地震觀測

地震觀測

地震前自然界出現的與地震孕育有關的現象稱為地震前兆、我國古代人民在長期實踐中,早就開始認識到地震是有前兆的,並留下了豐富的關于地震前兆的記載。例如:1739年寧夏銀川地震以後,有人就總結出地震與井水變化、動物不安、震前地下發聲、天氣反常現象之間可能存在某些聯系。

  • 中文名稱
    地震觀測
  • 外文名稱
    seismological observation
  • 儀器台站
    120
  • 起    源
    地動儀
  • 第一張地震圖
    1889

讀音

dizhen guance

地震觀測

地震觀測地震觀測

seismological observation

簡介

用地震儀器記錄天然地震或人工爆炸所產生的地震波形,並由此確定地震或爆炸事件的基本參數(發震時刻、震中經緯度、震源深度及震級等)。地震觀測之前有一系列的準備工作,如地震台網的布局,台址的選定,台站房屋的設計和建築,地震儀器的安裝和調試等。儀器投入正常運轉後,便可記錄到傳至該台的地震波形(地震圖)。對地震圖加以分析,識別出不同的震相(波形),測量出它們的到達時刻、振幅和周期,就可以利用地震走時表等定出地震的基本參數。將所獲得的各次地震的參數編為地震目錄,定期以周報、月報或年報的形式出版,成為地震觀測的成果,也是地震研究的基本資料。

發展歷史

公元138年,中國東漢時期的科學家張衡設定在洛陽的一台候風地動儀檢測到了一次發生在甘肅省內的地震。這是人類歷史上第一次用地震儀器檢測到地震。1889年英國人米爾恩(J.Milne)和尤因(J.A.Ewing)安置在德國波茨坦的現代地震儀記錄到了發生在日本的一次地震,獲得了人類歷史上第一張地震圖。以後的幾十年中,地震觀測水準有了很大提高20世紀60年代初期開始,美國海岸和大地測量局(USCGS)設定了包括120個分布在世界各地的標準化儀器台站,稱為世界標準地震台網(WWSSN)世界多地震的國家也陸續建立了各種尺度的地震台網。全球範圍內,由國際地震學中心收集和整理來自世界各地約850個地震台的觀測資料,用電腦測定地震基本參數,並編輯出版國際地震中心通報(BISC)。

1949年中華人民共和國成立後,幾個多地震的省份都設立了區域地震觀測網,目前全國已有20多個基準台參加了國際地震中心的資料交換。

台網布設

為了研究某一地區的地震活動,可布置一個區域台網,由幾十個至百餘個地震台組成,各台相距數公裏,或幾十至百餘公裏。各台檢測到的地震信號多是用有線電或無線電方法迅速傳至一個中心記錄站,加以記錄處理。對于某些特殊任務,例如地下核爆炸的偵察,可布設一個由幾十個地震台組成的、排列形式特殊的台陣,使台陣對某個方向來的地震波特別敏感,並抑製噪聲。為了研究大震的餘震,或為在預期將發生地震的地區觀測前震和主震,還可布設一個由10~20個地震台組成的臨時台網或流動台網。各台所收到的地震信號多是用無線電方法傳至一個臨時記錄中心加以記錄,或在各無人管理的地震台上用慢速磁帶記錄。地震活動平息後,即可轉移到其他地區進行觀測。

一般認為,研究全球的地震活動應每隔1000公裏左右就設定一個設備較完善的地震台。

記錄方式

地震信號的記錄方式主要有3種:

