地震仪

背景

地震仪是设计用于检测和测量地球内部振动的仪器，它们产生的记录称为 地震图。 像许多其他以这个前缀开头的术语一样，这些词源自希腊语 seismos, 意为“震动”或“地震”。虽然某些类型的地震仪用于地下测量，但这些设备以研究地震而闻名。

地震仪由安装在支撑底座上的钟摆组成。钟摆又连接到记录器，例如墨水笔。当地面振动时，钟摆保持静止，而记录器移动，从而创造了地球运动的记录。典型的地震仪包含 3 个摆锤：一个用于记录垂直运动，两个用于记录水平运动。

地震仪是从地震仪演变而来的，它可以检测震动或地震的方向，但不能确定振动的强度或模式。已知最早的用于检测地震的装置是由中国学者常衡在公元 132 年左右创造的。 详细记载表明，这是一个美丽而巧妙的装置，由一个装饰华丽的铜圆柱组成，其上圆周有八个龙头，朝外。在龙首正下方的下圆周上，固定着八只铜蛙。每条龙的嘴里都叼着一个小球，当圆筒内的一根杆子被地震触发时，球掉进了它下面青蛙的嘴里，杆子上端有弹性和重量。捕获落球的特定青蛙指示了地震的大致方向。

一千七百多年来，对地震的研究依赖于不精确的仪器，如常衡的仪器。几个世纪以来，人们建造了各种各样的地震仪，其中许多都依赖于检测水池或液态汞中的涟漪。一种类似于青蛙和龙的装置，具有一个浅盘的汞，当发生震颤时，汞会溢出到周围的小盘中。另一种类型的地震仪是在 18 世纪开发的，它由一个悬挂在天花板上的钟摆组成，并连接到一个指针上，指针拖在一盘细沙中，当钟摆摆动时就会移动。 19 世纪，建造了第一台地震仪；它使用各种类型的钟摆来测量地下振动的大小。

第一台真正的地震仪可能是由意大利科学家 Luigi Palmieri 在 1855 年设计的复杂机构。这台机器使用充满水银的管子，并配有电触点和浮子。当震动扰乱水银时，电触点同时停止时钟并触发记录浮标运动的装置，大致指示地震的时间和强度。 1880 年，英国地质学家约翰米尔恩 (John Milne) 在日本研制出第一台精确地震仪，他通常被称为地震学之父。与外籍科学家詹姆斯阿尔弗雷德尤因和托马斯格雷一起，米尔恩发明了许多不同的地震装置，其中之一是水平摆地震仪。这种精密的仪器由一根加重的杆组成，当受到震动干扰时，它会移动一块裂开的板。板块的运动允许反射光穿过狭缝，以及穿过它下面的另一个固定狭缝。光落在光敏纸上，然后刻下了震颤的记录。今天，大多数地震仪仍然依赖于 Milne 及其同事介绍的基本设计，科学家们继续通过研究地球相对于钟摆运动的运动来评估地震。

第一台电磁地震仪于 1906 年由俄罗斯王子 Boris Golitsyn 发明，他采用了英国物理学家 Michael Faraday 在 19 世纪开发的电磁感应原理。法拉第感应定律假定磁场强度的变化可用于产生电流。结合这一原则，Golitsyn 制造了一台机器，在该机器中，震动会导致线圈穿过磁场，从而产生电流，该电流被馈送到检流计中，检流计是一种测量和引导电流的装置。然后电流会波动一面镜子，类似于米尔恩仪器中引导光的镜子。这种电子系统的优点是记录仪可以安装在实验室等方便的地方，而地震仪本身可以安装在偏远的地方。

在 20 世纪，核试验探测计划使现代地震学成为可能。尽管地震确实存在危险，但直到 1960 年地下核爆炸的威胁促使全球标准化地震仪网络 (WWSSN) 的建立，地震学才能够掌握大量地震仪。 该网络在 60 个国家建立了 120 个地震仪，在它的支持下，地震仪变得更加复杂。二战后开发的 Press-Ewing 地震仪使研究人员能够记录所谓的长周期地震波，即以相对较慢的速度长距离传播的振动。该地震仪使用类似于 Milne 模型中使用的摆锤，但用弹性线代替支撑杆的枢轴以减少摩擦。其他战后创新包括使计时更准确的原子钟，以及可以输入计算机的数字读数。然而，最重要的 本流程图展示了地震仪制造和安装的步骤。使用的主要材料是铝，其次是由铜、钢、玻璃和塑料组成的普通电气设备。基本单元包括在密闭容器内的摆锤，该摆锤通过铰链和金属丝（对于水平单元）或弹簧（对于垂直单元）连接到牢固地固定在地下的支撑框架上。近代的发展是地震仪阵列的实施。这些阵列，有些由数百个地震仪组成，与单个中央记录仪相连。通过比较各个台站产生的离散地震图，研究人员可以确定地震的震中（地球表面上地震源正上方的点）。

