馮 銳

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

若沒有這些科學(xué)先驅(qū)的發(fā)現(xiàn)，人類歷史將完全不同，這些杰出人才都是開創(chuàng)型的思想家……

——美《偉大的科學(xué)家》掛圖

美國的這份教學(xué)掛圖介紹了全世界16 位偉大科學(xué)家，有伽利略、牛頓、巴斯德、居里夫人和愛因斯坦等，張衡（78—139）是唯一的中國科學(xué)家。他們的共同特點(diǎn)是揭示出客觀世界的規(guī)律，與傳統(tǒng)觀念進(jìn)行了不懈地斗爭。

除了文學(xué)、天文等方面的成就外，張衡最杰出的貢獻(xiàn)是發(fā)明了地動儀，人類第一次利用了物體的慣性，開創(chuàng)了測震學(xué)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域（圖1）。

圖 1 測震學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域Fig. 1 Application of seismometry

盡管地動儀的輝煌已為人知，但對它的認(rèn)識卻不能如蜻蜓點(diǎn)水般的淺嘗輒止。值得靜下心來，知其然也知其所以然，了解測震學(xué)史的基本發(fā)展脈絡(luò)，在前人研究的基礎(chǔ)上寫出自己對宇宙萬物的新認(rèn)識。

1 從地動儀到驗震器

1.1 張衡地動儀

東漢靈臺是世界最早的科學(xué)機(jī)構(gòu)之一，公元59年啟用，張衡自115 年起先后主持靈臺工作14 年。

靈臺的渾儀、渾象、葭莩律管、日晷、漏壺、相風(fēng)銅鳥等觀測儀器，都是對自然現(xiàn)象的縮微和模仿。反映出古代“法象為器，制器尚象”的制作原則，地動儀亦不例外。

張衡對地震的關(guān)注大約從公元119 年始，他的老家南陽在3 月10 日發(fā)生了強(qiáng)地震。他又在京師洛陽親歷過120 年1 月17 日的日食地震和121 年冀南?魯西地震。在124 年隨安帝東巡時，還經(jīng)歷過當(dāng)?shù)氐挠嗾鸹顒樱?25 年負(fù)責(zé)處理過地震瘟疫事宜。128 年2 月22 日天水地震，京師亦震感強(qiáng)烈，漢順帝下詔廣征對策。這個時候，啟動了地動儀的研制工作。

張衡基于觀察地震現(xiàn)象的經(jīng)驗積累，講道：

陰陽未和，災(zāi)眚?qū)乙?。天道雖遠(yuǎn)，兇吉可見。

132 年8 月地動儀問世，成功測到134 年12 月13 日的隴西地震（圖2）。朝廷鑄鼎為賀，鐫刻了地動儀圖樣。

漢末戰(zhàn)亂，地動儀失傳。魏文帝登基的公元220 年被視為失傳的時間下限。目前僅在《續(xù)漢書》《后漢紀(jì)》《后漢書》《鼎錄》4 份史料中發(fā)現(xiàn)了有關(guān)地動儀的記載。

圖 2 地動儀成功測到134 年隴西地震（吳冠英，2015）Fig. 2 Longxi earthquake was detected by Zhang Heng’s instrument (Wu Guanying，2015)

史料研究表明，張衡很早就有一個重要認(rèn)識——地震和地裂必須明確區(qū)分開：地裂地陷是以垂直方向為主的顫抖顛動，而地震是以水平方向為主的搖晃擺動。他是同時代唯一認(rèn)識到這點(diǎn)的人，首先使用了“震裂”一詞，并對二者賦予了不同的占卜含義。說明，地動儀的研制是有明確的模仿對象和技術(shù)追求。

