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        地動(dòng)儀研究中的五個(gè)地震學(xué)基本概念

        2016-09-04 02:29:28馮銳
        中國(guó)地震 2016年4期
        關(guān)鍵詞:隴西縱波

        馮銳

        中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心,北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

        0 引言

        地動(dòng)儀不同于一般的古代青銅禮器,是具有地震學(xué)屬性的專(zhuān)業(yè)儀器,反映了古人對(duì)真理的探求及對(duì)科學(xué)觀念的突破。對(duì)它的研究,自然要有歷史和科學(xué)的良好統(tǒng)一。

        現(xiàn)存的地動(dòng)儀古文記載中,涉及其外部造型約占15%,內(nèi)部結(jié)構(gòu)僅占10%,其中大部分即約70%是對(duì)測(cè)震現(xiàn)象的描述。因中國(guó)傳統(tǒng)科學(xué)是實(shí)用性的,表述是現(xiàn)象學(xué)的,分析是哲理性的,這使得古人的科學(xué)認(rèn)識(shí)不大可能或很難通過(guò)史書(shū)準(zhǔn)確、完整地傳遞下來(lái)?,F(xiàn)象學(xué)的表述,表面上看并不難,但欲準(zhǔn)確把握文字深層的科學(xué)含義和量化關(guān)系就決非《釋名》、《說(shuō)文》能夠界定的,更不能用“陰陽(yáng)地氣、八卦對(duì)應(yīng)”等哲學(xué)概念替代自然科學(xué)的專(zhuān)業(yè)內(nèi)容。那種摒棄現(xiàn)代地震學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)理論與實(shí)踐,用主觀臆想的什么“地震風(fēng)”(曹勵(lì)華,2011)、“三型地震波循序演變”(王鵬飛,2005)來(lái)研究地動(dòng)儀,則通不過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)。

        對(duì)地動(dòng)儀的研究,學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和模型盡可以不同,但地震學(xué)的基本概念和原則是需要遵循和堅(jiān)持的。比如地動(dòng)儀的觸發(fā)震相,不少史學(xué)研究仍在堅(jiān)持是“直達(dá)縱波P的初動(dòng)”(程軍,2009;胡寧生,2014;張正嚴(yán)等,2015),這就完全錯(cuò)誤了。因?yàn)殡]西地震在洛陽(yáng)處的P波初動(dòng)的信號(hào)極其微弱,其納米級(jí)的位移量、微伽級(jí)的加速度值是不可能觀測(cè)到的,僅有的垂直方向振動(dòng)又不含地震位置的方向信息。而觸發(fā)震相的改變并非替換個(gè)名詞那么簡(jiǎn)單,必然要隨之改變地動(dòng)儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu),才有可能與古文記載一致。顯而易見(jiàn),揭示文字底層的科學(xué)含義,要力戒望文生義。即便開(kāi)展地震學(xué)的模型實(shí)驗(yàn),對(duì)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)方式和數(shù)量級(jí)的掌控,也有嚴(yán)格嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?zhuān)業(yè)要求。對(duì)于個(gè)別否定的觀點(diǎn),如“張衡設(shè)計(jì)的地動(dòng)儀與近代地震學(xué)沒(méi)有承繼關(guān)系,它從一個(gè)側(cè)面,說(shuō)明中國(guó)古代科學(xué)無(wú)法與西方現(xiàn)代自然科學(xué)相銜接”(李強(qiáng),2008),亦需加以匡正。

        毋庸贅述,厘清地震學(xué)的基本概念和發(fā)展史實(shí)屬非常必要。

        本文并不是對(duì)地動(dòng)儀史料的全面分析,僅從地震學(xué)的角度剖析幾處古文的科學(xué)含義,選擇其中5個(gè)具有代表性的基本概念做解釋和澄清,指出個(gè)別模型實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的原則性失誤。這些內(nèi)容不是為了取代、也取代不了史學(xué)考證,旨在糾正研究中的某些主觀曲解。希望有助于正確地、科學(xué)地研究地動(dòng)儀。

        1 地動(dòng)儀的反應(yīng)方向

        古文“雖一龍發(fā)機(jī),而其余七首不動(dòng)……,尋其方面,乃知震之所在?!保ā逗鬂h書(shū)》,下同)被長(zhǎng)期解讀成“地動(dòng)儀能定地震方向,指向震中”當(dāng)為首先需要澄清的。

        1.1 史料的表述是不全面、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模庾x不可絕對(duì)化

        地動(dòng)儀定過(guò)地震方向嗎?

        地動(dòng)儀于公元132年問(wèn)世后,張衡在京僅遇過(guò)3次地震。第一次為公元 133年6月18日京師地震,史料沒(méi)提及反應(yīng)。第二次為公元134年12月13日隴西地震,震中位于洛陽(yáng)西偏北方向,史載“嘗一龍機(jī)發(fā),而地不覺(jué)動(dòng)”并未指明具體龍首方向,張衡自己也不知道“震之所在”。是在尷尬地歷經(jīng)了“京師學(xué)者,咸怪其無(wú)征”的數(shù)日責(zé)問(wèn)后,他和別人一樣都是從驛報(bào)中得知是隴西地震。第三次為公元136年2月18日京師地震,張衡已升遷侍中,繼任的史官亦無(wú)“記地動(dòng)所從方起”的行動(dòng)。其后三百年間地震百余次,僅有過(guò)二次地聲方向的記載:三國(guó)魏明帝234年12月9日地震,“京都地震,從東南來(lái),隱隱有聲,搖動(dòng)屋瓦”(《魏書(shū)》);東晉孝武帝390年4月2日地震,“地震東北,有聲如雷”(《晉書(shū)》),都沒(méi)有記述地面震動(dòng)方向。

