馮銳

中國地震局臺網中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號 100045

0 引言

地動儀不同于一般的古代青銅禮器，是具有地震學屬性的專業(yè)儀器，反映了古人對真理的探求及對科學觀念的突破。對它的研究，自然要有歷史和科學的良好統(tǒng)一。

現(xiàn)存的地動儀古文記載中，涉及其外部造型約占15%，內部結構僅占10%，其中大部分即約70%是對測震現(xiàn)象的描述。因中國傳統(tǒng)科學是實用性的，表述是現(xiàn)象學的，分析是哲理性的，這使得古人的科學認識不大可能或很難通過史書準確、完整地傳遞下來?，F(xiàn)象學的表述，表面上看并不難，但欲準確把握文字深層的科學含義和量化關系就決非《釋名》、《說文》能夠界定的，更不能用“陰陽地氣、八卦對應”等哲學概念替代自然科學的專業(yè)內容。那種摒棄現(xiàn)代地震學的嚴謹理論與實踐，用主觀臆想的什么“地震風”（曹勵華，2011）、“三型地震波循序演變”（王鵬飛，2005）來研究地動儀，則通不過實踐的檢驗。

對地動儀的研究，學術觀點和模型盡可以不同，但地震學的基本概念和原則是需要遵循和堅持的。比如地動儀的觸發(fā)震相，不少史學研究仍在堅持是“直達縱波P的初動”（程軍，2009；胡寧生，2014；張正嚴等，2015），這就完全錯誤了。因為隴西地震在洛陽處的P波初動的信號極其微弱，其納米級的位移量、微伽級的加速度值是不可能觀測到的，僅有的垂直方向振動又不含地震位置的方向信息。而觸發(fā)震相的改變并非替換個名詞那么簡單，必然要隨之改變地動儀的內部結構，才有可能與古文記載一致。顯而易見，揭示文字底層的科學含義，要力戒望文生義。即便開展地震學的模型實驗，對振動臺振動方式和數(shù)量級的掌控，也有嚴格嚴謹?shù)膶I(yè)要求。對于個別否定的觀點，如“張衡設計的地動儀與近代地震學沒有承繼關系，它從一個側面，說明中國古代科學無法與西方現(xiàn)代自然科學相銜接”（李強，2008），亦需加以匡正。

毋庸贅述，厘清地震學的基本概念和發(fā)展史實屬非常必要。

本文并不是對地動儀史料的全面分析，僅從地震學的角度剖析幾處古文的科學含義，選擇其中5個具有代表性的基本概念做解釋和澄清，指出個別模型實驗當中的原則性失誤。這些內容不是為了取代、也取代不了史學考證，旨在糾正研究中的某些主觀曲解。希望有助于正確地、科學地研究地動儀。

1 地動儀的反應方向

古文“雖一龍發(fā)機，而其余七首不動……，尋其方面，乃知震之所在?！保ā逗鬂h書》，下同）被長期解讀成“地動儀能定地震方向，指向震中”當為首先需要澄清的。

1.1 史料的表述是不全面、不嚴謹?shù)?，解讀不可絕對化

地動儀定過地震方向嗎？

地動儀于公元132年問世后，張衡在京僅遇過3次地震。第一次為公元 133年6月18日京師地震，史料沒提及反應。第二次為公元134年12月13日隴西地震，震中位于洛陽西偏北方向，史載“嘗一龍機發(fā)，而地不覺動”并未指明具體龍首方向，張衡自己也不知道“震之所在”。是在尷尬地歷經了“京師學者，咸怪其無征”的數(shù)日責問后，他和別人一樣都是從驛報中得知是隴西地震。第三次為公元136年2月18日京師地震，張衡已升遷侍中，繼任的史官亦無“記地動所從方起”的行動。其后三百年間地震百余次，僅有過二次地聲方向的記載：三國魏明帝234年12月9日地震，“京都地震，從東南來，隱隱有聲，搖動屋瓦”（《魏書》）；東晉孝武帝390年4月2日地震，“地震東北，有聲如雷”（《晉書》），都沒有記述地面震動方向。