①可見記錄

用一個與地震儀檢波器相接的特製筆尖把地震信號記錄在一張不停地向前運動著的紙上。用這種方式記錄,觀測者可以隨時看到記錄到的地震波形。

②照相記錄

把地動信號先變成電信號,再送入一個鏡式靈敏電流計中,供反射光點把地動記錄在照相紙上。

③磁帶記錄

把地震信號用模擬或數位方式記錄在磁帶上。它的優點是體積小,容量大,便于儲存、復製和攜帶。這種記錄方式為用電子電腦處理地震圖提供了極大的方便。

時間服務

地震觀測系統中的計時工作稱為時間服務。必須準確地測定地震波各個震相的到達時刻,並在記錄地震波形的同時記錄下來,才能對地震作進一步的研究。為此,要通過一定的裝置使記錄器同一個計時器相接,在地震圖上記下秒號、分號和時號。以前地震台上計時是使用機械鍾,現在多採用石英鍾,每日誤差不超過幾毫秒或幾十毫秒。地震台上還備有無線電接收機,按時接收無線電台或人造衛星上發來的標準時刻信號,對台上的時鍾加以校準。

一般計時和計算日序都使用世界時,現在通用世界協調時(UTC)。為了監測某一地區的地震活動,並同當地生活日程一致,可以使用地方時。但國際上交換資料時應一律換算成世界時。

地震參數的測定

獲得地震圖後,就可依據地震波形及其到時來測定地震參數。在對地震圖進行分析處理時,首先要根據波形特征和波動持續時間來判斷該地震是屬于地方震、近震,還是遠震或極遠震。其次根據面波是否發育來判斷該地震是屬于淺源地震,還是屬于中源或深源地震。在此基礎上較易于正確地識別各震相。

①震中位置的測定

由多年觀測的資料,可把從已知地震的震中至已知地震台的距離 (震中距)和各震相從震源傳播到各地震台所需的時間(該震相的走時)編列成走時表或繪成一組走時曲線。當發生一個新地震時就可利用某兩種波的走時差來求得震中位置。例如,P波的傳播速度比S波快,因此P波同S波的到時差愈大,震中距就愈大,即地震愈遠。量得了這個到時差S-P,就可以從走時表或走時曲線上查出震中距。另外,把記錄到的P波的3個分量的振幅(P波最先到達,且最清楚)除以儀器的放大倍數,折算為地動位移的大小;將3個分量合成地動矢量,即可判明地震波傳來的方向。有了距離和方向,即可定出震中位置。僅用一個台的資料所定的震中位置很不準確,如果用許多台的資料則精度可以提高。例如採用3個台的資料,可以求得3個震中距,以3個震中距為半徑,以各台為圓心,則所作的3個圓相交于一點或近似相交于一點,這點即為震中。在較近的距離,還有其他震相可以利用,作圖方法也有許多種。震中距超過1000公裏時,便不能把地面視作平面,而必須考慮地面的曲度,必須用球面三角方法來計算震中位置。

上述作圖方法雖然直接、簡單,但對遠震則很不適用,特別是方位如有微小誤差,在遠處就可能引起很大的誤差。現在常用的方法是先假定一個大致的震中位置和震源深度,由此計算出地震波從震源傳播至各地震台的走時,並與實際觀測值相比較,然後對假定的震中位置和震源深度略加修正,再重復上項計算,如此迭代直至誤差小到令人滿意為止。此法能盡多地利用各台站的觀測資料,所得結果較準確。

②發震時刻的測定

震中位置或震中距離測定之後,就可按走時表查出或用公式算出某波的走時,從觀測到的該波的到時中減去此值,即得到發震時刻。

③震源深度的測定

如果是近震可用作圖法測定。從震源到地震台的震源距離 D同S波與P波的到時差S-P成正比。其比值叫虛波速度,即在該區域內S波速度的倒數同 P波速度倒數的差。在不大的範圍內其值尚穩定。倘若共有3個台觀測到某地震,就可以此3台為中心,以此3台所測到的S-P乘以虛波速度為半徑,畫3個向下的"半球面",此3個"半球面"相交之點即為震源。其深度可用簡單平面作圖法求得。如為遠震則不能用此法。遠震發出的波有一部分P波從震源直接傳至地震台,另有一部分P波先近乎垂直地傳至地面,經反射後再傳至地震台,名pP波。因pP波與P波的到時差是震源深度與震中距的函式,由此即可計算震源深度。當這類震相辨認不清時,測定震源深度即很困難。