        青史并無(wú)震例,史學(xué)辯解聲卻不時(shí)發(fā)出(孫機(jī),2014),堅(jiān)持說(shuō)古文“言之鑿鑿,應(yīng)可信據(jù)”。“能定震中、判方向”。理之依據(jù),僅僅這幾個(gè)字,頗似考據(jù)研究有了什么新發(fā)現(xiàn)。

        坦率地講,文字本身的確鑿性并不必然地說(shuō)明文字內(nèi)容的科學(xué)性。在《竹書(shū)紀(jì)年》、《墨子》、《呂氏春秋》甚至《史記》里的地震記載都有這種情況,諸如“地震降雨肉,地生白毛,天紀(jì)為地震……”等文字頗為普遍,都要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)分析之后方能正確引用,不可望文生義,淺嘗輒止。當(dāng)然,“尋其方面,乃知震之所在”會(huì)是張衡曾經(jīng)遇到過(guò)的一種客觀現(xiàn)象,作為個(gè)例并不錯(cuò)誤,但它絕不是地震波場(chǎng)的唯一現(xiàn)象,屬于“先見(jiàn)樹(shù)木,后見(jiàn)森林”的第一步認(rèn)識(shí)。19世紀(jì)中葉以后,隨著觀測(cè)資料的增多,人們才逐漸認(rèn)識(shí)到地面震動(dòng)方向與震中的關(guān)系十分復(fù)雜,同時(shí)存在著指向、背向、垂直震中,甚至混亂的情況。儀器的方向反應(yīng)絕非地動(dòng)儀僅有,世界上所有的驗(yàn)震器都有這個(gè)功能,不意味著地動(dòng)儀有什么比現(xiàn)代還高超的技術(shù)需要破解和借鑒,科學(xué)的研究當(dāng)力戒“只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林”。

        方向問(wèn)題不要過(guò)度解讀的原因有二:首先是震源問(wèn)題,地震不是爆炸類(lèi)型的點(diǎn)震源,大震的破裂面會(huì)延展200~500km,比如2008年汶川地震的震源從映秀鎮(zhèn)延伸330km到北川,就談不上孤立的、單一的點(diǎn)位問(wèn)題。地震學(xué)所用的震中參數(shù)(x,y,z),不過(guò)是地震臺(tái)網(wǎng)三維方程的回歸值罷了,“震中”這一名詞套不到地動(dòng)儀上。再有就是傳播問(wèn)題,地震波的偏振面既隨距離又隨方位而變。即便像圖1那種最簡(jiǎn)單的直立斷層的走滑位錯(cuò),縱波初動(dòng)也有復(fù)雜的輻射圖樣。所謂的“指向震中”,不是測(cè)震儀器本身能夠解決或需要解決的任務(wù),古今中外的單臺(tái)儀器都做不到。作為測(cè)震功能的科學(xué)表述,國(guó)際上只講驗(yàn)震器能夠檢驗(yàn)地震的發(fā)生,從不提其定向作用,更不可能定震中。

        圖1 日本1927年丹后7.5級(jí)地震的實(shí)測(cè)縱波初動(dòng)位移分布(根據(jù)Hongda,1957)

        1.2 誤解的根源是混淆了沖擊波和地震波的差異

        最早研究地下波動(dòng)的是愛(ài)爾蘭人馬萊(R.Mallet1)。他在1857年后曾利用爆炸——點(diǎn)震源進(jìn)行過(guò)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)沖擊波的波形是簡(jiǎn)單脈沖,質(zhì)點(diǎn)位移方向與波動(dòng)傳播方向一致,是從源點(diǎn)向外傳播的球面波(圖2、3)。后人有過(guò)誤解:西邊來(lái)的地震波如氣浪般地向東沖來(lái),立柱等物體會(huì)因慣性向西傾倒,于是“指向震中”。20世紀(jì)初才查明,這個(gè)概念是混淆了沖擊波和地震波的差異。

        圖2 爆炸源產(chǎn)生球狀對(duì)稱(chēng)的膨脹縱波P+,波陣面向外傳播

        圖3 爆炸沖擊波P+向四周傳播的平面分布圖樣

        地震震源不同于爆炸,它是剪切力源——斷層兩側(cè)巖體的剪切位錯(cuò)(圖4),同時(shí)激發(fā)縱波和橫波??v波又分為膨脹性縱波P+和收縮性縱波P-,二者的質(zhì)點(diǎn)初動(dòng)方向與波動(dòng)傳播方向是相反的,分別從源點(diǎn)向外(背向震中)和向內(nèi)(指向震中)傳播,如輻射圖樣(圖5)。橫波的質(zhì)點(diǎn)位移方向更是全部垂直震中??v橫波經(jīng)過(guò)干涉后,又形成了面波。由于巖體位錯(cuò)會(huì)歷時(shí)數(shù)十秒,不斷輻射出來(lái)的地震波經(jīng)過(guò)折射反射后,真實(shí)的地面運(yùn)動(dòng)早已不是單一脈沖,而形成連續(xù)的波組和不同波列了,偏振面也隨距離和方位在不斷地變化,故而不能套用沖擊波的概念去理解地震波的傳播。

