徐家汇观象台大森式地震仪记录图的保护和使用

钟卫星 黄 佩 教聪聪 叶 青 张 林 方 韬

（中国上海200062 上海市地震局）

0 引言

上海徐家汇观象台（Observatore de Zi-ka-wei）始建于1872 年，是佘山地震台的前身。徐家汇观象台仪器和设备配备齐全，观测项目丰富。研究人员在此开展了气象、天文、地磁等方面的观测和研究（阎林山等，1984）。20 世纪初增设地震观测项目，安装了无阻尼大森式（Omori）地震仪，于1904 年1 月22 日正式投入观测，开创了中国大陆近代仪器观测地震的先河。同年2 月5 日，地震观测资料与气象、地磁资料合并发表于徐家汇天文台年报（Bulletin Annuel de L’obser Vatlere de Zi-ka-wei）。为提高台站监测能力，后于1909 年增设德制维歇尔地震仪，1915 年增设俄式伽里津地震仪等。徐家汇台的地震观测设备达到当时的先进水平（中国地震局监测预报司，2005）。

由于年代久远，历经战争和数次搬迁，徐家汇台保留下来的几万张历史地震记录图被保存在上海市地震局档案室。目前，这批熏烟地震图纸又硬又脆，易损坏，查阅困难。它们不仅见证了我国近代地震观测的历史，也为广大科研人员研究历史地震提供了数据支持。保护并充分使用这批宝贵的图纸，是一项有意义的工作。受条件所限，仅对大森式地震仪记录图纸进行分类归档整理，区分有震无震，同时对图纸采取除尘和消毒等初步保护措施。此外，对典型的地震图纸进行数字化精细扫描、数字化建档和备份。

1 大森式地震仪简介

大森式(Omori)地震仪NS、EW 水平摆质量为20 kg，无具体测定常数值参考，其基本参数见表1（中国地震局监测预报司，2005）。

表1 大森式地震仪基本参数Table 1 Basic parameter table of Omori seismograph

大森式设备采用GMT 标准时间系统，授时采用老式天文摆钟，收对电台为日本JJY，用秒表法进行对钟，其中钟差日变值±0.5 s（中国地震局监测预报司，2005）。

EW 向地震图早期30 s 打一时间标记，1909 年后图纸改为60 s 打1 分号，每一整点打1 时号。NS 向为每一整点打1 时号，早8 时—9 时做1 个日标记。

2 地震图纸整理

据文献记载，大森式地震仪开始记录时间为1904 年1 月22 日，结束时间为1918 年9月5 日（国家地震局科技监测司，1987）。但对上海市地震局档案室保存的每张大森式地震图进行仔细清点和拍照留档时，发现留存最早的一张地震图纸记录时间为1905 年1 月 4 日，这也是中国大陆目前保存的最早的地震记录图；最后一张地震图纸记录时间为1918 年10月27 日，比文献记载的结束时间延后1 个多月。

经统计，徐家汇台大森式地震图现存约3 168 张，具体结果见表2。鉴于1915 年的地震图纸又硬又脆、破损严重，翻阅一次对图纸损害严重，为了保护图纸，据图纸厚度估算，大概300 张。徐家汇台年报地震目录中的图纸，绝大多数不在其中。

表2 大森式地震图统计表Table 2 Statistical table of Omori seismogram

3 地震图纸数字化

扫描分辨率是数字化图纸的关键参数，分辨率低难以有效保存信息，分辨率过高对存储量要求高。因此，需要根据图纸的实际情况，并结合国内外数字化图纸的经验，采用合理的分辨率进行扫描。如：伯克利地震学实验室（BSL）对长周期地震图纸，选用400 dpi分辨率进行数字化；哈佛大学观测站根据数字化软件的具体情况，数字化分辨率在200—800 dpi 之间（郑钰等，2017）；许健生等（2008）对白家疃台1957—2000 年6 级以上地震记录进行数字化时采用300 dpi 分辨率。本次需扫描的地震图纸均为大幅面（30 cm×70 cm）的烟熏记录图，选用德国CRUSES 扫描仪（配备专业级工业数字镜头，分辨率最高可达40 亿像素），采用真空吸气平台和同步台采集技术，避免了传统滚筒式扫描仪对图纸的损害。本次扫描分辨率设定为500 dpi，格式存储为TIFF，扫描后每张图纸约50 M。挑选典型地震图纸进行精细扫描，其中EW 向144 张，NS 向52 张。

以D（大森式）+分向+起始年月日的格式为数字化图纸命名，如1906 年1 月1 日EW 向图纸文件名为DE1906-01-01.TIFF。在此命名规则下，每张图纸均有唯一名称。

4 地震图纸保护

20 世纪80 年代，孙庆烜、刘昌森为了保护和收藏好这批珍贵图纸做了大量工作。将1906 年以后的每张地震图用宣纸进行托底，并加盖专用印章，将法文的年月日改成英文，为此次整理工作奠定了良好的基础。

在此次整理工作中，对每张地震图进行除尘和消毒，并制定资料收藏和保护的管理方案；按照图纸尺寸，定制防虫蛀的樟木箱柜；严格控制存放图纸的资料室的温湿度，确保存放环境达标。

