趣味地震学（25）：张衡改写了历史＊

冯 锐

（中国地震台网中心，北京 100045）

若没有这些科学先驱的发现，人类历史将完全不同，这些杰出人才都是开创型的思想家……

——美《伟大的科学家》挂图

美国的这份教学挂图介绍了全世界16 位伟大科学家，有伽利略、牛顿、巴斯德、居里夫人和爱因斯坦等，张衡（78—139）是唯一的中国科学家。他们的共同特点是揭示出客观世界的规律，与传统观念进行了不懈地斗争。

除了文学、天文等方面的成就外，张衡最杰出的贡献是发明了地动仪，人类第一次利用了物体的惯性，开创了测震学的广阔应用领域（图1）。

图 1 测震学的应用领域Fig. 1 Application of seismometry

尽管地动仪的辉煌已为人知，但对它的认识却不能如蜻蜓点水般的浅尝辄止。值得静下心来，知其然也知其所以然，了解测震学史的基本发展脉络，在前人研究的基础上写出自己对宇宙万物的新认识。

1 从地动仪到验震器

1.1 张衡地动仪

东汉灵台是世界最早的科学机构之一，公元59年启用，张衡自115 年起先后主持灵台工作14 年。

灵台的浑仪、浑象、葭莩律管、日晷、漏壶、相风铜鸟等观测仪器，都是对自然现象的缩微和模仿。反映出古代“法象为器，制器尚象”的制作原则，地动仪亦不例外。

张衡对地震的关注大约从公元119 年始，他的老家南阳在3 月10 日发生了强地震。他又在京师洛阳亲历过120 年1 月17 日的日食地震和121 年冀南−鲁西地震。在124 年随安帝东巡时，还经历过当地的余震活动，125 年负责处理过地震瘟疫事宜。128 年2 月22 日天水地震，京师亦震感强烈，汉顺帝下诏广征对策。这个时候，启动了地动仪的研制工作。

张衡基于观察地震现象的经验积累，讲道：

阴阳未和，灾眚屡见。天道虽远，凶吉可见。

132 年8 月地动仪问世，成功测到134 年12 月13 日的陇西地震（图2）。朝廷铸鼎为贺，镌刻了地动仪图样。

汉末战乱，地动仪失传。魏文帝登基的公元220 年被视为失传的时间下限。目前仅在《续汉书》《后汉纪》《后汉书》《鼎录》4 份史料中发现了有关地动仪的记载。

图 2 地动仪成功测到134 年陇西地震（吴冠英，2015）Fig. 2 Longxi earthquake was detected by Zhang Heng’s instrument (Wu Guanying，2015)

史料研究表明，张衡很早就有一个重要认识——地震和地裂必须明确区分开：地裂地陷是以垂直方向为主的颤抖颠动，而地震是以水平方向为主的摇晃摆动。他是同时代唯一认识到这点的人，首先使用了“震裂”一词，并对二者赋予了不同的占卜含义。说明，地动仪的研制是有明确的模仿对象和技术追求。

人类二千年的实践表明，能自动区分出地面这两种运动的天然结构惟有悬挂物和水面。

悬挂物具有普遍性、高灵敏和易观测特点。汉代的悬挂物已经极其大量地出现在日常生活中，一旦晃动起来就会像秋千般晃个不停，易于观察，所造成的心理恐惧会留下深刻的印象。在这点上，古今人们的感官认识并没有区别。于是，“地震发生——悬挂物摇晃”会表现出大量的、稳定的对应关系，为千百万群众察觉和关注。“模仿悬挂物、区分出地震和地裂”的原始概念，应该是诞生地动仪科学思想的物质基础：

不是地震它不动，只有地震它才动

学术界最普遍接受的观点是，张衡地动仪的“中有都柱，傍行八道”系指悬挂的重物具有8 个方向晃动的自由度，仪器被陇西地震的面波所触发。这种特殊的仪器称之验震器（Seismoscopoe）——能验证地震发生的仪器。