        圖4 地震震源同時(shí)產(chǎn)生非均勻的膨脹縱波P+和收縮縱波P-

        圖5 地震縱波的傳播圖樣,分膨脹性P+和收縮性P-

        1.3 秦漢時(shí)期對(duì)地震位置的認(rèn)識(shí)是區(qū)域概念,非點(diǎn)位概念

        秦漢時(shí)期對(duì)地震的認(rèn)識(shí)尚處朦朧階段,地震和水旱蝗風(fēng)等災(zāi)異的位置多用行政上的州、或者受波及的郡國(guó)總數(shù)目來(lái)表述,史料中有大量的“荊州地震、涼州地震、郡國(guó)十八地震”,抑或“郡國(guó)八大風(fēng)、郡國(guó)十二蝗、郡國(guó)三雨雹、郡國(guó)九大水傷稼……”等用語(yǔ)。這種極其原始的、粗糙的表述都屬于區(qū)域概念,決非點(diǎn)位概念,是由當(dāng)時(shí)的認(rèn)知水平和人煙稀少所決定的。

        對(duì)災(zāi)異位置的推測(cè),古人一直遵從天文分野觀點(diǎn)——“天則有列宿,地則有州域”(《史記·天宮書(shū)》),列宿配州域即“分野”(馮銳,2013)。渾天儀、星空二十八宿、地動(dòng)儀都要統(tǒng)一地劃分成八個(gè)扇形區(qū)位,彼此對(duì)應(yīng)。所以古文的“尋其方面”,不是指初中幾何的360°的“方向”,而是八個(gè)均為45°的扇形區(qū)位;“震之所在”乃指與該扇形區(qū)位相對(duì)應(yīng)的地理州域。這就不難理解,僅在靈臺(tái)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行的候日、候星、候氣、候風(fēng)等觀測(cè),為何一旦發(fā)現(xiàn)某一扇形區(qū)位里的異常,就能由中央推測(cè)全國(guó)各地的兇禍災(zāi)變,這可能是廣義上的“尋其方面,乃知災(zāi)之所在”的原始本義。

        對(duì)張衡遇到的個(gè)案,地震學(xué)視其反應(yīng)方向“粗略地發(fā)生在沿震中的方位上,即正負(fù)180°的兩個(gè)方向之一。”它與地動(dòng)儀的原理無(wú)關(guān),即便是持直立竿原理的王振鐸(1976)也持同樣觀點(diǎn)。

        2 對(duì)地震和非地震的不同反應(yīng)

        古文“如有地動(dòng),地動(dòng)搖尊,尊則震,則隨其方面,龍機(jī)發(fā),即吐丸,蟾蜍張口受丸,丸聲振揚(yáng)?!睙o(wú)疑是地動(dòng)儀對(duì)地震的反應(yīng)。它引出一個(gè)重要問(wèn)題:對(duì)于非地震的干擾有沒(méi)有反應(yīng)?

        2.1 對(duì)古文的描述要作正反兩方面的理解

        古文對(duì)現(xiàn)象的描述有個(gè)特點(diǎn):一般只寫(xiě)“有運(yùn)動(dòng)、有變化”的正面,不會(huì)再對(duì)常態(tài)情況另行費(fèi)筆贅述一遍“無(wú)運(yùn)動(dòng)、無(wú)變化”的反面,畫(huà)蛇添足。“不寫(xiě)則不動(dòng)、未講則未變”是為原則,謂之不言自明的邏輯。因此,它的反面即常態(tài)情況為“尊不震,機(jī)不發(fā),丸不吐,聲不響”。否則,它的一系列的連貫動(dòng)作便會(huì)與“如有地動(dòng)”的前提、與“地動(dòng)搖尊”的水平運(yùn)動(dòng)特征、與“尋其方面,乃知震之所在”的推斷全部矛盾。對(duì)這個(gè)問(wèn)題,百余年間還無(wú)人提出過(guò)異議,即便日本、英國(guó)、美國(guó)、荷蘭的學(xué)者也都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)誤讀。

        掌握這段古文的反面含義十分重要。因?yàn)樵跊](méi)有地震時(shí),大地并不平靜,還存在其它可能更為明顯的振動(dòng)——地表噪聲。除了張衡指出的山崩、地坼、地陷外,還有人員活動(dòng)、車(chē)馬行走、河水流淌、雷電雨雹、風(fēng)吹樹(shù)搖等都會(huì)無(wú)時(shí)不刻地產(chǎn)生沖擊波,四面?zhèn)鞑ァ?刂撇涣艘财帘尾坏簦幢汴P(guān)閉門(mén)窗、密封儀器。