人類二千年的實踐表明，能自動區(qū)分出地面這兩種運(yùn)動的天然結(jié)構(gòu)惟有懸掛物和水面。

懸掛物具有普遍性、高靈敏和易觀測特點(diǎn)。漢代的懸掛物已經(jīng)極其大量地出現(xiàn)在日常生活中，一旦晃動起來就會像秋千般晃個不停，易于觀察，所造成的心理恐懼會留下深刻的印象。在這點(diǎn)上，古今人們的感官認(rèn)識并沒有區(qū)別。于是，“地震發(fā)生——懸掛物搖晃”會表現(xiàn)出大量的、穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，為千百萬群眾察覺和關(guān)注?！澳７聭覓煳?、區(qū)分出地震和地裂”的原始概念，應(yīng)該是誕生地動儀科學(xué)思想的物質(zhì)基礎(chǔ)：

不是地震它不動，只有地震它才動

學(xué)術(shù)界最普遍接受的觀點(diǎn)是，張衡地動儀的“中有都柱，傍行八道”系指懸掛的重物具有8 個方向晃動的自由度，儀器被隴西地震的面波所觸發(fā)。這種特殊的儀器稱之驗震器（Seismoscopoe）——能驗證地震發(fā)生的儀器。

1.2 地動儀復(fù)原模型

地動儀的第一個復(fù)原模型是日本的服部一三（I Hattori，1851—1929）于1875 年繪制的，國內(nèi)外在百余年間共提出過13 種概念性復(fù)原模型，都未做過專業(yè)檢驗，與歷史條件和資料的限制有關(guān)。我國于2003 年啟動了地動儀的科學(xué)復(fù)原研究，2008 年通過國家鑒定，具有良好的驗震功能，更加符合史料記載，現(xiàn)在已被國內(nèi)外廣泛接受和宣傳[1-2]，2019 年正式收入國家審定的義務(wù)教育教科書（圖3）。

對地動儀的工作過程，有這樣的認(rèn)識：

地震時，尊體基座被反復(fù)地水平搖晃，但懸掛的沉重都柱卻因慣性繼續(xù)保持靜止，尊體與都柱間出現(xiàn)了相對位移，導(dǎo)致小關(guān)球能脫離都柱的限位而滑出。于是重現(xiàn)了古書的“地動搖尊，尊則振”現(xiàn)象，繼而“一龍發(fā)機(jī)，而七首不動”。非地震時，地面以垂直方向的顫抖為主，懸掛都柱與尊體間沒有相對位移，也就不會吐丸（圖4）。

1.3 西方的驗震器

西方的測震研究，也是從驗震器起步的。

1703 年，法國工程師D H Feuille 發(fā)明了水銀驗震器，由水銀溢出來判斷地震。1751 年意大利L A Bina 神父發(fā)明了單擺驗震器（圖5），重錘為石塊，尖端插在水托起的沙盤中。1795 年意大利A Filomrino設(shè)計了“單擺震鈴”，在重錘的3 個方向掛上小鈴，由震鈴響聲判斷地震（圖10 中上部），與張衡地動儀的蟾蜍震響有點(diǎn)相似。

在Feuille 的道路上走得最遠(yuǎn)的，是維蘇威火山監(jiān)測臺主任L Palmieri（1807—1896）。他在1856 年利用兩個灌滿水銀的U 形管來檢測水平運(yùn)動，由螺旋彈簧觀測垂直運(yùn)動，再用對運(yùn)動敏感的電觸點(diǎn)來確定地震時間，并記錄在紙條上（圖6）。該儀器曾在日本1775—1885 年間使用過[3]。

到19 世紀(jì)末，大量的五花八門的驗震裝置（包括1875 年意大利Cecchi 的儀器）都被實踐淘汰。

結(jié)論擺在桌上：驗震的關(guān)鍵是監(jiān)測地面的水平運(yùn)動，除利用張衡的擺和Feuille 的液面外，沒有發(fā)現(xiàn)第三條道路[3-4]。

圖 3 國家新審定的教科書對張衡地動儀的介紹Fig. 3 Zhang Heng’s seismoscope introduced in national textbook

