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地震观测之概述(上)

来源:作者:发布时间:2018-04-08 08:22:22 浏览次数: 【字体:

   总序     

我国是一个多地震国家,对地震的科学观测由来已久。中国地震台网中心作为我国地震监测工作的业务核心和技术牵头单位,组织地震监测第一线的青年科技工作者,将着力推出《地震观测》系列宣传册,通过轻松活泼、通俗易懂的问答形式,使更多人能够了解地震观测,了解地震行业,了解地震科学。

本册《地震观测之概述》,从概念与意义、缘起与发展、应用与服务、展望与未来等四个方面,提纲挈领地勾勒出了地震观测的基本轮廓,并描述了它与其它业务和研究工作之间的联系。以此为基础,我们还将围绕地震台网台站、地震与人工智能、地震与互联网、地球内部构造等地震观测的诸多话题,陆续推出宣介产品,以飨广大公众和科学爱好者。

王海涛

2018年3月


塞斯摩斯:(在地底咕哝骚攘着)

        再用力气往上推,

      并用肩膀拼命抬!

      我们便到地上去,

      一切都须得让开。

 

 ——郭沫若译歌德《浮士德•比纳渥斯河上游》

   

塞斯摩斯(Seismos)为古希腊神话中职司地震之神。

 

 引言

我们所在的地球,除了“巡天遥看一千河”的公转和“坐地日行八万里”的自转之外,其内部的运动更是永不停息,往往通过地震的形式,来释放其巨大的能量,甚而改变着我们的自然环境和社会生活。

地震观测如同“透视地球的眼睛”,使我们能够观察和捕捉到地球上无休无止的地震活动以及多种多样的科学现象,了解和认识到地球的内部结构和运动变化规律,从而在地球科学研究中发挥着基础性的重要作用,最终服务于人类社会。

 

 概念与意义

地震观测是对地震活动以及地球物理、地球化学、地形变动等相关现象进行的观察与测量。地震监测是以防震减灾为目的的地震观测。“地震监测”一词有时与“地震观测”相通用,有时又是一项业务工作的专称。

地震观测能够为科学家们提供科学观测数据,是地震学和地球物理学发展的基础。地震观测手段多样,测震是其中最为重要和成熟的一种,此外还有地磁、地电、重力、地形变和地下水等。所谓测震,是指利用地震仪对地震波引起的地面震动进行的测量,是对地震波的观测、分析和研究,涉及仪器研制、地震观测、地震记录解释、地震活动性分析等。

 

地震观测和地震预测预报有什么不同呢?

地震观测和地震预测预报的工作目标不同。地震观测是对已发生地震事件的观察与测量。地震预测是对未来可能发生地震的预测,应同时给出未来地震的时间、位置、大小和概率4种参数,且每种参数必须在一定误差或不确定性范围之内。地震预报则以地震预测的科学活动为基础,由政府对地震预报意见实行统一发布。地震观测是地震预报的基础。我们必须采取科学的途径,坚持对地震进行长期的观测,积累大量数据,系统性地对地球内部开展基础性的研究,才有可能掌握地震发生规律,逐步实现对地震进行预测预报。

 

 缘起与发展

我国对于地震的记载古已有之。晋代出土的《竹书纪年》一书中有夏“帝发”七年,陟。泰山震。”这是对公元前1831年一次泰山地震的记载,也是我国史书中记载的最早一次地震。公元132年,东汉科学家、文学家张衡发明了候风地动仪,是第一架测验地震的仪器。

张衡(公元78年—公元139年) (图片来自网络)

 

候风地动仪复原模型

(1951年由王振铎设计,现藏于中国历史博物馆)

 

张衡候风地动仪新模型

(由张衡候风地动仪科学复原研究所提供,新模型2005年通过验收,现藏于河南郑州博物馆)

 

那么候风地动仪就是最早的地震仪了吧?

不是的,候风地动仪准确地说应该称为验震器,是仅可以感知地震波的到来和地震波发生方向的仪器,但是不能得到地动的位移、周期、振幅等资料。可以记录地面震动整个过程的仪器才能称为地震仪。人们用仪器观测地震,就是要取得非人力所能觉察到的微观地震现象,以供研究。作为完整的记录系统,地震仪器延展了人类感知地震的能力。

在中国,近代地震仪器观测始于十九世纪末叶。1872年,法国天主教耶稣会在上海徐家汇创建了观象台。1904年上海徐家汇观象台装置了日制大森式水平向地震仪,增设了地震观测项目,建立了中国大陆第一个地震台——徐家汇观象台。1909年,安装了德国维歇尔三分向机械地震仪。

