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地震儀

記錄地震波動的儀器。測量並紀錄地面運動的儀器,是觀測地震學進行各式研究的基本工具。
全世界最早的地震觀測儀器是西元132年(東漢陽嘉元年)中國張衡所製作的候風地動儀,該儀器設計結構早已失傳,歷史上的地震觀測僅止於社會人文震災紀實。19世紀因彈性力學之運動方程式推導而使地震波理論漸趨完善,日本、英國與義大利等多位學者著手設計地震觀測儀器,地震研究工作逐漸步入理論與觀測相互印證的新紀元。
地震計為地震儀的主要元件,用來感應地動訊號。完整的地震儀還須具備放大器、阻尼器、計時器與記錄裝置。各種地震儀因機械與電磁原理不同,構造、性能、狀態等也有差別。觀測地震時,必先了解儀器固有周期、阻尼、放大倍率等各項常數,始能由觀測紀錄計算出正確的地振動資料。
地震儀的基本原理,是利用擺錘或彈簧把重物懸掛於儀器中,重物上裝有筆針,再把地震儀安置於地面上,當地面因地震產生振動時,所有運動不會立即傳到地震儀中的重物上,重物因慣性而不動,但儀器上的轉筒及紀錄紙會隨地面產生振動,與筆針產生相對運動而紀錄震波。地震儀可紀錄地震波的到時、震幅及地震波的種類。根據擺錘本身固有周期與地表振動周期之間的關係,可設計出位移型、速度型與加速度型地震儀。
速度型地震儀屬於高靈敏度的觀測儀器,可記錄極微小的地盤振動,無感地震亦可忠實呈現,其地震紀錄反應測站當地振動速度。靈敏度雖高,但因儀器本身設計原理之限制,造成大地震產生的劇烈振動常使儀器紀錄超出範圍達到飽和,無法反應實際振動情形,不適合觀測中大規模地震。強震儀為加速度型地震儀,地震紀錄則反應地盤振動的加速度值,可估算當地地盤振動之受力程度,故能迅速提供救災單位搶救方案重要參考依據,同時加速度值也是工程界耐震設計規範最為重要的參數之一。加速度型地震儀之地震紀錄,廣泛使用於地震防災及工程應用。
早期地震儀受限於傳統機械式彈簧及阻尼元件特性,存在雜訊抑制不良、動態範圍不足及頻率響應有限等重大缺點。後來因為半導體技術大幅提升,以電子電路取代機械式彈簧及阻尼元件,才逐漸改善情況。1982年第一代寬頻地震儀的設計及功能測試發布之後,地震儀從此邁入全新領域。寬頻地震儀的特色在於持續相當頻率範圍的訊號皆可維持相同的儀器靈敏度,比傳統地震儀更能忠實反應實際地動狀態。
除了陸地上裝設的地震儀之外,海底地震儀也是地震研究相當重要的工具,從1970年代基於監測核爆而開始發展,包括測量月震、人工炸測等皆被廣泛應用。
臺灣學術機關使用海底地震儀進行地震監測與廣角折射震測等用途,這類儀器都需要配備電池、浮球與聲控系統,放置於海底一段時間後,利用傳送聲波釋放訊號,通知地震儀浮出水面,進行後續回收傳輸資料與再次施放的工作。


撰稿者:張建興
最後修訂日期:98年10月28日
參考資料:
1 交通部中央氣象局。2003。《地震百問》。臺北:中央氣象局。
2 徐明同。1979。《地震學》。「大學用書」。臺北:黎明文化。
3 Aki, Keiiti andPaul G. Richards, eds. 1980. Quantitative Seismology. San Francisco: W.H. Freeman.
4 Shearer, Peter M. 1999. Introduction to Seismology. Cambridge, New York: Cambridge University Press.
5 Lay, Thorne and Terry C. Wallace, eds. 1995. Modern Global Seismology. San Diego: Academic Press.