北京國家地球觀象臺(tái)側(cè)記
——為鷲峰地震臺(tái)重返北京西郊60年而作

中國地震局地球物理研究所 王紅強(qiáng) 許健生

北京國家地球觀象臺(tái)側(cè)記
——為鷲峰地震臺(tái)重返北京西郊60年而作

Sidelights on National Earth Observatory in Beijing

中國地震局地球物理研究所 王紅強(qiáng) 許健生

古人通過“夜觀天象”發(fā)現(xiàn)“先兆”，用來預(yù)言重大歷史事件將要發(fā)生。地震學(xué)家通過觀測“地象”，希望掌握地球內(nèi)部活動(dòng)的規(guī)律，地震臺(tái)站正是獲取地球內(nèi)部“情報(bào)”的前沿哨所。“上天容易入地難”，必須借助于專業(yè)儀器才能探測到來自地球深部的信號(hào)，地震臺(tái)站裝備各種地球物理儀器，具備靈敏的“偵查”手段，常年監(jiān)測地球內(nèi)部的“一舉一動(dòng)”，為地球科學(xué)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(jí)，因震死亡20余萬人）造成的傷痛仍夢(mèng)魘在國人心頭，為了解地震、以設(shè)法減輕地震災(zāi)害，我國地震學(xué)的先驅(qū)李善邦先生來到北京西北郊外的鷲峰山下，將一臺(tái)現(xiàn)代地震儀安裝在這里，建立了鷲峰地震臺(tái)，這是中國人自己建設(shè)和管理的第一座地震臺(tái)。在那個(gè)兵荒馬亂的年代，鷲峰地震臺(tái)堅(jiān)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(bào)》和10余期《鷲峰地震專報(bào)》，并與國外五十多個(gè)地震研究機(jī)構(gòu)開展資料交換和學(xué)術(shù)交流，成為當(dāng)時(shí)世界上第一流的地震臺(tái)站。

1937年，因外敵入侵，鷲峰地震臺(tái)停止觀測?？箲?zhàn)期間，李善邦先生輾轉(zhuǎn)到達(dá)重慶北碚，克服重重困難，于1943年研制成功我國第一臺(tái)現(xiàn)代地震儀——霓式地震儀，在戰(zhàn)火硝煙中堅(jiān)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(tái)，成為北京國家地球觀象臺(tái)的前身。

李善邦先生在工作

北京國家地球觀象臺(tái)隸屬于中國地震局地球物理研究所，包含：北京地震臺(tái)、鷲峰地震臺(tái)（實(shí)際上現(xiàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家測震臺(tái)網(wǎng)儀器質(zhì)量檢測中心及中國地震科學(xué)探測臺(tái)陣技術(shù)中心。現(xiàn)已發(fā)展成為綜合性地球物理觀測、實(shí)驗(yàn)和研究基地，同時(shí)是地震儀器檢測、維護(hù)和裝備中心。2007年，觀象臺(tái)被科技部納入第一批國家野外科學(xué)觀測研究站（簡稱“國家野外站”）。2011年，觀象臺(tái)被科技部遴選為第一批國家級(jí)國際科技合作基地。

晨曦中的北京國家地球觀象臺(tái)

綜合觀測樓

觀象臺(tái)院內(nèi)全景照

國家野外科學(xué)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(xiàn)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(tái)是中國地震局的綜合性觀測臺(tái)站，觀測項(xiàng)目涉及測震、地磁場、重力、地形變和地下流體，16臺(tái)（套）觀測儀器日夜不停的監(jiān)測地球“脈動(dòng)”。

北京國家地球觀象臺(tái)在觀測“地象”方面保持著很多中國紀(jì)錄：我國第一座自行建設(shè)和管理的地震臺(tái)（1930年）、我國第一座地震遙測臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站之一（1966年）、我國第一座數(shù)字化地震臺(tái)（1986年）和數(shù)字化地磁臺(tái)（1997年）、保存有長期連續(xù)的地球物理觀測數(shù)據(jù)、制定了我國面波震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、建立了我國地磁測量實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。

1982年，在臺(tái)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(nèi)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(shè)計(jì)了專門的“防濕層”，以保持洞內(nèi)濕度不隨季節(jié)變化，維持在75%以下且波動(dòng)很??；山洞遠(yuǎn)離市區(qū)和各種人工振動(dòng)源，振動(dòng)背景噪聲很低，觀測環(huán)境優(yōu)越。