青史并無震例，史學辯解聲卻不時發(fā)出（孫機，2014），堅持說古文“言之鑿鑿，應可信據(jù)”?！澳芏ㄕ鹬?、判方向”。理之依據(jù)，僅僅這幾個字，頗似考據(jù)研究有了什么新發(fā)現(xiàn)。

坦率地講，文字本身的確鑿性并不必然地說明文字內容的科學性。在《竹書紀年》、《墨子》、《呂氏春秋》甚至《史記》里的地震記載都有這種情況，諸如“地震降雨肉，地生白毛，天紀為地震……”等文字頗為普遍，都要經過專業(yè)分析之后方能正確引用，不可望文生義，淺嘗輒止。當然，“尋其方面，乃知震之所在”會是張衡曾經遇到過的一種客觀現(xiàn)象，作為個例并不錯誤，但它絕不是地震波場的唯一現(xiàn)象，屬于“先見樹木，后見森林”的第一步認識。19世紀中葉以后，隨著觀測資料的增多，人們才逐漸認識到地面震動方向與震中的關系十分復雜，同時存在著指向、背向、垂直震中，甚至混亂的情況。儀器的方向反應絕非地動儀僅有，世界上所有的驗震器都有這個功能，不意味著地動儀有什么比現(xiàn)代還高超的技術需要破解和借鑒，科學的研究當力戒“只見樹木，不見森林”。

方向問題不要過度解讀的原因有二：首先是震源問題，地震不是爆炸類型的點震源，大震的破裂面會延展200～500km，比如2008年汶川地震的震源從映秀鎮(zhèn)延伸330km到北川，就談不上孤立的、單一的點位問題。地震學所用的震中參數(shù)（x，y，z），不過是地震臺網三維方程的回歸值罷了，“震中”這一名詞套不到地動儀上。再有就是傳播問題，地震波的偏振面既隨距離又隨方位而變。即便像圖1那種最簡單的直立斷層的走滑位錯，縱波初動也有復雜的輻射圖樣。所謂的“指向震中”，不是測震儀器本身能夠解決或需要解決的任務，古今中外的單臺儀器都做不到。作為測震功能的科學表述，國際上只講驗震器能夠檢驗地震的發(fā)生，從不提其定向作用，更不可能定震中。

圖1 日本1927年丹后7.5級地震的實測縱波初動位移分布（根據(jù)Hongda，1957）

1.2 誤解的根源是混淆了沖擊波和地震波的差異

最早研究地下波動的是愛爾蘭人馬萊（R.Mallet1）。他在1857年后曾利用爆炸——點震源進行過觀測，發(fā)現(xiàn)沖擊波的波形是簡單脈沖，質點位移方向與波動傳播方向一致，是從源點向外傳播的球面波（圖2、3）。后人有過誤解：西邊來的地震波如氣浪般地向東沖來，立柱等物體會因慣性向西傾倒，于是“指向震中”。20世紀初才查明，這個概念是混淆了沖擊波和地震波的差異。

圖2 爆炸源產生球狀對稱的膨脹縱波P＋，波陣面向外傳播

圖3 爆炸沖擊波P＋向四周傳播的平面分布圖樣

地震震源不同于爆炸，它是剪切力源——斷層兩側巖體的剪切位錯（圖4），同時激發(fā)縱波和橫波。縱波又分為膨脹性縱波P＋和收縮性縱波P－，二者的質點初動方向與波動傳播方向是相反的，分別從源點向外（背向震中）和向內（指向震中）傳播，如輻射圖樣（圖5）。橫波的質點位移方向更是全部垂直震中。縱橫波經過干涉后，又形成了面波。由于巖體位錯會歷時數(shù)十秒，不斷輻射出來的地震波經過折射反射后，真實的地面運動早已不是單一脈沖，而形成連續(xù)的波組和不同波列了，偏振面也隨距離和方位在不斷地變化，故而不能套用沖擊波的概念去理解地震波的傳播。

