浅谈地震观测仪器的历史和发展趋势

研究地震并进行地震观测的必要性是现实存在并将长期存在的

摘 要：研究地震并进行地震观测的必要性是现实存在并将长期存在的。随着科学技术的发展，地震观测仪器也从最早的地动仪派生出众多的子系。如今，新一轮技术革命的浪潮中涌起，正是回顾地震观测仪器发展历史，展望观测地震观测仪器未来发展趋势的时候。
本文开篇介绍地震观测仪器和地震观测的基本概念。
第二部分梳理地震观测仪器发展史，介绍各个时期特别是近代以来我国地震观测仪器的版本及其工作原理，便于理解地震观测仪器的原理和加深通对地震观测的认识。第三部分结合实例介绍了地震观测仪器的几种应用领域。第四部分结合有关文献介绍地震观测仪器几种可能的发展方向，并结合各种预判和现状提出另一种新的可能。

关键词：地震仪器 地震观测 地震仪器发展简史 发展趋势

一、 地震观测仪器和地震观测

1、 地震观测仪器
地震仪是一种监视地震的发生，记录地震相关参数的地震观测仪器。我国在公元132年，就由张衡主导制成了地动仪，它是世界历史上最早的地震观测仪器。
依据将要测量的地震震动速度、强度和相应的周期，在地震研究中使用的地震仪主要有短周期、长周期和超长周期三种。
20世纪时，核能测试检测系统的出现促进了现代地震仪的发展。尽管地震会对人身和财产安全造成巨大损失，直到地下核爆炸的威胁促使世界性的地震监测仪网络（WWSSN）于1960年建立后，地震仪才被大规模地投入使用，在60多个国家共设立了120多台地震仪。
值得注意的是，地震仪只能用于测量地震的强度、方向，并不能用于预测地震。

2、 地震观测
获取用以确定地震或爆炸事件的发震时刻、震中经纬度、震源深度及震级等基本参数，就是地震观测的目的。简单说来，记录要做的就是用地震观测仪器记录天然地震或人工爆炸所产生的地震波形。
现代地震观测需要布局地震监测台站网，选定台址，研究设计和建筑台站房屋，安装和调试地震观测仪器等一系列的准备工作。地震观测仪器正常运转后，便可记录到地震波形（地震图）。分析地震图，识别出不同的震相，测量出到达时刻、振幅和周期，就可以利用地震走时表等定出地震的基本参数。
由地震仪记录下来的震动是一条起伏幅度与地震波引起地面振动的振幅相应的曲线，称为地震谱，曲线的幅度标志着地震的强烈程度。
从地震谱可以清楚地辨别出各类震波的效应。纵波与横波到达同一地震监测台站的时间差，离震中越远，时差越大。由此规律即可求出震中离地震监测台站的距离，即震中距。

二、 地震观测仪器发展简史

1、 概述
地震观测仪器最早使用记录可以追溯到东汉，至今已有近两千年。纵观人类历史，技术革命推动着世界上技术产物的更迭。地震灾害事关人类生存危亡，在一轮轮的浪潮中与新技术交融汇合，派生出众多的子系。有理由相信，在未来很长一段时间内，地震观测仪器仍将保持这种历久弥新的势头，长久地伴随着人类存在。故而在技术浪潮再次涌起的今天，回顾其发展历史是尤其有意义的一件事。
我国是一个多地震国家,地震观测研究的历史悠久。公元132年，东汉时期张衡发明的地动仪是世界上第一台用于探测地震动的地震观测仪器 ,比欧洲类似的发明早 1700 年以上。

