北京國家地球觀象臺側記
——為鷲峰地震臺重返北京西郊60年而作

2015-12-15 01:33中國地震局地球物理研究所王紅強許健生

城市與減災 2015年6期

中國地震局地球物理研究所王紅強許健生

Sidelights on National Earth Observatory in Beijing

中國地震局地球物理研究所王紅強許健生

古人通過“夜觀天象”發現“先兆”，用來預言重大歷史事件將要發生。地震學家通過觀測“地象”，希望掌握地球內部活動的規律，地震臺站正是獲取地球內部“情報”的前沿哨所?！吧咸烊菀兹氲仉y”，必須借助于專業儀器才能探測到來自地球深部的信號，地震臺站裝備各種地球物理儀器，具備靈敏的“偵查”手段，常年監測地球內部的“一舉一動”，為地球科學家提供第一手的觀測資料。

1930年，正值國家積貧積弱，海原大地震（1920年，8.5級，因震死亡20余萬人）造成的傷痛仍夢魘在國人心頭，為了解地震、以設法減輕地震災害，我國地震學的先驅李善邦先生來到北京西北郊外的鷲峰山下，將一臺現代地震儀安裝在這里，建立了鷲峰地震臺，這是中國人自己建設和管理的第一座地震臺。在那個兵荒馬亂的年代，鷲峰地震臺堅持觀測了7年，共記錄到2472次地震，編印出版了60多期《鷲峰地震月報》和10余期《鷲峰地震專報》，并與國外五十多個地震研究機構開展資料交換和學術交流，成為當時世界上第一流的地震臺站。

1937年，因外敵入侵，鷲峰地震臺停止觀測?？箲鹌陂g，李善邦先生輾轉到達重慶北碚，克服重重困難，于1943年研制成功我國第一臺現代地震儀——霓式地震儀，在戰火硝煙中堅持地震觀測和研究。1955年，為了迎接1957年的國際地球物理年（IGY），在白家疃開始重建北京地球物理觀象臺，成為北京國家地球觀象臺的前身。

李善邦先生在工作

北京國家地球觀象臺隸屬于中國地震局地球物理研究所，包含：北京地震臺、鷲峰地震臺（實際上現為：

鷲峰地震觀測博物館）、中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室、國家測震臺網儀器質量檢測中心及中國地震科學探測臺陣技術中心?，F已發展成為綜合性地球物理觀測、實驗和研究基地，同時是地震儀器檢測、維護和裝備中心。2007年，觀象臺被科技部納入第一批國家野外科學觀測研究站（簡稱“國家野外站”）。2011年，觀象臺被科技部遴選為第一批國家級國際科技合作基地。

晨曦中的北京國家地球觀象臺

綜合觀測樓

觀象臺院內全景照

國家野外科學觀測研究站（觀測“地象”的前沿哨所）

何謂“地象”？這里指地球自身的各種物理現象和過程，如地震、地球磁（電）場、重力（簡稱為“重磁震電”）等。北京國家地球觀象臺是中國地震局的綜合性觀測臺站，觀測項目涉及測震、地磁場、重力、地形變和地下流體，16臺（套）觀測儀器日夜不停的監測地球“脈動”。

北京國家地球觀象臺在觀測“地象”方面保持著很多中國紀錄：我國第一座自行建設和管理的地震臺（1930年）、我國第一座地震遙測臺網臺站之一（1966年）、我國第一座數字化地震臺（1986年）和數字化地磁臺（1997年）、保存有長期連續的地球物理觀測數據、制定了我國面波震級標準、建立了我國地磁測量實用標準。

1982年，在臺站以南2公里的三道嶺上建成了縱深202 m、總長317.5 m的觀測山洞，山洞建筑面積1313 m2，使用面積635 m2，共有20間洞室。山洞內常年恒溫（13～13.5℃），氣溫年變化不超過0.5℃，日變化不超過0.01℃；洞壁設計了專門的“防濕層”，以保持洞內濕度不隨季節變化，維持在75%以下且波動很??；山洞遠離市區和各種人工振動源，振動背景噪聲很低，觀測環境優越。