圖4 地震震源同時產生非均勻的膨脹縱波P＋和收縮縱波P－

圖5 地震縱波的傳播圖樣，分膨脹性P＋和收縮性P－

1.3 秦漢時期對地震位置的認識是區(qū)域概念，非點位概念

秦漢時期對地震的認識尚處朦朧階段，地震和水旱蝗風等災異的位置多用行政上的州、或者受波及的郡國總數(shù)目來表述，史料中有大量的“荊州地震、涼州地震、郡國十八地震”，抑或“郡國八大風、郡國十二蝗、郡國三雨雹、郡國九大水傷稼……”等用語。這種極其原始的、粗糙的表述都屬于區(qū)域概念，決非點位概念，是由當時的認知水平和人煙稀少所決定的。

對災異位置的推測，古人一直遵從天文分野觀點——“天則有列宿，地則有州域”（《史記·天宮書》），列宿配州域即“分野”（馮銳，2013）。渾天儀、星空二十八宿、地動儀都要統(tǒng)一地劃分成八個扇形區(qū)位，彼此對應。所以古文的“尋其方面”，不是指初中幾何的360°的“方向”，而是八個均為45°的扇形區(qū)位；“震之所在”乃指與該扇形區(qū)位相對應的地理州域。這就不難理解，僅在靈臺一個點進行的候日、候星、候氣、候風等觀測，為何一旦發(fā)現(xiàn)某一扇形區(qū)位里的異常，就能由中央推測全國各地的兇禍災變，這可能是廣義上的“尋其方面，乃知災之所在”的原始本義。

對張衡遇到的個案，地震學視其反應方向“粗略地發(fā)生在沿震中的方位上，即正負180°的兩個方向之一?！彼c地動儀的原理無關，即便是持直立竿原理的王振鐸（1976）也持同樣觀點。

2 對地震和非地震的不同反應

古文“如有地動，地動搖尊，尊則震，則隨其方面，龍機發(fā)，即吐丸，蟾蜍張口受丸，丸聲振揚?！睙o疑是地動儀對地震的反應。它引出一個重要問題：對于非地震的干擾有沒有反應？

2.1 對古文的描述要作正反兩方面的理解

古文對現(xiàn)象的描述有個特點：一般只寫“有運動、有變化”的正面，不會再對常態(tài)情況另行費筆贅述一遍“無運動、無變化”的反面，畫蛇添足?！安粚憚t不動、未講則未變”是為原則，謂之不言自明的邏輯。因此，它的反面即常態(tài)情況為“尊不震，機不發(fā)，丸不吐，聲不響”。否則，它的一系列的連貫動作便會與“如有地動”的前提、與“地動搖尊”的水平運動特征、與“尋其方面，乃知震之所在”的推斷全部矛盾。對這個問題，百余年間還無人提出過異議，即便日本、英國、美國、荷蘭的學者也都沒有出現(xiàn)過誤讀。

掌握這段古文的反面含義十分重要。因為在沒有地震時，大地并不平靜，還存在其它可能更為明顯的振動——地表噪聲。除了張衡指出的山崩、地坼、地陷外，還有人員活動、車馬行走、河水流淌、雷電雨雹、風吹樹搖等都會無時不刻地產生沖擊波，四面?zhèn)鞑??？刂撇涣艘财帘尾坏?，即便關閉門窗、密封儀器。

靈臺的測震條件并不好：一是位于洛河旁的河漫灘上，地基松軟，河水沖刷產生大量躁聲；二是人為干擾嚴重，毗鄰的明堂辟雍多有朝覲和祭祀活動。公元126年太學擴建，共建2400棟房屋、1850間房子，太學人數(shù)達3萬人以上，距離靈臺僅1km之遠。地動儀于132年安裝后，京師屢發(fā)地質事件造成有感沖擊波。比如公元133年7月22日“洛陽宣德亭地坼，八十五丈，近地郊。”（《后漢記》卷十八，《后漢書》志十六），距靈臺2km左右。其后，漢桓帝167年6月“洛陽高平永壽亭地裂”，漢靈帝169年6月“河東地裂十二處，裂合長十里百七十步，廣者三十余步，深不見底”（《后漢書》五行志四），這些事件都會對儀器造成強烈的干擾振動。但是，史書上沒有過一次地動儀被誤觸發(fā)的記錄。相比之下，公元134年12月13日的隴西地震時，洛陽“地不覺動，京師學者，咸怪其無征”，地動儀卻吐出了銅丸。