1.2 地动仪复原模型

地动仪的第一个复原模型是日本的服部一三（I Hattori，1851—1929）于1875 年绘制的，国内外在百余年间共提出过13 种概念性复原模型，都未做过专业检验，与历史条件和资料的限制有关。我国于2003 年启动了地动仪的科学复原研究，2008 年通过国家鉴定，具有良好的验震功能，更加符合史料记载，现在已被国内外广泛接受和宣传[1-2]，2019 年正式收入国家审定的义务教育教科书（图3）。

对地动仪的工作过程，有这样的认识：

地震时，尊体基座被反复地水平摇晃，但悬挂的沉重都柱却因惯性继续保持静止，尊体与都柱间出现了相对位移，导致小关球能脱离都柱的限位而滑出。于是重现了古书的“地动摇尊，尊则振”现象，继而“一龙发机，而七首不动”。非地震时，地面以垂直方向的颤抖为主，悬挂都柱与尊体间没有相对位移，也就不会吐丸（图4）。

1.3 西方的验震器

西方的测震研究，也是从验震器起步的。

1703 年，法国工程师D H Feuille 发明了水银验震器，由水银溢出来判断地震。1751 年意大利L A Bina 神父发明了单摆验震器（图5），重锤为石块，尖端插在水托起的沙盘中。1795 年意大利A Filomrino设计了“单摆震铃”，在重锤的3 个方向挂上小铃，由震铃响声判断地震（图10 中上部），与张衡地动仪的蟾蜍震响有点相似。

在Feuille 的道路上走得最远的，是维苏威火山监测台主任L Palmieri（1807—1896）。他在1856 年利用两个灌满水银的U 形管来检测水平运动，由螺旋弹簧观测垂直运动，再用对运动敏感的电触点来确定地震时间，并记录在纸条上（图6）。该仪器曾在日本1775—1885 年间使用过[3]。

到19 世纪末，大量的五花八门的验震装置（包括1875 年意大利Cecchi 的仪器）都被实践淘汰。

结论摆在桌上：验震的关键是监测地面的水平运动，除利用张衡的摆和Feuille 的液面外，没有发现第三条道路[3-4]。

图 3 国家新审定的教科书对张衡地动仪的介绍Fig. 3 Zhang Heng’s seismoscope introduced in national textbook

图 4 地动仪的工作过程[2]Fig. 4 Working process of Zhang Heng’s seismoscope[2]

2 从验震器到地震仪

英国人米尔恩（John Milne，1850—1913），实现了从验震器到地震仪的飞跃。

他是位精力旺盛、好奇心强烈的人，年轻时曾独自跑到中东沙漠去探险。25 岁被日本聘请为地质矿物学教授，赴任途中又单人独马地徒步横穿了欧亚大陆，历经一年多的苦难居然从英国走到了东方！在中国，大为惊叹地访问了北京、上海、长城和大运河。在日本生活20 年，娶了日本妻子堀川，最早研究了张衡地动仪，发明了现代地震仪，组建了日本地震学会、日本地震台网……。

1876 年Milne 到达日本后，很快就得知1 700 多年前的中国发明过一种仪器，测到了远处的地震，遂陷入深深地迷恋之中。1880 年2 月的横滨地震后，他索性转向地震学，对张衡地动仪开展了大量模拟试验，绘出了复原模型（图7）。1883 年把《后汉书》中有关地动仪的内容翻译成英文，并且首次向西方介绍了张衡：“人类的第一架地震仪器是中国人张衡发明的”，明确指出：

图 5 早期的各种验震器[3-4]Fig. 5 Historical seismoscopes[3-4]

图 6 Palmieri 水银验震器（1856）[4]Fig. 6 Palmieri mercury seismoscope（1856）[4]