圖 4 地動儀的工作過程[2]Fig. 4 Working process of Zhang Heng’s seismoscope[2]

2 從驗震器到地震儀

英國人米爾恩（John Milne，1850—1913），實現(xiàn)了從驗震器到地震儀的飛躍。

他是位精力旺盛、好奇心強(qiáng)烈的人，年輕時曾獨(dú)自跑到中東沙漠去探險。25 歲被日本聘請為地質(zhì)礦物學(xué)教授，赴任途中又單人獨(dú)馬地徒步橫穿了歐亞大陸，歷經(jīng)一年多的苦難居然從英國走到了東方！在中國，大為驚嘆地訪問了北京、上海、長城和大運(yùn)河。在日本生活20 年，娶了日本妻子堀川，最早研究了張衡地動儀，發(fā)明了現(xiàn)代地震儀，組建了日本地震學(xué)會、日本地震臺網(wǎng)……。

1876 年Milne 到達(dá)日本后，很快就得知1 700 多年前的中國發(fā)明過一種儀器，測到了遠(yuǎn)處的地震，遂陷入深深地迷戀之中。1880 年2 月的橫濱地震后，他索性轉(zhuǎn)向地震學(xué)，對張衡地動儀開展了大量模擬試驗，繪出了復(fù)原模型（圖7）。1883 年把《后漢書》中有關(guān)地動儀的內(nèi)容翻譯成英文，并且首次向西方介紹了張衡：“人類的第一架地震儀器是中國人張衡發(fā)明的”，明確指出：

圖 5 早期的各種驗震器[3-4]Fig. 5 Historical seismoscopes[3-4]

圖 6 Palmieri 水銀驗震器（1856）[4]Fig. 6 Palmieri mercury seismoscope（1856）[4]

圖 7 米爾恩的地動儀復(fù)原模型（1883）Fig. 7 Reconstructed model proposed by Milne（1883）

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(xué)儀器許多有意義的啟迪。

在對張衡地動儀完成了50 多種結(jié)構(gòu)實驗以后，他得出結(jié)論：對測震來說懸垂擺是最精確的結(jié)構(gòu)，而且它的自振周期必須越大越好。他還和Gray 做過一件高6.4 m、自振周期5 s 的懸垂擺地震儀，但不理想。1889 年得知，德國利用1872 年Z?llner 水平擺重力儀偶然記錄到了一次日本地震。大受啟發(fā)：在水平擺的旋轉(zhuǎn)軸傾角很小的時候，擺的自振周期可以非常大，恰好克服了懸垂擺的技術(shù)瓶頸。也就是說，張衡的懸垂擺和Z?llner 的水平擺之所以都能夠測到地震，因為它們二者存在本質(zhì)上的聯(lián)系（圖8）。

在1887 年Gray-Milne 試驗儀器的基礎(chǔ)上，米爾恩在1893 年發(fā)明了世界上第一部現(xiàn)代地震儀——高50 cm、長1 m，擺錘500 g，周期幾百秒的水平擺，配有光記錄器（圖9）。它只對地面的水平運(yùn)動有反應(yīng)，不怕垂直向的非地震的干擾。也可以說，這是一種帶有放大器、記錄器、計時器的“高級驗震器”——不是地震它不動，只有地震它才動。

圖 8 測震儀器從懸垂擺到水平擺的演化Fig. 8 The evolution of from Vertical to Horizontal Pendulums

圖 9 地震儀雛形（1887）和首套地震儀結(jié)構(gòu)（1893）Fig. 9 Gray-Milne 1887 and Milne 1893 Seismographs

1895 年7 月，他在英國建設(shè)了首個地震臺站，又在全球60 多個國家布設(shè)了80 多臺Milne 地震儀，組建全球第一個地震臺網(wǎng)，創(chuàng)立“國際地震數(shù)據(jù)中心”，出版了全球4 136 個破壞性地震的目錄，發(fā)表了大量科學(xué)報告，成為舉世公認(rèn)的現(xiàn)代地震學(xué)奠基人。

