文/馮銳 等

張衡和地震儀器

文/馮銳 等

千古之謎留人間

國(guó)際科學(xué)界普遍公認(rèn)，世界上最早成功測(cè)出地震的儀器—地動(dòng)儀，是由我國(guó)東漢的張衡（78-139年）發(fā)明的。張衡發(fā)現(xiàn)：懸掛物對(duì)山體崩塌、滑坡還有馬車(chē)行走產(chǎn)生的震動(dòng)都表現(xiàn)為紋絲不動(dòng)，而在發(fā)生地震時(shí)卻明顯地?fù)u晃不止。根據(jù)這一原理，在公元132年發(fā)明了地動(dòng)儀。

根據(jù)《后漢書(shū)·張衡傳》記載，地動(dòng)儀由青銅鑄造，外形與漢代酒樽相似，穹隆的頂蓋下有8個(gè)龍首，龍首各含一個(gè)銅丸，面向八個(gè)方向均勻分布。器壁上雕刻有篆字、龍、鳳、虎、龜?shù)燃榧y飾。在儀器底部，與龍首垂直相對(duì)應(yīng)，設(shè)置了8個(gè)張嘴的蟾蜍，蟾蜍同時(shí)擔(dān)負(fù)托載整個(gè)儀器的任務(wù)。儀器內(nèi)部中央懸吊著一個(gè)沉重的“都柱”。發(fā)生地震時(shí)，隨著地動(dòng)儀外殼的劇烈晃動(dòng)，引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)：“都柱”碰觸機(jī)關(guān)，龍首張嘴，龍首內(nèi)的銅丸掉落，銅丸落到蟾蜍嘴里發(fā)出響聲，響聲告訴大家：“地震發(fā)生了！”

公元134年12月的一天，位于東漢首都洛陽(yáng)的地動(dòng)儀忽然出現(xiàn)了反應(yīng)—八個(gè)龍首中的一個(gè)吐出銅丸！大家都很詫異，因?yàn)闆](méi)有人感覺(jué)到地震的發(fā)生。過(guò)了幾天，從甘肅隴西傳來(lái)發(fā)生地震的消息，大家這才深信地動(dòng)儀具備靈敏的測(cè)震功能?；实厶嘏鷮?zhuān)為地動(dòng)儀鑄造銅鼎，以彪炳史冊(cè)。

這些情況在記載東漢歷史的《后漢書(shū)》、《后漢紀(jì)》、《御覽》、《續(xù)漢書(shū)》等8本史書(shū)里都有明確的描述。

8本東漢史書(shū)都對(duì)地動(dòng)儀有明確的記載

令人遺憾的是，東漢末年天下大亂，公元190年以后，首都洛陽(yáng)陷入極其嚴(yán)重的戰(zhàn)火動(dòng)亂之中，城池被焚，百里無(wú)人煙，軍閥混戰(zhàn)，政府失效，連皇帝都自身難保。這場(chǎng)大亂導(dǎo)致地動(dòng)儀和其他天文、氣象等儀器被全部毀壞，技術(shù)也徹底失傳。據(jù)史料記載，張衡繪制的地動(dòng)儀圖樣曾與文字一起鑄在銅鼎上，后來(lái)銅鼎被運(yùn)到張衡故鄉(xiāng)南陽(yáng)，沉沒(méi)在當(dāng)?shù)氐暮拥乐?。隨著歲月流逝，銅鼎的去向渺無(wú)蹤影。

就這樣，張衡地動(dòng)儀的測(cè)震過(guò)程成了千古之謎。

古書(shū)里殘留的記載，共254個(gè)字，被束之高閣，人們對(duì)它的印象漸趨模糊。

宋元明清的諸代文人學(xué)士始終想不通：隴西距離首都洛陽(yáng)千里之遙，涼州邊陲發(fā)生了地震，為什么中原的地動(dòng)儀能察覺(jué)到呢？是地氣作怪，還是上天在開(kāi)玩笑……

誰(shuí)也沒(méi)想到，一直要到一千多年后的19世紀(jì)末期，史書(shū)上地動(dòng)儀的記載，才能重新煥發(fā)出耀眼的光芒。

現(xiàn)代科學(xué)家們猜想張衡地動(dòng)儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

19世紀(jì)末，英國(guó)有個(gè)從小對(duì)大自然充滿好奇的年輕人，名叫約翰·米爾恩（John Milne）。他在學(xué)生時(shí)代曾經(jīng)到中東的沙漠里探險(xiǎn)，大學(xué)畢業(yè)后從事地質(zhì)和礦物學(xué)研究。1875年，米爾恩被日本東京帝國(guó)大學(xué)聘為教授。當(dāng)時(shí)從歐洲去東亞，尚不通鐵路，也沒(méi)有飛機(jī)，所以遠(yuǎn)涉重洋去赴任可不是件輕松的事情。

