仪可以通过各种通信网络传输数据。全球定位系统（GPS）接收器通常集成用以提供精确的时间跟踪。

4．用于教育目的的地震仪可以用螺栓固定在地下室的混凝土地板上，但研究性地震仪最好远离建筑物，因为建筑物不可避免地会发生震动。为了获取高精度数据，它们要么直接安装在基岩上，要么安装在混凝土床上。这两种情况下，都要清除掉泥土并平整地面。在第二种方法中，浇注一层混凝土并使其凝固。

图3　一个典型的地震台站将包括连接到数字化仪/记录仪的多个地震仪、一个GPS，以及一种或多种途径从多个台站收集的数据传输到中央处理中心。

5．在底座准备好后，将地震计装置用螺栓固定到位。在某些情况下，如果需要很高的灵敏度，它将被安置在一个控制温度和湿度的地下室中。地震检波器通常安装在选定的场地、岩洞或地下室，而放大器、滤波器和记录设备则分开安装。

6．现代地震学中，一般将几个地震仪单元之间按一定距离安装。每个地震仪单元向管理中心位置发送信号，在管理中心数据可以被数字化处理和记录。信号可以通过互联网、专线通信、无线电，甚至卫星传送。

地震仪的参数设计要能够承受其周围的气候和地理环境。要求防水防尘，而且根据安装地点的不同，许多都可以在极端的温度和高湿度下工作。地震仪的灵敏度和防护要求很高，而且使用寿命很长。据了解，许多地震仪已经使用至少30年。

工厂的质量控制人员对设计和最终产品进行检查，以确保满足客户的要求。检查所有部件的公差和适应性，并对地震仪进行测试，以确定其是否正常工作。此外，大多数地震仪都有内置的测试设备，因此可以在安装后和使用前进行测试。合格的程序员还会在发货前测试软件的漏洞或其他问题。

虽然灵敏度和准确性很重要，但时间设定也很关键，尤其是在地震预测中。大多数现代地震仪都与GPS相连，因此确保了世界各地研究人员都能读懂高度准确的信息。

质量控制的另一个关键因素是尽量减少人为失误。地震仪研究人员和工作人员通常都是训练有素的专家。他们必须学习如何运行和维护地震仪以及使用计算机和其他辅助设备。

地震学，最著名的是它在地震研究中的应用。重点不是研究地球内部结构，而是预测地震，以及减少地震易发地区由地震带来的危险和破坏。对地球内部的研究主要是寻找石油沉积物，在建造前也用于测试地面不稳定性，以及追踪地下核爆炸。

然而地震预测是最重要的。如果研究人员能够事先确定地震将会发生，预防措施——比如增加医院和急救人员——就可以提前做好。但地震预测仍处于探索阶段。美国政府发布的第一次官方地震预报是在1985年。

日本位于地震活跃地区，在2011年的地震及其引发的海啸之后，地震学家和地球物理学家加倍努力于预测地震，包括研究数百年前海啸的地质证据。他们的研究表明，与2011年地震类似震级的地震可能每600年到1000年发生一次。地震学家越来越重视研究高风险断层（尤其是靠近人类），并整合不同类型的数据（不仅仅是地震数据）来开发概率模型。这些数据在预测人口稠密地区的大地震时非常有用，有望指导震前的预防准备工作。

地震仪其他方面的发展是希望制造出更灵敏和更耐用的地震仪、可以记录长周期和短周期波的地震仪。

地震学家不断提高他们的知识和预测地震的能力，不过，在想要拥有一个真正可靠的预测地震系统之前，我们还有很长的路要走。

一位地球科学家认为可以建立地震预警系统。这样一个系统将需要地震仪来捕捉震动，电脑将用来对可能发生的地震进行预警，一个通讯系统用来及时警告应急人员。一些专家设想在地震多发地区设置大量的地震仪，每个地震仪所有者可以收集数据并将其传送给地震学家。

伯克利地震学实验室（加州大学伯克利分校的一部分）正致力于通过创建一个应用程序来建立一个全球地震台网，智能手机用户从手机的内置加速计上捕获并上报数据，目的是发现即将来临的地震迹象，然后通知应急服务部门做好准备。

到底是谁的错？

加利福尼亚是地震多发区，因为该州的地壳上布满了纵横交错的断层。最大的断层被命名为圣安德烈亚斯（San Andreas）断层，从旧金山一直延伸到洛杉矶，绵延1287千米。圣安德烈亚斯断层将两个巨大的地球板块分开，一个是太平洋板块，它正缓慢地向北移动（每年大约5厘米）；另一个是北美板块，它正缓慢地向南移动。大多数情况下，断层的粗糙边缘会相互咬合，紧紧地咬合，所以没有真正的移动。当它们之间的压力足够大时，就会破裂或松脱，相互滑动，并在上面引起地震或震颤。