總序
我國是一個多地震國家，對地震的科學觀測由來已久。中國地震臺網中心作為我國地震監測工作的業務核心和技術牽頭單位，組織地震監測第一線的青年科技工作者，將著力推出《地震觀測》系列宣傳冊，通過輕松活潑、通俗易懂的問答形式，使更多人能夠了解地震觀測，了解地震行業，了解地震科學。
本冊《地震觀測之概述》，從概念與意義、緣起與發展、應用與服務、展望與未來等四個方面，提綱挈領地勾勒出了地震觀測的基本輪廓，并描述了它與其它業務和研究工作之間的聯系。以此為基礎，我們還將圍繞地震臺網臺站、地震與人工智能、地震與互聯網、地球內部構造等地震觀測的諸多話題，陸續推出宣介產品，以饗廣大公眾和科學愛好者。
王海濤
2018年3月
塞斯摩斯：(在地底咕噥騷攘著)
再用力氣往上推，
并用肩膀拼命抬！
我們便到地上去，
一切都須得讓開。
——郭沫若譯歌德《浮士德·比納渥斯河上游》
塞斯摩斯(Seismos)為古希臘神話中職司地震之神。
引言
我們所在的地球，除了“巡天遙看一千河”的公轉和“坐地日行八萬里”的自轉之外，其內部的運動更是永不停息，往往通過地震的形式，來釋放其巨大的能量，甚而改變著我們的自然環境和社會生活。
地震觀測如同“透視地球的眼睛”，使我們能夠觀察和捕捉到地球上無休無止的地震活動以及多種多樣的科學現象，了解和認識到地球的內部結構和運動變化規律，從而在地球科學研究中發揮著基礎性的重要作用，最終服務于人類社會。
概念與意義
地震觀測是對地震活動以及地球物理、地球化學、地形變動等相關現象進行的觀察與測量。地震監測是以防震減災為目的的地震觀測。“地震監測”一詞有時與“地震觀測”相通用，有時又是一項業務工作的專稱。
地震觀測能夠為科學家們提供科學觀測數據，是地震學和地球物理學發展的基礎。地震觀測手段多樣，測震是其中最為重要和成熟的一種，此外還有地磁、地電、重力、地形變和地下水等。所謂測震，是指利用地震儀對地震波引起的地面震動進行的測量，是對地震波的觀測、分析和研究，涉及儀器研制、地震觀測、地震記錄解釋、地震活動性分析等。
問
地震觀測和地震預測預報有什么不同呢？
答
地震觀測和地震預測預報的工作目標不同。地震觀測是對已發生地震事件的觀察與測量。地震預測是對未來可能發生地震的預測，應同時給出未來地震的時間、位置、大小和概率4種參數，且每種參數必須在一定誤差或不確定性范圍之內。地震預報則以地震預測的科學活動為基礎，由政府對地震預報意見實行統一發布。地震觀測是地震預報的基礎。我們必須采取科學的途徑，堅持對地震進行長期的觀測，積累大量數據，系統性地對地球內部開展基礎性的研究，才有可能掌握地震發生規律，逐步實現對地震進行預測預報。
緣起與發展
我國對于地震的記載古已有之。晉代出土的《竹書紀年》一書中有夏“帝發”七年，陟。泰山震。”這是對公元前1831年一次泰山地震的記載，也是我國史書中記載的最早一次地震。公元132年，東漢科學家、文學家張衡發明了候風地動儀，是第一架測驗地震的儀器。
張衡（公元78年—公元139年） (圖片來自網絡)
候風地動儀復原模型
（1951年由王振鐸設計，現藏于中國歷史博物館）
張衡候風地動儀新模型
（由張衡候風地動儀科學復原研究所提供，新模型2005年通過驗收，現藏于河南鄭州博物館）
問
那么候風地動儀就是最早的地震儀了吧？
答
不是的，候風地動儀準確地說應該稱為驗震器，是僅可以感知地震波的到來和地震波發生方向的儀器，但是不能得到地動的位移、周期、振幅等資料。可以記錄地面震動整個過程的儀器才能稱為地震儀。人們用儀器觀測地震，就是要取得非人力所能覺察到的微觀地震現象，以供研究。作為完整的記錄系統，地震儀器延展了人類感知地震的能力。
在中國，近代地震儀器觀測始于十九世紀末葉。1872年，法國天主教耶穌會在上海徐家匯創建了觀象臺。1904年上海徐家匯觀象臺裝置了日制大森式水平向地震儀，增設了地震觀測項目，建立了中國大陸第一個地震臺——徐家匯觀象臺。1909年，安裝了德國維歇爾三分向機械地震儀。
二十世紀六十年代，我國的模擬地震觀測技術得到了快速發展，科研人員研制了一系列地震儀器，典型代表有473、573短周期地震儀，廣泛安裝和使用于我國的區域和流動地震臺。