米爾恩從英國(guó)到日本的旅行路徑

米爾恩

25歲的米爾恩用了1年多的時(shí)間，憑借步行、涉水、騎馬、乘爬犁等原始辦法，居然一個(gè)人徒步橫穿歐亞大陸從西方走到了東方。在中國(guó)，他訪問(wèn)了北京、天津、鎮(zhèn)江和上海，親眼目睹了長(zhǎng)城和大運(yùn)河，中國(guó)古老文化的悠久底蘊(yùn)和輝煌給他留下刻骨銘心的印象。到達(dá)日本之時(shí)，大家都驚嘆他還活蹦亂跳！

日本是世界上地震最多的國(guó)家之一，米爾恩在1876年3月到達(dá)日本的當(dāng)夜就感受到了地震，并且在一個(gè)月內(nèi)遇到十余次。這些切身經(jīng)歷讓他對(duì)當(dāng)時(shí)人們尚不清楚的地震，有了很強(qiáng)的興趣，他在研究過(guò)程中，見(jiàn)到了日本學(xué)者服部一三于1875年繪制的張衡地動(dòng)儀的復(fù)原猜想圖，這讓米爾恩非常震驚：1700多年前，中國(guó)的張衡居然已經(jīng)發(fā)明過(guò)一種儀器，能測(cè)到遠(yuǎn)處的地震。按理說(shuō)，古人能做出來(lái)的，后人沒(méi)有理由做不出來(lái)，于是他根據(jù)中國(guó)古文的記載，在住所和餐廳里對(duì)地動(dòng)儀的結(jié)構(gòu)做了大量的試驗(yàn)。

1880年2月22日的凌晨，日本橫濱發(fā)生地震，米爾恩在東京被晃醒，他清醒地看到頭頂上的吊燈劇烈搖晃，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用的單擺晃動(dòng)幅度竟然達(dá)到2英尺之巨。

米爾恩的著作是現(xiàn)代地震學(xué)的開(kāi)山之作

通過(guò)這次切身體驗(yàn)，米爾恩明白了張衡的想法：地震時(shí)的一切物品都處于劇烈運(yùn)動(dòng)中，必須有一個(gè)相對(duì)靜止不動(dòng)的物體作為參照，才能對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)牛頓第一定律，靜止不動(dòng)是一種慣性，那就必須要找到一種在地震的時(shí)候慣性不會(huì)被打破的物體。

什么物體能在地震發(fā)生時(shí)保持自己原有的慣性，相對(duì)靜止不動(dòng)呢？中國(guó)的張衡可能已經(jīng)找到了答案—懸掛物。

1883年，米爾恩高興地把中國(guó)古書(shū)中有關(guān)地動(dòng)儀的記載翻譯成英文，率先向西方作了介紹，還繪制了他的復(fù)原猜想模型。他指出，張衡是第一位利用懸垂擺慣性原理測(cè)震成功的人，特別強(qiáng)調(diào)：“張衡地動(dòng)儀的價(jià)值決不僅僅在于它是一個(gè)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(shí)代的科學(xué)儀器以許多有意義的啟迪?！?/p>

米爾恩繪制的張衡地動(dòng)儀復(fù)原模型

于是，他推斷：地震有可能產(chǎn)生波動(dòng)，向四面?zhèn)鞑?，才有可能被地?dòng)儀的懸垂擺觀測(cè)到。

看樣子，中國(guó)地動(dòng)儀之謎已經(jīng)顯露端倪。

能下結(jié)論嗎？還不行。

日本國(guó)土太小，如果有地震波，現(xiàn)有的觀測(cè)精度不夠。中國(guó)幅員廣闊，但張衡地動(dòng)儀失傳了，千年的古老故事很優(yōu)美，卻沒(méi)法進(jìn)行證明。

躊躇滿志的米爾恩只能等待機(jī)會(huì)。

秘底終于被揭露

科學(xué)研究富有魅力，傳奇的彩云總會(huì)緊隨相伴。

就在日本的米爾恩陷入冥思苦想之時(shí)，德國(guó)出現(xiàn)了一件怪事情。

那是1889年4月17日的傍晚。

德國(guó)波茨坦的天文臺(tái)有位青年觀測(cè)員，28歲，叫帕什維茨，正在觀測(cè)月球引力下的固體潮變化，水平擺重力儀已經(jīng)配備上了感光記錄器。他突然發(fā)現(xiàn)記錄光點(diǎn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間17時(shí)21分出現(xiàn)了異常，那是一個(gè)有規(guī)律的波動(dòng)性質(zhì)的信號(hào)。決不可能起因于月球擾動(dòng)，又不可能是人為的干擾……。它是什么？一時(shí)無(wú)法解釋。

