从霓式地震仪看中国地震学的历史跨越

摘要：抗战时期，我国自主研发的霓式地震仪具有划时代意义，这是我国现代第一台机械式地震仪。文章深入探讨了霓式地震仪在特殊历史背景下的创建历程、科学贡献与对现代地球物理观测的影响。文章从霓式地震仪的发展脉络、研制过程、技术特性、工作原理以及对现代地震观测的影响等方面分析其历史地位、科学价值及技术创新的特点。

关键词：霓式地震仪；抗战时期；科学贡献；地球物理观测

一、我国近代地震仪的发展脉络

中国位于地震频发地带，是世界上最早记录地震现象和开展地震观测的国家。东汉时期，我国科学家张衡发明了世界上第一台观测地震的仪器——候风地动仪，至今仍为世界所瞩目，彰显了中国在地震观测领域的深远影响与创新精神。如今，中国的地震观测技术已实现天空地一体化，从井下的深井甚宽频带地震观测仪到太空的张衡一号电磁监测试验卫星，标志着中国在全球地球物理观测领域的领先地位，也是对古代智慧的传承与发展。

1920年12月16日晚8点06分，一场人类历史上罕见的8.5级大地震突然降临宁夏海原。山摇地动，天空红光如练，龙卷风犹如万马嘶鸣。震中甘盐池震级烈度12度，相当于瞬间投下1200枚广岛原子弹，释放的震波能量相当于11.2个唐山大地震。甘肃省兰州市白塔山公园的庙碑上，将这场地震称为“环球大震”。海原大地震波及陕、甘、宁、青等17个省份，有感区域达251万平方公里，致27万余人遇难。当时，海原县城中衙署、民宅、店铺、寺庙毁圮无遗，悉为废墟，地裂、黑水、火灾、暴雪叠起，险像环生，余震持续年余[1]。

震后，时任中央地质调查所代理所长翁文灏率队赴灾区，开展中国政府最早组织的震后科学考察，由此揭开了中国近代地震科学考察的序幕。1923年，翁文灏在《科学》第8卷第8期上发表《中国地震分布简说》，并绘制出第一幅《中国地震区分布图》。1928年，国民政府意识到防震减灾的重要性，由翁文灏主持筹建工作，寻觅一位精通英文、物理学的人从事地震研究。时任清华大学物理系教授叶企孙推荐了他的学生李善邦。李善邦虽无任何地震学的专业背景，但他物理好、英文好，也具备翁文灏最为看重的踏实、耐得住寂寞的品质，适合长期坚守在远离北京市区的北安河鹫峰脚下工作。1930年，第一个由中国人自己建设和管理运作的地震台——鹫峰地震台在李善邦主持下建成，从此开启了自主研究地震仪的新纪元。

从下表可以看出，1926年、1930年购买的小维歇尔地震仪和1932年南京北极阁地震台购置的重达近2万公斤的大维歇尔地震仪，均进口自欧洲，体积庞大，成本高昂。若长期依赖进口设备，我国在地球物理观测领域的投入将异常巨大。

二、霓式地震仪在重庆北碚研制成功

1937年，全民族抗战爆发，鹫峰地震台毁于一旦，中央地质调查所辗转迁移至重庆北碚。当时，战争的阴霾笼罩着中华大地，国家面临前所未有的生存挑战。物资短缺，科研条件极为艰苦，地震观测仪在迁移中被炮火轰炸损坏、遗失，地震观测工作几乎陷入完全停滞状态。在基础设施不足、生活条件恶劣、安全难以保障的环境下，李善邦不仅没有放弃科学研究，反而激发出巨大的创造潜力。他在《我国早期地震工作发展概况》中写道：“要恢复地震研究，须有观测仪器，从国外进口仪器是完全不可能的了，唯一的办法是自制。”[2]

国家地震局地球物理研究所存有李善邦60岁生日时写给子女的一段话：“初无制作整套地震仪的经验，手边又缺乏参考图籍，虽决定采用最简单的方案，但不管怎样简单，总包括若干铸件、机簧以及大小不等的车、钳工序，困难摆在面前，须得一一克服。经费很少，还得自己设法寻求，将车床给人分用，得些租金，尽量在旧货摊上找些可以改作零件的废品 。最令人气恼的是原应供电力的资本家借口电力不够支配，截断供应，车床因此不得不设法改用人力转动，出件既慢又不精致。但更难堪的是精神生活。敌军日益深入内地 ，敌机轰炸夜以继日，每日可以工作的时间不过二、三小时，其余消磨于逃避警报，防空洞远在山岗之下，既简陋又狭小，挤在里面，气闷而心更闷 。”这段文字描绘了李善邦在抗战时期研制霓式地震仪所面临的重重困难和挑战。