世人著實震驚：東西方科學(xué)的發(fā)展竟然有著如此緊密歷史鏈，在地震學(xué)上譜寫了一曲“創(chuàng)新—繼承—再創(chuàng)新”的高歌——先有張衡，后有米爾恩；先有驗震器，后有地震儀。張衡地動儀的杰出科學(xué)地位在1 700 多年后得到了世界的公認(rèn)：這是人類的第一臺地震儀器（圖10），地動儀被西方稱為“中國驗震器”（Chinese Seismoscope），公元132 年作為人類文明的一個里程碑載入青史（圖11）。

這些情況，國內(nèi)在1917 年以后方知曉。

圖 10 美國《偉大的科學(xué)家》和《測震》的科普掛圖Fig. 10 Posters of American science education

圖 11 美國大理石墻壁的世界重大發(fā)明中，刻有“地動儀，公元132”字樣Fig. 11 The world significant invations listed on an american wall

3 現(xiàn)代地震儀的前進(jìn)

3.1 地震計的3 個關(guān)鍵參數(shù)

地震儀seismograph 和驗震器seismoscope 的區(qū)別是什么？

簡單講，地震儀不僅能像驗震器那樣檢測到地震信號，更要能長時間地、連續(xù)地記錄下來地面運(yùn)動的完整軌跡，且這種振動不限于天然地震。為此，擺式驗震器被改進(jìn)和升級成地震計（seismometer），再配以計時—阻尼—記錄器之后就構(gòu)成了地震儀。

地震計的核心當(dāng)為慣性。

問題在于，所有的物體都有慣性，但不是所有的結(jié)構(gòu)都能檢測到地震波，高技術(shù)的要求也不是所有的驗震器都能達(dá)到的。有3 個關(guān)鍵參數(shù)必須處理好：

3.1.1 周期

一個鑰匙鏈就是一個擺式地震計（圖12，地動儀原理相同）。當(dāng)手指快速振動時，質(zhì)量塊的慣性會維持靜止不動，則可從相對位移中檢測出地面運(yùn)動。前提條件：單擺的自振周期必須遠(yuǎn)大于手指（即地面運(yùn)動）的振動周期，否則質(zhì)量塊會隨著手指一起運(yùn)動，沒有相對位移量！

圖 12 地震計的原理Fig. 12 Principle of seismometer

難點(diǎn)是，天然地震波的頻帶非常寬，周期0.01—1 000 s，地動幅度可相差10 個數(shù)量級，決定了不可能用一種頻帶的地震計滿足所有的要求，特別是檢測到低頻長周期信號，難上加難。

3.1.2 阻尼

質(zhì)量塊在外力作用下呈受迫運(yùn)動，需要長時間的只反映地面運(yùn)動、不出現(xiàn)秋千般的自由震蕩，阻尼成為必備。大阻尼時，可以檢測到地動速度；中等阻尼時，能檢測到地動的位移或加速度，取決于擺的固有周期接近、大于、或小于地動周期。于是，不同頻段的地震儀還要再劃分成位移計、速度計、加速度計等，數(shù)據(jù)處理也是不一樣的。

3.1.3 恢復(fù)力

擺的慣性質(zhì)量塊不是一個絕對靜止的基準(zhǔn)點(diǎn)，欲長時間地維系原始位置，就需要施加恢復(fù)力（圖13）。一旦它受力偏離原點(diǎn)后，能讓把它“拉回”原位。于是，產(chǎn)生恢復(fù)力的彈簧剛度、轉(zhuǎn)軸簧片的彈性系數(shù)就不能隨意，會對自振周期、阻尼效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來影響。負(fù)反饋系統(tǒng)的應(yīng)用也是解決這個困難的途徑之一。