        靈臺(tái)的測(cè)震條件并不好:一是位于洛河旁的河漫灘上,地基松軟,河水沖刷產(chǎn)生大量躁聲;二是人為干擾嚴(yán)重,毗鄰的明堂辟雍多有朝覲和祭祀活動(dòng)。公元126年太學(xué)擴(kuò)建,共建2400棟房屋、1850間房子,太學(xué)人數(shù)達(dá)3萬(wàn)人以上,距離靈臺(tái)僅1km之遠(yuǎn)。地動(dòng)儀于132年安裝后,京師屢發(fā)地質(zhì)事件造成有感沖擊波。比如公元133年7月22日“洛陽(yáng)宣德亭地坼,八十五丈,近地郊?!保ā逗鬂h記》卷十八,《后漢書(shū)》志十六),距靈臺(tái)2km左右。其后,漢桓帝167年6月“洛陽(yáng)高平永壽亭地裂”,漢靈帝169年6月“河?xùn)|地裂十二處,裂合長(zhǎng)十里百七十步,廣者三十余步,深不見(jiàn)底”(《后漢書(shū)》五行志四),這些事件都會(huì)對(duì)儀器造成強(qiáng)烈的干擾振動(dòng)。但是,史書(shū)上沒(méi)有過(guò)一次地動(dòng)儀被誤觸發(fā)的記錄。相比之下,公元134年12月13日的隴西地震時(shí),洛陽(yáng)“地不覺(jué)動(dòng),京師學(xué)者,咸怪其無(wú)征”,地動(dòng)儀卻吐出了銅丸。

        一段古文兩層含義,一件儀器兩種反應(yīng)——“不是地震它不動(dòng),只對(duì)地震有反應(yīng)”。這是地動(dòng)儀的科學(xué)屬性,是它的價(jià)值所在,是一條不能逾越的底線。對(duì)地動(dòng)儀原理的爭(zhēng)辯,看似是在解讀“中有都柱”一句上出現(xiàn)的文字歧義,其實(shí)質(zhì)是如何正確理解整段古文的正反兩層含義。正是由于地動(dòng)儀等一類(lèi)儀器具有這種特殊的物理屬性,經(jīng)典地震學(xué)才將之稱(chēng)為驗(yàn)震器,并促進(jìn)了現(xiàn)代地震儀的誕生,這決不是報(bào)警器所能比肩的。

        2.2 三個(gè)功能含有具體的科學(xué)內(nèi)涵,揭示了都柱的力學(xué)狀態(tài)

        地動(dòng)儀的3個(gè)功能均有地震學(xué)的具體內(nèi)涵。

        (1)“不是地震它不動(dòng)”——所有的非地震運(yùn)動(dòng)都以上下顛動(dòng)為主,弱水平分量相伴。對(duì)靈臺(tái)的最保守估算,當(dāng)年種種非地震事件的垂向加速度要在50~500gal(1gal=10-2m/s2)量級(jí),個(gè)別事件要高達(dá)1000gal,地動(dòng)儀的抗干擾能力會(huì)大體在這個(gè)水平,否則它不可能正常工作,也測(cè)不到隴西地震。對(duì)復(fù)原模型的抗干擾測(cè)試,用“在垂直向振動(dòng)加速度約100gal時(shí),誤觸發(fā)率不超過(guò)1%”來(lái)衡量。

        (2)“只對(duì)地震有反應(yīng)”——地震運(yùn)動(dòng)以水平搖晃為主、垂直分量相伴。隴西地震在洛陽(yáng)的地震烈度在 Ⅲ+~Ⅳ,即水平加速度不會(huì)超過(guò)1gal。這個(gè)振動(dòng)量主要是對(duì)面波和橫波而言的,決不是早已衰減殆盡的縱波P。對(duì)復(fù)原模型靈敏度的測(cè)試,用“對(duì)周期為1sec左右的水平振動(dòng),靈敏度不大于1gal”來(lái)衡量。

        (3)特定的指向性——作為沿震中方位的觸發(fā)震相,只能是瑞利面波。它的運(yùn)動(dòng)軌跡是在射線垂直平面內(nèi)的逆進(jìn)橢圓,頻率很低,震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。地動(dòng)儀對(duì)它會(huì)具有良好反應(yīng)的特點(diǎn)。

        從古文來(lái)看,3個(gè)功能緊緊相扣,缺一不可。

        鑒于地震波和地表噪聲都具有水平和垂直分量,二者又是疊加耦合在一起的,差異僅在于各自的“優(yōu)勢(shì)分量”不同(圖6)。非地震并不是絕對(duì)的、純粹的垂直運(yùn)動(dòng),會(huì)有“上下顛簸、左右搖擺”現(xiàn)象;地震波也不是純粹的、單頻率的水平運(yùn)動(dòng),會(huì)在水平向強(qiáng)振蕩的同時(shí)伴有垂直分量,偏振面總存在側(cè)向和縱向的傾角??傊?,測(cè)震儀器既要抗拒強(qiáng)干擾、又要測(cè)到微弱地震,這是兩難的。

        圖6 地表加速度的實(shí)際記錄圖。地震和地表噪聲的垂直和水平分量始終處于耦合狀態(tài)

        則解耦,遂成為唯一的出路。

        解耦就是把垂直分量和水平分量分離開(kāi)來(lái),彼此獨(dú)立,互不干擾?,F(xiàn)代測(cè)震學(xué)采取了一系列的技術(shù)和措施,地震儀垂直分量和水平分量的結(jié)構(gòu)完全不同,每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)還必須用3臺(tái)儀器單獨(dú)記錄。于是,垂直記錄中主要含非地震的噪聲和縱波信息,水平記錄中則主要是地震橫波和面波信息。張衡的地動(dòng)儀只有1臺(tái),居然能對(duì)地震和非地震出現(xiàn)不同的反應(yīng),那么“中有都柱,傍行八道”的力學(xué)狀況一定是解耦的。不解耦,地動(dòng)儀的反應(yīng)就不會(huì)出現(xiàn)差異,不能抗拒地表干擾,不可能提高測(cè)震的靈敏度,故反應(yīng)的指向性也就不復(fù)存在。

        3 隴西地震的量化分析

        量化分析“嘗一龍機(jī)發(fā),而地不覺(jué)動(dòng),京師學(xué)者,咸怪其無(wú)征,后數(shù)日驛至,果地震隴西”,為模型的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)提供了客觀標(biāo)準(zhǔn)。

        3.1 為什么能用古今資料進(jìn)行震例對(duì)比,量化隴西地震呢?

