地震仪的前世今生，来了解一下

现代地震学是建立在现代地震观测基础上的，并在对地震观测结果的解释和研究过程中不断完善和发展的科学。因而地震观测是地震学的基础，它在地震学乃至整个地球科学的发展中起着非常重要的作用。用仪器观测地震，最早始于我国东汉时期。公元132年，我国东汉科学家张衡设计并制造了候风地动仪。

候风地动仪（图片来自网络）

候风地动仪原理动画

（动图制作取材于中国科普博览相关视频）

候风地震仪是铜铸的，形状像一个酒樽，四周有八个龙头，龙头对着东、南、西、北、东南、西南、东北、西北八个方向。龙嘴是活动的，各自都衔着一颗小铜球，每一个龙头下面，有一个张大了嘴的铜蛤蟆，仪器的内部中央有一根铜质“悬垂摆”，柱旁有八条通道，称为“八道”，还有巧妙的机关。候风地动仪实际上是验震器，只能指示地震的发生，并不能像现代地震仪一样记录地震发生所引起的地面震动过程。它比欧洲创造的类似的地震仪早了1700多年，可惜的是东汉地动仪早已失传，我们看到的地动仪都是后人根据史籍复原的。

敲黑板！！！

《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明：“阳嘉元年，复造候风地动仪，以精铜铸成。员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发，而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”

候风地动仪复原设计图

现代地震观测实际上始于19世纪末，从19世纪末到20世纪初现代地震仪的制成并安装使用，为建立在仪器基础上的现代地震学的研究奠定了基础。

PS：地震仪的组成

地震仪组成

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在19世纪中叶，意大利人卢伊吉·帕尔米里（Luigi Palmieri）在对维苏威火山的观测中制造了一台地震仪，它具有复杂的机械系统，也能记录地震的时间。在1856年的首次使用中，帕尔米里借助他的电磁地震仪通过螺旋弹簧上一物体的运动测到地面的垂直运动，并且通过在U形管内水银的运动测到地面的水平运动。虽然帕尔米里的仪器和那个时代的其他仪器不是现代意义上的地震仪，但是它们确实能给出地震的方向、强度和持续时间，并且能对水平运动和垂直运动都有反应。

意大利地质学家帕尔米里于1856年制造的电磁地震记录仪

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第一台真正意义上的地震仪在1875年由意大利人菲利普·切基（Filippo Cecchi）发明，该地震仪可以记录两个分量（南北分量和东西分量）的地面运动，菲利普·切基的摆式地震仪放大倍数只有3倍，只能记录强震。当时的采集记录装置都是模拟的。

模拟地震记录

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地震仪发展的另外重要一步是1892年在日本取得的，当时访日的英国工程教授约翰·米尔恩（John Milne，1850－1913）在他的帝国大学同事詹姆斯·尤因（James Ewing）和托马斯·格雷（Thomas Gray）的帮助下，研制出记录地震动随时间变化的仪器，他也被誉为“地震仪之父”。这个精妙的装置有一根加重的小棒，在受到震动作用时会移动一个有光缝（一个可以通过光线的细长缝）的金属板。金属板的移动使得一束反射回来的光线穿过板上的光缝，同时穿过在这块板下面的另外一个静止的光缝，落到一张高度感光的纸上，光线随后会将地震的移动“记录”下来。今天大部分地震仪仍然按照米尔恩和他助手的发明原理进行设计，科学家将继续通过研究地壳的移动和摆锤的摆动的关联性来探测地球的震动。该仪器十分轻便且操作简单，因此这种有效的工作地震仪被安装在全世界的许多地方。