帕什維茨

苦苦追索幾個(gè)月后，他終于從《自然》刊物中發(fā)現(xiàn)：日本的熊本發(fā)生過(guò)一次6.3級(jí)地震，發(fā)震時(shí)刻為波茨坦時(shí)間當(dāng)年4月17日17時(shí)07分。這意味著，相距8800余千米的日本發(fā)生的地震，竟然能夠在14分鐘后的德國(guó)被他的儀器捕捉到！

天啊，這不就是地震波嘛。

這一重大發(fā)現(xiàn)，隨后在英國(guó)的著名刊物《自然》發(fā)表出來(lái)，轟動(dòng)世界。

帕什維茨的過(guò)硬記錄，證實(shí)了地震波的客觀存在，即“由震源發(fā)出的彈性運(yùn)動(dòng)能夠通過(guò)地球本身而傳播?！币沧C實(shí)了利用擺的慣性進(jìn)行測(cè)震的正確途徑，預(yù)示著“地震觀測(cè)資料提供了一個(gè)間接獲取有關(guān)地球內(nèi)部狀況信息的方法?！?/p>

辯論和猜測(cè)已經(jīng)結(jié)束，這個(gè)發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了科學(xué)認(rèn)識(shí)地震的新天地。

從此，慣性和地震波的概念建立起來(lái)。地震動(dòng)的區(qū)域需要?jiǎng)澐殖烧鹪磪^(qū)和波動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分。震源體積再大也是有限的，而波動(dòng)區(qū)域卻非常遼闊，強(qiáng)者可波及全球。

張衡地動(dòng)儀的千年謎底也被揭開(kāi)—中國(guó)人早在公元134年就已經(jīng)觀測(cè)到了地震波動(dòng)信號(hào)。

西方從此把地動(dòng)儀稱(chēng)為“中國(guó)驗(yàn)震器”（Chinese Seismoscope），公元132年被世界公認(rèn)為人類(lèi)首臺(tái)地震儀器的誕生年份。

令人心痛的是，帕什維茨不久得了肺結(jié)核，年僅34歲便離世而去。

根據(jù)他生前的倡議，1901年4月11日在法國(guó)斯特拉斯堡成立了國(guó)際地震協(xié)會(huì)，幾十位各國(guó)學(xué)者出席會(huì)議，現(xiàn)代地震學(xué)正式起步。

世界上第一張地震波記錄圖

現(xiàn)代地震儀的誕生

米爾恩認(rèn)真分析了帕什維茨的水平擺重力儀結(jié)構(gòu)。終于明白了張衡地動(dòng)儀和它的結(jié)構(gòu)關(guān)系—只要把懸垂擺的擺桿置于水平狀態(tài)就能成為水平擺地震儀。

從這個(gè)思路出發(fā)，米爾恩采用硬擺桿、吊絲提拉重錘等技術(shù)，在1893年發(fā)明了世界上第一部現(xiàn)代地震儀—高50厘米、長(zhǎng)1米，擺錘500克，周期幾百秒，配有記錄器。

測(cè)震儀器從懸垂擺到水平擺的演化

1893年，米爾恩首先在日本正式組建了地震臺(tái)網(wǎng)，布設(shè)了他的測(cè)震儀器。1895年7月，米爾恩返回英國(guó)，在懷特島建設(shè)了首個(gè)地震臺(tái)站，創(chuàng)立“國(guó)際地震數(shù)據(jù)中心”，以后持續(xù)不斷地改進(jìn)他發(fā)明的儀器，并用他的80多臺(tái)新儀器在全球60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)組建了第一個(gè)全球地震臺(tái)網(wǎng)。

當(dāng)然，人們對(duì)測(cè)震技術(shù)的嘗試并非一條路。比較重要的發(fā)明還有法國(guó)于1703年設(shè)計(jì)的水銀驗(yàn)震器，馬萊在1852年設(shè)計(jì)的液面光學(xué)觀測(cè)儀，還有美國(guó)本尼奧夫在20世紀(jì)設(shè)計(jì)的應(yīng)變儀等。

百年實(shí)踐的結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)地震波的最有效和靈敏的方法還是基于擺的慣性，那正是由中國(guó)張衡和英國(guó)米爾恩開(kāi)創(chuàng)的道路。

米爾恩1913年7月31日在英國(guó)去世，被公認(rèn)為現(xiàn)代地震學(xué)之父，他的兩本著作成為現(xiàn)代地震學(xué)的開(kāi)山之作，屢屢再版。米爾恩的墓碑極其簡(jiǎn)樸，簇放著日本菊花和他夫人從自家花園采摘的白色康乃馨。

米爾恩地震儀的結(jié)構(gòu)示意圖

1897年在臺(tái)北架設(shè)的米爾恩地震儀

1900年建立的第一個(gè)全球地震臺(tái)網(wǎng)