④震級的測定

地震的大小或強弱以震級表示。地震愈大,地震的震級數愈大。地震儀上所記到的地動位移振幅除同地震震級有關外,還同震中距、儀器的自然周期和放大倍數、儀器的安置方式、地震波的傳播途徑以及台站的地質條件等有關。傳播途徑和台站地質條件的影響常視為一種固定的改正值;儀器的性能和安置也是不輕易改變的,故從地震圖上量得地震波的最大幅度(及地震波的周期)以後即可計算震級。近震多是用短周期儀器記得的,測其 S波的最大振幅,除以放大倍數(折合成地動位移,以微米計),取其常用對數,再加上改正值即得近震震級,以ML表示。對遠震則多是測量周期為20秒左右的面波振幅(地動位移,單位為微米)除以地震波的周期,取其常用對數,再加上與震中距有關的常數,即得面波震級,以MS表示。對深源地震因其面波不發育,計算P波或S波的水準分量的主振動振幅(地動位移,以微米計)和其周期之比,取其常用對數,再加上同震中距有關的常數而得到體波震級,用表示。這3種震級(ML、MS、)的定義不同,其間有系統性差異。

作用理論

基本作用理論

基本作用理論又叫作用現象理論。這一理論強調:○1作用是現象,作用現象的量叫作用量,力是作用速度;○2動量生成作用量;○3相對動量生成相對作用量;○4運動物自身的動量是控製其自身運動的作用量,記為A0;○5在碰撞現象中,作用物相對于受作用物運動的動量等于作用量,記為A;相對于作用物,受作用物獲得的動量增量等于實作用量,記為AT;○6受作用物的運動受初始作用量(又叫它自身的初動量,也叫控製它自身運動的初始作用量)A0和它接受外界作用獲得的實作用量AT之向量和。即,設作用物的質量是 m,它的運動初速度是v,它在外界作用中獲得的實作用量是AT,那麽,控製它運動的作用量是

A=A0+AT=mv+AT.

若它受的外力是 F,它運動和受作用的時間是t,那麽,控製它作曲線運動的作用量是

A=A0+Ft.

虛實作用理論

虛實作用理論強調:○1作用由虛作用和實作用兩部分組成。物質受作用叫實作用,空間受作用叫虛作用。佔有空間、出讓空間、躲閃、屏護等現象是虛作用,沖撞、阻擋是實作用。○2虛作用量AF等于虛度E與作用量A之積。○3實作用量AT等于實度T與作用量A之積。○4虛度是說明受作用物的軟弱、松散、可動、可侵、可變等狀態特征的自然參數;實度是說明受作用物剛強、堅固、不可動、不可侵、不可變等狀態特征的參數。○5由自然的對立統一規律所決定,虛度E和實度T之和等于1.但是,虛度和實度兩者相互對立,分別反映物體性質的正反兩個方面。○6虛作用和實作用也具有對立統一規律。因此,虛作用量AF與實作用量AT之和等于作用量;虛力FF=AF/t與實力FT=AT/t之和等于力F.

作用學概念與力學概念的聯系與統一理論

根據作用學,力學中的合力、阻力(反作用力)和力與作用學中的虛力、實力和力存在統一關系。作用在受作用面上的合力等于受作用面受的虛力,作用在受作用面上的實力等于受作用面受的阻力(作用物受的反作用力)的負值;作用面受的力在力學中與在作用學中的含義相同。在具體問題研究時,我們可以將受作用體看作是一個受作用面。

作用學的物質關系理論

為了消除相對性問題,作用學強調物質關系變化的觀測研究。

設 m1和m2分別是兩地質體的質量,d0是兩者間的初始距離,l1和l2分別是兩者的地殼運動距離,其中,l1=v10t+a1t2/2=v10t+F1t2/2m1,l2=v20t+a2t2/2=v20t+F2t2/2m2,則有 m1與 m2間的物質關系變化量為