觀測山洞內主要進行測震和地形變觀測，同時也為各類地震儀、重力儀等專業觀測設備進行觀測實驗、一致性比對等測試提供優良的觀測條件。將儀器安裝在遠離市區的山洞里，一是為了避開人類活動引起的地面震動和形變，二是需要將儀器直接安裝在基巖上，避開地表松散土層對信號的放大、濾波等效應，如同我們量體溫時把體溫計伸進衣服貼緊皮膚一樣，也避免了“隔靴搔癢”。

山洞內最長的觀測儀器為水管傾斜儀和石英伸縮儀，都包含東西向（長25 m）和南北向（長45 m）兩個觀測分向。水管傾斜儀猶如兩個超長的水平尺，根據水管中氣泡的偏移位置測算和記錄地表傾斜程度。石英材料的

性質隨溫度變化非常小，在終年恒溫的山洞中，石英管的伸縮就代表了兩頭端點之間的距離變化，即地表的伸縮量。

觀象臺山洞觀測室布局及觀測項目分布圖

山洞中用于地形變觀測的水管傾斜儀（左）和石英伸縮儀（右）

作為“前沿哨所”，地震臺站在偵測震情方面總是“先人一步”而且“明察秋毫”。由太陽活動引起的磁暴現象最先在這里被發現，輕微的地震和重力變化只有這里能檢測到，地形變測量結果顯示地表每天上下起伏的量最大可達30 cm，就像人呼吸時胸腹部的起伏一樣。地球的“呼吸”主要是由于受到月球引力的大小變化而引起的，類似于海洋的潮汐現象，被稱為“固體潮”。深層地下流體的水位，甚至水溫的細微變化，都可以反映地球的“呼吸”，并有希望從中找到大地震的前兆信號。

“震情”是最大的敵情，觀象臺時刻監視震情動向。地震是地下能量的釋放過程，當地下累積的能量超出巖層的承受極限時，巖層從薄弱地帶（如活動斷裂）突然發生急速破裂并相對錯動，猛烈地釋放出巨大的能量，就像原子彈爆炸一樣，能量以地震波的形式向四周輻射，最終引發地面運動?？此破届o的地面下，“震魔”一直在招兵買馬，積蓄力量，它將“震”能量四處潛伏，伺機發動一場對人類的戰爭。人類則以大地為屏障，層層設防，以不同的密度層和異常密度體界面為防線，采用“十面埋伏”的陣法，將“震魔”牢牢困在地下深處。

地震波在介質空間的傳播方式和隨時間的觀測記錄

“震魔”豈能善罷甘休，而是蓄勢待發，一旦“發威”，“震”能量四面沖擊，派出“震小鬼”（地震波）為作戰單元向八方突圍?！罢鹦」怼笔恰半[形的”地震射線，是射出的“能量之箭”，卻無實體箭身，能量通過介質中相鄰質點的振動“接力”向前突擊。根據質點振動方向與能量傳播方向的不同關系，“震小鬼”依照其突擊“技能”可分類為：壓縮的P波，剪切的S波和滾動的面波。P波（縱波）的推進如“降龍十八掌”的“掌勢”般沿直線沖鋒，速度最快，約為6～12 km/s（與介質密度有關，密度越大，波速越快）；S波（橫波）如抖動的繩子般“斗折蛇行”向前突擊，波速約為P波速度的一半；面波只沿著地表淺層推進，傳播方式復雜多樣，其中一種是瑞利波，它的傳播如海浪浪頭般翻卷著前進，面波的傳播速度比P波和S波都慢，但振幅卻是最大，破壞力最大。

“震小鬼”如離弦之箭向外突圍，有的突破一道防線奔向下一道防線（波的折射），有的則受到阻擊改變方向尋找新的突破口（波的反射）；“震小鬼”一路受到阻擊能量不斷衰減，有的最終能量耗盡被殲滅在地下，有的則突破所有防線到達地表，造成大地震動。對于小的