2、 近现代发展
现代地震观测仪器首先是西方人发明的。直到1930年，在翁文灏主导下，中央地质调查所在北京鹫峰建立地震观象台,使用外国地震观测仪器, 由李善邦负责筹建和技术管理。1931年，在竺可桢主导下，中央研究院气象研究所在南京北极阁建立地震监测台站，使用外国地震观测仪器，由金咏深负责筹建和技术管理。这两个地震监测台站于1937年日军侵华后中止记录。1943年，于4年前迁往重庆北碚的李善邦自行研究设计制成“霓式”地震仪, 建立北碚地震监测台站，该台于 1946 年迁往南京。1948年，中央地质调查所恢复南京“水晶台”地震监测台站,由李善邦、谢毓寿负责管理。
20世纪30年代，我国地震学家李善邦建起了中国人自己管理的第一个地震监测台站—北京西山鹫峰地震监测台站，开展地震观测。
直到新中国成立之前，全国只有寥寥几个地震监测台站，从事地震工作的科技人员也只有寥寥数个。可以说,旧中国留下的几乎是零基础的地震观测工作。

3、 中国地震观测仪器发展概况
新中国成立后，根据我国严峻的震情监视工作现状，也为了适应国家经济建设的需要，我国开始了全国测震观测台网的建设。经过七十年的不懈努力，我国地震观测技术实现了综合化、数字化、网络化，达到世界先进水平。
监测地震观测仪器研制从无到有，从借鉴到自制，以机械烟熏记录为主的地震观测台网建设和地震预报预防的试验研究时期。
新中国成立初期，地震观测台网的建设是这一时期的一项重要工作。当时，台网主要布设在国家重大工程建设地区。
1951年，李善邦先生在I式水平向地震仪基础上，经过改进，研制成大、小51式地震仪。熏烟记录，曾在1954-1958年间使用。
1955年以后的十余年时间里，由许绍灏和张奕麟研制了电子管式放大器和熏烟笔记录器与维开克地震计配合，组成581型地震仪。此后研制成功晶体管式电子放大器。
1966年河北邢台地震后，在周总理主导下,国家科委组织中国科学院、石油部、地质部、国家测绘总局等单位以及一些高等院校进行现场观测，开展地震预测研究。1969年渤海地震后，在周总理主导下, 成立了中央地震工作小组。1971 年成立了国家地震局(1998年改为中国地震局)。
1966年，邢台地震后，周恩来总理三次亲临地震现场视察慰问，并就地震预报工作做了一系列重要指示，从此我国地震观测技术进入了快速发展的阶段。
1963年，成功研制了63A和63B 型地震计和67型放大器等。这些地震计、放大器和一台大滚筒记录器组成了473、573等短周期地震仪，广泛用于我国的区域和流动地震监测台站上。
上世纪60年代末，为了在城市等高噪声地区开展地震观测，开始发展井下地震观测，研制了JD-2型井下地震仪、分别布设在全国数十个深井内。
上世纪70年代研制的DD-1型短周期地震仪，适用于综合台、基本台、区域台观测记录微弱的近震和区域性地震。
上世纪70年代研制的DK-1型中长周期地震仪，适于固定台站和基准台使用。用于远震和中强地震记录。
此期间研制的763长周期地震仪，解决了竖直向地震计的微气压变化的浮力效应，提高了地震观测仪器观测灵敏度，是我国基准台常规地震监测设备，用来记录远震激发的长周期地震波。
1975年海城地震后，启动了768工程，引入了一系列新技术，研制了一系列用于遥测的观测设备，适用于台网的记录设备，包括768型6路自动换纸墨水记录器，使我国的地震遥测台网发展到新的水平。
768中强震地震计，为用于电信传输地震监测台站网而专门研究设计。可把数字量经由PTY-8地震遥测设备及电话线传输到记录分析处理中心。
我国数字地震观测技术的开发最早开始于上世纪70年代后期，快速发展则始自“八五”期间的国家科技攻关项目—“地震和前兆数字化观测实验系统研制”的实施。1983年中美双方达成原则协议，由美方提供设备和技术，共同建设“中国数字化地震监测台站网（CDSN）”，也对我国地震观测技术的发展起到了很大的推动作用。
STS-2 甚宽带地震计，使用三只结构完全相同，倾斜45°悬挂的机械摆在底座上按正三角形几何分布安装，可使各分向地震观测仪器参数的一致性得以提高。
BKD-2A宽频带地震计，通过精确的计算电路完成三个传感器的坐标投影变换，输出传统的东西、南北和垂直三个分量，构成全新的大动态、宽频带、便携式地震计。
DR-24数据采集器具有信号放大、滤波、数据采集、编码以及通信等方面功能，可本地存储数据，也可与智能控制板（ICP）联合使用构成24位遥测地震数据接收系统。
上世纪七、八十年代的快速发展之后，涌现出大批的地震前兆观测地震观测仪器，经过评估、筛选，十几种具有高精度或高灵敏度、高稳定度、抗干扰性能强，并采用数字化、自动化、智能化技术装备的地形变、电磁、流体学科的先进地震观测仪器，在地震观测系统中逐步推广使用。
ZX-79型弦频式钻孔应变仪，于1979年10月正式投入观测。传感器埋设深度16.68米。能记录应变固体潮汐和某些地震前兆信息。
MSQ型目视水管倾斜仪，用来测定断层两侧的垂直位移，也可用来测量某地块（或平台）的倾斜变形。1970年研制成功，应用在全国约 40 个地震监测台站站。

