淺談地震觀測儀器的曆史和發展趨勢

研究地震并進行地震觀測的必要性是現實存在并将長期存在的

摘 要：研究地震并進行地震觀測的必要性是現實存在并将長期存在的。随着科學技術的發展，地震觀測儀器也從最早的地動儀派生出衆多的子系。如今，新一輪技術革命的浪潮中湧起，正是回顧地震觀測儀器發展曆史，展望觀測地震觀測儀器未來發展趨勢的時候。

本文開篇介紹地震觀測儀器和地震觀測的基本概念。

第二部分梳理地震觀測儀器發展史，介紹各個時期特别是近代以來我國地震觀測儀器的版本及其工作原理，便于了解地震觀測儀器的原理和加深通對地震觀測的認識。第三部分結合執行個體介紹了地震觀測儀器的幾種應用領域。第四部分結合有關文獻介紹地震觀測儀器幾種可能的發展方向，并結合各種預判和現狀提出另一種新的可能。

關鍵詞：地震儀器 地震觀測 地震儀器發展簡史 發展趨勢

一、 地震觀測儀器和地震觀測

1、 地震觀測儀器

地震儀是一種監視地震的發生，記錄地震相關參數的地震觀測儀器。我國在公元132年，就由張衡主導制成了地動儀，它是世界曆史上最早的地震觀測儀器。

依據将要測量的地震震動速度、強度和相應的周期，在地震研究中使用的地震儀主要有短周期、長周期和超長周期三種。

20世紀時，核能測試檢測系統的出現促進了現代地震儀的發展。盡管地震會對人身和财産安全造成巨大損失，直到地下核爆炸的威脅促使世界性的地震監測儀網絡（WWSSN）于1960年建立後，地震儀才被大規模地投入使用，在60多個國家共設立了120多台地震儀。

值得注意的是，地震儀隻能用于測量地震的強度、方向，并不能用于預測地震。

2、 地震觀測

擷取用以确定地震或爆炸事件的發震時刻、震中經緯度、震源深度及震級等基本參數，就是地震觀測的目的。簡單說來，記錄要做的就是用地震觀測儀器記錄天然地震或人工爆炸所産生的地震波形。

現代地震觀測需要布局地震監測台站網，標明台址，研究設計和建築台站房屋，安裝和調試地震觀測儀器等一系列的準備工作。地震觀測儀器正常運轉後，便可記錄到地震波形（地震圖）。分析地震圖，識别出不同的震相，測量出到達時刻、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。

由地震儀記錄下來的震動是一條起伏幅度與地震波引起地面振動的振幅相應的曲線，稱為地震譜，曲線的幅度标志着地震的強烈程度。

從地震譜可以清楚地辨識出各類震波的效應。縱波與橫波到達同一地震監測台站的時間差，離震中越遠，時差越大。由此規律即可求出震中離地震監測台站的距離，即震中距。

二、 地震觀測儀器發展簡史

1、 概述

地震觀測儀器最早使用記錄可以追溯到東漢，至今已有近兩千年。縱觀人類曆史，技術革命推動着世界上技術産物的更疊。地震災害事關人類生存危亡，在一輪輪的浪潮中與新技術交融彙合，派生出衆多的子系。有理由相信，在未來很長一段時間内，地震觀測儀器仍将保持這種曆久彌新的勢頭，長久地伴随着人類存在。故而在技術浪潮再次湧起的今天，回顧其發展曆史是尤其有意義的一件事。

我國是一個多地震國家,地震觀測研究的曆史悠久。公元132年，東漢時期張衡發明的地動儀是世界上第一台用于探測地震動的地震觀測儀器 ,比歐洲類似的發明早 1700 年以上。

2、 近現代發展

現代地震觀測儀器首先是西方人發明的。直到1930年，在翁文灏主導下，中央地質調查所在北京鹫峰建立地震觀象台,使用外國地震觀測儀器, 由李善邦負責籌建和技術管理。1931年，在竺可桢主導下，中央研究院氣象研究所在南京北極閣建立地震監測台站，使用外國地震觀測儀器，由金詠深負責籌建和技術管理。這兩個地震監測台站于1937年日軍侵華後中止記錄。1943年，于4年前遷往重慶北碚的李善邦自行研究設計制成“霓式”地震儀, 建立北碚地震監測台站，該台于 1946 年遷往南京。1948年，中央地質調查所恢複南京“水晶台”地震監測台站,由李善邦、謝毓壽負責管理。