現(xiàn)代地震儀的發(fā)展

盡管米爾恩是海浪中的一朵美麗浪花，但科學(xué)實(shí)踐并不因此終止，更美更大的浪花總在前方不斷地冒出。

米爾恩儀器的放大倍數(shù)不高、易動(dòng)不易停、難做24小時(shí)連續(xù)記錄、時(shí)間服務(wù)也不好、只有水平分量記錄不了垂直運(yùn)動(dòng)……，一系列的新問(wèn)題亟待解決。

20世紀(jì)初，大海的波濤里又涌現(xiàn)出了兩朵美麗的浪花—德國(guó)的維歇爾和俄國(guó)的伽里津，他們發(fā)明了倒立擺地震儀和電磁地震儀。

維歇爾

伽里津

莫小看兩件新儀器，所蘊(yùn)涵的深刻思想無(wú)以估量。

毋庸置疑，慣性當(dāng)為測(cè)震儀的基本依據(jù)，這是米爾恩等早期開(kāi)拓者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的。問(wèn)題在于，所有的物體都具有慣性，卻不是所有的結(jié)構(gòu)都能夠測(cè)震的。所以，只講慣性還不充分。

于是，懸垂擺和水平擺的另一個(gè)獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)—“恢復(fù)力矩”被人們重視起來(lái)。這兩種結(jié)構(gòu)之所以能夠穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間地揭示出地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，在于它們天然地具有一個(gè)至關(guān)重要的因素—恢復(fù)力矩。一旦重錘偏離原點(diǎn)，重力會(huì)自然而然地產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩將重錘“拉回”原點(diǎn)，始終維系它的靜止?fàn)顟B(tài)。

倒立擺的恢復(fù)力矩需要靠彈簧產(chǎn)生

這就意味著，凡能對(duì)重錘賦予恢復(fù)力矩的結(jié)構(gòu)，必然能測(cè)震！

“慣性”和“恢復(fù)力矩”二者，方是對(duì)測(cè)震儀器的完整理解，缺一不可?；蛘哒f(shuō)，“擺”是二者的結(jié)合體。

這種理性的認(rèn)識(shí)解放了思想。從此，測(cè)震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者們可以放開(kāi)手腳了，今后不必局限在天然的重力矩上。彈簧、鋼片、吊絲、游絲、扭力等各種結(jié)構(gòu)和材料都可以引用，只要它們能夠產(chǎn)生必要的恢復(fù)力矩，便能形成各式各樣簡(jiǎn)單易行的擺。人們得出了“計(jì)時(shí)用表，測(cè)震用擺”的結(jié)論。

1901年維歇爾的倒立擺地震儀成功。重錘的恢復(fù)力矩是在下端點(diǎn)用兩塊鋼彈簧片實(shí)現(xiàn)的。放大倍率從200到2000，很小很遠(yuǎn)的地震都能紀(jì)錄到。1930年前后，德國(guó)公司為德國(guó)、中國(guó)和墨西哥各制造了一臺(tái)超大型維歇爾地震儀，僅重錘就重達(dá)17噸！儀器的體量要占據(jù)一間大房子，是當(dāng)時(shí)世界最高級(jí)的測(cè)震儀器。中國(guó)的這一臺(tái)架設(shè)在南京地震臺(tái)，至今還能工作。

維歇爾倒立擺地震儀結(jié)構(gòu)示意圖

1906年伽里津垂直向地震儀問(wèn)世，重錘的恢復(fù)力矩是用懸掛彈簧實(shí)現(xiàn)的。突破了長(zhǎng)期以來(lái)地震儀器只能做水平向觀測(cè)的局限，而且隨后又把電磁放大技術(shù)引進(jìn)，放大倍率可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)倍。

從此，測(cè)震技術(shù)進(jìn)入第二代，即維歇爾—伽里津時(shí)代，世界各國(guó)大量采用他們的儀器和技術(shù)，設(shè)計(jì)出各種各樣的擺結(jié)構(gòu)。隨后，伍德—安德森扭力地震儀于1923年問(wèn)世，貝尼奧夫應(yīng)變地震儀于1932年發(fā)明，日本和俄國(guó)也設(shè)計(jì)出自己的地震儀。

地震儀所采取的各種各樣的擺結(jié)構(gòu)

中國(guó)的地震研究在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)中也沒(méi)有停下。李善邦于1939—1942年研制成水平擺地震儀，重錘的恢復(fù)力矩是用鋼片代替頂針而實(shí)現(xiàn)的。儀器架設(shè)在重慶北碚，紀(jì)錄到戰(zhàn)爭(zhēng)期間國(guó)內(nèi)外109次地震。解放以后，命名為51型地震儀，裝備我國(guó)各基準(zhǔn)地震臺(tái)。

新世界的展開(kāi)