一段古文兩層含義，一件儀器兩種反應——“不是地震它不動，只對地震有反應”。這是地動儀的科學屬性，是它的價值所在，是一條不能逾越的底線。對地動儀原理的爭辯，看似是在解讀“中有都柱”一句上出現(xiàn)的文字歧義，其實質是如何正確理解整段古文的正反兩層含義。正是由于地動儀等一類儀器具有這種特殊的物理屬性，經典地震學才將之稱為驗震器，并促進了現(xiàn)代地震儀的誕生，這決不是報警器所能比肩的。

2.2 三個功能含有具體的科學內涵，揭示了都柱的力學狀態(tài)

地動儀的3個功能均有地震學的具體內涵。

（1）“不是地震它不動”——所有的非地震運動都以上下顛動為主，弱水平分量相伴。對靈臺的最保守估算，當年種種非地震事件的垂向加速度要在50～500gal（1gal＝10－2m/s2）量級，個別事件要高達1000gal，地動儀的抗干擾能力會大體在這個水平，否則它不可能正常工作，也測不到隴西地震。對復原模型的抗干擾測試，用“在垂直向振動加速度約100gal時，誤觸發(fā)率不超過1%”來衡量。

（2）“只對地震有反應”——地震運動以水平搖晃為主、垂直分量相伴。隴西地震在洛陽的地震烈度在 Ⅲ＋～Ⅳ，即水平加速度不會超過1gal。這個振動量主要是對面波和橫波而言的，決不是早已衰減殆盡的縱波P。對復原模型靈敏度的測試，用“對周期為1sec左右的水平振動，靈敏度不大于1gal”來衡量。

（3）特定的指向性——作為沿震中方位的觸發(fā)震相，只能是瑞利面波。它的運動軌跡是在射線垂直平面內的逆進橢圓，頻率很低，震動的持續(xù)時間長。地動儀對它會具有良好反應的特點。

從古文來看，3個功能緊緊相扣，缺一不可。

鑒于地震波和地表噪聲都具有水平和垂直分量，二者又是疊加耦合在一起的，差異僅在于各自的“優(yōu)勢分量”不同（圖6）。非地震并不是絕對的、純粹的垂直運動，會有“上下顛簸、左右搖擺”現(xiàn)象；地震波也不是純粹的、單頻率的水平運動，會在水平向強振蕩的同時伴有垂直分量，偏振面總存在側向和縱向的傾角?？傊瑴y震儀器既要抗拒強干擾、又要測到微弱地震，這是兩難的。

圖6 地表加速度的實際記錄圖。地震和地表噪聲的垂直和水平分量始終處于耦合狀態(tài)

則解耦，遂成為唯一的出路。

解耦就是把垂直分量和水平分量分離開來，彼此獨立，互不干擾?，F(xiàn)代測震學采取了一系列的技術和措施，地震儀垂直分量和水平分量的結構完全不同，每個觀測點還必須用3臺儀器單獨記錄。于是，垂直記錄中主要含非地震的噪聲和縱波信息，水平記錄中則主要是地震橫波和面波信息。張衡的地動儀只有1臺，居然能對地震和非地震出現(xiàn)不同的反應，那么“中有都柱，傍行八道”的力學狀況一定是解耦的。不解耦，地動儀的反應就不會出現(xiàn)差異，不能抗拒地表干擾，不可能提高測震的靈敏度，故反應的指向性也就不復存在。

