摘要：抗戰(zhàn)時(shí)期，我國(guó)自主研發(fā)的霓式地震儀具有劃時(shí)代意義，這是我國(guó)現(xiàn)代第一臺(tái)機(jī)械式地震儀。文章深入探討了霓式地震儀在特殊歷史背景下的創(chuàng)建歷程、科學(xué)貢獻(xiàn)與對(duì)現(xiàn)代地球物理觀測(cè)的影響。文章從霓式地震儀的發(fā)展脈絡(luò)、研制過程、技術(shù)特性、工作原理以及對(duì)現(xiàn)代地震觀測(cè)的影響等方面分析其歷史地位、科學(xué)價(jià)值及技術(shù)創(chuàng)新的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：霓式地震儀；抗戰(zhàn)時(shí)期；科學(xué)貢獻(xiàn)；地球物理觀測(cè)

一、我國(guó)近代地震儀的發(fā)展脈絡(luò)

中國(guó)位于地震頻發(fā)地帶，是世界上最早記錄地震現(xiàn)象和開展地震觀測(cè)的國(guó)家。東漢時(shí)期，我國(guó)科學(xué)家張衡發(fā)明了世界上第一臺(tái)觀測(cè)地震的儀器——候風(fēng)地動(dòng)儀，至今仍為世界所矚目，彰顯了中國(guó)在地震觀測(cè)領(lǐng)域的深遠(yuǎn)影響與創(chuàng)新精神。如今，中國(guó)的地震觀測(cè)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)天空地一體化，從井下的深井甚寬頻帶地震觀測(cè)儀到太空的張衡一號(hào)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星，標(biāo)志著中國(guó)在全球地球物理觀測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，也是對(duì)古代智慧的傳承與發(fā)展。

1920年12月16日晚8點(diǎn)06分，一場(chǎng)人類歷史上罕見的8.5級(jí)大地震突然降臨寧夏海原。山搖地動(dòng)，天空紅光如練，龍卷風(fēng)猶如萬馬嘶鳴。震中甘鹽池震級(jí)烈度12度，相當(dāng)于瞬間投下1200枚廣島原子彈，釋放的震波能量相當(dāng)于11.2個(gè)唐山大地震。甘肅省蘭州市白塔山公園的廟碑上，將這場(chǎng)地震稱為“環(huán)球大震”。海原大地震波及陜、甘、寧、青等17個(gè)省份，有感區(qū)域達(dá)251萬平方公里，致27萬余人遇難。當(dāng)時(shí)，海原縣城中衙署、民宅、店鋪、寺廟毀圮無遺，悉為廢墟，地裂、黑水、火災(zāi)、暴雪疊起，險(xiǎn)像環(huán)生，余震持續(xù)年余[1]。

震后，時(shí)任中央地質(zhì)調(diào)查所代理所長(zhǎng)翁文灝率隊(duì)赴災(zāi)區(qū)，開展中國(guó)政府最早組織的震后科學(xué)考察，由此揭開了中國(guó)近代地震科學(xué)考察的序幕。1923年，翁文灝在《科學(xué)》第8卷第8期上發(fā)表《中國(guó)地震分布簡(jiǎn)說》，并繪制出第一幅《中國(guó)地震區(qū)分布圖》。1928年，國(guó)民政府意識(shí)到防震減災(zāi)的重要性，由翁文灝主持籌建工作，尋覓一位精通英文、物理學(xué)的人從事地震研究。時(shí)任清華大學(xué)物理系教授葉企孫推薦了他的學(xué)生李善邦。李善邦雖無任何地震學(xué)的專業(yè)背景，但他物理好、英文好，也具備翁文灝最為看重的踏實(shí)、耐得住寂寞的品質(zhì)，適合長(zhǎng)期堅(jiān)守在遠(yuǎn)離北京市區(qū)的北安河鷲峰腳下工作。1930年，第一個(gè)由中國(guó)人自己建設(shè)和管理運(yùn)作的地震臺(tái)——鷲峰地震臺(tái)在李善邦主持下建成，從此開啟了自主研究地震儀的新紀(jì)元。

從下表可以看出，1926年、1930年購買的小維歇爾地震儀和1932年南京北極閣地震臺(tái)購置的重達(dá)近2萬公斤的大維歇爾地震儀，均進(jìn)口自歐洲，體積龐大，成本高昂。若長(zhǎng)期依賴進(jìn)口設(shè)備，我國(guó)在地球物理觀測(cè)領(lǐng)域的投入將異常巨大。