20世紀30年代，我國地震學家李善邦建起了中國人自己管理的第一個地震監測台站—北京西山鹫峰地震監測台站，開展地震觀測。

直到新中國成立之前，全國隻有寥寥幾個地震監測台站，從事地震工作的科技人員也隻有寥寥數個。可以說,舊中國留下的幾乎是零基礎的地震觀測工作。

3、 中國地震觀測儀器發展概況

新中國成立後，根據我國嚴峻的震情監視工作現狀，也為了适應國家經濟建設的需要，我國開始了全國測震觀測台網的建設。經過七十年的不懈努力，我國地震觀測技術實作了綜合化、數字化、網絡化，達到世界先進水準。

監測地震觀測儀器研制從無到有，從借鑒到自制，以機械煙熏記錄為主的地震觀測台網建設和地震預報預防的試驗研究時期。

新中國成立初期，地震觀測台網的建設是這一時期的一項重要工作。當時，台網主要布設在國家重大工程建設地區。

1951年，李善邦先生在I式水準向地震儀基礎上，經過改進，研制成大、小51式地震儀。熏煙記錄，曾在1954-1958年間使用。

1955年以後的十餘年時間裡，由許紹灏和張奕麟研制了電子管式放大器和熏煙筆記錄器與維開克地震計配合，組成581型地震儀。此後研制成功半導體式電子放大器。

1966年河北邢台地震後，在周總理主導下,國家科委組織中國科學院、石油部、地質部、國家測繪總局等機關以及一些高等院校進行現場觀測，開展地震預測研究。1969年渤海地震後，在周總理主導下, 成立了中央地震工作小組。1971 年成立了國家地震局(1998年改為中國地震局)。

1966年，邢台地震後，周恩來總理三次親臨地震現場視察慰問，并就地震預報工作做了一系列重要訓示，從此我國地震觀測技術進入了快速發展的階段。

1963年，成功研制了63A和63B 型地震計和67型放大器等。這些地震計、放大器和一台大滾筒記錄器組成了473、573等短周期地震儀，廣泛用于我國的區域和流動地震監測台站上。

上世紀60年代末，為了在城市等高噪聲地區開展地震觀測，開始發展井下地震觀測，研制了JD-2型井下地震儀、分别布設在全國數十個深井内。

上世紀70年代研制的DD-1型短周期地震儀，适用于綜合台、基本台、區域台觀測記錄微弱的近震和區域性地震。

上世紀70年代研制的DK-1型中長周期地震儀，适于固定台站和基準台使用。用于遠震和中強地震記錄。

此期間研制的763長周期地震儀，解決了豎直向地震計的微氣壓變化的浮力效應，提高了地震觀測儀器觀測靈敏度，是我國基準台正常地震監測裝置，用來記錄遠震激發的長周期地震波。

1975年海城地震後，啟動了768工程，引入了一系列新技術，研制了一系列用于遙測的觀測裝置，适用于台網的記錄裝置，包括768型6路自動換紙墨水記錄器，使我國的地震遙測台網發展到新的水準。

768中強震地震計，為用于電信傳輸地震監測台站網而專門研究設計。可把數字量經由PTY-8地震遙測裝置及電話線傳輸到記錄分析進行中心。

我國數字地震觀測技術的開發最早開始于上世紀70年代後期，快速發展則始自“八五”期間的國家科技攻關項目—“地震和前兆數字化觀測實驗系統研制”的實施。1983年中美雙方達成原則協定，由美方提供裝置和技術，共同建設“中國數字化地震監測台站網（CDSN）”，也對我國地震觀測技術的發展起到了很大的推動作用。