3 隴西地震的量化分析

量化分析“嘗一龍機發(fā)，而地不覺動，京師學者，咸怪其無征，后數(shù)日驛至，果地震隴西”，為模型的實驗檢驗提供了客觀標準。

3.1 為什么能用古今資料進行震例對比，量化隴西地震呢？

自然科學的研究基礎在于客觀現(xiàn)象具有可重復性，即自然規(guī)律是不變的，會在同等觀測精度和條件下重演。“白日依山盡，黃河入海流”千萬年來沒有變，地震波也是這樣。它的震相、走時、偏振、衰減、頻率等基本規(guī)律是不隨時間和地點改變的。以隴西地震的3次洛陽記錄為例（圖7），時間相隔10年，能量差千倍，但地震波的基本特征一直未變：震相到達的先后次序、各震相的偏振方向、瑞利面波Rm的優(yōu)勢地位、衰減特征、頻譜特征都不變。這就允許人們通過古今震例的對比、實證、后驗、甚至模擬等手段來理解和檢驗古書。古文描述的不過是些簡單的宏觀現(xiàn)象，諸如“地不覺動，民甚懼焉”、“屋宇搖曳，地搖京師”、“地坼山崩，壞敗廬舍”等等，這些現(xiàn)象很容易重復出現(xiàn)。于是在同等觀測精度和條件下，用明清時代的歷史地震，借助今日的地震記錄圖，就能夠量化分析漢代的隴西地震。

圖7 洛陽地震臺記錄的3次隴西地震位移記錄圖

3.2 隴西地震的資料獨立性和量化范圍

古文的“地震隴西，地不覺動”，可把它量化成：震中距 500～700km，洛陽的地震烈度Ⅲ＋～Ⅳ。再根據(jù)古今地震資料、烈度衰減規(guī)律、理論地震學、地質構造及隴西地震記錄圖，就能推算出該地震的理論復原地震圖以及各參數(shù)的數(shù)量級（馮銳，2006）：

（1）M＝～7，在甘肅天水一帶。洛陽地區(qū)的水平運動是橫波和面波，不是縱波。面波加速度?。ú怀^1gal）、位移量大（6～8mm）、頻率低（優(yōu)勢周期 1～10sec）、持續(xù)時間長（約1min）；橫波比面波先到，頻率高出約10倍，加速度和位移量會小約50%以上；

（2）縱波初動是首波Pn，直達縱波P是續(xù)至震相，垂直加速度和位移量分別約為面波的10－3和 10－6，完全觀測不到，沒有水平分量；

（3）洛陽地表噪聲的垂向加速度至少在50～500gal的量級。

把以上數(shù)據(jù)集輸入計算機，就能通過振動臺技術重現(xiàn)隴西地震時在洛陽的地面運動。當然，這些參數(shù)遠不是地震事件的全部，但就約束和測試復原模型來說足矣。

3.3 觸發(fā)地動儀的不是直達縱波P，而是后續(xù)的瑞利面波R

“直達縱波P觸發(fā)地動儀”，這是一種最常見的誤解。

地震縱波是一種能量很小、衰減極快的高頻信號，只出現(xiàn)在近震中地區(qū)。從圖1可見，日本丹后7.5級大地震，距震中200km的最大位移量僅有0.001～0.2mm，稍遠的區(qū)域根本觀測不到P波初動。而隴西的震中距高達600km，震級不到7級，到達京師洛陽的縱波理論位移在10－6mm即納米的量級，相當于氣體分子的大小，加速度約在10－5gal的量級。這樣微小的波動，連現(xiàn)代地震儀都觀測不到，更不會造成古書記載的“地動搖尊，尊則震”的現(xiàn)象。

其次，在殼幔邊界上會產生一種傳播速度極快的首波 Pn，它在震中距大于50km以后一直是首先到達的震相，能量一般要比直達縱波P高出1～3個數(shù)量級，直達縱波P在洛陽已成微弱的續(xù)至震相，初動作用不復存在（圖8）。

圖8 500km震中距的真實地震記錄圖

最后，地震射線是彎曲的，地表是自由界面。于是縱波的波陣面便會與地表面重合，波動射線垂直出射于地表。也就是說，P波只有上下振動，沒有水平分量，不論東西南北傳來的地震縱波，都不能用它來分辨出震源的方向，從而與古文“尋其方面，乃知震之所在”完全相悖。