△φ=△m1m2r=m1m2(dt-d0)=△m1m2l

=m1m2(l2-l1)=m1m2∫0t[(v20+∫0tF2dt/m2)-(v10+∫0tF1 dt/m1)]dt

控製兩者關系變化的"力"是F=m1m2a=m1F2-m2F1.但實際上,F根本不是力,隻是關系變化加速率。如果地球質量是 M,那麽,其部分m1和m2與地球間的關系距離增量分別是

△R1=R1t-R10,△R2=R2t-R20,

兩者之差等于部分與部分之間的關系增量,也等于兩者的運動距離之向量差,即

△R2-△R1=dt-d0=l2-l1=∫0t[(v20+∫0t F2dt/m2)-(v10+∫0t F1 dt/m1)]dt

由此可知,地球內的物質關系變化與岩體運動是相互統一的。

地震運動方程

地震行為實際上就是地質體受作用面上的個質點的振動向四周傳遞而成為地震波的波動行為。而地震預測是尋找引發地震的受作用面(或受作用體)、並確定其形成的時間、預計其震動的幅度大小。

設任意兩個地質點間的距離增量是△d=dt-d0,根據物質關系理論,關系變化速度

U=(v20+∫0t F2dt/m2)-(v10+∫0t F1dt/m1)

就是地殼運動速度,該方程就是地殼運動方程。當兩地質點間距變化經歷了漫長的微變後突然發生巨變,進而形成地震,此時,該方程就是地震運動方程。根據波動與作用間的關系

Y=∫x/ut(v+∫x/utRdt/ρ)dt

(式中,ρ表示波前質點的質量;x是ρ與波源之間的原始距離;t是波動時間;u是波的傳播速度;R 是ρ受的彈性阻力),得波前質點的波速 U與質點運動初速度 v、所受阻力R之間的關系式

U= v+∫x/utRdt/ρ.

在地震發生前,地震波前和地震波源質點的運動速度

U= v+∫ x/u t Rdt/ρ

值趨近于零,地殼處于相對穩定狀態,隻有當

U =v+∫ x/u t Rdt/ρ

突然劇增到極大值時,地震才會發生。地震發生在震源,然後以被動波的形式向外傳遞。式Y=∫x/ut(v+∫x/utRdt/ρ)dt就是地震波的傳遞方程式。在地震傳遞過程中,波前面出現變形,其變形方程式是

△V=∫∫Yds=∫x/ut[(v+∫x/utRdt/ρ)dt]ds.

雖然地震總是突然發生的,但與震源有關的地殼物質和空間在地震前都會經歷從緩慢變化到急劇變化的過程。地震觀測就是觀測地震發生前後發生在各地區的物質與空間智關系變化現象。通常,地殼物質運動或地震,都遵守行為方程,即,地震質點的運動動量行為,等于它所受的一切實作用量的向量和。

作用學的變形與抗變形理論

為使地震觀測方向明確和觀測資料有實用價值,作用學建立了變形、抗變形與作用之間的關系理論。作用學認為,變形量與作用量之間存在直接關系。有何種作用,就有何種變形。地殼運動與地殼變形都受地質作用控製。地殼變形與其控製作用之間的一般關系式是

△X =∫ 0 t(F+∫ 0 t R dt)dt/m= ∫0 t EAdt/m.