大森式水平擺地震儀 維歇爾地震儀
573三分向短周期熏煙地震記錄儀
1995年前后，隨著電子反饋技術和數字化技術引入到地震觀測領域，實現了地震觀測的大動態、寬頻帶和高精度。由此開始，地震儀由模擬記錄向數字記錄發展。在此期間，我國自行研制成功了EDAS系列數據采集器，寬頻帶反饋地震計等關鍵設備，其中JCZ-1型甚寬帶地震計技術達到了國際領先水平。
現代地震儀由拾震器、放大器和記錄裝置三個系統組成 (圖片來自網絡)
EDAS系列數據采集器
問
地震儀是如何記錄地震的呢？
答
地震儀，由地震計(拾震器)、放大器和記錄器組成。地震計有一個牢固固定于地面的底座、一個能夠自由懸掛的重錘。當地震引起地面震動時，地震計底座也震動起來，但懸掛的重錘并不隨之震動。懸掛重錘的彈簧或掛線吸收了所有的運動。地震計的震動部分與未震動部分的位移差就是所得到的記錄。簡而言之，地震計是基于擺的慣性原理來拾取地面運動的。目前可記錄到的地面運動振幅可能小到納米級(10－9m)。為了盡可能記錄更加微小的地面運動，就必須不斷提高儀器放大倍數，這經歷了機械杠桿放大、光杠桿放大、電流計放大和電子放大等幾個階段。電子放大技術的應用才使得這一問題得以很好地解決。
現代地震觀測經歷了從模擬記錄到數字記錄的變革。模擬時代的地震儀器以模擬量來記錄地面運動；而數字地震計將地面運動轉換為電信號，通常在空間上某一地點、時間上等間隔采樣，觀測得到數字化的時間序列數據。這些數據可以通過專門的軟件顯示為地震波形記錄，而地震事件只是連續數據中反映了地震特征的那部分記錄。
地震計原理示意
問
地震儀器記錄到的是什么呢？
答
地震儀記錄到地震圖，也就是地面運動波形圖。地震波是由地震震源發出的在地球介質中傳播的彈性波。不同的地震波具有不同的性質和特征。通過對地震波形記錄的分析，科學家們不但可以測定地震的基本參數，而且可以對地球內部結構加以研究。
我們不可能像《地心游記》中的李登布洛克教授那樣進入地球內部。許多科學認識，如地球內部存在著地震波速度突變的基本界面——莫霍面和古登堡面，將地球內部分為地殼、地幔和地核三個圈層，正是通過對地震圖的分析解釋得到的。
現實世界中，科學家對于地球深部的探索做出了不懈努力。前蘇聯于1970年至1994年間在科拉半島開展的一項科學鉆探工作——“科拉超深鉆孔”，其中最深一個鉆孔達12262米，至今保持著最深鉆井的世界紀錄。
通過計算機層析成像，也就是CT技術，科學家可以重現地球內部結構圖像。對于地球內部結構全面而精細的認識盡管有待時日，但這無疑也是除地震預報之外，地震學和地球物理學發展的動力和目標之一。
科拉超深鉆孔遺跡 (圖片來自網絡)
儒勒·凡爾納的《地心游記》只是一部科幻小說啊！
那么地震波的分類有哪些呢？
根據傳播方式，地震波主要分為兩種：一種是體波，一種是面波。體波能穿越地球內部，面波只是在地表傳播。在地球內部傳播的體波，又分為P和S波兩種。在所有地震波中，P波擁有最快的傳播速度，因此地震發生時，P波是最早抵達臺站，并被地震儀記錄下來的地震波。P波的振動傳遞類似聲波，屬于縱波的一種，傳遞時介質的振動方向與地震波能量的傳播方向平行。S波的速度次于P波的速度，是第二個到達的波。S波屬于橫波，質點振動方向與波的傳遞方向是垂直的。面波（勒夫波和瑞利波）實際上是體波（P和S波）在地表衍生而成的次生波，具有低頻率、高振幅和具頻散的特性。不同種類的地震波具有不同的性質，反映在地震圖記錄中，也就具有了不同的形態。
地震波傳播示意圖
地震儀記錄的波形圖
將一種或多種手段的監測儀器加以布設，配備相關設施，并開展地震監測工作的基層機構就是地震臺站。我國最早的地震臺站是北京鷲峰地震臺，于1930年由中國地震事業的開拓者、地震學家李善邦先生（1902~1980）創建。
北京鷲峰地震臺，是中國自建的第一個地震臺，
由李善邦先生建于1930年
CTS-1E數字寬頻帶地震儀
這是第一個由中國人自己建立和管理的臺站，臺內設備也都是自行研制的。而地震臺網其實就是不同地震儀器構成的觀測網絡，這樣的網絡如今也都是以計算機網絡為基礎的。作為監測工作的基層機構，一個臺站可以架設多套甚至多種儀器，許多臺站又形成地震臺網，并通過各級臺網中心進行管理，從而開展地震監測工作。