觀測山洞內(nèi)主要進(jìn)行測震和地形變觀測，同時(shí)也為各類地震儀、重力儀等專業(yè)觀測設(shè)備進(jìn)行觀測實(shí)驗(yàn)、一致性比對(duì)等測試提供優(yōu)良的觀測條件。將儀器安裝在遠(yuǎn)離市區(qū)的山洞里，一是為了避開人類活動(dòng)引起的地面震動(dòng)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(duì)信號(hào)的放大、濾波等效應(yīng)，如同我們量體溫時(shí)把體溫計(jì)伸進(jìn)衣服貼緊皮膚一樣，也避免了“隔靴搔癢”。

山洞內(nèi)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(gè)觀測分向。水管傾斜儀猶如兩個(gè)超長的水平尺，根據(jù)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(zhì)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(diǎn)之間的距離變化，即地表的伸縮量。

觀象臺(tái)山洞觀測室布局及觀測項(xiàng)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(tái)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(dòng)引起的磁暴現(xiàn)象最先在這里被發(fā)現(xiàn)，輕微的地震和重力變化只有這里能檢測到，地形變測量結(jié)果顯示地表每天上下起伏的量最大可達(dá)30 cm，就像人呼吸時(shí)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(xiàn)象，被稱為“固體潮”。深層地下流體的水位，甚至水溫的細(xì)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(hào)。

“震情”是最大的敵情，觀象臺(tái)時(shí)刻監(jiān)視震情動(dòng)向。地震是地下能量的釋放過程，當(dāng)?shù)叵吕鄯e的能量超出巖層的承受極限時(shí)，巖層從薄弱地帶（如活動(dòng)斷裂）突然發(fā)生急速破裂并相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，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(fā)地面運(yùn)動(dòng)。看似平靜的地面下，“震魔”一直在招兵買馬，積蓄力量，它將“震”能量四處潛伏，伺機(jī)發(fā)動(dòng)一場對(duì)人類的戰(zhàn)爭。人類則以大地為屏障，層層設(shè)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(zhì)空間的傳播方式和隨時(shí)間的觀測記錄

“震魔”豈能善罷甘休，而是蓄勢(shì)待發(fā)，一旦“發(fā)威”，“震”能量四面沖擊，派出“震小鬼”（地震波）為作戰(zhàn)單元向八方突圍。“震小鬼”是“隱形的”地震射線，是射出的“能量之箭”，卻無實(shí)體箭身，能量通過介質(zhì)中相鄰質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)“接力”向前突擊。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與能量傳播方向的不同關(guān)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(dòng)的面波。P波（縱波）的推進(jìn)如“降龍十八掌”的“掌勢(shì)”般沿直線沖鋒，速度最快，約為6～12 km/s（與介質(zhì)密度有關(guān)，密度越大，波速越快）；S波（橫波）如抖動(dòng)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(jìn)，傳播方式復(fù)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(jìn)，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?qū)ふ倚碌耐黄瓶冢úǖ姆瓷洌弧罢鹦」怼币宦肥艿阶钃裟芰坎粩嗨p，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(dá)地表，造成大地震動(dòng)。對(duì)于小的

地震，“震小鬼”或被成功攔截，或雖到達(dá)地面卻已成強(qiáng)弩之末；然而，當(dāng)強(qiáng)震爆發(fā)時(shí)，斷層瞬間錯(cuò)動(dòng)，如同一刀刺穿所有的防線，將“震小鬼”突擊送達(dá)地表，大地為之震顫。

一批“震小鬼”從震源同時(shí)出發(fā)，以不同速度經(jīng)過不同的射線路徑到達(dá)地表某一觀測點(diǎn)時(shí)將形成“先來后到”的地震波形序列，而震源的活動(dòng)包含一系列的“顫動(dòng)”，每一次“顫動(dòng)”發(fā)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(fù)雜。我們架設(shè)的“捕震器”（地震儀）俘獲了從不同路線“闖關(guān)”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(shù)”綜合各方“情報(bào)”，復(fù)原不同“小鬼”的闖關(guān)路線，最終確定“震魔”的總攻發(fā)起時(shí)間（發(fā)震時(shí)刻）、基地位置（震源、震中位置）和總兵力（震級(jí)大小）。

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

通過追查“震小鬼”的“闖關(guān)”路線，地震學(xué)家搞清楚了地球內(nèi)部的同心球?qū)咏Y(jié)構(gòu)，就像一個(gè)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(gè)主要圈層，地核又分為外核和內(nèi)核。一般來說，從地面往下物質(zhì)的密度逐級(jí)增大，地震“射線”在其中的傳播速度（波速）也相應(yīng)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(jìn)的堡壘。“震小鬼”必須“闖關(guān)”這道道防線和座座堡壘才能到達(dá)地面。地震波（“震小鬼”）在各種密度層（體）界面均會(huì)發(fā)生反射和折射，經(jīng)過多次反射和折射形成非常復(fù)雜多樣的射線路徑。