5 地震事件分析

5.1 资料处理

大森式地震仪是无阻尼装置，其NS 向地震仪转速慢（约3 cm/h），地震波周期测量误差大，只量取P 波到时和振幅，进行编目统计。仅选用EW 向记录图纸，测量分析地震事件，计算地震参数。

EW 向分量每天生成1 张地震图，一般在北京时间8 时—9 时换纸，用法文标注年月日，特殊情况会标注上下纸时间。NS 向每7 天生成1 张地震图，每日8 时—9 时滑动笔尖标记，并注明日期，更换记录纸会标注起始至结束的年月日，不标注换纸的具体时间。

大森式地震仪为长周期地震仪。在计算近震、远震和极远震的震级时采用面波震级公式，即

其中，A为水平分向面波地动位移的矢量和；T为相应周期；Δ为震中距，2°＜Δ＜130°。

计算深震时用古登堡-里克特（1956）体波震级公式，即

式中，m=lg(A/T)+Q（Δ，h），其中A为体波质点运动最大速度所对应最大振幅的地动位移振幅，T为相应周期，Q为量规函数，是震中距Δ和震源深度h的函数。

从一种震级标度转换为另一种震级标度，必然造成原震级的信息损失，新的震级国家标准规定，测定的震级之间不应相互换算（刘瑞丰等，2018）。因此，对于近震，不再根据经验公式将面波震级转换为近震震级。

5.2 震相识别

在现存部分地震图中，地震事件有简单标注，其中P 波标为A，S 波标注为B，时间未注明。在进行图纸数字化时，在数字地震图上标注P、S 震相和到时（北京时间），量取面波周期和振幅。图1、图2 分别为1907 年1 月4 日发生在印度尼西亚的7.5 级地震的EW、NS 向记录。原图为熏烟记录，黑底白线条，清晰度不高。利用软件进行反相处理，并加深了线条颜色和对比度。

图1 大森式地震仪1907 年1 月4 日EW 向地震记录Fig.1 The EW component Omori Seismogram on January 4,1907

图2 大森式地震仪1907 年1 月4 日NS 向地震记录Fig.2 The NS component Omori Seismogram on January 4,1907

20 世纪80 年代，孙庆烜利用照相翻拍技术，按与原图1:1 的比例，在相片纸上对地震事件进行标注，之后粘贴在相应地震图上。笔者以前人工作为参考，结合地震目录的事件要素进行反演，经一一对比分析和梳理，整理出49 个清晰的地震事件，见表3。地震目录主要参考《全球地震目录》（宋治平等，2011）、《中国地震目录》（李善邦，1960）和《徐家汇台地震台地震记录报告1906 年至1948 年》（上海市地震局地震观测技术研究所，1985）。此次整理增补了4 个地震目录中未记载的地震事件。

表3 大森式地震仪测定的地震事件与世界地震目录的对比Table 3 Comparative analysis of earthquakes measured by the Omori seismograph and global earthquake catalog

5.3 震中距、震级与目录地震参数对比

《全球地震目录》（宋治平等，2011）资料源于国内外多种渠道。受当时技术所限，每个记录事件的观测仪器不一定相同，参数也各不相同，计算的地震参数也无统一标准。因此，本次震级对比仅作参考。

剔除4 个新增地震事件，此次共对比45 个地震事件震级。由表3 可知，由大森式地震仪记录计算的震级总体偏小，其中近震震级偏差在0.5 以上，远震震级大部分偏差在±0.5 以内（图3）。究其原因如下：①仅EW 向数据参与震级计算；②大森式地震仪是长周期地震仪，近震波形不在其优势频率范围内。

图3 大森式地震仪震级与“目录震级”差值频次Fig.3 Frequency chart of the difference between Omori magnitude and “catalogue magnitude”

将1907 年4 月19 日4 时和7 时在菲律宾同一地区发生的2 个地震进行对比，发现前者波形振幅明显小于后者，而《全球地震目录》则相反，应予以修正。

去除5 个据此目录反演得到的震中距数据，对40 个地震事件的震中距进行对比，结果见图4，可见近震震中距相差约±1°，远震偏差约±3°。大森地震仪时间读取偏差较大，但据大森地震仪记录量算的地震震中距，与《全球地震目录》偏差3°是可接受的。

图4 大森式地震仪与“地震目录”震中距对比Fig.4 Comparison between the Omori epicentral distance and “the cataloguee” epicentral distance

对比发现，对于1911 年2 月23 日发生的地震，根据此目录反演得到的震中距为7.3°，用大森式地震仪实际波形重新计算的震中距为12.4°，偏差达4.9°，《全球地震目录》应予以修正。

6 结束语

由于地震记录图纸资料久远，相关参数标注不详，且受限于地震仪机械制造工艺，波形记录不清晰，整理分析工作困难。在整理工作过程中，工作人员注重原始图纸的客观性，查阅国内外正式出版的各种地震目录以及相关参考文献，保证资料处理和编目的准确性及客观性。

近代地震观测只有一百多年的历史。20 世纪初，法、日、俄、德等国先后在上海、东北、青岛等地建立了二十多个地震台。除徐家汇观象台外，大多数仪器设备质量不高，维护不善，观测时间不长，可用资料不多（程裕淇等，1996）。因此，应珍惜徐家汇台保存的大量历史地震图纸，整理并保护大森式地震仪记录图，及时开展数字化工作为今后对维歇尔、伽利津等地震仪记录图纸的保护和研究提供可借鉴经验。