地震来袭的救星：地震仪的前世今生

撰文 下雪

地震仪（seismograph）是检测记录地震波的仪器，由地震检波器（seismometer，或称地震计）和采集器组成以及供电系统组成；内部配备有传感器，将地面运动转化为电信号，可以纸或屏幕上输出信号。地震仪最初设计用于定位自然发生的地震，但随着相关技术的发展，地震仪也应用于许多其他方面，例如石油勘探、地壳调查研究以及监测火山活动等。

我们最熟知的地震仪可能是在课本中描述的“候风地动仪”，这是由东汉时期张衡于公元132年设计制造，最初记载于《后汉书·张衡传》。实际上这篇文献关于候风地动仪的描述仅196字，我们看到的模型（图片）都是后人根据史籍复原的，并且复原方案尚有争议。但这项古代发明被认为是人类最早监测地震的装置。

现代地震仪的早期历史

人们很早就发现摆锤可以检验地震（候风地动仪的一种复原方案也用了悬垂摆），因为在同一位置的悬挂物能很明了的表现地面的运动。现代意义上的地震仪诞生于19世纪。1855年意大利物理学家帕尔米耶里（Luigi Palmieri）设计了一个复杂的机械装置，装有水银的U型管和导电装置以及时钟、记录装置相连，通过水银在地震时的运动记录地震发生的时间、相对强度和持续时间。不过帕尔米耶里的发明并非现代地震仪的原型，但它实现的功能是现代地震仪所需要的，不仅仅是检验地震了。

【图1】帕尔米耶里（Luigi Palmieri）的地震仪结构图

目前学界公认的第一个现代地震仪诞生于1875年，是意大利物理学家切基（Filippo Cecchi）发明的两分向地震仪（南北和东西分量）。他同样使用了摆锤，可以记录摆锤随时间运动以模拟地震。虽然这个装置并不灵敏，但开启了后来模拟地震仪的时代。

一个重要进展来自当时在日本工作的几位学者，1880年横滨发生地震后，英国工程师米尔恩（John Milne，他也仔细研究了张衡的地动仪）、苏格兰物理学家尤因（James Alfred Ewing）和苏格兰工程师格雷（Thomas Gray）组织了日本地震学会，由此开发了一系列地震仪装置。米尔恩发明了著名的水平摆地震仪，并成功记录了日本的几次地震。它的特点是利用了光穿过狭缝照到感光纸上，通过光将地震的移动“记录”下来。尤因设计了阻尼地震仪，阻尼设计是地震仪的关键构件之一，因为仪器要记录地震运动而不自由摆动；格雷发明了记录垂直运动的方法，由此发明了三分向摆式地震仪。至此现代地震仪基本完成。回到英国后，他们使用这些仪器建立了一个小型的全球地震台网。

【图2】米尔恩地震仪示意图

【图3】日本东京国立科学博物馆展出的米尔恩水平摆地震仪

早期的重要工作还有1893年德国物理学家维歇尔特（Emil Wiechert）他发明的倒立摆阻尼地震仪；以及1906年俄国物理学家伽里津（Boris Borisovich Golitsyn）发明的电磁式地震仪，首次引入了电流计，灵敏度大幅提高，并实现了三分向完整的观测系统。此后数十年，模拟地震仪的相关技术迅速更新，并因此发展出现代地震学。而它们的基础原理源自米尔恩等人的工作，因此有人称米尔恩为现代地震学之父。

【图4】维歇尔特地震仪(左)和伽利津地震仪(右)

【图5】垂直地震仪示意图

现代地震仪

20世纪时50年代，由于核试验造成的负面影响，而当时地震学研究并不足以能够监测小型的地下核试验，由此1960年诞生了世界标准化地震台网（WWSSN），地震仪被大规模投入使用。同一时期，半导体和计算机技术迅速发展，可以增大信号（电子反馈技术）并通过计算机处理数据的数字地震仪被研发出来。

【图6】STS-1地震计

1976年瑞士科学家首先研发了力平衡反馈地震仪（STS-1地震计），极大拓宽了频带、提高了动态范围，并实现了计算机存储、显示功能。特别是力平衡反馈系统，是今天大多数地震仪核心部分。实际上现代地震仪的主要是地震计（宽频带、大动态反馈）和高分辨数字化记录器组成。

力平衡反馈地震计原理：反馈力与惯性力平衡，反馈电流与地面振动的加速度成比例。在仪器的整体响应和输出当中，主要决定于反馈网络的参数，而不是机械系统和换能器的因素。

【图7】STS-2地震计是标定其他地震计的标准设备

【图8】我国 BBVS 三分量一体化的力平衡地震计

还有一些其他形式的地震仪，特别是最近几年出现的光纤地震仪。光纤地震传感最初是因为监测到的噪声信号类似于地震波，由此发展的新技术。地震波会导致光缆发生微米级的变化，可从接受到的数据中测得被地震波干扰的点位。在光缆一头加装信号发射器发射激光脉冲，利用光纤中杂质的后向散射信号提取地表的振动信息。而分布式光纤传感技术可以将几公里的普通光纤瞬间变成成千上万个地震仪，从而便捷地获得对地下的高密度监测。目前我国在西气东输系统工程中已经应用这项技术。

【图9】海底光纤网络可用于地震监测

除了地球上，在月球、火星的探测器上也有专用的地震仪，为人类了解地外世界提供了丰富的信息。

如今地震仪甚至能在非常安静的地点检测到千万分之一厘米级别的振动，在监测地震方面实现了极大进步。有了更好的监测设备、更充实的地震科学，我们才能更加了解地球的变化，更好应对灾难。当然，也不要忘记学习应急知识，有备无患。

参考资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Seismometer#Other forms

https.//www.britannica.com/science/seismmograph/Basic-principles-of-the-modern- seismograph

https://mp.weixin.qq.com/s/LDEiTRROPKYHEIXTDPb8w

https://mp.weixin.qq.com/s/O3qfQXDMaSH6GJ-VkWNkzq

王喜珍,滕云田地震传感器的新技术与发展.地球物理学进展.2010.25(2):478~485冯锐,趣味地震学(25): 张衡改写了历史.地震科学进展,2021,51(1):

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