地震學(xué)家是人類抗擊“震魔”的排頭尖兵。地球上每天發(fā)生大大小小的地震成千上萬次，全球上萬臺(tái)地震儀每天24小時(shí)不停息的監(jiān)測和記錄地震信號(hào)，地震學(xué)家的硬盤里保存著海量的地震數(shù)據(jù)，腦子里裝滿了各種理論模型和復(fù)雜公式，對(duì)數(shù)據(jù)的演算和處理需要?jiǎng)佑么笮头?wù)器和工作站日夜不停的“跑程序”。地震學(xué)家需要從這“無言”的數(shù)據(jù)海洋中撈出“金針”，去刺探地球內(nèi)部“黑箱”的機(jī)密：從大尺度構(gòu)造到精細(xì)結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代地震學(xué)發(fā)展已經(jīng)有100多年歷史，無數(shù)地震人將畢生精力和聰明才智投入了抗擊“震魔”的戰(zhàn)役中，取得了卓有成效的戰(zhàn)績。地震學(xué)家已經(jīng)探明了地球內(nèi)部的主體結(jié)構(gòu)，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(yīng)。無奈敵人太過強(qiáng)大，并且敵暗我明，敵人主動(dòng)進(jìn)攻，我方被動(dòng)防守，敵人潛伏在地下深處，伺機(jī)偷襲，行蹤詭秘幾無規(guī)律可循，我方至今還未能掌握其活動(dòng)規(guī)律。雖然擒魔之路艱難兇險(xiǎn)，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(fā)作的準(zhǔn)確時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)，這是全社會(huì)的期望和長遠(yuǎn)目標(biāo)，必須依靠全人類的長期努力才可能實(shí)現(xiàn)。

地震觀測與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

地球科學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，既需要對(duì)自然現(xiàn)象和實(shí)際地球物理場的觀測，也需要在“觀象”基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)現(xiàn)的重要現(xiàn)象和問題開展實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工作是觀象臺(tái)業(yè)務(wù)的自然延伸和拓展。實(shí)驗(yàn)并不局限于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，廣闊天地是我們的天然實(shí)驗(yàn)場。

從“觀測”到“成像”，都是為了把地下看清楚。通過觀測獲得數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)作圖成像，再現(xiàn)“震魔”基地的形成環(huán)境、“震魔”發(fā)作導(dǎo)致巖層斷裂的過程、“震小鬼”的進(jìn)攻路線、我們的“地下長城”（防線和堡壘）的分布情況和精細(xì)結(jié)構(gòu)等等。甚至發(fā)動(dòng)我方的“震小兵”深入前線，對(duì)圈定地區(qū)展開主動(dòng)“偵查”。

從“觀”到“像”，從對(duì)自然現(xiàn)象的觀測到對(duì)內(nèi)在本質(zhì)的認(rèn)識(shí)“成像”，圖像落在紙上，映入心中，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)的各種影像在地震學(xué)家的頭腦中逐漸清晰起來，并與已有的各種“印象”進(jìn)行比對(duì)和修正，逐漸逼近事實(shí)真相，“震魔”的活動(dòng)規(guī)律和形成機(jī)理逐漸為人類掌握。

地震儀器質(zhì)檢中心、技術(shù)中心（地震儀器的“兵工廠”）

并非只是一個(gè)臺(tái)在“戰(zhàn)斗”！到目前為止，已在全國范圍內(nèi)布局1000多座固定臺(tái)站，這些都是地震學(xué)家

觀測“地象”的據(jù)點(diǎn)，構(gòu)成一張覆蓋全國的監(jiān)測網(wǎng)，即國家測震臺(tái)網(wǎng)。而對(duì)重點(diǎn)地區(qū)更是劃定為“地震實(shí)驗(yàn)場”，調(diào)集和部署“流動(dòng)臺(tái)陣”兵團(tuán)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)聽。中國地震科學(xué)探測臺(tái)陣（ChinArray）就是這樣的“流動(dòng)兵團(tuán)”，擁有約1500套地震儀，相當(dāng)于約1500座流動(dòng)的地震臺(tái)，可以根據(jù)需要開展“運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)”。固定地震臺(tái)站的臺(tái)間距約為幾百公里，而流動(dòng)地震臺(tái)陣的臺(tái)間距根據(jù)研究需要可布設(shè)為幾公里到幾十公里不等（對(duì)于研究天然地震而言），這種針對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的加密觀測能夠大幅度提高我們對(duì)地下介質(zhì)物性、結(jié)構(gòu)和過程的認(rèn)識(shí)。

