地震九讲第 章 地震的仪器监测.docVIP

回首页 地震九讲 第 3 章 ? 地震的仪器监测 ? 3.1 张衡的候风地动仪 3.2 现代地震仪的诞生 3.3 地震观测台 3.4 地震的全球分布 3.5 地震定位 3.6 确定地震的大小 3.7 地面震动的其他测量方法 3.8 强震加速度 ???????????????? 地震观测台的观测室 在荧光屏上显示的是各个地震记录台传来的地震图 自古以来，人类对世界的好奇心促使人们试图对自然事件进行观察和测量。对自然现象的性质及成因的认识，很大程度上取决于这种测量的定量表达形式。要了解晴、雨，我们必须用气压计测量空气压力；要了解心脏的韵律，必须测量血压。对地震也是如此，引起人们不安甚至恐惧的大地震动，必须以曲线记录在胶卷上或以数字形式存在计算机里。 至于地震记录仪器，如果记载了地面震动整个过程的全部历史叫地震仪；那么仅记录地震波到达时间的仪器叫验震器。地震仪对于精确确定远处地震的位置、测量地震的大小和确定地震断层破裂的机制是必不可少的。由于地震（波）的振幅和频率变化大，设计这样的仪器不是很简单的。甚至今天，真能有效记录地震任何细节的地震仪是十分昂贵的。 3.1 张衡的候风地动仪 已知最早的地震仪是由中国学者张衡在公元132年制造的。这台艺术性的仪器被称之为“候风地动仪”。设计者的意图是让它能指示地震波产生和传来的方向。流传下来的记载仅提供了该仪器外观的详细描述。它是一个金属桶，直径大约2米，图3.1显示的是缩小的模型。有8条龙附在它的外侧，面朝着8个主要方向。在每条龙头下面有一只青蛙蹲着，它的嘴张开朝向龙。每条龙的口里含着小球，小球是由其内部某种机制通过小杠杆连接而固定在那里。很不幸，详细的内部机制没有被记录保留下来。 ???????????????????????????? 图3.1 作者在观看候风地动仪的模型 ????????????????????????????? ??????? 模型为原仪器的1/5 地震开始时，其内部机械装置之一（也许是一个摆）开始移动，导致龙嘴张开，使小球释放而落入一只青蛙嘴中。吐小球的龙所面对的方向是地震波传来的方向。据说这台仪器确实对一次震中位于远处的地震有反应。一天一只球落下，虽然当地的人没有感到地震。但几天后，骑马的信使来到城中通报两千里外的甘肃发生了地震，这事使张衡的名声大振。 我们现在知道张衡的地动仪恐怕是很简陋的。由于运动部件的机械摩擦，仪器对微小的地面震动并不一定比当地的居民们敏感。的确，他们能感受到小至重力加速度千分之一的地面加速度。再者，即使地面震动晃动地动仪内的摆，摆的方向也不能惟一地显示出震源方向。因为地震是由P波和S波组成，它们分别造成顺着波源方向前后运动和垂直波源方向的横向运动。遗憾的是，这精巧的仪器失传了。直到很久以后，才发明了能真实测量地动整个过程的仪器。 3.2 现代地震仪的诞生 在欧洲有关记录地震的仪器的最早描述是在18世纪早期，当时用摆显示地动。在1731年尼古拉斯·西里罗（Nicholas Cirrillo）就是用这种方法测到发生在那不勒斯的一系列地震的。然而，地震仪的发展是缓慢的，早期的探测器不能记录地震波到达的时间，也不能给出地动的永久记录。 在19世纪中叶，意大利人卢伊吉·帕尔米里（Luigi Palmieri）在对维苏威火山的观测中制造了一台地震仪，它也能记录地震的时间（图3.2）。在1856年的首次使用中，帕尔米里借助他的电磁地震仪通过螺旋弹簧上一物体的运动测到地面的垂直运动，并且通过在U形管内水银的运动测到地面的水平运动。虽然帕尔米里的仪器和那个时代的其他仪器不是现代意义上的地震仪，但是它们确实能给出地震的方向、强度和持续时间，并且能对水平运动和垂直运动都有反应。 ? 图3.2 意大利地质学家帕尔米里于1856年制造的电磁地震记录仪 它已能记录地震到达当地的时间 地震仪发展的另外重要一步是1892年在日本取得的，当时访日的英国工程教授约翰·米尔恩（John Milne）（1850～1913年）在他在帝国大学的同事詹姆斯·尤因（James Ewing）和托马斯·格雷（Thomas Gray）的帮助下，研制出记录地震动随时间变化的仪器。该仪器十分轻便且操作简单，因此这种有效的工作地震仪被安装在全世界的许多地方。事实上，在1897年加州的里克天文台内由加利福尼亚大学建立和管理的北美第一座地震台上安装的就是尤因的地震仪（图3.3为该仪器记录的1906年旧金山地震的地震波动）。 虽然现代地震仪比米尔恩和他同事的地震仪复杂，但是所依据的基本原理是相同的。如果我们能不受地震的影响悬浮在空中，借助于一只下垂的铅笔并让这支笔在固定于振动地面上的一张纸上来回运动，我