式中,F為驅使地殼變形的主動作用力; R是所有因F作用而生的反向作用力之向量和; m是作用物的質量,A=Ft;E是變形岩體的虛度,反映岩體的可變性能,與實度 T相反,T=1-E反映岩體的不可變性和抗變性。

地震觀測對象

要進行地震預測,我們必須進行地震觀測。要進行地震觀測,首先必須明確地震觀測的基本任務,首先必須明確我們應該觀測什麽。根據作用學,地震觀測至少需要確定力、阻力和虛力中的兩個力和一個虛度或實度參數。即,隻要能測到力、阻力和虛力三個量,我們就可以進行地震預測。因為,對地震預測最有用的是虛度和實度參數。當作用面或地質體實度很大、虛度很小時,地殼穩定不動,不發生地震;當作用面或地質體實度逐漸變小、虛度逐漸變大時,它便處于地殼運動狀態,地震便趨向發生。在實度突然變為極小值、虛度突然變為極大值的那一瞬間,便是地震發生之時。而,虛度等于虛力與力之比,實度等于阻力與力之比的負值。

○1力值的測定 在實際觀測中,地質體受的主動力不易測定,而地殼質點受的合力可以測定。即,根據牛頓定律,通過測定質量ρ、運動距離增量l、運動時間t來確定合力值。其數學表達式為

FF =ρd2l/dt2或FF=md2l/dt2.

若能通過對地質體周圍物質和空間的動態變化來確定地質體受的驅動作用合量值,就可以獲得我們所需要的虛實度參數值。即,

E=FF/F,T=1-E.

根據作用學,我們可以將所用通過地質體所在空間運動的物質相對于地質體運動的瞬間動量之合量看作是該地質體受的合力。根據力學,這個合力就等于地心引力、周圍各天體的引力、自傳慣性力、陽光照射產生的沖擊力、大氣壓力、風流沖力、大氣降水、地表水體、地下降水、河流等的作用力、它地質體運動產生的作用力等等的合量。

○2震中異常點的觀測確定 地震發生有特定地點,但這種地點並不是固定地點。因此,地震觀測必須在大區域範圍、全方位進行。通過觀測整個地表的差異運動,可以確定突發地震震中的地殼異常帶。這項工作該怎樣進行還得依賴于現代科技與當代科學家。

○3引震質量的確定 引震質量是指由相對平靜到突然運動的地質塊體的質量。如在岩漿熱力與上涌壓力作用下突然上升運動從而引發地震的地殼部分的質量就是引震質量;突然破裂、下沉運動、引發地震的深大斷裂上盤的質量也是引震質量。在地震發生前後,引震質量逐漸從地殼整體中分離出來,並獨立運動、呈現出明顯的運動異常。通過大區域、全方位地連續觀測,我們在地震即將來臨之前,可以確定其質量。引震質量位于震中區,不僅通過確定引震質量可以確定地震震中,而且,其質量的大小直接關系到震級的大小,通過引震質量的確定還可以確定震級大小。因此,觀測確定這個質量很重要。

另外,引震質量是否突然運動還受其周圍空間條件控製,觀測中掌握地殼的物質分布狀態和其周圍的空間環境也是非常重要的。

地震觀測資料的分析

根據觀測資料,我們可以通過繪製地殼運動等值線、分析其發展變化狀況來了解掌握地震可能發生的地點、時間與強度。根據作用學,

地震發生的時間是

t=(It-I0)/ (1-T)F;

地震的強度是

It=I0+(1+T)Ft.

地震與"風""水""龍脈"