人類(lèi)手中有了工具，猶如孫悟空有了金箍棒，上天入地，叱咤風(fēng)云。

首先，知道了全球地震分布。早期的人們僅知道大陸會(huì)有地震，現(xiàn)在的觀點(diǎn)大大改變了，原來(lái)海洋上也會(huì)發(fā)生地震，不僅數(shù)量很多，而且非常強(qiáng)烈，海嘯是海里的特大地震引起的。絕大多數(shù)的地震并不與火山的噴發(fā)有關(guān)系。太平洋四周和喜馬拉雅山都有地震帶。

中國(guó)原來(lái)是個(gè)多地震的國(guó)家，地震竟然是眾多自然災(zāi)害之首。

有了地震記錄圖，科學(xué)家可以仔仔細(xì)細(xì)地分析房屋和建筑物是怎樣被地震破壞的。人們可以在不同的樓層上都布設(shè)地震儀，甚至架設(shè)在水壩、電站、醫(yī)院等工程的各種要害部位里，查明地震時(shí)候它們的振動(dòng)幅度、頻率、各種響應(yīng)情況，積累經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，從而制定出房屋抗震設(shè)防的措施，讓建筑物能有效抵御地震的破壞。這種監(jiān)測(cè)工作已經(jīng)很普及，包括對(duì)薄弱地質(zhì)區(qū)域的監(jiān)測(cè)，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

全球地震的分布

其次，人們開(kāi)始了解到地球的內(nèi)部構(gòu)造。火山為什么會(huì)噴發(fā)？大陸為什么能漂移？地球的磁場(chǎng)怎么形成的？東海的龍宮在哪里？……一系列光怪陸離的神話和疑問(wèn)漸漸有了答案。為什么？因?yàn)榈卣鸬哪芰繕O其巨大，只有它所激發(fā)的地震波可以穿透地球內(nèi)部到達(dá)遠(yuǎn)處的彼岸。在全球布設(shè)地震臺(tái)網(wǎng)，就可以根據(jù)記錄到的信息來(lái)確認(rèn)內(nèi)部構(gòu)造。這同醫(yī)院里用CT、B超、X光透射、心電圖的道理是完全一樣。

地震學(xué)家很自豪，咱們就是對(duì)地球做診斷的專(zhuān)科大夫。

地震波和地球內(nèi)部構(gòu)造

掌握了天然地震波的傳播規(guī)律和觀測(cè)技術(shù)，人們自然就能把它們“拷貝”到生產(chǎn)當(dāng)中。用人工地震—“爆炸”當(dāng)震源，它所激發(fā)的地震波同樣會(huì)在地下反射、折射、繞射，使用微小地震儀就可以查明地下的構(gòu)造、礦藏、石油、洞穴等，也可以檢測(cè)火箭體內(nèi)的缺欠、發(fā)動(dòng)機(jī)里的隱患等，直接為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。軍事上，比如核爆定位、水下偵探、抗爆掩體設(shè)計(jì)等都有用場(chǎng)。

總而言之，地震學(xué)的應(yīng)用極其廣泛。

20世紀(jì)末，測(cè)震技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代。地震儀器可以做得更小更靈敏，頻帶可以達(dá)到更寬泛，數(shù)字化程度更高級(jí)。于是電子技術(shù)、遙控遙感、海底觀測(cè)、微震監(jiān)測(cè)、地震預(yù)警、海嘯預(yù)警、深井觀測(cè)都發(fā)展起來(lái)。

不是吹牛，地震觀測(cè)技術(shù)不僅能研究地球，甚至連月球上的月震也能監(jiān)測(cè)。正是可上九天攬?jiān)拢上挛逖笞谨M。

法國(guó)2011年發(fā)行的張衡紀(jì)念郵票

香港2015年發(fā)行的張衡紀(jì)念郵票

地震引起災(zāi)難，人們?cè)诘卣鸱矫娴难芯繌奈赐Ｖ?/h2>

1 9 2 3 年 9月 1日11∶58分，日本東京橫濱地區(qū)發(fā)生8.3級(jí)地震。地震發(fā)生在中午時(shí)分，人們開(kāi)始用爐子做飯。地震把爐子震翻，爐火點(diǎn)燃木質(zhì)房屋，引起火災(zāi)。消防系統(tǒng)在地震中同時(shí)遭到破壞，火勢(shì)得不到控制，最終導(dǎo)致人們無(wú)家可歸。這一次地震成為歷史上最嚴(yán)重的地震之一。

張衡時(shí)代的地震

七大板塊

地震引發(fā)的各種災(zāi)難現(xiàn)象

地下水翻涌

地坼-四川南江

地震水平錯(cuò)動(dòng)

地震致河水狂瀉

汶川廢墟

北美西部的斷層線

什么是地震

本期的主題是測(cè)量地震的儀器，那地震究竟是什么呢？

按照定義，地震又稱(chēng)地動(dòng)或者地振動(dòng)，是地殼快速釋放能量過(guò)程中造成振動(dòng)，并產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。