现代地震仪的原理

用系在弹簧上的摆，记录地震波运动的垂直分量，同时，用像门轴略有倾斜的门一样摆动的摆，记录与地震波运动方向成直角的两个水平分量

事实上，在1897年加州的里克天文台内由加利福尼亚大学建立和管理的北美第一座地震台上安装的就是尤因的地震仪。

1906年旧金山地震时，加利福尼亚大学里克观测台尤因地震仪在旋转圆盘上记录了地面南北方向和东西方向上的地震波动

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1889年德国地球物理学家维歇尔特（E.wiechert，1861－1928）研制了带阻尼的地震仪，记录信号的带宽进一步提高。维歇尔地震仪是纯机械的地震仪，通过机械柱体到记录器（熏烟记录），便记录到地震波形，周期为1.4秒。两个地震仪外观呈圆柱形，中间各有一个巨大的“钟摆”。地震仪左侧一根细长的“钩子”，这个钩子就是“记录笔”，随着滚轴上下不停地旋转，“钩子”在黑纸上留下了一道道细细的白线。为何黑纸上会留下一道道白线呢？“这卷纸原本是白色的，是在经过了煤油灯烟熏的特殊处理后才变成黑色的。”维歇尔地震仪有一个保持平衡的摆锤，只要地面发生一点点“晃动”摆锤就会运动，其产生的动力也会随之传到“记录笔”上，从而完整地记录整个地震波。

大型水平向维歇尔地震仪

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1906年，俄国人B.伽利津成功地研制出第一台电磁式地震仪，并首次引入电流计记录。在这台机器的设计中，他利用了19世纪由英国物理学家迈克尔·法拉第提出的电磁感应原理。法拉第的感应原理认为磁铁磁力线密度的改变可以产生电荷。在此基础上，格里芩制造出一种仪器，可以在感受到震动时将一个线圈穿过磁场，产生电流并将电流导入检流计中，检流计可以测量并直接记录电流。电流随后移动一面镜子，如同米尔恩所制作的引导光线的金属板一样。这个电子装置的优点在于记录器可以放置在实验室里，而地震仪可以被安放在比较偏僻的的可能会发生地震的地点。

电磁式地震仪原理示意图

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1922年，J.A.Anderson和H.O.wood设计了安德森-伍德扭力地震仪，摆的自由周期为0.8s，放大倍数为2800倍。1930年贝尼奥夫研制出变阻地震仪，放大倍数达20万倍。

安德森-伍德扭力地震仪

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20世纪时，核能测试检测系统的出现促进了现代地震仪的发展。尽管地震会对人身和财产安全造成巨大损失，直到地下核爆炸的威胁促使世界性的地震监测仪网络（WWSSN）于1960年建立后，地震仪才被大规模地投入使用，在60多个国家共设立了120多台地震仪。

现代化的野外地震仪

可放在轻便盒子里（后面），它将数字读数输给计算机，计算机再将读数转换成通常的波形形式显示在屏幕上

现代地震仪另一个最重要的发展是应用地震检波器组合。这种组合，有些由几百个地震仪组成，都连接到一个单独的中心记录器上。通过对不同地点产生的地震波图进行比较，研究者可以压制随机干扰，提高信号的性噪比，也能提高空间采样密度。

资源勘探中地震检波器组合

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数字地震仪指的是使地震记录数字化（曲线必须用数值以等间隔表示，相当于连续曲线）的地震仪。数字地震仪可直接获得一系列数字记录（或其它某种数据形式）取代连续记录，采用高级数据转换器和磁带记录。中国数字化地震台网（CDSN）初期有九个宽频带大动态范围数字化记录观测台站。现在国家数字地震台网是一个覆盖全国的地震监测台网，台站布局采用均匀分布的原则，由152个超宽频带和甚宽频带地震台站、2个小孔径地震台阵、1个国家地震台网中心和1个国家地震台网数据备份中心组成。

数字地震仪

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我国的地震仪器发展稍晚于国外，第一台国产近代地震仪——霓式（Ⅰ型）水平向地震仪，于1943年在重庆研制成功，其设计者是著名的地震学家李善邦教授。霓式地震仪采用水平摆机械结构，记录到了多次国内外地震，开启了国产地震仪的大门。

霓式（Ⅰ型）水平向地震仪

第二次世界大战后，地震仪的研究又有重要进展。运用电子放大方法大大提高了地震仪的放大倍数，从千倍级提高到数万倍，甚至数百万倍，观测频率范围大大扩宽，遥测技术也有很大的发展。1969年由“阿波罗11号”登月飞船宇航员安放了一台地震仪，通过地面遥感记录装置，得到了不少有关月球内部构造、月球运动和组成成分的信息。

地震仪不仅是观测地震的仪器，它也是探测地球内部构造的重要手段。利用人工爆炸产生的地震波传入地下可探测这个区域地下地层的构造。1923年美国利用此方法发现大量油田。因此，地震仪又是勘探石油、天然气的不可缺少的工具。此外，地震仪还可以侦测地下核试验爆炸。

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现代地震仪及内部结构