        自然科學(xué)的研究基礎(chǔ)在于客觀現(xiàn)象具有可重復(fù)性,即自然規(guī)律是不變的,會(huì)在同等觀測(cè)精度和條件下重演。“白日依山盡,黃河入海流”千萬(wàn)年來(lái)沒(méi)有變,地震波也是這樣。它的震相、走時(shí)、偏振、衰減、頻率等基本規(guī)律是不隨時(shí)間和地點(diǎn)改變的。以隴西地震的3次洛陽(yáng)記錄為例(圖7),時(shí)間相隔10年,能量差千倍,但地震波的基本特征一直未變:震相到達(dá)的先后次序、各震相的偏振方向、瑞利面波Rm的優(yōu)勢(shì)地位、衰減特征、頻譜特征都不變。這就允許人們通過(guò)古今震例的對(duì)比、實(shí)證、后驗(yàn)、甚至模擬等手段來(lái)理解和檢驗(yàn)古書(shū)。古文描述的不過(guò)是些簡(jiǎn)單的宏觀現(xiàn)象,諸如“地不覺(jué)動(dòng),民甚懼焉”、“屋宇搖曳,地?fù)u京師”、“地坼山崩,壞敗廬舍”等等,這些現(xiàn)象很容易重復(fù)出現(xiàn)。于是在同等觀測(cè)精度和條件下,用明清時(shí)代的歷史地震,借助今日的地震記錄圖,就能夠量化分析漢代的隴西地震。

        圖7 洛陽(yáng)地震臺(tái)記錄的3次隴西地震位移記錄圖

        3.2 隴西地震的資料獨(dú)立性和量化范圍

        古文的“地震隴西,地不覺(jué)動(dòng)”,可把它量化成:震中距 500~700km,洛陽(yáng)的地震烈度Ⅲ+~Ⅳ。再根據(jù)古今地震資料、烈度衰減規(guī)律、理論地震學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造及隴西地震記錄圖,就能推算出該地震的理論復(fù)原地震圖以及各參數(shù)的數(shù)量級(jí)(馮銳,2006):

        (1)M=~7,在甘肅天水一帶。洛陽(yáng)地區(qū)的水平運(yùn)動(dòng)是橫波和面波,不是縱波。面波加速度?。ú怀^(guò)1gal)、位移量大(6~8mm)、頻率低(優(yōu)勢(shì)周期 1~10sec)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(約1min);橫波比面波先到,頻率高出約10倍,加速度和位移量會(huì)小約50%以上;

        (2)縱波初動(dòng)是首波Pn,直達(dá)縱波P是續(xù)至震相,垂直加速度和位移量分別約為面波的10-3和 10-6,完全觀測(cè)不到,沒(méi)有水平分量;

        (3)洛陽(yáng)地表噪聲的垂向加速度至少在50~500gal的量級(jí)。

        把以上數(shù)據(jù)集輸入計(jì)算機(jī),就能通過(guò)振動(dòng)臺(tái)技術(shù)重現(xiàn)隴西地震時(shí)在洛陽(yáng)的地面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然,這些參數(shù)遠(yuǎn)不是地震事件的全部,但就約束和測(cè)試復(fù)原模型來(lái)說(shuō)足矣。

        3.3 觸發(fā)地動(dòng)儀的不是直達(dá)縱波P,而是后續(xù)的瑞利面波R

        “直達(dá)縱波P觸發(fā)地動(dòng)儀”,這是一種最常見(jiàn)的誤解。

        地震縱波是一種能量很小、衰減極快的高頻信號(hào),只出現(xiàn)在近震中地區(qū)。從圖1可見(jiàn),日本丹后7.5級(jí)大地震,距震中200km的最大位移量?jī)H有0.001~0.2mm,稍遠(yuǎn)的區(qū)域根本觀測(cè)不到P波初動(dòng)。而隴西的震中距高達(dá)600km,震級(jí)不到7級(jí),到達(dá)京師洛陽(yáng)的縱波理論位移在10-6mm即納米的量級(jí),相當(dāng)于氣體分子的大小,加速度約在10-5gal的量級(jí)。這樣微小的波動(dòng),連現(xiàn)代地震儀都觀測(cè)不到,更不會(huì)造成古書(shū)記載的“地動(dòng)搖尊,尊則震”的現(xiàn)象。

        其次,在殼幔邊界上會(huì)產(chǎn)生一種傳播速度極快的首波 Pn,它在震中距大于50km以后一直是首先到達(dá)的震相,能量一般要比直達(dá)縱波P高出1~3個(gè)數(shù)量級(jí),直達(dá)縱波P在洛陽(yáng)已成微弱的續(xù)至震相,初動(dòng)作用不復(fù)存在(圖8)。