所有的地震我們都能感受到嗎？答案是否定的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上每年約發(fā)生500多萬(wàn)次地震，算下來(lái)平均每天要發(fā)生上萬(wàn)次的震。要是地球每天出現(xiàn)一萬(wàn)起汶川大地震那樣的恐怖災(zāi)害，那世界恐怕已經(jīng)滅亡了。實(shí)際上，絕大多數(shù)的地震能量太小或距離地面太遠(yuǎn)，以至于人們感覺(jué)不到；真正能對(duì)人類(lèi)造成嚴(yán)重危害的地震一年大約有十幾次甚至二十次；能造成特別嚴(yán)重災(zāi)害的地震平均一年有一兩次。像汶川地震或者唐山地震那種超級(jí)強(qiáng)震，都是多少年一遇的偶然性災(zāi)難。

人類(lèi)自古就知道地震，但是對(duì)地震的性質(zhì)了解一直微乎其微。原因是顯而易見(jiàn)：地面太硬了，誰(shuí)也沒(méi)有土行孫的本事到里面看看。地球的半徑是6370千米，而人類(lèi)最深的礦井不過(guò)幾千米深，沒(méi)人知道地下深處是怎么回事。

直到20世紀(jì)，兩位美國(guó)科學(xué)家里克特和古騰堡才發(fā)明了一種測(cè)量地震程度的方法，被稱(chēng)為里氏震級(jí)。一般而言，級(jí)數(shù)大的地震會(huì)上電視，我們有時(shí)候在新聞里會(huì)聽(tīng)到類(lèi)似報(bào)道：某地發(fā)生里氏8級(jí)大地震，人員傷亡如何如何。是的，里氏八級(jí)的地震就很猛烈了，可能比七級(jí)的大地震要強(qiáng)烈?guī)资丁?/p>

但是地震級(jí)數(shù)大，不等于造成的損失就一定大。因?yàn)榈卣鸪四芰?，還有一個(gè)距離問(wèn)題。如果一場(chǎng)大地震發(fā)生在地下700千米處，也許對(duì)地面毫無(wú)影響，但是一場(chǎng)中型地震要是發(fā)生在地面下一兩千米的地方，也許就會(huì)造成巨大的破壞。

歷史上最大的地震，大概是1964年3月的阿拉斯加大地震和1960年的智利大地震中的一場(chǎng)，因?yàn)閮蓤?chǎng)都達(dá)到了九級(jí)，但是具體誰(shuí)更厲害一點(diǎn)，各家說(shuō)法不一。說(shuō)法一致的是這兩場(chǎng)地震都造成了巨大的破壞，巨大的海嘯在太平洋上橫掃了一萬(wàn)千米，美洲沿岸的驚濤駭浪一路拍到了日本。

這兩場(chǎng)地震并不是破壞性最強(qiáng)的地震。如果地震發(fā)生在人口稠密的地區(qū)，只要七級(jí)以上就能帶來(lái)巨大的災(zāi)難。歐洲歷史上最慘烈的地震是1755年的里斯本大地震，兇猛的地震和海嘯帶走了六萬(wàn)人的性命，整個(gè)葡萄牙的首都幾乎片瓦無(wú)存，只有國(guó)王一家在郊區(qū)的修道院里祈禱，才勉強(qiáng)躲過(guò)一劫。

世界歷史上破壞性最大的地震發(fā)生在中國(guó)，1556年1月23日的陜西華州大地震，震撼了九十萬(wàn)平方千米的中原大地，一共有101個(gè)州縣損失慘重。整個(gè)關(guān)中平原，民房官署寺廟乃至城墻宮殿等，幾乎全部倒塌，事后光是各州道府縣上報(bào)的死亡人名就達(dá)83萬(wàn)之多，不知姓名的死者不計(jì)其數(shù)。死亡人數(shù)高居世界震災(zāi)之首。

是的，中國(guó)自身就是地震的直接受害者。地震的猛烈和頻繁，促使古代中國(guó)的智者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，漢唐時(shí)期斗拱木建筑也有極強(qiáng)的抗震能力，后來(lái)多使用價(jià)格便宜的土木結(jié)構(gòu)，抗震效果反而不行了。中國(guó)古代的斗拱建筑難以防火，但是非常抗震。1976年唐山大地震，天津薊縣的建筑塌了一大半，千年古建獨(dú)樂(lè)寺由于設(shè)計(jì)得當(dāng)，在地震中搖來(lái)?yè)u去，居然絲毫未損。

里斯本大地震

人們?cè)诤荛L(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，一直很好奇地震會(huì)發(fā)生在什么地方，但是地震似乎就是沒(méi)頭沒(méi)腦地發(fā)生在各個(gè)地方。直到板塊漂移學(xué)說(shuō)創(chuàng)立之后，人們才終于發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是在兩個(gè)板塊之間的地方，最容易發(fā)生地震。因?yàn)榘鍓K在漂移，兩個(gè)巨大的板塊推推搡搡，壓力巨大，到了有一方不得已而退讓的時(shí)候，那就是大地震了。