三、 地震观测仪器的应用领域

信息来源：北京港震科技股份有限公司（http://www.geolight.com.cn/index.aspx）
1、短周期地震仪：
应急流动观测、地震科学考察、地震预警监测、滑坡落石监测、水库地震监测、煤矿地震监测、油田地震监测；
2、 宽频带地震仪：
国家地震台网，台站以及区域地震台网天然地震观测、水库诱发地震监测、矿山地震监测及油气勘探等宽频带地震观测与地下结构成像等研究领域，可用于长期固定观测与流动地震观测等科学考察。
3、 超宽频带地震仪
国家地震台网，国家级台站以及区域地震台网宽频带天然地震观测与地下结构成像等研究领域，适用于观测条件很好环境噪声极低的长期固定观测。

四、 展望观测地震观测仪器的未来

1、学术界的愿景——新一代智能地震技术体系
互联网、云计算、大数据等信息技术日新月异、飞速发展，并迅速普及应用，形成 了群体性跨越。这些历史性的技术进步，集中汇聚在新一代人工智能的战略性突破，新 一代人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术。 随着传感器、互联网和地理信息的不断融合，各种地震传感器及观测系统的数量逐 年递增。然而，单纯地增加传感器资源，仍然难以有效满足防灾减灾救灾监测综合性、 应急性等多样化的需求，主要原因在于：①传感器的精度、稳定性与环境适应性不高； ②各观测系统不能协同；③异构传感器缺乏耦合机制；④观测与决策服务缺乏关联。新一代人工智能技术与先进地震观测技术的深度融合，形成了新一代智能地震技术。 下图描述了面向新一代智能地震观测技术体系 SCPS，其相对于面向数字化、网络化地 震观测技术体系的 SHCPS3.0 又发生了本质性变化，人在智能地震技术系统中的作用渐 渐弱化。因此，新一代智能地震技术系统可定义为 SCPS4.0，简称地震 4.0。

2、一线工程师提出的技术期待
①缩短采集排列准备时间，以数字化的方式接收来自查线人员的反 馈信息，替代仪器操作员实现采集排列的自动、高效管 理，将对排列准备时间的缩短起到积极作用；
②提高仪器故障检测的准确性和及时性；
③提升采集设备的故障自适应能力，而实现对排列突发故障的自动化、智能化处理，提高地震仪器大规模地震数据采集的适应能力；
④采集排列的区块化管理，实现地面电子设备测试和数据采集同步进行，可大幅提高野外生产效率；
⑤仪器主机智能化功能完善，将仪器技术人员从繁重的工作量中解脱出来，提升大道数地震勘探施工的效率；