國際東西方大學環境景觀生態學專家董斌研究員:如果是學者,不妨請走出來,大家交流交流,所謂龍,就是"山"的形象的說法,是上風上水的庇護地,因為地勢較高遠,地形地貌較復雜,才被前人形象的稱為"龍",一般的上風上水的地方,就是龍脈,脈不僅僅指山,也指水,俗話說"地脈"、"水脈"。在地理學名詞中, "地脈,英文Earth Pulse ,翻譯為"大地脈動", "水脈"即 "水脈波(水流脈動Water PULSE)",這些都是風水場,風水就是科學,但是既懂科學又懂環境景觀生態堪輿風水學的人太少了。在古代的東方,因為認識不到這些現象都是可以通過科學名詞定義的自然堪輿風水現象,把龍脈理解為"山脈"是可以理解的,這個出自于遠古人的圖騰崇拜和對大自然的敬畏,叫做"龍脈",非常形象,力量巨大而變幻莫測,這是中國古代關于"龍"的描述,是一種擬物修辭的描述。事實上,自然界的山脈運動也確實是力量巨大。足以用"龍"這一名詞來描繪,也許遠古人類所見過的強烈地震正如他們所曾見到的食肉恐龍一樣"張牙舞爪"凶猛可怕。《左傳》上說"龍降于絳郊",古人一定見過龍這種生物,這是一定的,隻是後來這種隻局限于生活在中國的動物滅絕了,所以我們今天,一定要保護瀕臨滅絕的珍惜生物,這些生物存在,說明生態與人類和諧相處,實現了人與生態的和諧相處。最近幾天,因為學術研究項目,我經常跟我們的成中英校長交流,談到主體與客體要實現和諧共生的問題,我們一談就是幾個小時,講這個問題,科學的觀點不能否定,迷信的東西和神秘的觀點一定要放棄、拋棄。

以北京為例,北京西北,百望山、玉泉山、西山,就是北京的"地理龍脈",這裏的"地理龍脈"要發揮好作用,就能起到擋風沙、阻擋污物進入北京的作用,這裏一定要建設好,保護好。眾所周知,北方的西北風季節時間很長,西北向的風流對北京有很大的影響。北京西北這裏的優美的自然景色聚合了生態宜居環境的很多功能、大部分功能,這裏也是中國的"人文龍脈",中國最早的大學教育從這裏起步,眾多高等學府,而且他們都建設在有優美的自然環境的區域和有深厚的歷史底蘊基礎的區域。但是,北京西北郊的阿蘇衛垃圾填埋場和六裏屯垃圾填埋場,建在了北京市西北郊的山區,這個就是缺乏環境景觀與環境生態管理意識和環境景觀與環境生態管理統籌規劃的表現,作為主要致力于研究生教育和高等學術研究的教育機構,國際東西方大學環境生態管理學院計畫將要開設這個課程的碩博士學位。

我剛才說過,在地理學的名詞中,"地脈(Earth Pulse大地脈動)" 、 "水脈波(水流脈動Water PULSE)",這些都是風水場,這些風水就是科學,比如"水脈波",水脈波是地下水在流動時因受到障礙產生沖擊而形成電力和磁力場。這種波動力量能穿透地表到達地面,使建築物牆體開裂,植物生長不旺盛,也可以讓人體腦波和電磁體發生混亂,妨礙生理律動,如長期處于水脈波之上會導致中風、血壓升高、心脾肥大等疾病。比方說:"有時候我們會覺得睡得很不舒服,而換個地方反而會改善,這就是水脈波造成的直觀表現。這在東亞地區千年以來一直被理解為"瘴氣"和"風水"。

地震與所謂的"龍脈"(包括地脈與水脈波)的變化相關麽?這個是一定的。地震引發龍脈變化,"地脈,Earth Pulse,也就是大地脈動"和"水脈波, Water PULSE,即水流脈動的運動變化,大地脈動也就包括板塊運動,中國地質調查局日前召開汶川地震及其誘發次生地質災害情況分析會,對災情進行"會診"。初步認為,汶川地震是印度板塊惹的禍,是逆沖、右旋、擠壓型斷層地震。地球每隔十幾年就要爆發間隔性的變化,這是地震學家共知的事情。地球上的十幾個板塊之間的邊界上都存在著相對運動,另外每隔11.2年左右太陽的變化有一次高峰,即黑子相對數有極大,這個也是天體運動場、風水場。

科學家們認為,印度板塊向亞洲板塊俯沖,造成青藏高原快速隆升。高原物質向東緩慢流動,在高原東緣沿龍門山構造帶向東擠壓,遇到四川盆地之下剛性地塊的頑強阻擋,造成構造應力能量的長期積累,最終在龍門山北川-映秀地區突然釋放,爆發了罕見的汶川地震。

其它詞條