二十世纪六十年代,我国的模拟地震观测技术得到了快速发展,科研人员研制了一系列地震仪器,典型代表有473、573短周期地震仪,广泛安装和使用于我国的区域和流动地震台。

                                                                 大森式水平摆地震仪                 维歇尔地震仪

573三分向短周期熏烟地震记录仪

 

1995年前后,随着电子反馈技术和数字化技术引入到地震观测领域,实现了地震观测的大动态、宽频带和高精度。由此开始,地震仪由模拟记录向数字记录发展。在此期间,我国自行研制成功了EDAS系列数据采集器,宽频带反馈地震计等关键设备,其中JCZ-1型甚宽带地震计技术达到了国际领先水平。

现代地震仪由拾震器、放大器和记录装置三个系统组成 (图片来自网络)


EDAS系列数据采集器

 

 

地震仪是如何记录地震的呢?

地震仪,由地震计(拾震器)、放大器和记录器组成。地震计有一个牢固固定于地面的底座、一个能够自由悬挂的重锤。当地震引起地面震动时,地震计底座也震动起来,但悬挂的重锤并不随之震动。悬挂重锤的弹簧或挂线吸收了所有的运动。地震计的震动部分与未震动部分的位移差就是所得到的记录。简而言之,地震计是基于摆的惯性原理来拾取地面运动的。目前可记录到的地面运动振幅可能小到纳米级(109m)。为了尽可能记录更加微小的地面运动,就必须不断提高仪器放大倍数,这经历了机械杠杆放大、光杠杆放大、电流计放大和电子放大等几个阶段。电子放大技术的应用才使得这一问题得以很好地解决。

现代地震观测经历了从模拟记录到数字记录的变革。模拟时代的地震仪器以模拟量来记录地面运动;而数字地震计将地面运动转换为电信号,通常在空间上某一地点、时间上等间隔采样,观测得到数字化的时间序列数据。这些数据可以通过专门的软件显示为地震波形记录,而地震事件只是连续数据中反映了地震特征的那部分记录。

地震计原理示意

地震仪器记录到的是什么呢?

地震仪记录到地震图,也就是地面运动波形图。地震波是由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。不同的地震波具有不同的性质和特征。通过对地震波形记录的分析,科学家们不但可以测定地震的基本参数,而且可以对地球内部结构加以研究。

我们不可能像《地心游记》中的李登布洛克教授那样进入地球内部。许多科学认识,如地球内部存在着地震波速度突变的基本界面——莫霍面和古登堡面,将地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层,正是通过对地震图的分析解释得到的。

现实世界中,科学家对于地球深部的探索做出了不懈努力。前苏联于1970年至1994年间在科拉半岛开展的一项科学钻探工作——“科拉超深钻孔”,其中最深一个钻孔达12262米,至今保持着最深钻井的世界纪录。

通过计算机层析成像,也就是CT技术,科学家可以重现地球内部结构图像。对于地球内部结构全面而精细的认识尽管有待时日,但这无疑也是除地震预报之外,地震学和地球物理学发展的动力和目标之一。

科拉超深钻孔遗迹 (图片来自网络)


儒勒•凡尔纳的《地心游记》只是一部科幻小说啊!

 

 

那么地震波的分类有哪些呢?

 

根据传播方式,地震波主要分为两种:一种是体波,一种是面波。体波能穿越地球内部,面波只是在地表传播。在地球内部传播的体波,又分为P和S波两种。在所有地震波中,P波拥有最快的传播速度,因此地震发生时,P波是最早抵达台站,并被地震仪记录下来的地震波。P波的振动传递类似声波,属于纵波的一种,传递时介质的振动方向与地震波能量的传播方向平行。S波的速度次于P波的速度,是第二个到达的波。S波属于横波,质点振动方向与波的传递方向是垂直的。面波(勒夫波和瑞利波)实际上是体波(P和S波)在地表衍生而成的次生波,具有低频率、高振幅和具频散的特性。不同种类的地震波具有不同的性质,反映在地震图记录中,也就具有了不同的形态。

 

地震波传播示意图

 

地震仪记录的波形图

 

 

将一种或多种手段的监测仪器加以布设,配备相关设施,并开展地震监测工作的基层机构就是地震台站。我国最早的地震台站是北京鹫峰地震台,于1930年由中国地震事业的开拓者、地震学家李善邦先生(1902~1980)创建。

北京鹫峰地震台,是中国自建的第一个地震台,

由李善邦先生建于1930年

 

CTS-1E数字宽频带地震仪

 