新中國成立初期，全國范圍內建成了一批達到當時世界先進水平的地震臺站；到1978年，形成了全國基本地震臺網，我國模擬地震臺趨近600個。
中國數字地震臺網（CDSN）建于二十世紀八十年代，由11個數字化地震臺站、一個數據管理中心和一個臺網維修中心組成。隨著我國“中國數字地震觀測網絡”的建設，現在的中國地震臺網由國家測震臺網中心和32個省級測震臺網中心所組成；截至2017年12月，共有1107個測震臺站，包含國家臺站、區域臺站、火山臺網臺站、小孔徑臺陣以及一些地方和行業地震臺網的臺站。
我國測震臺站分布圖
哦，地震儀器架設在臺站上，多個臺站形成觀測網絡，用來監測地震，原來就是這樣啊。
科學家們是如何知道地震發生在哪里的呢？
前已述及，我們可以從地震圖中識別出P波和S波，進而進行地震定位。
P波遠遠快于S波，這就可以讓我們知道地震發生在哪里。我們對比一下閃電和雷聲，就可以理解這一原理。光快于聲，所以我們就先看到閃電，后聽到雷聲。如果距離閃電很近，那么雷鳴緊隨閃電；反之，遠離閃電，就要在幾秒鐘之后才能聽到雷聲了。距離閃電越遠，雷與電之間的時間間隔就越長。
P波就像閃電，S波就像雷聲。P波傳播速度快得多，并首先產生地面震動。如果震中距較近，那么P波和S波相繼到達；如果較遠，那么兩者間隔時間就較長。通過測量地震圖中P波與S波之間的時間差，科學家就能知道地震與觀測點之間的距離，但并不能由地震圖得知地震所在方向。如果以臺站為中心，以所確定的震中距為半徑，在地圖上繪制一個圓，那么地震就在圓上的某處。
然后，科學家采用三角測量法，利用三個臺站的地震儀即可定位地震。這時圍繞三個不同地點的地震儀畫圓，且半徑均為地震到臺站的距離，這三個圓的交點就是震中了！
當然，這只是地震定位的一種粗略方法。實際上，現在的地震臺網中心都是使用計算機利用更復雜的算法來精確測定地震的發震時刻、震中位置和震源深度。
三角測量法測定震中
原來如此
地震的大小取決于地震斷層的大小和斷層的滑動量，但這并不是科學家輕易用卷尺就能測量出來的，因為大部分斷層都位于地面以下幾公里至幾百公里深。同樣，科學家使用布設于地面的地震儀所記錄的地震圖來確定地震的大小，那些彎彎曲曲的記錄線，波動不大且持續時間較短的是小地震，波動較大且持續時間較長的是大地震。
地震的大小稱之為震級。震級(Magnitude)一詞源于天文學中的“星等”，是對地震大小的相對量度，是“地震三要素”之一。地震臺網和臺站在日常監測工作中能夠對同一個地震，根據不同頻率段的地震波，測定出不同標度的震級，如地方性震級ML、體波震級mb和mB(BB)、面波震級MS(BB)和矩震級Mw等。這樣可以更完整地描述地震的大小。不同類型震級標度之間有一定經驗換算關系。科學研究中所測定的震級標度可能更多，在地震信息發布、防震減災、新聞報道等工作中所使用的震級則只有一種。這種發布的震級M，是依據有關的國家標準，從日常監測的實測震級中選取得到的。速報目錄中的震級就是這樣的M震級。
我們采用不同的震級標度來描述地震的大小，其原因在于，地震的振幅變化范圍非常大，難以用同一把尺子加以測量；對于不同的震級段，需要采用不同的測量方法。這就好像我們在稱量自己的體重，以及稱量一粒鉆石或一艘巨輪時，必須使用不同的工具和方法一樣。
哦，震級原來像我們女孩子的身材一樣，也是要用很多指標才能更好地描述的呀！
關于媒體中常用的里氏震級的一點說明
現在的新聞媒體中仍然使用“里氏震級”來描述地震大小，這樣的說法其實是不準確的。“里氏震級”是美國地震學家查爾斯·里克特(Charles Francis Richter)在研究南加州地震活動時于1935年提出的一種地方性震級，也就是ML，起初是專為測定南加州地方小震的大小而創立的，對較大的地震，甚至對其它地區的小地震并不適用。因此不能籠統地說“某地發生了里氏X.X級地震”。例如，對于2017年8月8日四川九寨溝地震，實際測定的是面波震級Ms7.0級；而在新聞播報時，其實只需要告知公眾，四川九寨溝發生了“7.0級地震”就足夠了。