按照這個(gè)理論，日本的首都東京大概是一個(gè)正在“等死”的城市了。為什么呢？因?yàn)闁|京并非處于兩個(gè)板塊之間，它恰好處于三個(gè)板塊之間！1923年9月1日的關(guān)東大地震，讓20萬(wàn)日本人死于非命。在那之后，地震的能量積攢了快一百年了，下一次大地震啥時(shí)候來(lái)，損失會(huì)有多大，誰(shuí)也不知道。

長(zhǎng)期來(lái)看，東京在之后四十年里遭遇超大地震的概率大概是90%，這個(gè)人口超過(guò)3000萬(wàn)的繁華大都會(huì)大概是在劫難逃，而這個(gè)信息你是不會(huì)在畫(huà)滿櫻花的東京旅行手冊(cè)里看到的。你也不用過(guò)于擔(dān)心，因?yàn)橐侵蝗ヂ糜蝹€(gè)一兩天，遇到大地震的幾率是微乎其微的。至于住在東京的人，要不然是完全不去想這個(gè)問(wèn)題，要不然就是做好了死守的打算，東京的建筑號(hào)稱(chēng)是能抗IX度強(qiáng)震，而且日本人從小學(xué)習(xí)防震知識(shí)，只能是祝他們好運(yùn)了。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除了板塊地震之外，還有一種比較奇怪的地震，會(huì)發(fā)生在板塊的中間。也就是說(shuō)，這種地震有可能在任何時(shí)間發(fā)生在任何地點(diǎn)，震級(jí)可大可小，但是和板塊運(yùn)動(dòng)沒(méi)有關(guān)系，所以根本無(wú)從預(yù)測(cè)。換言之，我們對(duì)地震的形成原因，了解的還非常少。

研究地震，除了監(jiān)測(cè)，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是預(yù)測(cè)。知道了什么時(shí)候會(huì)發(fā)生地震，我們就可以疏散人群，轉(zhuǎn)移物資，把損失降到最低。但是要想預(yù)測(cè)地震，我們必須真實(shí)地知道大地的下面究竟有些什么東西。

通過(guò)對(duì)地震波的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地球里面大概是好幾層。首先是個(gè)堅(jiān)硬的地殼：它在大陸下面大概是40千米深，在海下大概是5～10千米深。地殼里面是由熾熱粘稠的巖漿組成的地幔。為啥是巖漿呢？這是我們從火山噴發(fā)得到的知識(shí)，地幔究竟是啥樣，其實(shí)沒(méi)人見(jiàn)過(guò)。地幔深處是兩層地核，外層呈液態(tài)，內(nèi)層呈固態(tài)。

科學(xué)家曾經(jīng)計(jì)劃挖開(kāi)地殼，取出一點(diǎn)地幔，來(lái)看看地球里面的巖石構(gòu)造究竟是什么樣子的，這樣可以極大地幫助我們了解地球運(yùn)動(dòng)并預(yù)測(cè)地震。但是這個(gè)地殼實(shí)在是太難挖了。

我們說(shuō)過(guò)，地球的直徑是6370千米，地殼最厚不過(guò)50千米，對(duì)比一下，大約就是蘋(píng)果和蘋(píng)果皮的關(guān)系。但是這個(gè)蘋(píng)果皮堅(jiān)硬無(wú)比，根本無(wú)從下口。1960年代，美國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)在墨西哥灣的深海里開(kāi)鑿地殼，因?yàn)槟抢锏牡貧ぶ挥?千米厚。但是這種深海作業(yè)被證明是完全不可能的，美國(guó)人花了一大筆錢(qián)，結(jié)果只鉆了1800米深。沒(méi)過(guò)幾年，前蘇聯(lián)的科學(xué)家也打算試一下，他們知道不能從海底挖，于是就從陸地下手，打算挖個(gè)15千米看看情況。結(jié)果他們拼死挖了十幾年，最后鉆到12千米就不得已而放棄了，因?yàn)樵谑畮浊椎牡叵?，巖石間充滿了水，溫度高達(dá)180度，而且?guī)r石的分布和預(yù)測(cè)差異極大，堅(jiān)硬到實(shí)在打不下去了。

總之，地球如果是個(gè)大蘋(píng)果，人類(lèi)連蘋(píng)果皮的三分之一都打不穿。我們對(duì)地球內(nèi)部的了解太少，直接制約了對(duì)地震本質(zhì)的研究，可以說(shuō)，一切還在起步階段?；蛟S將來(lái)，當(dāng)我們的小讀者們成長(zhǎng)為合格的科學(xué)家之后，能把地震的本質(zhì)真正摸清，和古代的張衡一樣名垂青史，也是有可能的呢。