这是第一个由中国人自己建立和管理的台站,台内设备也都是自行研制的。而地震台网其实就是不同地震仪器构成的观测网络,这样的网络如今也都是以计算机网络为基础的。作为监测工作的基层机构,一个台站可以架设多套甚至多种仪器,许多台站又形成地震台网,并通过各级台网中心进行管理,从而开展地震监测工作。

新中国成立初期,全国范围内建成了一批达到当时世界先进水平的地震台站;到1978年,形成了全国基本地震台网,我国模拟地震台趋近600个。

中国数字地震台网(CDSN)建于二十世纪八十年代,由11个数字化地震台站、一个数据管理中心和一个台网维修中心组成。随着我国“中国数字地震观测网络”的建设,现在的中国地震台网由国家测震台网中心和32个省级测震台网中心所组成;截至2017年12月,共有1107个测震台站,包含国家台站、区域台站、火山台网台站、小孔径台阵以及一些地方和行业地震台网的台站。

我国测震台站分布图

 

哦,地震仪器架设在台站上,多个台站形成观测网络,用来监测地震,原来就是这样啊。

 

 

 

科学家们是如何知道地震发生在哪里的呢?

 

 

 

前已述及,我们可以从地震图中识别出P波和S波,进而进行地震定位。

P波远远快于S波,这就可以让我们知道地震发生在哪里。我们对比一下闪电和雷声,就可以理解这一原理。光快于声,所以我们就先看到闪电,后听到雷声。如果距离闪电很近,那么雷鸣紧随闪电;反之,远离闪电,就要在几秒钟之后才能听到雷声了。距离闪电越远,雷与电之间的时间间隔就越长。

P波就像闪电,S波就像雷声。P波传播速度快得多,并首先产生地面震动。如果震中距较近,那么P波和S波相继到达;如果较远,那么两者间隔时间就较长。通过测量地震图中P波与S波之间的时间差,科学家就能知道地震与观测点之间的距离,但并不能由地震图得知地震所在方向。如果以台站为中心,以所确定的震中距为半径,在地图上绘制一个圆,那么地震就在圆上的某处。

然后,科学家采用三角测量法,利用三个台站的地震仪即可定位地震。这时围绕三个不同地点的地震仪画圆,且半径均为地震到台站的距离,这三个圆的交点就是震中了!

当然,这只是地震定位的一种粗略方法。实际上,现在的地震台网中心都是使用计算机利用更复杂的算法来精确测定地震的发震时刻、震中位置和震源深度。

 

三角测量法测定震中

 

原来如此

 

 

地震的大小取决于地震断层的大小和断层的滑动量,但这并不是科学家轻易用卷尺就能测量出来的,因为大部分断层都位于地面以下几公里至几百公里深。同样,科学家使用布设于地面的地震仪所记录的地震图来确定地震的大小,那些弯弯曲曲的记录线,波动不大且持续时间较短的是小地震,波动较大且持续时间较长的是大地震。

地震的大小称之为震级。震级(Magnitude)一词源于天文学中的“星等”,是对地震大小的相对量度,是“地震三要素”之一。地震台网和台站在日常监测工作中能够对同一个地震,根据不同频率段的地震波,测定出不同标度的震级,如地方性震级ML、体波震级mbmB(BB)、面波震级MS(BB)和矩震级Mw等。这样可以更完整地描述地震的大小。不同类型震级标度之间有一定经验换算关系。科学研究中所测定的震级标度可能更多,在地震信息发布、防震减灾、新闻报道等工作中所使用的震级则只有一种。这种发布的震级M,是依据有关的国家标准,从日常监测的实测震级中选取得到的。速报目录中的震级就是这样的M震级。

我们采用不同的震级标度来描述地震的大小,其原因在于,地震的振幅变化范围非常大,难以用同一把尺子加以测量;对于不同的震级段,需要采用不同的测量方法。这就好像我们在称量自己的体重,以及称量一粒钻石或一艘巨轮时,必须使用不同的工具和方法一样。

 

 

哦,震级原来像我们女孩子的身材一样,也是要用很多指标才能更好地描述的呀!

 

 

 

关于媒体中常用的里氏震级的一点说明

 

现在的新闻媒体中仍然使用“里氏震级”来描述地震大小,这样的说法其实是不准确的。“里氏震级”是美国地震学家查尔斯•里克特(Charles Francis Richter)在研究南加州地震活动时于1935年提出的一种地方性震级,也就是ML,起初是专为测定南加州地方小震的大小而创立的,对较大的地震,甚至对其它地区的小地震并不适用。因此不能笼统地说“某地发生了里氏X.X级地震”。例如,对于2017年8月8日四川九寨沟地震,实际测定的是面波震级Ms7.0级;而在新闻播报时,其实只需要告知公众,四川九寨沟发生了“7.0级地震”就足够了。

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