今天，地震研究中使用了三种类型的地震仪，每一种都有一个对应于它将测量的振动规模的周期（周期是钟摆完成一次完整振荡所需的时间长度）。短周期地震仪用于研究一次和二次振动，即移动速度最快的地震波。由于这些波移动得如此之快，短周期地震仪只需不到一秒钟即可完成一次完整的振荡；它还放大了由此产生的地震图，以便科学家们能够感知地球快速运动的模式。长（中）周期地震仪中的摆锤通常需要长达 20 秒的时间来振荡，它们用于测量慢速移动的波，例如跟随初级波和次级波的洛夫波和瑞利波。 WWSSN 目前使用这种类型的仪器。摆周期最长的地震仪称为超长 或 宽带 仪器。宽带地震仪被越来越多地用于更全面地了解全球振动。

原材料

地震仪的组件是标准的。最重要的材料是铝，其次是由铜、钢、玻璃和塑料组成的普通电气设备。现代地震仪由一个或多个测量地球振动的地震仪组成。地震仪包括在密封容器内的摆锤（惰性物质），该摆锤通过铰链和金属丝（用于水平装置）或弹簧（用于垂直装置）连接到牢固地固定在地面的支撑框架上。一个或多个电线圈连接到摆锤上并放置在磁铁的磁场中。即使线圈的微小运动也会产生电信号，然后将这些电信号送入放大器和滤波器并存储在计算机内存中以供以后打印。一个不太复杂的地震仪将有一个镜子 将光线照射到光敏纸上（如米尔恩的地震仪）、用快干墨水在一卷纸上书写的笔，或在热敏纸上做标记的热笔。

设计

地震仪的需求量并不高；少数设计定制地震仪以满足特定研究人员需求的制造商可以满足这一要求。因此，虽然地震仪的基本组件是标准的，但可以调整某些功能以满足特定目的。例如，有人可能需要更灵敏的仪器来研究数千英里外的地震事件。另一位地震学家可能会选择一种钟摆周期只有几秒钟的仪器，以便观察地震的最早震颤。对于水下研究，地震仪必须是潜水的。

制造
过程

选择网站

• 1 地震学家可能出于多种原因对站点感兴趣。最明显的一个是该地区是地震多发地区，也许是因为它毗邻地壳中的断层或裂缝。这样的裂缝移动了与它们相邻的地球块之一，导致该块移动到更高、更低或水平平行于断层，并使该地区容易受到进一步不稳定的影响。地震仪也可能安装在目前没有地震仪的地区，以便地震学家可以收集数据以获得更完整的该地区图片。
• 2 虽然出于教育目的，一些地震仪被放置在大学或博物馆的地下室，但地震研究的理想位置会更偏远。为了更准确地记录地球的地震运动，地震仪应该放置在交通和其他振动最小的地方。在某些情况下，可以占用未使用的隧道。其他时候，可以使用天然地下洞穴。地震研究人员甚至可能会选择挖一口井并将仪器放在里面，如果不存在其他地下孔，在那里地震仪被认为是可取的。地上地震仪也是可能的，但它必须位于坚固的岩石基础之上。