圖 13 擺的恢復(fù)力Fig. 13 Restoring force

20 世紀(jì)的科技快速發(fā)展，彈簧、鋼片、吊絲、游絲、扭力等，都可以產(chǎn)生必要的恢復(fù)力；液體、氣體、電磁阻尼，任人挑選；垂直、水平、倒立、斜拉擺結(jié)構(gòu)亦能大顯身手（圖 14）……各種適應(yīng)性強(qiáng)、性能優(yōu)異的地震儀被研制出來[5]。觀測任務(wù)已經(jīng)涉足礦山、電站、滑坡、工業(yè)生產(chǎn)、石油勘探等廣大領(lǐng)域。

圖 14 地震儀的各種擺式結(jié)構(gòu)Fig. 14 Different pendulum in seismograph

圖 15 是我國 1942 年自行研制的第一臺現(xiàn)代地震儀，機(jī)械杠桿放大熏煙式地震儀，放大倍率 152，李善邦設(shè)計、秦馨菱參加。在第二次世界大戰(zhàn)的艱苦歲月中完成，傳達(dá)出了中國人民不屈不饒的意志和堅強(qiáng)力量，國際上亦相當(dāng)重視。

圖 15 李善邦設(shè)計的中國第一臺現(xiàn)代地震儀（1942）Fig. 15 The first modern seismograph in China designed by Li Shanbang（1942）

3.2 現(xiàn)代地震儀的3 個時代

第1 個時代是以1893 年英國米爾恩地震儀和1901年德國維歇爾（E Wiechert，1861—1928）地震儀為代表（圖16），這個時代的測震儀都是機(jī)械式。維歇爾儀器是首臺倒立擺，重錘的恢復(fù)力由下端點(diǎn)的兩塊鋼彈簧片提供，放大倍率200—2 000，空氣阻尼器。1930年前后，曾為我國造了一臺超大型件，擺錘重達(dá)17 t！至今還能在南京地震臺工作。這類儀器的放大倍率、動態(tài)范圍和頻帶寬度都較窄，也沒有垂直分量。

圖 16 維歇爾倒立擺地震儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 16 Weichert inverted pendulum seismograph

第2 個時代以1906 年俄國伽里津（B B Galitzin，1862—1916）電磁地震儀問世為代表，垂直向運(yùn)動的檢測靠懸掛彈簧實現(xiàn)（圖17），實現(xiàn)了三分量的完整觀測系統(tǒng)。電磁換能的引進(jìn)使測震技術(shù)登上新臺階，成為半個多世紀(jì)的地震計主流。檢測到的機(jī)械運(yùn)動被轉(zhuǎn)換成電學(xué)量之后，就可以方便地經(jīng)過電流計或者用光學(xué)放大、抑或用電子放大，使地震計的靈敏度大大提高。但是電磁換能必須有大幅、或快速的機(jī)械運(yùn)動，故而對地震波的長周期檢測一直受到限制。

第3 個時代即當(dāng)今的力平衡反饋地震計，以2002年德國Stuttgart 大學(xué)Wielandt 設(shè)計的STS-2 地震計為代表[6]，頻帶加寬到0.1—300 s、動態(tài)范圍達(dá)140 dB。

圖 17 伽里津垂直向電磁地震儀Fig. 17 Galitzin electromanetic seismograph

圖18 的框圖解釋了原理：反饋力在始終平衡著質(zhì)量塊的慣性力，從而維持了質(zhì)量塊的位置不變（或極微弱），于是反饋電流的大小就與地面（即儀器框架）振動的加速度成比例了，這就是“力平衡”地震計（force-balance seismometer）的核心思想。換句話說，地面運(yùn)動信號已經(jīng)轉(zhuǎn)移、反應(yīng)到反饋電流的變化中了，構(gòu)成了一個機(jī)械-電子相互耦合的系統(tǒng)。在儀器的整體響應(yīng)和輸出當(dāng)中，主要決定于反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，而不是機(jī)械系統(tǒng)和換能器的因素。數(shù)字化的反饋系統(tǒng)能夠極大地擴(kuò)展頻寬，方便地控制阻尼和機(jī)電常數(shù)，便于后期的數(shù)據(jù)傳輸和分析處理。