图 7 米尔恩的地动仪复原模型（1883）Fig. 7 Reconstructed model proposed by Milne（1883）

张衡地动仪的价值决不仅仅在于它是一个古老的发明，更重要的在于，它竟以极其相近的思路留给了现今时代的科学仪器许多有意义的启迪。

在对张衡地动仪完成了50 多种结构实验以后，他得出结论：对测震来说悬垂摆是最精确的结构，而且它的自振周期必须越大越好。他还和Gray 做过一件高6.4 m、自振周期5 s 的悬垂摆地震仪，但不理想。1889 年得知，德国利用1872 年Zöllner 水平摆重力仪偶然记录到了一次日本地震。大受启发：在水平摆的旋转轴倾角很小的时候，摆的自振周期可以非常大，恰好克服了悬垂摆的技术瓶颈。也就是说，张衡的悬垂摆和Zöllner 的水平摆之所以都能够测到地震，因为它们二者存在本质上的联系（图8）。

在1887 年Gray-Milne 试验仪器的基础上，米尔恩在1893 年发明了世界上第一部现代地震仪——高50 cm、长1 m，摆锤500 g，周期几百秒的水平摆，配有光记录器（图9）。它只对地面的水平运动有反应，不怕垂直向的非地震的干扰。也可以说，这是一种带有放大器、记录器、计时器的“高级验震器”——不是地震它不动，只有地震它才动。

图 8 测震仪器从悬垂摆到水平摆的演化Fig. 8 The evolution of from Vertical to Horizontal Pendulums

图 9 地震仪雏形（1887）和首套地震仪结构（1893）Fig. 9 Gray-Milne 1887 and Milne 1893 Seismographs

1895 年7 月，他在英国建设了首个地震台站，又在全球60 多个国家布设了80 多台Milne 地震仪，组建全球第一个地震台网，创立“国际地震数据中心”，出版了全球4 136 个破坏性地震的目录，发表了大量科学报告，成为举世公认的现代地震学奠基人。

世人着实震惊：东西方科学的发展竟然有着如此紧密历史链，在地震学上谱写了一曲“创新—继承—再创新”的高歌——先有张衡，后有米尔恩；先有验震器，后有地震仪。张衡地动仪的杰出科学地位在1 700 多年后得到了世界的公认：这是人类的第一台地震仪器（图10），地动仪被西方称为“中国验震器”（Chinese Seismoscope），公元132 年作为人类文明的一个里程碑载入青史（图11）。

这些情况，国内在1917 年以后方知晓。

图 10 美国《伟大的科学家》和《测震》的科普挂图Fig. 10 Posters of American science education

图 11 美国大理石墙壁的世界重大发明中，刻有“地动仪，公元132”字样Fig. 11 The world significant invations listed on an american wall

3 现代地震仪的前进

3.1 地震计的3 个关键参数

地震仪seismograph 和验震器seismoscope 的区别是什么？

简单讲，地震仪不仅能像验震器那样检测到地震信号，更要能长时间地、连续地记录下来地面运动的完整轨迹，且这种振动不限于天然地震。为此，摆式验震器被改进和升级成地震计（seismometer），再配以计时—阻尼—记录器之后就构成了地震仪。

地震计的核心当为惯性。

问题在于，所有的物体都有惯性，但不是所有的结构都能检测到地震波，高技术的要求也不是所有的验震器都能达到的。有3 个关键参数必须处理好：

3.1.1 周期

一个钥匙链就是一个摆式地震计（图12，地动仪原理相同）。当手指快速振动时，质量块的惯性会维持静止不动，则可从相对位移中检测出地面运动。前提条件：单摆的自振周期必须远大于手指（即地面运动）的振动周期，否则质量块会随着手指一起运动，没有相对位移量！

图 12 地震计的原理Fig. 12 Principle of seismometer

难点是，天然地震波的频带非常宽，周期0.01—1 000 s，地动幅度可相差10 个数量级，决定了不可能用一种频带的地震计满足所有的要求，特别是检测到低频长周期信号，难上加难。

3.1.2 阻尼

质量块在外力作用下呈受迫运动，需要长时间的只反映地面运动、不出现秋千般的自由震荡，阻尼成为必备。大阻尼时，可以检测到地动速度；中等阻尼时，能检测到地动的位移或加速度，取决于摆的固有周期接近、大于、或小于地动周期。于是，不同频段的地震仪还要再划分成位移计、速度计、加速度计等，数据处理也是不一样的。