二、霓式地震儀在重慶北碚研制成功

1937年，全民族抗戰(zhàn)爆發(fā)，鷲峰地震臺(tái)毀于一旦，中央地質(zhì)調(diào)查所輾轉(zhuǎn)遷移至重慶北碚。當(dāng)時(shí)，戰(zhàn)爭(zhēng)的陰霾籠罩著中華大地，國(guó)家面臨前所未有的生存挑戰(zhàn)。物資短缺，科研條件極為艱苦，地震觀測(cè)儀在遷移中被炮火轟炸損壞、遺失，地震觀測(cè)工作幾乎陷入完全停滯狀態(tài)。在基礎(chǔ)設(shè)施不足、生活條件惡劣、安全難以保障的環(huán)境下，李善邦不僅沒有放棄科學(xué)研究，反而激發(fā)出巨大的創(chuàng)造潛力。他在《我國(guó)早期地震工作發(fā)展概況》中寫道：“要恢復(fù)地震研究，須有觀測(cè)儀器，從國(guó)外進(jìn)口儀器是完全不可能的了，唯一的辦法是自制?！盵2]

國(guó)家地震局地球物理研究所存有李善邦60歲生日時(shí)寫給子女的一段話：“初無制作整套地震儀的經(jīng)驗(yàn)，手邊又缺乏參考圖籍，雖決定采用最簡(jiǎn)單的方案，但不管怎樣簡(jiǎn)單，總包括若干鑄件、機(jī)簧以及大小不等的車、鉗工序，困難擺在面前，須得一一克服。經(jīng)費(fèi)很少，還得自己設(shè)法尋求，將車床給人分用，得些租金，盡量在舊貨攤上找些可以改作零件的廢品 。最令人氣惱的是原應(yīng)供電力的資本家借口電力不夠支配，截?cái)喙?yīng)，車床因此不得不設(shè)法改用人力轉(zhuǎn)動(dòng)，出件既慢又不精致。但更難堪的是精神生活。敵軍日益深入內(nèi)地 ，敵機(jī)轟炸夜以繼日，每日可以工作的時(shí)間不過二、三小時(shí)，其余消磨于逃避警報(bào)，防空洞遠(yuǎn)在山崗之下，既簡(jiǎn)陋又狹小，擠在里面，氣悶而心更悶 。”這段文字描繪了李善邦在抗戰(zhàn)時(shí)期研制霓式地震儀所面臨的重重困難和挑戰(zhàn)。

在李善邦的不懈努力下，1943年6月21日，我國(guó)近代第一套熏煙記錄機(jī)械放大式地震儀——霓式地震儀在重慶北碚研制成功。次日清晨，霓式地震儀就記錄到了發(fā)生于成都附近的5級(jí)左右地震，經(jīng)過仔細(xì)檢查，地震記錄圖還很清晰。這一成就解決了戰(zhàn)時(shí)中國(guó)對(duì)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備的迫切需求，開創(chuàng)了我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造地震儀的歷史先河，為后續(xù)的科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。霓式地震儀對(duì)于地球物理觀測(cè)、地震學(xué)以及科學(xué)社會(huì)學(xué)等領(lǐng)域均具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)踐意義。

三、霓式地震儀的技術(shù)特性及工作原理

霓式地震儀的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其材料的選擇。與昂貴的進(jìn)口設(shè)備相比，霓式地震儀因選擇了合適的國(guó)產(chǎn)材料，并簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，制造成本大幅降低。其整體結(jié)構(gòu)分為三部分：重錘及支架、放大及制振設(shè)備、記錄器。地震儀為水平擺形式，東西及南北分向錘各重100kg，周期為4.5s，具有極高的靈敏度以及能夠檢測(cè)到微弱的地面震動(dòng)。

霓式地震儀靜態(tài)放大倍數(shù)約為152倍，即便是微小的地震活動(dòng)也能被準(zhǔn)確記錄。放大器類型為機(jī)械杠桿放大，記錄方式為熏煙記錄，記錄紙速度為20mm/min。從1943年到1946年，霓式地震儀共記錄下109次地震，這些被記錄下來的地震，震源地最遠(yuǎn)位于土耳其。這不僅證明了霓式地震儀的高精密度，還體現(xiàn)了其巧妙設(shè)計(jì)達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平。

霓式地震儀擁有廣泛的頻率響應(yīng)范圍，能夠捕捉從低頻到高頻的不同地震波類型。同時(shí)，其穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和精確的記錄系統(tǒng)，保障了長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的可靠性，對(duì)于持續(xù)監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)具有不可估量的重要性。