STS-2 甚寬帶地震計，使用三隻結構完全相同，傾斜45°懸挂的機械擺在底座上按正三角形幾何分布安裝，可使各分向地震觀測儀器參數的一緻性得以提高。

BKD-2A寬頻帶地震計，通過精确的計算電路完成三個傳感器的坐标投影變換，輸出傳統的東西、南北和垂直三個分量，構成全新的大動态、寬頻帶、便攜式地震計。

DR-24資料采集器具有信号放大、濾波、資料采集、編碼以及通信等方面功能，可本地存儲資料，也可與智能控制闆（ICP）聯合使用構成24位遙測地震資料接收系統。

上世紀七、八十年代的快速發展之後，湧現出大批的地震前兆觀測地震觀測儀器，經過評估、篩選，十幾種具有高精度或高靈敏度、高穩定度、抗幹擾性能強，并采用數字化、自動化、智能化技術裝備的地形變、電磁、流體學科的先進地震觀測儀器，在地震觀測系統中逐漸推廣使用。

ZX-79型弦頻式鑽孔應變儀，于1979年10月正式投入觀測。傳感器埋設深度16.68米。能記錄應變固體潮汐和某些地震前兆資訊。

MSQ型目視水管傾斜儀，用來測定斷層兩側的垂直位移，也可用來測量某地塊（或平台）的傾斜變形。1970年研制成功，應用在全國約 40 個地震監測台站站。

三、 地震觀測儀器的應用領域

資訊來源：北京港震科技股份有限公司（http://www.geolight.com.cn/index.aspx）

1、短周期地震儀：

應急流動觀測、地震科學考察、地震預警監測、滑坡落石監測、水庫地震監測、煤礦地震監測、油田地震監測；

2、 寬頻帶地震儀：

國家地震台網，台站以及區域地震台網天然地震觀測、水庫誘發地震監測、礦山地震監測及油氣勘探等寬頻帶地震觀測與地下結構成像等研究領域，可用于長期固定觀測與流動地震觀測等科學考察。

3、 超寬頻帶地震儀

國家地震台網，國家級台站以及區域地震台網寬頻帶天然地震觀測與地下結構成像等研究領域，适用于觀測條件很好環境噪聲極低的長期固定觀測。

四、 展望觀測地震觀測儀器的未來

1、學術界的願景——新一代智能地震技術體系

網際網路、雲計算、大資料等資訊技術日新月異、飛速發展，并迅速普及應用，形成 了群體性跨越。這些曆史性的技術進步，集中彙聚在新一代人工智能的戰略性突破，新 一代人工智能已經成為新一輪科技革命的核心技術。 随着傳感器、網際網路和地理資訊的不斷融合，各種地震傳感器及觀測系統的數量逐 年遞增。然而，單純地增加傳感器資源，仍然難以有效滿足防災減災救災監測綜合性、 應急性等多樣化的需求，主要原因在于：①傳感器的精度、穩定性與環境适應性不高； ②各觀測系統不能協同；③異構傳感器缺乏耦合機制；④觀測與決策服務缺乏關聯。新一代人工智能技術與先進地震觀測技術的深度融合，形成了新一代智能地震技術。 下圖描述了面向新一代智能地震觀測技術體系 SCPS，其相對于面向數字化、網絡化地 震觀測技術體系的 SHCPS3.0 又發生了本質性變化，人在智能地震技術系統中的作用漸 漸弱化。是以，新一代智能地震技術系統可定義為 SCPS4.0，簡稱地震 4.0。

2、一線工程師提出的技術期待

①縮短采集排列準備時間，以數字化的方式接收來自查線人員的反 饋資訊，替代儀器操作員實作采集排列的自動、高效管 理，将對排列準備時間的縮短起到積極作用；

②提高儀器故障檢測的準确性和及時性；

③提升采集裝置的故障自适應能力，而實作對排列突發故障的自動化、智能化處理，提高地震儀器大規模地震資料采集的适應能力；

④采集排列的區塊化管理，實作地面電子裝置測試和資料采集同步進行，可大幅提高野外生産效率；

⑤儀器主機智能化功能完善，将儀器技術人員從繁重的工作量中解脫出來，提升大道數地震勘探施工的效率；

五、 結語

正如地震儀器發展簡史中顯示的，地球科學每二三十年就會發生一次大變革。而每一項重大突破的背後，幾乎都有一項新技術的出現。我們深信在新一輪的技術革命中，地震監測技術體系必将迸發出更多的科學火花，推動地震科學研究的更大進步。