在李善邦的不懈努力下，1943年6月21日，我国近代第一套熏烟记录机械放大式地震仪——霓式地震仪在重庆北碚研制成功。次日清晨，霓式地震仪就记录到了发生于成都附近的5级左右地震，经过仔细检查，地震记录图还很清晰。这一成就解决了战时中国对地震监测设备的迫切需求，开创了我国自行设计制造地震仪的历史先河，为后续的科学研究和技术发展奠定了基础。霓式地震仪对于地球物理观测、地震学以及科学社会学等领域均具有重要的学术价值和实践意义。

三、霓式地震仪的技术特性及工作原理

霓式地震仪的独特优势在于其材料的选择。与昂贵的进口设备相比，霓式地震仪因选择了合适的国产材料，并简化了生产工艺，制造成本大幅降低。其整体结构分为三部分：重锤及支架、放大及制振设备、记录器。地震仪为水平摆形式，东西及南北分向锤各重100kg，周期为4.5s，具有极高的灵敏度以及能够检测到微弱的地面震动。

霓式地震仪静态放大倍数约为152倍，即便是微小的地震活动也能被准确记录。放大器类型为机械杠杆放大，记录方式为熏烟记录，记录纸速度为20mm/min。从1943年到1946年，霓式地震仪共记录下109次地震，这些被记录下来的地震，震源地最远位于土耳其。这不仅证明了霓式地震仪的高精密度，还体现了其巧妙设计达到了当时的国际水平。

霓式地震仪拥有广泛的频率响应范围，能够捕捉从低频到高频的不同地震波类型。同时，其稳定的机械结构和精确的记录系统，保障了长期连续运行的可靠性，对于持续监测地震活动具有不可估量的重要性。

霓式地震仪工作原理之一为惯性摆的巧思，两个悬挂的重锤是地震仪至关重要的部件。当地震发生时，地面发生振动，重锤因为质量大与移动地面产生了相对运动，地震仪记录下这种相对运动，就形成了一条具有不同起伏幅度的曲线，称为地震谱。曲线起伏幅度与地震波引起地面振动的振幅相应，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台的时间差，即时差与震中离地震台的距离成正比，离震中越远，时差越大。由此规律即可求出震中离地震台的距离，即震中距。

机械杠杆放大是霓式地震仪的又一工作原理。杠杆连接在重锤与记录器之间，它的一端连接重锤，另一端连接记录器。当地震发生时，杠杆的一端微小摆动，通过加长的杠杆把这种摆动放大约152倍，另一端的记录笔就会清晰地记录下地震波形。独特的放大机制，能够在无需电力的条件下，对地震波进行高灵敏度的捕捉和记录。

四、霓式地震仪的科学贡献与影响

霓式地震仪是抗战时期中国唯一一套地震仪。1949年后，地震学家们在这套地震仪的基础上加以改进，并复制许多套，在黄河流域地区布置了20多个地震台，建立起了我国地震台网的雏形。

霓式地震仪的成功研制，不仅是技术上的创新，更是在逆境中坚持科研、勇于创新的科学家精神的象征。战争年代，面对资源短缺和恶劣的研究环境，中国科学家没有选择放弃，利用有限的资源，在极端困难的条件下创造性地解决了一个又一个难题，其自主创新、团结协作、坚韧不拔、服务社会的精神激励着一代代科研人员在科学道路上砥砺前行。

霓式地震仪开启了国产地震仪的自主研发之路，其设计理念和技术细节为后来的地震监测设备提供了参考。1951年我国研制成功的大51和小51地震仪就是沿着霓式地震仪的设计思路进行研制的。经过几代科研工作者的不懈耕耘和不断创新，我国地球物理观测技术经历了机械、电子模拟和数字化三个跨越式的阶段发展，在地球物理观测站网的不断升级中，发挥着中间作用，以独立自主的中国技术，为我国地震与地球物理观测作出卓越贡献。

五、结语

从首张地震区划图到中国人自己管理运作的第一个地震台——鹫峰地震台，从北碚地震台研制成功的首个地震监测仪到天空地一体化地震监测体系，从震后数日还难以确定震中到震后数秒可实现地震预警，我国的地震学飞速发展，不断创造新的成就。

2023年10月20日，霓式地震仪研制成功80周年纪念活动暨复制展品捐赠仪式在重庆自然博物馆老馆——中国西部科学院旧址陈列馆地质楼举行。为让广大观众更加直观地了解霓式地震仪，中国地震局地球物理研究所和防灾科技学院根据霓式地震仪留存的珍贵照片，按1：1比例制作了霓式地震仪复原件。

霓式地震仪复制展品的回归和展示，为传承科学历史、弘扬科学家精神和推动防震减灾科普教育工作提供了新的契机。它将激励更多的人投身于科学研究，为推动科学事业的发展作出更大的贡献，推动科普教育工作再上新的台阶。

注释

[ 1 ] 王兰民，郭安宁，王平，等.1920年海原大地震震害特征与启示[J].城市与减灾，2020（06）：43-53.

[ 2 ] 李善邦.我国早期地震工作发展概况[J].西北地震学报，1980（01）：1-5.

[ 3 ] 侯江.中央地质调查所所属地震台站历史变迁[J].四川地震，2015（04）：41-45.

编辑/王尧