3.1.3 恢复力

摆的惯性质量块不是一个绝对静止的基准点，欲长时间地维系原始位置，就需要施加恢复力（图13）。一旦它受力偏离原点后，能让把它“拉回”原位。于是，产生恢复力的弹簧刚度、转轴簧片的弹性系数就不能随意，会对自振周期、阻尼效果、系统稳定性带来影响。负反馈系统的应用也是解决这个困难的途径之一。

图 13 摆的恢复力Fig. 13 Restoring force

20 世纪的科技快速发展，弹簧、钢片、吊丝、游丝、扭力等，都可以产生必要的恢复力；液体、气体、电磁阻尼，任人挑选；垂直、水平、倒立、斜拉摆结构亦能大显身手（图 14）……各种适应性强、性能优异的地震仪被研制出来[5]。观测任务已经涉足矿山、电站、滑坡、工业生产、石油勘探等广大领域。

图 14 地震仪的各种摆式结构Fig. 14 Different pendulum in seismograph

图 15 是我国 1942 年自行研制的第一台现代地震仪，机械杠杆放大熏烟式地震仪，放大倍率 152，李善邦设计、秦馨菱参加。在第二次世界大战的艰苦岁月中完成，传达出了中国人民不屈不饶的意志和坚强力量，国际上亦相当重视。

图 15 李善邦设计的中国第一台现代地震仪（1942）Fig. 15 The first modern seismograph in China designed by Li Shanbang（1942）

3.2 现代地震仪的3 个时代

第1 个时代是以1893 年英国米尔恩地震仪和1901年德国维歇尔（E Wiechert，1861—1928）地震仪为代表（图16），这个时代的测震仪都是机械式。维歇尔仪器是首台倒立摆，重锤的恢复力由下端点的两块钢弹簧片提供，放大倍率200—2 000，空气阻尼器。1930年前后，曾为我国造了一台超大型件，摆锤重达17 t！至今还能在南京地震台工作。这类仪器的放大倍率、动态范围和频带宽度都较窄，也没有垂直分量。

图 16 维歇尔倒立摆地震仪结构示意图Fig. 16 Weichert inverted pendulum seismograph

第2 个时代以1906 年俄国伽里津（B B Galitzin，1862—1916）电磁地震仪问世为代表，垂直向运动的检测靠悬挂弹簧实现（图17），实现了三分量的完整观测系统。电磁换能的引进使测震技术登上新台阶，成为半个多世纪的地震计主流。检测到的机械运动被转换成电学量之后，就可以方便地经过电流计或者用光学放大、抑或用电子放大，使地震计的灵敏度大大提高。但是电磁换能必须有大幅、或快速的机械运动，故而对地震波的长周期检测一直受到限制。

第3 个时代即当今的力平衡反馈地震计，以2002年德国Stuttgart 大学Wielandt 设计的STS-2 地震计为代表[6]，频带加宽到0.1—300 s、动态范围达140 dB。

图 17 伽里津垂直向电磁地震仪Fig. 17 Galitzin electromanetic seismograph

图18 的框图解释了原理：反馈力在始终平衡着质量块的惯性力，从而维持了质量块的位置不变（或极微弱），于是反馈电流的大小就与地面（即仪器框架）振动的加速度成比例了，这就是“力平衡”地震计（force-balance seismometer）的核心思想。换句话说，地面运动信号已经转移、反应到反馈电流的变化中了，构成了一个机械-电子相互耦合的系统。在仪器的整体响应和输出当中，主要决定于反馈网络的参数，而不是机械系统和换能器的因素。数字化的反馈系统能够极大地扩展频宽，方便地控制阻尼和机电常数，便于后期的数据传输和分析处理。

图 18 力平衡反馈地震计原理[6]Fig. 18 Block diagrams of feedback seismometer[6]