        圖8 500km震中距的真實(shí)地震記錄圖

        最后,地震射線是彎曲的,地表是自由界面。于是縱波的波陣面便會(huì)與地表面重合,波動(dòng)射線垂直出射于地表。也就是說(shuō),P波只有上下振動(dòng),沒(méi)有水平分量,不論東西南北傳來(lái)的地震縱波,都不能用它來(lái)分辨出震源的方向,從而與古文“尋其方面,乃知震之所在”完全相悖。

        事實(shí)上,當(dāng)震中距逾200km后,各地最穩(wěn)定的強(qiáng)信號(hào)只有一個(gè)——瑞利面波R。它具有頻散特征,不存在體波那種初動(dòng)明顯的起始位移,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)沿震中方位(圖9)。7級(jí)以上地震的面波一般會(huì)持續(xù)搖晃十幾分鐘以上,寬泛的頻帶很容易引起結(jié)構(gòu)的共振。史載隴西地震時(shí)人不覺(jué)動(dòng),卻有“地動(dòng)搖尊,尊則振…,龍機(jī)發(fā)”現(xiàn)象。既然人們已經(jīng)看到約3m高的地動(dòng)儀出現(xiàn)了“地動(dòng)搖晃尊,尊體來(lái)回振動(dòng)”現(xiàn)象,但人體自身卻“不覺(jué)其動(dòng)”。那么,這肯定是,也只能是地震學(xué)里的典型的瑞利面波現(xiàn)象,仿佛不可思議但千真萬(wàn)確,它普遍出現(xiàn)在烈度為 Ⅲ+~Ⅳ區(qū)域內(nèi)。動(dòng)作次序上,又是先出現(xiàn)“尊則振”然后才“龍機(jī)發(fā)”現(xiàn)象(而相反的次序),更成為進(jìn)一步的旁證。

        圖9 地震面波的震動(dòng)方向和傳播圖樣

        4 地震學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)

        “驗(yàn)之以事,合契若神,來(lái)觀之者,莫不服其奇”說(shuō)明地動(dòng)儀經(jīng)過(guò)了多次實(shí)踐檢驗(yàn)才成功。

        4.1 為什么一些看似成功的模型卻通不過(guò)專(zhuān)業(yè)檢驗(yàn)?

        近些年,屢有文章和小報(bào)對(duì)一些“直立竿復(fù)活的實(shí)驗(yàn)”做高調(diào)宣傳。殊不知,這些模型突破了“不是地震它不動(dòng)”的底線,將虛高的靈敏度變成惟一的追求目標(biāo),于是始終通不過(guò)(或完全沒(méi)有做過(guò))嚴(yán)格的地震學(xué)專(zhuān)業(yè)檢驗(yàn),更沒(méi)有用真實(shí)的三維地震記錄做過(guò)實(shí)驗(yàn)。胡寧生(2014)的實(shí)驗(yàn)尤為典型,他把一根高1.90m、直徑3.8mm的直立竿豎立起來(lái),在水平振動(dòng)中傾倒了,著書(shū)自稱(chēng)“破解了全世界1800年來(lái)沒(méi)有一個(gè)人能解決的謎,是中外科技史研究中百年來(lái)所取得的最大成就之一”。為此,有必要指出其原則性失誤。

        直立竿是一種非穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu),以支撐底面的極端狹小為特征,高靈敏度是靠弱摩擦力和重力矢量的偏斜失穩(wěn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖10)。記直立竿質(zhì)量M,底面水平向摩擦力f,垂向重力Mg0,穩(wěn)定條件為

        圖10 立柱體的力學(xué)關(guān)系

        g0靜態(tài)重力加速度980gal,μ磨擦系數(shù)(銅鋼等金屬間的靜系數(shù)為0.5~0.7,動(dòng)系數(shù)為0.44~0.34),即青銅間的靜摩擦力f約為立竿重力之半。式(1)表明,直立竿的水平和垂直作用力緊密耦合在一起,二者不是相互獨(dú)立的2個(gè)物理量,它的力學(xué)狀況不解耦。于是,直立竿對(duì)水平和垂直向振動(dòng)都能夠出現(xiàn)反應(yīng),即不具有分辨非地震與地震的物理屬性,無(wú)法用于驗(yàn)震。比如動(dòng)態(tài)時(shí)候,若地表噪聲的垂向加速度為N,式(1)的靜態(tài)重力加速度g0就要改變?yōu)間,摩擦力f便會(huì)隨之變小。作為時(shí)變量的地表噪聲,其垂向N的值很容易達(dá)到50~500gal的量級(jí)(山崩、地陷時(shí)更會(huì)超過(guò)1000gal以上),又含有一定的水平分量。于是,摩擦力f會(huì)瞬間降低5%~50%以上,相當(dāng)于磨擦系數(shù)已經(jīng)從靜態(tài)值降低到動(dòng)摩擦范圍以下,于是底界面便不可避免地要出現(xiàn)層間滑動(dòng),直立竿的穩(wěn)定條件式(1)遭到破壞,結(jié)構(gòu)的倒塌便具有隨機(jī)性。在地震學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室,我們?cè)鴮?duì)高徑比分別為5、10、20、40、62的直立竿做過(guò)400余次測(cè)試(馮銳等,2006),垂向振動(dòng)確實(shí)更容易使直立竿傾倒,其垂向傾倒的臨界加速度甚至?xí)人较虻牡?00gal以上,而且高徑比愈大者愈容易發(fā)生,誤觸發(fā)率高達(dá)97%以上,完全不適用于測(cè)震。