事實上，當震中距逾200km后，各地最穩(wěn)定的強信號只有一個——瑞利面波R。它具有頻散特征，不存在體波那種初動明顯的起始位移，質點運動沿震中方位（圖9）。7級以上地震的面波一般會持續(xù)搖晃十幾分鐘以上，寬泛的頻帶很容易引起結構的共振。史載隴西地震時人不覺動，卻有“地動搖尊，尊則振…，龍機發(fā)”現(xiàn)象。既然人們已經看到約3m高的地動儀出現(xiàn)了“地動搖晃尊，尊體來回振動”現(xiàn)象，但人體自身卻“不覺其動”。那么，這肯定是，也只能是地震學里的典型的瑞利面波現(xiàn)象，仿佛不可思議但千真萬確，它普遍出現(xiàn)在烈度為 Ⅲ＋～Ⅳ區(qū)域內。動作次序上，又是先出現(xiàn)“尊則振”然后才“龍機發(fā)”現(xiàn)象（而相反的次序），更成為進一步的旁證。

圖9 地震面波的震動方向和傳播圖樣

4 地震學專業(yè)實驗的檢驗

“驗之以事，合契若神，來觀之者，莫不服其奇”說明地動儀經過了多次實踐檢驗才成功。

4.1 為什么一些看似成功的模型卻通不過專業(yè)檢驗？

近些年，屢有文章和小報對一些“直立竿復活的實驗”做高調宣傳。殊不知，這些模型突破了“不是地震它不動”的底線，將虛高的靈敏度變成惟一的追求目標，于是始終通不過（或完全沒有做過）嚴格的地震學專業(yè)檢驗，更沒有用真實的三維地震記錄做過實驗。胡寧生（2014）的實驗尤為典型，他把一根高1.90m、直徑3.8mm的直立竿豎立起來，在水平振動中傾倒了，著書自稱“破解了全世界1800年來沒有一個人能解決的謎，是中外科技史研究中百年來所取得的最大成就之一”。為此，有必要指出其原則性失誤。

直立竿是一種非穩(wěn)定平衡結構，以支撐底面的極端狹小為特征，高靈敏度是靠弱摩擦力和重力矢量的偏斜失穩(wěn)來實現(xiàn)的（圖10）。記直立竿質量M，底面水平向摩擦力f，垂向重力Mg0，穩(wěn)定條件為

圖10 立柱體的力學關系

g0靜態(tài)重力加速度980gal，μ磨擦系數(shù)（銅鋼等金屬間的靜系數(shù)為0.5～0.7，動系數(shù)為0.44～0.34），即青銅間的靜摩擦力f約為立竿重力之半。式（1）表明，直立竿的水平和垂直作用力緊密耦合在一起，二者不是相互獨立的2個物理量，它的力學狀況不解耦。于是，直立竿對水平和垂直向振動都能夠出現(xiàn)反應，即不具有分辨非地震與地震的物理屬性，無法用于驗震。比如動態(tài)時候，若地表噪聲的垂向加速度為N，式（1）的靜態(tài)重力加速度g0就要改變?yōu)間，摩擦力f便會隨之變小。作為時變量的地表噪聲，其垂向N的值很容易達到50～500gal的量級（山崩、地陷時更會超過1000gal以上），又含有一定的水平分量。于是，摩擦力f會瞬間降低5%～50%以上，相當于磨擦系數(shù)已經從靜態(tài)值降低到動摩擦范圍以下，于是底界面便不可避免地要出現(xiàn)層間滑動，直立竿的穩(wěn)定條件式（1）遭到破壞，結構的倒塌便具有隨機性。在地震學專業(yè)實驗室，我們曾對高徑比分別為5、10、20、40、62的直立竿做過400余次測試（馮銳等，2006），垂向振動確實更容易使直立竿傾倒，其垂向傾倒的臨界加速度甚至會比水平向的低500gal以上，而且高徑比愈大者愈容易發(fā)生，誤觸發(fā)率高達97%以上，完全不適用于測震。

