東漢的張衡于公元132年發明了地動儀，也叫地震儀，它是人類第一部地震儀器。清華大學吳冠英教授于2015年創作了《隴西地震》，被人民教育出版社的教材采用。我們小時候接觸最多的也是這個圖。畫中的張衡是靈台的普通一員，他與工匠讨論着134年隴西地震時龍嘴吐出的銅球，吊燈的搖晃暗示了地動儀的工作原理（圖1）。建議閱讀此文前先浏覽前面的文章：地震是如何發生的？

圖1：地動儀成功測到134年隴西地震（吳冠英，2015)

靈台是東漢政府的最高科研機構，相當于我們今天的中國科學院。張衡是地震領域的頂尖專家，自115年起先後主持靈台工作14年。

一、地震儀

張衡作為東漢科學院的一員，為了掌握全國地震動态，他經過長年研究，終于在 公元132年發明了世界上第一架地震儀。張衡的地震儀有8個方位，每個方位上均有口含龍珠的龍頭，在每條龍頭的下方都有一隻蟾蜍與其對應。任何一方如有地震發生，該方向龍口所含銅珠即落入蟾蜍口中，由此便可測出發生地震的方向。

張衡設計的儀器上雕刻的山龜鳥獸等可能象征着山巒和青龍、白虎、朱雀、玄武等二十八宿，所刻篆文可能表示8方之氣。8龍在上象征陽；蟾蜍居下象征陰，構成陰陽上下的動靜的辯證關系；都柱象征天柱，居于頂天立地的地位。

圖2：南京地震博物館的地動儀

二、地震儀的工作原理

儀器的内部中央有一根銅質柱子，柱子向旁有八條通道，還有觸發機關的裝置。樽體外部周圍有八個龍頭，按東、東南、南、西南、西、西北、北、東北八個方位布列。對着龍頭，八個蟾蜍蹲在地上，個個張開大嘴，嗷嗷待哺，準備承接銅球。當某個地方發生地震時，樽體随之振動，觸動機關，使發生地震方向的龍頭張開嘴，吐出銅球，落到銅蟾蜍的嘴裡，發生很大的聲響。所以人們就可以知道地震發生的方向。

當時利用這架儀器成功地測報了我國甘肅地區發生的一次地震，引起了全國的重視。這比起西方國家用儀器記錄地震的曆史早1000多年。

圖3：地震儀的工作原理（馮銳，2019）

三、地震儀能預報地震麼

預報地震需要知道3個要素，才能有效地減小地震對人類的傷害。包括發生地震的時間、震中位置、震級 (地震強度) 。

衆所周知，地球上的地震，大多是由于地球深處闆塊之間的擠壓碰撞所引起。由震源向四處傳播的振動，即地震波。地震波在地球各處傳播，随不同途徑而呈現出不同的表現。地震發生時, 從震源會發出兩種波：一種叫P波, 是縱波, 它引起的物體震動方向和波的前進方向一緻;一種叫S波, 是橫波, 它引起的物體震動方向和波的前進方向垂直。縱波速度快，最先到達，主要使地面上下颠動。橫波速度慢，第二個到達，主要使地面側向晃動。

圖4：地震波

P波的速度比S波快，因此最先到達地面，形成地震波中的初波。據初波的震動方向就可以知道震源方向。但初波非常微弱，而這部分P波攜帶的能量隻占地震波全部能量的一小部分。如果張衡的地震儀能敏感到對第一波的初波就做出響應，那麼足以有許多别的和地震無關的震動，比如車輛在附近走過，能引起它的反應，從而讓人誤把許多不是地震的震動也當成是地震。

地震波的頻帶很寬，高到頻率300Hz以上，低到0.001Hz以下。一台地震儀很難全部覆蓋，因此，現有地震儀按需求可分為短、長、中長、寬帶等不同頻段。

張衡地動儀是早期機械式地震儀，頻帶窄。它可以敏感幾百公裡外的隴西地震，說明其靈敏度很高。鑒于p波在震中附近信号強，而離震中較遠的洛陽就很弱了，難以敏感。而s波和面波，信号較強，地動儀如能敏感，但掉球方向又和史書記載不符。

圖5：月球測振儀（馮銳，2021）

四、地震儀的意義

盡管張衡的地震儀有許多缺陷，但它決不是無用的擺設。地震問題比較複雜，它不能預報所有地震。它能預報一定範圍和距離的地震，地動儀隻能記錄震中方向。幾台地動儀“聯網”也可測出震中位置，但它卻無法記錄發震時刻。

圖6：全球光纖測震（馮銳，2021）

前人對張衡的地動儀曾進行過公開測試，且被證明其感震功能完全有效，所以它是真實存在的。在地動儀複原工作尚未完成的情況下，既不應該用現代地震儀取代其曆史地位，也不應該無視其對現代地震儀誕生所起的開創引領作用。

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