人們對(duì)地震形成原因的逐步認(rèn)識(shí)

古代學(xué)者們對(duì)地震成因有很多不同見(jiàn)解。

我國(guó)古代的莊子（公元前約369—公元前286年）講：“海水三歲一周流，波相薄則地震”。相薄，是相近、相遇甚至相撞的意思。是說(shuō)海水三年流動(dòng)回轉(zhuǎn)一周，海浪相遇引發(fā)地震。這種“大地浮于水上”的古宇宙觀，源自古人掘井時(shí)發(fā)現(xiàn)地下深處有泉水涌冒出來(lái)。我們?cè)诟黝?lèi)繪畫(huà)、紋飾和雕塑中可以看到，中國(guó)的古代地球模型只有天穹、大地、海水三層結(jié)構(gòu)。海水的最深處稱(chēng)“九泉”，“九”表示極其深。不過(guò)莊子的“海波相薄為震”的觀點(diǎn)并沒(méi)有被后人繼續(xù)發(fā)展，社會(huì)影響有限。

西周末年的思想家伯陽(yáng)父（公元前約8世紀(jì)）對(duì)地震的認(rèn)知做出了重要貢獻(xiàn)，他認(rèn)為：“夫天地之氣，不失其序；若過(guò)其序，民亂之也。陽(yáng)伏而不能出，陰迫而不能蒸，于是有地震。今三川皆震，是陽(yáng)失其所而鎮(zhèn)陰也。陽(yáng)失而在陰，川源必塞。源塞，國(guó)必亡。（《國(guó)語(yǔ)·周語(yǔ)》）”

伯陽(yáng)父沒(méi)有采用具體的物質(zhì)，而是把“天地之氣”抽象成陰、陽(yáng)二元素，從矛盾雙方的相互斗爭(zhēng)上來(lái)認(rèn)識(shí)地震，這在哲學(xué)上具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)影響。

東漢思想家王充提出了新的哲學(xué)觀點(diǎn)：“地固將自動(dòng)”，認(rèn)為地震是大地的自然運(yùn)動(dòng)。

與秦漢（公元前221—公元220年）同期的歐洲，正值古希臘—古羅馬文化的鼎盛時(shí)期，他們對(duì)地震的認(rèn)識(shí)也處于原始階段。當(dāng)時(shí)的人們（主要是地中海地區(qū)）看到火山噴發(fā)時(shí)地面也在顫抖，火山和地震便被聯(lián)系在一起，意識(shí)到地球內(nèi)部肯定非常炙熱，地下熱量的活動(dòng)即視為地震的原因。哲學(xué)家盧克萊修（公元前98—公元前55年）則認(rèn)為地震是由山體坍塌引起的。

由于缺乏實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)手段，人類(lèi)早期對(duì)地震的探索一直沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，幾千年間一直處于客觀記載和猜想階段。

近代地理學(xué)創(chuàng)始人德國(guó)的洪堡（Avon Humboldt，1769—1859） 經(jīng) 歷 過(guò) 1797年南美地震和1812年加拉加斯地震，提出了地震火山說(shuō)，認(rèn)為火山是地震的安全閥，當(dāng)火山不能?chē)姲l(fā)時(shí)，它所積蓄的能量便轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣鸲尫?，這個(gè)想法曾一度在地質(zhì)界占統(tǒng)治地位。他還促進(jìn)了俄國(guó)和中國(guó)在1841年間首先建立了地磁氣象站，德國(guó)的科學(xué)基金會(huì)就是以他來(lái)命名的。地質(zhì)學(xué)家修斯和霍爾尼斯1878年認(rèn)為，地震由于地球的收縮引起地殼斷裂所致。還有人設(shè)想過(guò)電荷放電引起氣體爆炸、化學(xué)作用溶解出巨大地洞、巖漿上涌擾動(dòng)地殼等學(xué)說(shuō)。隨著歐洲文藝復(fù)興和啟蒙運(yùn)動(dòng)興起，思想解放也促進(jìn)了測(cè)震儀器的發(fā)展，加之意大利的地震比較多，人們的設(shè)計(jì)也是五花八門(mén)的，利用液面變化、觀測(cè)單擺運(yùn)動(dòng)等，有的在地下打洞灌水監(jiān)測(cè)體積變化，收集氣體測(cè)地氣，探測(cè)地下聲音等。一直到19世紀(jì)中葉，還沒(méi)有找到更好的辦法，基本是處于驗(yàn)震器的水平上徘徊。

地震畢竟屬于小概率事件，并且難以在實(shí)驗(yàn)室中模擬，因此，地震學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)學(xué)和物理等經(jīng)典學(xué)科，直到20世紀(jì)才形成了成熟的理論體系和完整的板塊學(xué)說(shuō)。今天，人們對(duì)地震和非地震機(jī)理的認(rèn)識(shí)已經(jīng)更加清楚和深刻。