就靈敏度和抗干擾性而言，抗干擾是前提條件，或者說地動儀的“不是地震它不動”的底線，不能突破。若立柱的重心高為h，底面半徑為R，則高徑比為h/R，Milne在1885年引入了 Charles D West（1847～1908）的近似公式

a0為傾倒的臨界水平加速度（即靈敏度）。高徑比越大，傾倒的臨界角度β＝arctan（R/h）就越小，靈敏度自然越高，此時的重力矢量偏斜到柱體底面的外邊緣處（圖10）。

但直立竿是一種沒有恢復力矩可維系平衡的結構。由于地表噪聲同時含有垂直和水平分量，其偏振面是傾斜的（可達到30°以上），在洛陽靈臺的土層環(huán)境下，地面傾斜的瞬態(tài)傾角會達到幾度至10余度的量級。于是重心矢量會瞬態(tài)偏離初始平衡位置，繼而超越支撐底面之外而引起失衡。實測表明，對正常噪聲本底的地傾斜干擾，立柱的高徑比（h/R）≈ 50～60、傾倒臨界角β≈1.0°，已接近抗噪聲的極限量。胡寧生（2014）直立竿的高徑比為500，傾倒臨界角已然小到β≈0.1°，它對于通常幾度以上的地面動態(tài)傾斜干擾是完全抗拒不了的，傾倒方向更是隨機的。當然，如此大的高徑比值自有虛高的靈敏度值（a0＝2gal），不過這個值完全沒有實際意義，也仍然沒有達到隴西地震的不超過1gal的最低檢測要求。

非地震的干擾與三維測驗是基礎性實驗，十分重要，但胡寧生的實驗，對此有意做了回避。只模擬脫離地震學實際的“純水平向簡諧運動”——無垂直方向干擾振動、無地面傾斜干擾、無地震波震相的運動，僅輸入了絕對清晰的“純水平”方向的強烈沖擊，加速度竟為真實地震縱波的105倍。于是，出現(xiàn)了直立柱傾倒的假象，其方向還準確地“指向震中”。這些，自然通不過地震學的專業(yè)檢驗。

對于這類經典地震學已有過明確否定結論的結構，不建議青年人去盲目投入。

4.2 地震學的專業(yè)實驗

在地震學國家重點實驗室，液壓振動臺能夠在計算機系統(tǒng)的控制下精確復現(xiàn)各種三維地面運動，各裝置的精度、重復性均有嚴格的國家標準。通過計算機輸入數(shù)字地震圖之后，便可以完成頻率、位移、加速度、結構響應、應力應變等各項參數(shù)的標定和測試。小的振動臺面約1m×1m（圖11），適用于都柱結構測試。大的振動臺面約3m×4m，可對原大地動儀模型進行整體測試。實驗控制系統(tǒng)雖然比較復雜，但能嚴謹?shù)夭槊鲉栴}和驗證認識。專業(yè)測試主要包含如下6方面的內容。

（1）抗干擾性 測試模型的抗干擾能力，獨立的純垂直方向干擾量500～1200gal，頻率范圍為0.1～200Hz，運動方式為脈沖狀和連續(xù)波列2種，確定100次測試的誤觸發(fā)量；