霓式地震儀工作原理之一為慣性擺的巧思，兩個(gè)懸掛的重錘是地震儀至關(guān)重要的部件。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地面發(fā)生振動(dòng)，重錘因?yàn)橘|(zhì)量大與移動(dòng)地面產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地震儀記錄下這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就形成了一條具有不同起伏幅度的曲線，稱為地震譜。曲線起伏幅度與地震波引起地面振動(dòng)的振幅相應(yīng)，標(biāo)志著地震的強(qiáng)烈程度。從地震譜可以清楚地辨別出各類震波的效應(yīng)?？v波與橫波到達(dá)同一地震臺(tái)的時(shí)間差，即時(shí)差與震中離地震臺(tái)的距離成正比，離震中越遠(yuǎn)，時(shí)差越大。由此規(guī)律即可求出震中離地震臺(tái)的距離，即震中距。

機(jī)械杠桿放大是霓式地震儀的又一工作原理。杠桿連接在重錘與記錄器之間，它的一端連接重錘，另一端連接記錄器。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，杠桿的一端微小擺動(dòng)，通過加長(zhǎng)的杠桿把這種擺動(dòng)放大約152倍，另一端的記錄筆就會(huì)清晰地記錄下地震波形。獨(dú)特的放大機(jī)制，能夠在無需電力的條件下，對(duì)地震波進(jìn)行高靈敏度的捕捉和記錄。

四、霓式地震儀的科學(xué)貢獻(xiàn)與影響

霓式地震儀是抗戰(zhàn)時(shí)期中國(guó)唯一一套地震儀。1949年后，地震學(xué)家們?cè)谶@套地震儀的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，并復(fù)制許多套，在黃河流域地區(qū)布置了20多個(gè)地震臺(tái)，建立起了我國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的雛形。

霓式地震儀的成功研制，不僅是技術(shù)上的創(chuàng)新，更是在逆境中堅(jiān)持科研、勇于創(chuàng)新的科學(xué)家精神的象征。戰(zhàn)爭(zhēng)年代，面對(duì)資源短缺和惡劣的研究環(huán)境，中國(guó)科學(xué)家沒有選擇放棄，利用有限的資源，在極端困難的條件下創(chuàng)造性地解決了一個(gè)又一個(gè)難題，其自主創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作、堅(jiān)韌不拔、服務(wù)社會(huì)的精神激勵(lì)著一代代科研人員在科學(xué)道路上砥礪前行。

霓式地震儀開啟了國(guó)產(chǎn)地震儀的自主研發(fā)之路，其設(shè)計(jì)理念和技術(shù)細(xì)節(jié)為后來的地震監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了參考。1951年我國(guó)研制成功的大51和小51地震儀就是沿著霓式地震儀的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行研制的。經(jīng)過幾代科研工作者的不懈耕耘和不斷創(chuàng)新，我國(guó)地球物理觀測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了機(jī)械、電子模擬和數(shù)字化三個(gè)跨越式的階段發(fā)展，在地球物理觀測(cè)站網(wǎng)的不斷升級(jí)中，發(fā)揮著中間作用，以獨(dú)立自主的中國(guó)技術(shù)，為我國(guó)地震與地球物理觀測(cè)作出卓越貢獻(xiàn)。

五、結(jié)語

從首張地震區(qū)劃圖到中國(guó)人自己管理運(yùn)作的第一個(gè)地震臺(tái)——鷲峰地震臺(tái)，從北碚地震臺(tái)研制成功的首個(gè)地震監(jiān)測(cè)儀到天空地一體化地震監(jiān)測(cè)體系，從震后數(shù)日還難以確定震中到震后數(shù)秒可實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警，我國(guó)的地震學(xué)飛速發(fā)展，不斷創(chuàng)造新的成就。

2023年10月20日，霓式地震儀研制成功80周年紀(jì)念活動(dòng)暨復(fù)制展品捐贈(zèng)儀式在重慶自然博物館老館——中國(guó)西部科學(xué)院舊址陳列館地質(zhì)樓舉行。為讓廣大觀眾更加直觀地了解霓式地震儀，中國(guó)地震局地球物理研究所和防災(zāi)科技學(xué)院根據(jù)霓式地震儀留存的珍貴照片，按1：1比例制作了霓式地震儀復(fù)原件。

霓式地震儀復(fù)制展品的回歸和展示，為傳承科學(xué)歷史、弘揚(yáng)科學(xué)家精神和推動(dòng)防震減災(zāi)科普教育工作提供了新的契機(jī)。它將激勵(lì)更多的人投身于科學(xué)研究，為推動(dòng)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)，推動(dòng)科普教育工作再上新的臺(tái)階。

注釋

[ 1 ] 王蘭民，郭安寧，王平，等.1920年海原大地震震害特征與啟示[J].城市與減災(zāi)，2020（06）：43-53.

[ 2 ] 李善邦.我國(guó)早期地震工作發(fā)展概況[J].西北地震學(xué)報(bào)，1980（01）：1-5.

[ 3 ] 侯江.中央地質(zhì)調(diào)查所所屬地震臺(tái)站歷史變遷[J].四川地震，2015（04）：41-45.

編輯/王堯