目前，全球已普遍采用这种力平衡长周期的数字化地震计，我国的三分量一体化的新型仪器亦成地震监测的主体仪器（图19）。

图 19 我国BBVS 三分量一体化的力平衡地震计Fig. 19 BBVS force-balance seismometer

4 专用仪器

4.1 旋转和光纤地震仪

图20 是摆式旋转地震仪的基本结构，两个对称安置的水平摆可以测出地面的旋转角，进而通过线圈切割磁力线送出电信号加以放大。图21 利用了磁流体动力学（Magneto-Hydrodynamics）原理，不旋转的惯性重锤被施加传导电流，当永磁铁随着外壳旋转时，磁通场与电流体间的相对速度便会产生径向感应电场，可以经电子放大而检测出来[7]。

图 20 摆式旋转地震仪[7]Fig. 20 Rotation seismograph of pendulum[7]

在光纤通讯中，如果光缆的局部位置出现格栅、压力变化，会产生反射光信号传播回来，从而能通过干涉技术检测出扰动波形并确定扰动源位置（图22）。我国在西气东输系统工程中已经应用了这个技术。美国为监控圣安德烈斯断层带的活动，在南加州Santa Cruz 海域还利用海底光缆构建了地震网，发现了若干未知的构造。国际上建议，利用全球海底光缆开展海域地震监测（图23）。

4.2 行星测震仪器

美国1969—1977 年登月的阿波罗（Apollo）计划、2018 年探测火星的洞察（InSight）计划，测震仪器都是三分向惯性摆，频段0.01—50 Hz（图24），置于隔热的真空箱中。已经不同程度地揭示了行星内部结构、震源分布、陨石撞击和固体潮汐规律。对今后的登陆提供了基础信息，也是深化认识地球的对照物。

张衡留给后世的，不仅是科学技术的发明，还有他高尚的品质和情操。在朝廷政治环境下，他曾被迫坐过5 年公车司马令的冷板凳，公元126 年重聘他任太史令时，还导致他10 余年的官位和俸禄都不会晋升（图25）。张衡当时讲：

图 21 磁流体测震原理[7]Fig. 21 Detector principle of magneto-hydrodynamics[7]

图 22 光纤检波原理Fig. 22 Principle of fiber detector

图 23 全球光纤测震Fig. 23 Detection of submarine optical cable

图 24 月球测震仪Fig. 24 Detector of moonquake

图 25 张衡（78—139）Fig. 25 Zhang Heng（78—139）

人生在勤，不索何获……。

君子不患位之不尊，而患德之不崇；

不耻禄之不夥，而耻智之不博。

正是这种精神，鼓舞着他发明了地动仪，也伴随他度过了136 年贬谪河间之后的余生。

他是我们学习的榜样，中华民族的光荣和骄傲。

作者对庄灿涛研究员的认真指导、提供资料和图片，深表谢意。

参考文献和图源

［1］刘蕊平. 还原地动仪[M]. 北京：人民教育出版社，2016 Liu Ruiping. Restore seismoscope[M]. Beijing：People’s Education Press，2016

［2］冯锐. 张衡地动仪[M]. 北京：地震出版社，2019 Feng Rui. Zhang Heng seismoscope[M]. Beijing：Seismological Press，2019

［3］Batlló J. Historical seismometer[M]//Encyclopedia of Earthquake Engineering.Verlage Berlin Heidelberg： Springer，2014

［4］Dewey J，Byerly P. The early history of seismometry （to 1900）[J]. Bull. Seismol. Soc. Amer.，1969，59(1)：183-227

［5］陈瑛，宋俊磊. 地震仪的发展历史及现状综述[J]. 地球物理学进展，2013，28(3)：1311-1319 Chen Ying，Song Junlei. Review of the development history and present situation on seismographs[J]. Progress in Geophys，2013，28(3)：1311-1319

［6］Wielandt E. Design considerations for broadband seismometers[EB/OL]. [2020-11-24]. http://www.software-for-seismometry.de/textfiles/Seismometry/BroadbandDesign.doc.2002.

［7］Jaroszewicz L R，Kurzych A，Teisseyre K P，et al. Measurement of rotational events in regions prone to seismicity： A Review[EB/OL].（2018-05-09）[2020-11-24]. http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.72169