地震，“震小鬼”或被成功攔截，或雖到達地面卻已成強弩之末；然而，當強震爆發時，斷層瞬間錯動，如同一刀刺穿所有的防線，將“震小鬼”突擊送達地表，大地為之震顫。

一批“震小鬼”從震源同時出發，以不同速度經過不同的射線路徑到達地表某一觀測點時將形成“先來后到”的地震波形序列，而震源的活動包含一系列的“顫動”，每一次“顫動”發射出一批地震波，所以觀測儀器最終記錄到的波列將十分復雜。我們架設的“捕震器”（地震儀）俘獲了從不同路線“闖關”出來的一批“震小鬼”（波的疊加序列），四面八方的“捕震器”都有“斬獲”，通過“刑偵技術”綜合各方“情報”，復原不同“小鬼”的闖關路線，最終確定“震魔”的總攻發起時間（發震時刻）、基地位置（震源、震中位置）和總兵力（震級大?。?。

地震波在地球內部的各條傳播路徑以及地表各處觀測點記錄到的波形序列（修改自IRIS圖片）

通過追查“震小鬼”的“闖關”路線，地震學家搞清楚了地球內部的同心球層結構，就像一個煮熟的雞蛋，從外到里依次為地殼（蛋殼）、地幔（蛋白）和地核（蛋黃）3個主要圈層，地核又分為外核和內核。一般來說，從地面往下物質的密度逐級增大，地震“射線”在其中的傳播速度（波速）也相應增大，這些圈層的分界面是主要的密度界面，是阻擊“震小鬼”的主要防線。另外，由于橫向的不均勻性，沿水平方向存在很多不同尺度的異常密度體，也成為阻擋“震小鬼”前進的堡壘?！罢鹦」怼北仨殹瓣J關”這道道防線和座座堡壘才能到達地面。地震波（“震小鬼”）在各種密度層（體）界面均會發生反射和折射，經過多次反射和折射形成非常復雜多樣的射線路徑。

地震學家是人類抗擊“震魔”的排頭尖兵。地球上每天發生大大小小的地震成千上萬次，全球上萬臺地震儀每天24小時不停息的監測和記錄地震信號，地震學家的硬盤里保存著海量的地震數據，腦子里裝滿了各種理論模型和復雜公式，對數據的演算和處理需要動用大型服務器和工作站日夜不停的“跑程序”。地震學家需要從這“無言”的數據海洋中撈出“金針”，去刺探地球內部“黑箱”的機密：從大尺度構造到精細結構。

現代地震學發展已經有100多年歷史，無數地震人將畢生精力和聰明才智投入了抗擊“震魔”的戰役中，取得了卓有成效的戰績。地震學家已經探明了地球內部的主體結構，摸清了“震小鬼”的主要射線路徑和行軍速度，并能夠在敵方偷襲后做出快速反應。無奈敵人太過強大，并且敵暗我明，敵人主動進攻，我方被動防守，敵人潛伏在地下深處，伺機偷襲，行蹤詭秘幾無規律可循，我方至今還未能掌握其活動規律。雖然擒魔之路艱難兇險，我們從未放棄努力，也不敢有絲毫懈怠，希望有朝一日能提前掌握“震魔”下一次發作的準確時間、地點和震級，這是全社會的期望和長遠目標，必須依靠全人類的長期努力才可能實現。

地震觀測與地球物理成像重點實驗室

地球科學是實驗科學，既需要對自然現象和實際地球物理場的觀測，也需要在“觀象”基礎上，對發現的重要現象和問題開展實驗研究，重點實驗室的工作是觀象臺業務的自然延伸和拓展。實驗并不局限于室內實驗室，廣闊天地是我們的天然實驗場。