组装地震仪单元

• 3 在一家专业工厂组装地震仪的组件并准备发货。首先，钟摆连接到软弹簧（如果是垂直单元）或线（如果是水平单元）并悬挂在圆柱体内 虽然水平地震仪包含一个连接在电线上的摆锤，但垂直地震仪使用弹簧代替。当地震期间地面振动时，钟摆保持静止，而记录器移动，从而记录了地球的运动。
  一些记录仪由一个线圈组成，该线圈产生一个电信号，然后将其存储在计算机内存中以备以后打印。一个不太复杂的地震仪要么有一面将光线照射到光敏纸上的镜子，一面用快干墨水在一卷纸上书写的笔，或一支在热敏纸上做标记的热笔。电线圈之间。接下来，线圈连接到印刷电路板并放置在地震仪主体内。整个单元又可以连接到数字录音机，该录音机接收线圈产生的电流并传输到电路板。如果数据记录设备由更传统的设备组成，例如一卷纸和一支笔，这些设备现在已连接到设备上。根据最终目的地，地震仪由卡车或飞机装在软垫板条箱中，由在搬运精密电子设备方面经验丰富的运输商运送。

安装地震仪单元

• 4 用于教育目的的地震仪可能用螺栓固定在 混凝土中 地下室的地板，但研究地震仪最好远离建筑物不可避免的振动。在需要高精度的情况下，它们要么直接安装在基岩上，要么安装在混凝土床上。在这两种情况下，土壤都被移除并平整地面。在第二种情况下，浇筑混凝土床并使其凝固。
• 5 准备好底座后，将地震仪单元用螺栓固定到位。在某些需要高灵敏度的情况下，它将被安置在温度和湿度得到控制的保险库中。地震仪单元通常安装在选定的场地、洞穴或拱顶内，而放大器、滤波器和记录设备则单独放置。
• 6 在现代地震学中，通常有几个地震仪单元彼此间隔一定距离排列。每个地震仪单元都将信号发送到一个中央位置，在那里可以打印出数据并进行研究。信号可以从设备内置的天线广播，或者，在更复杂的设备中，发射到卫星。

质量控制

地震仪旨在承受各种因素。它们防水防尘，许多设计用于在极端温度和高湿度下工作，具体取决于它们的安装位置。尽管具有灵敏度和保护要求，但已知许多地震仪可以使用 30 年。工厂的质量控制人员检查设计和最终产品，看看它们是否满足客户的要求。检查所有零件的公差和配合，并测试地震仪以查看其是否正常工作。此外，大多数地震仪都有内置的测试装置，以便在之后进行测试。 典型的地震仪包含 3 个摆锤：一个记录垂直运动，两个记录水平运动。地震仪单元通常安装在野外、洞穴或拱顶中，而放大器和记录设备则分开放置。正在安装和投入使用之前。合格的计算机程序员还会在发货前测试软件是否存在错误。虽然灵敏度和准确性很重要，但时机也很重要，尤其是在地震预测中。大多数现代地震仪都连接到一个原子钟，该原子钟校准到世界时（以前称为格林威治时间），从而确保所有研究人员都能理解高度准确的信息。

现代地震仪质量控制的另一个关键方面是最大限度地减少人为错误。虽然早期的地震仪很简单，实际上任何人都可以学习如何使用它们，但现代地震仪是精确、灵敏的设备，复杂且难以使用。今天，如果地震仪研究人员和工人本身不是合格的工程师和科学家，他们必须接受来自制造设施的工程师和科学家的培训。他们必须学习如何运行和维护地震仪以及计算机等所有辅助设备。

未来

地震学以研究地震而闻名。它的重点不是地球结构的理论研究，而是预测和减轻地震对脆弱地区的影响。对地球内部的研究一直致力于寻找油藏、在建造前测试地面不稳定性以及追踪地下核爆炸。然而，地震预测是最重要的。如果研究人员可以事先确定会发生地震，就可以安排增加医院和安全人员等预防措施。美国政府发布的第一次官方地震预报是在 1985 年才进行的。因此，地震预报还处于起步阶段。最近的大地震，例如 1989 年发生在旧金山的地震，加强了对圣安德烈亚斯断层的研究。目前，一组地震学家正在研究该断层的帕克菲尔德段，以确定他们是否可以预测小地震。来自这次尝试的数据可以派上用场，用于预测人口稠密地区的大地震。其他发展包括更灵敏、更耐用的地震仪，可以记录长周期和短周期波。一位地球科学家认为可以建立地震预警系统。这样的系统需要一个地震仪来检测振动，一台计算机将它们解释为即将发生的地震，以及一个及时警告紧急救援人员的通信系统。一些专家设想在地震多发地区有大量地震仪，每个地震仪所有者可以在那里收集数据并将数据传输给地震学家。