圖11 實驗室的小型液壓振動臺，正在對黃色的懸掛都柱進行測試

（2）靈敏度 測試模型的穩(wěn)定性和水平向靈敏度，周期約1sec的獨立純水平振動信號，加速度在0.2～5.0gal，水平位移量0.5～2.0mm；

（3）三維合成檢驗 將前2種水平信號與垂直噪聲合成起來，以三維運動的方式重新實驗；

（4）寬頻帶響應 測試結構的自由運動和負荷運動，周期為0.01～10.0sec。測試模型分辨續(xù)至波的能力；

（5）隴西地震 輸入復原的隴西理論地震圖，按照量化范圍進行數(shù)量級的約束，檢驗模型的動力學響應；

（6）真實地震 輸入真實的三維數(shù)字地震記錄圖，檢驗模型的靈敏度、動作順序、反應方向、穩(wěn)定性。

只有通過這些嚴格的專業(yè)測試，方能查明模型是否合理。

5 地動儀在地震科學史上的作用

5.1 對現(xiàn)代地震學啟步階段的思想啟迪

19世紀末，現(xiàn)代地震儀發(fā)明之前。日本的服部一三（I.Hattori）于1875年繪制了地動儀復原圖。次年3月，剛訪問過中國北京、天津、上海的英國地質工程師米爾恩（JMilne）到達日本，很快對張衡的發(fā)明產生了興趣，自1879年集中精力到張衡和地震研究方面。根據(jù)中國古書記載，他在住所和餐廳里對都柱結構做了大量實驗。先設計了直立竿結構，對比了方截面、圓柱、錐形和其他一些形狀，均告失敗。又設計了50余種懸掛裝置，還把住房的兩層天花板都鑿了洞來懸掛。認識到測震的關鍵在于加大懸垂擺的擺長和自振周期，才能測量相對位移。

1880年2月22日凌晨，橫濱5.8級地震把東京的Milne晃醒，他清醒地看到吊燈劇烈搖晃，搖擺方向十分確定，兩個實驗用單擺振幅竟達2英尺，更從實踐中理解了張衡，得到了明確的結論，即“對測震來說，懸垂擺是最精確的結構”。

1883年，Milne（1883）第一個把《后漢書》對地動儀的記載全部譯成英文，繪制了復原模型，他在這部地震學奠基之作里強調：“張衡地動儀的價值決不僅僅在于它是一個古老的發(fā)明，更重要的在于，它竟以極其相近的思路留給了現(xiàn)今時代的科學儀器以許多有意義的啟迪?！彼指鶕?jù)橫濱地震500份調查問卷和100多封來信，提出了一個重要概念——地震可能會造成某種波動，使震害程度向外衰減。

5.2 地震波的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代地震儀的誕生

1889年4月17日德國波茨坦的天文臺，Rebeur-Paschwitz（1861～1895）用水平擺重力儀觀測月球引力作用，突然在17時21分看到了記錄的異常。幾個月后，從《自然》得知日本熊本發(fā)生6.3級地震：波茨坦時間是4月17日17時07分。德-日兩地相距8 800余千米，波茨坦的記錄滯后14min！這一偶然發(fā)現(xiàn)不僅證實了地震波的存在，還獲得能在遠距離觀測的過硬記錄（Bolt，1993）。消息轟動了世界，也使張衡地動儀揚名全球——中國人早在1700多年前就測到了遠處的地震。正是在這件事情之后，西方才把地動儀稱為“中國驗震器”（Chinese Seismoscope），并以公元132年作為人類首臺地震儀器的誕生年份。

受到鼓舞的Milne立刻分析了德國的水平擺重力儀。在月球的引潮力緩慢變化時，所改變的是鉛垂線相對旋轉軸間的夾角α，記錄了起潮力位的變化；在遇到地震波的迅變信號時，實際上是儀器的旋轉軸相對鉛垂線發(fā)生了改變，即傾角α的反方向變化。張衡用的懸垂擺（都柱）與德國用的水平擺存在本質聯(lián)系，差異僅在于α角，懸垂擺就是α為直角時的水平擺。

Milne隨即設計了一種新型水平擺，采用硬擺桿、吊絲提拉重錘，從垂直擺演化到水平擺，終于在1893年發(fā)明了世界上第一部現(xiàn)代地震儀——高0.5m、長1m，擺錘500g，周期數(shù)百秒，配有記錄器。1895年返英后，用他的80多臺新儀器在全球60多個國家組建了全球地震臺網，出版了全球地震報告和專著，成為舉世公認的現(xiàn)代地震學的奠基人。

從科學思想的繼承和啟迪來看，張衡地動儀和現(xiàn)代地震儀的誕生存在確切的歷史鏈，東方與西方的文化聯(lián)系共同促進了世界文明的發(fā)展。

6 結論

地動儀的研究涉及歷史和科學的統(tǒng)一。研究的學術觀點和模型盡可不同，但地震學的基本概念和原則需要遵循和堅持，同樣是工作的基礎和底線。目前的研究中存在一些專業(yè)認識上的誤解。筆者選擇了5個具有代表性的地震學基本概念做了解釋和澄清，強調了模型實驗應該符合客觀實際的重要性。希望有助于正確地、科學地認識地動儀。