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如何測量地震?

2015/4/29 — 12:42

Ray Bouknight / flickr

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大家有聽過「候風地動儀」嗎?

這是距今一千九百年前,我國東漢期間,著名科學家張衡所發明的一台用來測量地震的儀器,也是世界上最早的同類儀器(見附圖)。「指南針、造紙、印刷、火藥」作為我國的「四大發明」大家是應該十分熟悉的了,但其實這台「候風地動儀」也是我國古代偉大發明之一呢!

這台比一個人還要高的銅鑄地震儀,周圍伏有八條頭向下、尾向上的青龍,每條龍之下則有一隻仰起首並張開嘴巴的青銅蟾蜍。而龍的分布則向著北、東北、東、東南、南…等八個方向。每條龍的口中都含著一顆銅珠。而當地震發生時,其中一顆銅珠會掉到蟾蜍的口中,從而產生巨響。我們只要察看是哪一顆銅珠墮落,便可得悉地震所在的方向。

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由於找不到詳盡的文獻記錄,我們不知地動儀的實際操作原理。按照後人的推斷(以及複制試驗),內裡必然裝有以懸垂物作鐘擺運動的機械裝置。差不多二千年前便能夠作出這樣的發明,張衡的智慧實在使人讚嘆。

今天我們所用的地震儀 (seismograph) ,所用的也同樣是懸垂物在運動時的隋性滯後原理 (principle of inertia) 。但在測量地震發生的準確方向和距離方面,我們當然已比二千年前進步很多。

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在測量方向而言,原理其實十分簡單。由於地震時產生的震波會以某一個特定速度在地層中擴散,因此處於不同位置的地震儀,其所錄得的震波抵達時間便會有先後之別。理論上,我們只要檢視三個地震儀所錄得的震波抵達時間,便可透過三角學 (trigonometry) 的計算,以定出震波來自的方向。當然,地震儀的數目愈多並且分佈愈廣(還加上地震儀的靈敏度愈高),所測定的方向亦會更為準確。

因篇幅關系,筆者無法在此詳述三角學的計算步驟。但即使憑我們的直觀,也很易領略箇中的道理。假設有三個地震站 A、B、C 構成一個三角形。如果A站先錄得地震、 B 站次之而 C 站最後,則地震的所在,應該大致在 A 方而略靠近 B 的方向。再引一個例子,假如震波抵達的次序是 C、A、B ,則地震的所在,應該大致在 C 方而略靠近 A 的方向。如此類推。

那麼距離又如何呢?啊!這便要我們明白地震波中有「縱波 (longitudinal wave) 」與「橫波 (transverse wave) 」的分別。在前者,震動介質的來回運動方向與地震波的傳遞方向一致,例如空氣中的聲波就是一個例子。至於後者,震動介質的來回運動方向與地震波的傳遞方向垂直,例如水面的漣漪即是。在地震中,前者我們稱為P波(來自英文的 primary wave )而後者則稱為 S 波 (來自 secondary wave )。由於P波在地層中的傳播速度比 S 波為高,我們於是可以根據兩者在同一地震站的抵達時間先後,計算出地震與我們的距離。

簡單的邏輯是,如果地震離我們很近,則這個時間差會很短。相反,如果地震離我們很遠,則這個時間差會很大。當然,要準確計算有關的距離,我們必須精確地判定這兩種波的抵達時間。這個判定往往不能純靠儀器(包括電腦的人工智能程式)所作出,而必須依靠地震監測人員的豐富經驗和專業判斷。

下次新聞報導地震的消息,你應該更為清楚有關的資料是如何測定的了,對嗎?

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