        就靈敏度和抗干擾性而言,抗干擾是前提條件,或者說(shuō)地動(dòng)儀的“不是地震它不動(dòng)”的底線,不能突破。若立柱的重心高為h,底面半徑為R,則高徑比為h/R,Milne在1885年引入了 Charles D West(1847~1908)的近似公式

        a0為傾倒的臨界水平加速度(即靈敏度)。高徑比越大,傾倒的臨界角度β=arctan(R/h)就越小,靈敏度自然越高,此時(shí)的重力矢量偏斜到柱體底面的外邊緣處(圖10)。

        但直立竿是一種沒(méi)有恢復(fù)力矩可維系平衡的結(jié)構(gòu)。由于地表噪聲同時(shí)含有垂直和水平分量,其偏振面是傾斜的(可達(dá)到30°以上),在洛陽(yáng)靈臺(tái)的土層環(huán)境下,地面傾斜的瞬態(tài)傾角會(huì)達(dá)到幾度至10余度的量級(jí)。于是重心矢量會(huì)瞬態(tài)偏離初始平衡位置,繼而超越支撐底面之外而引起失衡。實(shí)測(cè)表明,對(duì)正常噪聲本底的地傾斜干擾,立柱的高徑比(h/R)≈ 50~60、傾倒臨界角β≈1.0°,已接近抗噪聲的極限量。胡寧生(2014)直立竿的高徑比為500,傾倒臨界角已然小到β≈0.1°,它對(duì)于通常幾度以上的地面動(dòng)態(tài)傾斜干擾是完全抗拒不了的,傾倒方向更是隨機(jī)的。當(dāng)然,如此大的高徑比值自有虛高的靈敏度值(a0=2gal),不過(guò)這個(gè)值完全沒(méi)有實(shí)際意義,也仍然沒(méi)有達(dá)到隴西地震的不超過(guò)1gal的最低檢測(cè)要求。

        非地震的干擾與三維測(cè)驗(yàn)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn),十分重要,但胡寧生的實(shí)驗(yàn),對(duì)此有意做了回避。只模擬脫離地震學(xué)實(shí)際的“純水平向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”——無(wú)垂直方向干擾振動(dòng)、無(wú)地面傾斜干擾、無(wú)地震波震相的運(yùn)動(dòng),僅輸入了絕對(duì)清晰的“純水平”方向的強(qiáng)烈沖擊,加速度竟為真實(shí)地震縱波的105倍。于是,出現(xiàn)了直立柱傾倒的假象,其方向還準(zhǔn)確地“指向震中”。這些,自然通不過(guò)地震學(xué)的專(zhuān)業(yè)檢驗(yàn)。

        對(duì)于這類(lèi)經(jīng)典地震學(xué)已有過(guò)明確否定結(jié)論的結(jié)構(gòu),不建議青年人去盲目投入。

        4.2 地震學(xué)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)

        在地震學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,液壓振動(dòng)臺(tái)能夠在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下精確復(fù)現(xiàn)各種三維地面運(yùn)動(dòng),各裝置的精度、重復(fù)性均有嚴(yán)格的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入數(shù)字地震圖之后,便可以完成頻率、位移、加速度、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、應(yīng)力應(yīng)變等各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)定和測(cè)試。小的振動(dòng)臺(tái)面約1m×1m(圖11),適用于都柱結(jié)構(gòu)測(cè)試。大的振動(dòng)臺(tái)面約3m×4m,可對(duì)原大地動(dòng)儀模型進(jìn)行整體測(cè)試。實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)雖然比較復(fù)雜,但能?chē)?yán)謹(jǐn)?shù)夭槊鲉?wèn)題和驗(yàn)證認(rèn)識(shí)。專(zhuān)業(yè)測(cè)試主要包含如下6方面的內(nèi)容。

        (1)抗干擾性 測(cè)試模型的抗干擾能力,獨(dú)立的純垂直方向干擾量500~1200gal,頻率范圍為0.1~200Hz,運(yùn)動(dòng)方式為脈沖狀和連續(xù)波列2種,確定100次測(cè)試的誤觸發(fā)量;

        圖11 實(shí)驗(yàn)室的小型液壓振動(dòng)臺(tái),正在對(duì)黃色的懸掛都柱進(jìn)行測(cè)試

        (2)靈敏度 測(cè)試模型的穩(wěn)定性和水平向靈敏度,周期約1sec的獨(dú)立純水平振動(dòng)信號(hào),加速度在0.2~5.0gal,水平位移量0.5~2.0mm;

        (3)三維合成檢驗(yàn) 將前2種水平信號(hào)與垂直噪聲合成起來(lái),以三維運(yùn)動(dòng)的方式重新實(shí)驗(yàn);

        (4)寬頻帶響應(yīng) 測(cè)試結(jié)構(gòu)的自由運(yùn)動(dòng)和負(fù)荷運(yùn)動(dòng),周期為0.01~10.0sec。測(cè)試模型分辨續(xù)至波的能力;

        (5)隴西地震 輸入復(fù)原的隴西理論地震圖,按照量化范圍進(jìn)行數(shù)量級(jí)的約束,檢驗(yàn)?zāi)P偷膭?dòng)力學(xué)響應(yīng);

        (6)真實(shí)地震 輸入真實(shí)的三維數(shù)字地震記錄圖,檢驗(yàn)?zāi)P偷撵`敏度、動(dòng)作順序、反應(yīng)方向、穩(wěn)定性。