地震計(jì)的一致性檢測

利用超低頻振動(dòng)臺(tái)檢測和標(biāo)定地震計(jì)

野外架設(shè)流動(dòng)地震臺(tái)

為了應(yīng)對(duì)日益繁重的地震監(jiān)測和研究任務(wù)，推動(dòng)監(jiān)測工作的規(guī)范化，保證觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，加強(qiáng)地震儀器的管理、質(zhì)量檢測、維護(hù)保養(yǎng)乃至研發(fā)等工作至關(guān)重要。為此，依托觀象臺(tái)建立了國家測震臺(tái)網(wǎng)儀器質(zhì)量檢測中心、中國地震科學(xué)探測臺(tái)陣技術(shù)中心以及用于檢測和標(biāo)定地磁儀器的“零磁空間”實(shí)驗(yàn)室。

國家測震臺(tái)網(wǎng)儀器質(zhì)量檢測中心技術(shù)平臺(tái)已裝備了超低頻振動(dòng)臺(tái)、高低溫交變濕熱試驗(yàn)系統(tǒng)、砂塵試驗(yàn)箱、鹽霧試驗(yàn)箱、氙燈耐氣候試驗(yàn)箱、跌落試驗(yàn)機(jī)以及各類電子測試設(shè)備，可以對(duì)測震儀器的電子性能、環(huán)境適應(yīng)性以及地震計(jì)的靈敏度、自噪聲水平等進(jìn)行檢測。質(zhì)檢中心還開展地球物理觀測技術(shù)和質(zhì)檢技術(shù)方面的研究，推動(dòng)觀測設(shè)備的研制生產(chǎn)及規(guī)范化管理，建立質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)程，為地震、地磁監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供技術(shù)支撐。

中國地震科學(xué)探測臺(tái)陣技術(shù)中心負(fù)責(zé)約600套地震儀的維護(hù)、檢測和管理（另有900套在別處管理），為了適應(yīng)野外流動(dòng)臺(tái)陣的各種極端布臺(tái)環(huán)境，通過裝配新型觀測井提高了臺(tái)站運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。與USArray（美國臺(tái)陣）長期合作，不斷提升臺(tái)站的標(biāo)準(zhǔn)化、集成化建設(shè)，同時(shí)為重大項(xiàng)目的野外臺(tái)站建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支持。

“零磁空間”實(shí)驗(yàn)室近10年來共檢測標(biāo)定各類磁力儀390套，除了為地震行業(yè)的各類地磁儀器提供檢測標(biāo)定環(huán)境外，還廣泛服務(wù)于航天和軍工部門、高校、研究所和民營企業(yè)（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(tái)是國家科技部批準(zhǔn)的國際科技合作基地，承擔(dān)和運(yùn)行著一系列國際合作項(xiàng)目：中美合作建設(shè)的全球地震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站（CDSN、GSN）、全面禁止核試驗(yàn)條約組織/國際監(jiān)測系統(tǒng)（CTBTO/IMS）輔助臺(tái)、ChinArray 與 USArray（中美地震科學(xué)流動(dòng)臺(tái)陣）的合作基地、主動(dòng)源探測項(xiàng)目的國際合作交流基地、中美合

作中國低緯地磁臺(tái)陣項(xiàng)目臺(tái)站、中韓地震科技合作基地、中國全球地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)預(yù)研項(xiàng)目的原型中心。

ChinArray和USArray的合作（2007年，中美地震科學(xué)探測臺(tái)陣對(duì)比研究研討會(huì)）

全球地震模型2011年年會(huì)與會(huì)代表（后為地磁觀測亭）

新職工和研究生入所教育培訓(xùn)，為期一月

7·28唐山地震紀(jì)念日在鷲峰地震臺(tái)科普宣傳

實(shí)習(xí)、科普和愛國教育基地

藏身于地下數(shù)十公里的“震魔”主動(dòng)偷襲，人類只能被動(dòng)防守，敵強(qiáng)我弱，敵暗我明。與“震魔”的較量仍將是長期而艱苦的！

目前，防震減災(zāi)最行之有效的措施是：依照抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)房屋，并且遠(yuǎn)離活動(dòng)斷裂。畢竟，地震只是罪魁，房子才是禍?zhǔn)祝?/p>

夕陽西下，倦鳥歸林，地球內(nèi)部的“躁動(dòng)”卻沒有片刻停歇，地震人和他們的儀器一起，在崗位堅(jiān)守！雖然地震預(yù)報(bào)之路漫長而艱辛，地震人迎難而上，要和“震魔”長期作戰(zhàn)！

4·20世界地球日接待北京房山中學(xué)師生參觀

5·12全國防災(zāi)減災(zāi)日接待北京大學(xué)師生參觀