圖 18 力平衡反饋地震計原理[6]Fig. 18 Block diagrams of feedback seismometer[6]

目前，全球已普遍采用這種力平衡長周期的數(shù)字化地震計，我國的三分量一體化的新型儀器亦成地震監(jiān)測的主體儀器（圖19）。

圖 19 我國BBVS 三分量一體化的力平衡地震計Fig. 19 BBVS force-balance seismometer

4 專用儀器

4.1 旋轉(zhuǎn)和光纖地震儀

圖20 是擺式旋轉(zhuǎn)地震儀的基本結(jié)構(gòu)，兩個對稱安置的水平擺可以測出地面的旋轉(zhuǎn)角，進(jìn)而通過線圈切割磁力線送出電信號加以放大。圖21 利用了磁流體動力學(xué)（Magneto-Hydrodynamics）原理，不旋轉(zhuǎn)的慣性重錘被施加傳導(dǎo)電流，當(dāng)永磁鐵隨著外殼旋轉(zhuǎn)時，磁通場與電流體間的相對速度便會產(chǎn)生徑向感應(yīng)電場，可以經(jīng)電子放大而檢測出來[7]。

圖 20 擺式旋轉(zhuǎn)地震儀[7]Fig. 20 Rotation seismograph of pendulum[7]

在光纖通訊中，如果光纜的局部位置出現(xiàn)格柵、壓力變化，會產(chǎn)生反射光信號傳播回來，從而能通過干涉技術(shù)檢測出擾動波形并確定擾動源位置（圖22）。我國在西氣東輸系統(tǒng)工程中已經(jīng)應(yīng)用了這個技術(shù)。美國為監(jiān)控圣安德烈斯斷層帶的活動，在南加州Santa Cruz 海域還利用海底光纜構(gòu)建了地震網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)了若干未知的構(gòu)造。國際上建議，利用全球海底光纜開展海域地震監(jiān)測（圖23）。

4.2 行星測震儀器

美國1969—1977 年登月的阿波羅（Apollo）計劃、2018 年探測火星的洞察（InSight）計劃，測震儀器都是三分向慣性擺，頻段0.01—50 Hz（圖24），置于隔熱的真空箱中。已經(jīng)不同程度地揭示了行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、震源分布、隕石撞擊和固體潮汐規(guī)律。對今后的登陸提供了基礎(chǔ)信息，也是深化認(rèn)識地球的對照物。

張衡留給后世的，不僅是科學(xué)技術(shù)的發(fā)明，還有他高尚的品質(zhì)和情操。在朝廷政治環(huán)境下，他曾被迫坐過5 年公車司馬令的冷板凳，公元126 年重聘他任太史令時，還導(dǎo)致他10 余年的官位和俸祿都不會晉升（圖25）。張衡當(dāng)時講：

圖 21 磁流體測震原理[7]Fig. 21 Detector principle of magneto-hydrodynamics[7]

圖 22 光纖檢波原理Fig. 22 Principle of fiber detector

圖 23 全球光纖測震Fig. 23 Detection of submarine optical cable

圖 24 月球測震儀Fig. 24 Detector of moonquake

圖 25 張衡（78—139）Fig. 25 Zhang Heng（78—139）

人生在勤，不索何獲……。

君子不患位之不尊，而患德之不崇；

不恥祿之不夥，而恥智之不博。

正是這種精神，鼓舞著他發(fā)明了地動儀，也伴隨他度過了136 年貶謫河間之后的余生。

他是我們學(xué)習(xí)的榜樣，中華民族的光榮和驕傲。

作者對莊燦濤研究員的認(rèn)真指導(dǎo)、提供資料和圖片，深表謝意。

參考文獻(xiàn)和圖源

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