        只有通過(guò)這些嚴(yán)格的專(zhuān)業(yè)測(cè)試,方能查明模型是否合理。

        5 地動(dòng)儀在地震科學(xué)史上的作用

        5.1 對(duì)現(xiàn)代地震學(xué)啟步階段的思想啟迪

        19世紀(jì)末,現(xiàn)代地震儀發(fā)明之前。日本的服部一三(I.Hattori)于1875年繪制了地動(dòng)儀復(fù)原圖。次年3月,剛訪問(wèn)過(guò)中國(guó)北京、天津、上海的英國(guó)地質(zhì)工程師米爾恩(JMilne)到達(dá)日本,很快對(duì)張衡的發(fā)明產(chǎn)生了興趣,自1879年集中精力到張衡和地震研究方面。根據(jù)中國(guó)古書(shū)記載,他在住所和餐廳里對(duì)都柱結(jié)構(gòu)做了大量實(shí)驗(yàn)。先設(shè)計(jì)了直立竿結(jié)構(gòu),對(duì)比了方截面、圓柱、錐形和其他一些形狀,均告失敗。又設(shè)計(jì)了50余種懸掛裝置,還把住房的兩層天花板都鑿了洞來(lái)懸掛。認(rèn)識(shí)到測(cè)震的關(guān)鍵在于加大懸垂擺的擺長(zhǎng)和自振周期,才能測(cè)量相對(duì)位移。

        1880年2月22日凌晨,橫濱5.8級(jí)地震把東京的Milne晃醒,他清醒地看到吊燈劇烈搖晃,搖擺方向十分確定,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用單擺振幅竟達(dá)2英尺,更從實(shí)踐中理解了張衡,得到了明確的結(jié)論,即“對(duì)測(cè)震來(lái)說(shuō),懸垂擺是最精確的結(jié)構(gòu)”。

        1883年,Milne(1883)第一個(gè)把《后漢書(shū)》對(duì)地動(dòng)儀的記載全部譯成英文,繪制了復(fù)原模型,他在這部地震學(xué)奠基之作里強(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。”他又根據(jù)橫濱地震500份調(diào)查問(wèn)卷和100多封來(lái)信,提出了一個(gè)重要概念——地震可能會(huì)造成某種波動(dòng),使震害程度向外衰減。

        5.2 地震波的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代地震儀的誕生

        1889年4月17日德國(guó)波茨坦的天文臺(tái),Rebeur-Paschwitz(1861~1895)用水平擺重力儀觀測(cè)月球引力作用,突然在17時(shí)21分看到了記錄的異常。幾個(gè)月后,從《自然》得知日本熊本發(fā)生6.3級(jí)地震:波茨坦時(shí)間是4月17日17時(shí)07分。德-日兩地相距8 800余千米,波茨坦的記錄滯后14min!這一偶然發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了地震波的存在,還獲得能在遠(yuǎn)距離觀測(cè)的過(guò)硬記錄(Bolt,1993)。消息轟動(dòng)了世界,也使張衡地動(dòng)儀揚(yáng)名全球——中國(guó)人早在1700多年前就測(cè)到了遠(yuǎn)處的地震。正是在這件事情之后,西方才把地動(dòng)儀稱(chēng)為“中國(guó)驗(yàn)震器”(Chinese Seismoscope),并以公元132年作為人類(lèi)首臺(tái)地震儀器的誕生年份。

        受到鼓舞的Milne立刻分析了德國(guó)的水平擺重力儀。在月球的引潮力緩慢變化時(shí),所改變的是鉛垂線相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸間的夾角α,記錄了起潮力位的變化;在遇到地震波的迅變信號(hào)時(shí),實(shí)際上是儀器的旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)鉛垂線發(fā)生了改變,即傾角α的反方向變化。張衡用的懸垂擺(都柱)與德國(guó)用的水平擺存在本質(zhì)聯(lián)系,差異僅在于α角,懸垂擺就是α為直角時(shí)的水平擺。

        Milne隨即設(shè)計(jì)了一種新型水平擺,采用硬擺桿、吊絲提拉重錘,從垂直擺演化到水平擺,終于在1893年發(fā)明了世界上第一部現(xiàn)代地震儀——高0.5m、長(zhǎng)1m,擺錘500g,周期數(shù)百秒,配有記錄器。1895年返英后,用他的80多臺(tái)新儀器在全球60多個(gè)國(guó)家組建了全球地震臺(tái)網(wǎng),出版了全球地震報(bào)告和專(zhuān)著,成為舉世公認(rèn)的現(xiàn)代地震學(xué)的奠基人。

        從科學(xué)思想的繼承和啟迪來(lái)看,張衡地動(dòng)儀和現(xiàn)代地震儀的誕生存在確切的歷史鏈,東方與西方的文化聯(lián)系共同促進(jìn)了世界文明的發(fā)展。

        6 結(jié)論

        地動(dòng)儀的研究涉及歷史和科學(xué)的統(tǒng)一。研究的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和模型盡可不同,但地震學(xué)的基本概念和原則需要遵循和堅(jiān)持,同樣是工作的基礎(chǔ)和底線。目前的研究中存在一些專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)上的誤解。筆者選擇了5個(gè)具有代表性的地震學(xué)基本概念做了解釋和澄清,強(qiáng)調(diào)了模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)該符合客觀實(shí)際的重要性。希望有助于正確地、科學(xué)地認(rèn)識(shí)地動(dòng)儀。

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