五、 结语

正如地震仪器发展简史中显示的，地球科学每二三十年就会发生一次大变革。而每一项重大突破的背后，几乎都有一项新技术的出现。我们深信在新一轮的技术革命中，地震监测技术体系必将迸发出更多的科学火花，推动地震科学研究的更大进步。

　　利用仪器对大脑进行的观测对AI的出现和发展作出了巨大的贡献。现代神经生物学的发展是从亚细胞到组织水平的微观结构的信息获取开始的，这一过程受益于显微镜的发明以及细胞和组织中物质的偏色。著名的神经解剖学家Santiago Ramón y Cajal是第一个使用Golgi 染色法去观察大量神经系统组织标本的人，他提出了神经元和神经信号转导的基本理论。Cajal和Golgi于 1906 年分享了诺贝尔生理学或医学奖。Cajal现在被广泛称为“现代神经生物学之父”。
　　当前，我们对人类大脑日益丰富的理解得益于神经技术所取得的各种进步，包括神经元、神经系统和大脑的控制、处理和信息获取，以及认知和行为学习等。在这些进步中，用于高质量成像采集的新技术和新仪器的研发早已成为焦点，并有望在未来受到更多关注。
　　例如，美国在2013年推出的脑计划旨在绘制动态大脑图像，用于展示脑细胞与其周围神经回路之间快速而复杂的相互作用，并揭示神经组织与大脑功能之间的多维交织关系。这类研究成果有望让我们了解大脑记录、处理、应用、存储和检索大量信息的过程。2017年，脑计划资助了哈佛大学的一些跨学科科学家，这些科学家致力于对神经环路与行为之间的关系进行研究，他们主要通过使用高质量成像技术来获取和处理各种条件下神经系统的大型数据集。
　　传统的神经科学研究主要采用电生理学方法，如利用金属电极进行神经刺激和信号采集，这种方法具有灵敏度高、时间分辨率高的优点。然而，电生理学方法是侵入性的，它不适用于长时间的观测。同时，该方法的空间分辨率较低、扩展能力有限，难以在单神经元分辨率下对全局神经活动进行并行观测。
　　相比之下，光学方法是非侵入性的，该方法具有高空间分辨率、高时间分辨率以及高灵敏度。这类方法能够从神经元个体、神经活动及其相互作用中获取动态和静态信息，并能够把对神经系统的分析从亚细胞水平扩展到整个大脑。此外，光学方法还被发展成为一种控制工具，利用该工具通过光遗传学方法可以控制高时空分辨率下的神经活动。
　　开发具备大视场和高时空分辨率的技术和仪器已迫在眉睫。在空间尺度上，成像必须从几十微米大小的亚微米突触和神经元跨越到几毫米宽的大脑。在时间尺度上，帧获取的速度应高于所使用的荧光蛋白探针的响应速率。然而，由于光学成像的固有衍射极限，其在大视场、高分辨率和大景深之间存在着固有的矛盾。适用于单个神经元甚至更小组织的高分辨成像技术往往无法观测到几毫米以上的大脑组织结构，并且动态成像通常伴随着更高的噪声。然而，用于实时和长时间采集的活体非侵入式成像技术仅限于发生散色光的组织颗粒表层。如何突破上述瓶颈以及实现大视场、高时空分辨率和大景深将成为未来十年微观成像技术发展面临的最大挑战。
　　最后，对微观结构维度的探索可能会产生一种新型的神经计算单元，而对宏观结构维度进行的实时探索有助于理解跨脑思维的操作，并揭示大脑在复杂环境下利用多个信息源（听觉、视觉、嗅觉、触觉等）进行综合决策的机制。毫无疑问，整个大脑实时探索微观和宏观结构维度的二元性将促进下一代AI的发展。
　　因此，显微成像仪器的发展目标是实现从像素到体素、从静态到动态的更宽、更高、更快和更深的成像。这种仪器可以在“生物学的宏观认知决策”与“神经网络的结构与功能”之间建立直接联系，为揭示“认知与智能”的计算本质奠定基础，最终促进人类的自我认知，从而弥补AI与人类智能之间的差距。