從“觀測”到“成像”，都是為了把地下看清楚。通過觀測獲得數據，分析數據作圖成像，再現“震魔”基地的形成環境、“震魔”發作導致巖層斷裂的過程、“震小鬼”的進攻路線、我們的“地下長城”（防線和堡壘）的分布情況和精細結構等等。甚至發動我方的“震小兵”深入前線，對圈定地區展開主動“偵查”。

從“觀”到“像”，從對自然現象的觀測到對內在本質的認識“成像”，圖像落在紙上，映入心中，關于地下結構的各種影像在地震學家的頭腦中逐漸清晰起來，并與已有的各種“印象”進行比對和修正，逐漸逼近事實真相，“震魔”的活動規律和形成機理逐漸為人類掌握。

地震儀器質檢中心、技術中心（地震儀器的“兵工廠”）

并非只是一個臺在“戰斗”！到目前為止，已在全國范圍內布局1000多座固定臺站，這些都是地震學家

觀測“地象”的據點，構成一張覆蓋全國的監測網，即國家測震臺網。而對重點地區更是劃定為“地震實驗場”，調集和部署“流動臺陣”兵團進行重點監聽。中國地震科學探測臺陣（ChinArray）就是這樣的“流動兵團”，擁有約1500套地震儀，相當于約1500座流動的地震臺，可以根據需要開展“運動戰”。固定地震臺站的臺間距約為幾百公里，而流動地震臺陣的臺間距根據研究需要可布設為幾公里到幾十公里不等（對于研究天然地震而言），這種針對重點地區的加密觀測能夠大幅度提高我們對地下介質物性、結構和過程的認識。

地震計的一致性檢測

利用超低頻振動臺檢測和標定地震計

野外架設流動地震臺

為了應對日益繁重的地震監測和研究任務，推動監測工作的規范化，保證觀測數據質量，加強地震儀器的管理、質量檢測、維護保養乃至研發等工作至關重要。為此，依托觀象臺建立了國家測震臺網儀器質量檢測中心、中國地震科學探測臺陣技術中心以及用于檢測和標定地磁儀器的“零磁空間”實驗室。

國家測震臺網儀器質量檢測中心技術平臺已裝備了超低頻振動臺、高低溫交變濕熱試驗系統、砂塵試驗箱、鹽霧試驗箱、氙燈耐氣候試驗箱、跌落試驗機以及各類電子測試設備，可以對測震儀器的電子性能、環境適應性以及地震計的靈敏度、自噪聲水平等進行檢測。質檢中心還開展地球物理觀測技術和質檢技術方面的研究，推動觀測設備的研制生產及規范化管理，建立質量檢測技術規程，為地震、地磁監測臺網的標準化建設提供技術支撐。

中國地震科學探測臺陣技術中心負責約600套地震儀的維護、檢測和管理（另有900套在別處管理），為了適應野外流動臺陣的各種極端布臺環境，通過裝配新型觀測井提高了臺站運行的穩定性和安全性。與USArray（美國臺陣）長期合作，不斷提升臺站的標準化、集成化建設，同時為重大項目的野外臺站建設和運行維護提供技術支持。

“零磁空間”實驗室近10年來共檢測標定各類磁力儀390套，除了為地震行業的各類地磁儀器提供檢測標定環境外，還廣泛服務于航天和軍工部門、高校、研究所和民營企業（詳見本刊2015年第4期《“零磁空間”的奧秘》一文）。

國際科技合作基地

北京國家地球觀象臺是國家科技部批準的國際科技合作基地，承擔和運行著一系列國際合作項目：中美合作建設的全球地震臺網臺站（CDSN、GSN）、全面禁止核試驗條約組織/國際監測系統（CTBTO/IMS）輔助臺、ChinArray 與 USArray（中美地震科學流動臺陣）的合作基地、主動源探測項目的國際合作交流基地、中美合

作中國低緯地磁臺陣項目臺站、中韓地震科技合作基地、中國全球地震臺網建設預研項目的原型中心。