徐家匯觀象臺(tái)大森式地震儀記錄圖的保護(hù)和使用

鐘衛(wèi)星 黃 佩 教聰聰 葉 青 張 林 方 韜

（中國上海200062 上海市地震局）

0 引言

上海徐家匯觀象臺(tái)（Observatore de Zi-ka-wei）始建于1872 年，是佘山地震臺(tái)的前身。徐家匯觀象臺(tái)儀器和設(shè)備配備齊全，觀測(cè)項(xiàng)目豐富。研究人員在此開展了氣象、天文、地磁等方面的觀測(cè)和研究（閻林山等，1984）。20 世紀(jì)初增設(shè)地震觀測(cè)項(xiàng)目，安裝了無阻尼大森式（Omori）地震儀，于1904 年1 月22 日正式投入觀測(cè)，開創(chuàng)了中國大陸近代儀器觀測(cè)地震的先河。同年2 月5 日，地震觀測(cè)資料與氣象、地磁資料合并發(fā)表于徐家匯天文臺(tái)年報(bào)（Bulletin Annuel de L’obser Vatlere de Zi-ka-wei）。為提高臺(tái)站監(jiān)測(cè)能力，后于1909 年增設(shè)德制維歇爾地震儀，1915 年增設(shè)俄式伽里津地震儀等。徐家匯臺(tái)的地震觀測(cè)設(shè)備達(dá)到當(dāng)時(shí)的先進(jìn)水平（中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2005）。

由于年代久遠(yuǎn)，歷經(jīng)戰(zhàn)爭(zhēng)和數(shù)次搬遷，徐家匯臺(tái)保留下來的幾萬張歷史地震記錄圖被保存在上海市地震局檔案室。目前，這批熏煙地震圖紙又硬又脆，易損壞，查閱困難。它們不僅見證了我國近代地震觀測(cè)的歷史，也為廣大科研人員研究歷史地震提供了數(shù)據(jù)支持。保護(hù)并充分使用這批寶貴的圖紙，是一項(xiàng)有意義的工作。受條件所限，僅對(duì)大森式地震儀記錄圖紙進(jìn)行分類歸檔整理，區(qū)分有震無震，同時(shí)對(duì)圖紙采取除塵和消毒等初步保護(hù)措施。此外，對(duì)典型的地震圖紙進(jìn)行數(shù)字化精細(xì)掃描、數(shù)字化建檔和備份。

1 大森式地震儀簡(jiǎn)介

大森式(Omori)地震儀NS、EW 水平擺質(zhì)量為20 kg，無具體測(cè)定常數(shù)值參考，其基本參數(shù)見表1（中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2005）。

表1 大森式地震儀基本參數(shù)Table 1 Basic parameter table of Omori seismograph

大森式設(shè)備采用GMT 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)，授時(shí)采用老式天文擺鐘，收對(duì)電臺(tái)為日本JJY，用秒表法進(jìn)行對(duì)鐘，其中鐘差日變值±0.5 s（中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2005）。

EW 向地震圖早期30 s 打一時(shí)間標(biāo)記，1909 年后圖紙改為60 s 打1 分號(hào)，每一整點(diǎn)打1 時(shí)號(hào)。NS 向?yàn)槊恳徽c(diǎn)打1 時(shí)號(hào)，早8 時(shí)—9 時(shí)做1 個(gè)日標(biāo)記。

2 地震圖紙整理

據(jù)文獻(xiàn)記載，大森式地震儀開始記錄時(shí)間為1904 年1 月22 日，結(jié)束時(shí)間為1918 年9月5 日（國家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1987）。但對(duì)上海市地震局檔案室保存的每張大森式地震圖進(jìn)行仔細(xì)清點(diǎn)和拍照留檔時(shí)，發(fā)現(xiàn)留存最早的一張地震圖紙記錄時(shí)間為1905 年1 月 4 日，這也是中國大陸目前保存的最早的地震記錄圖；最后一張地震圖紙記錄時(shí)間為1918 年10月27 日，比文獻(xiàn)記載的結(jié)束時(shí)間延后1 個(gè)多月。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，徐家匯臺(tái)大森式地震圖現(xiàn)存約3 168 張，具體結(jié)果見表2。鑒于1915 年的地震圖紙又硬又脆、破損嚴(yán)重，翻閱一次對(duì)圖紙損害嚴(yán)重，為了保護(hù)圖紙，據(jù)圖紙厚度估算，大概300 張。徐家匯臺(tái)年報(bào)地震目錄中的圖紙，絕大多數(shù)不在其中。

表2 大森式地震圖統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of Omori seismogram

3 地震圖紙數(shù)字化

掃描分辨率是數(shù)字化圖紙的關(guān)鍵參數(shù)，分辨率低難以有效保存信息，分辨率過高對(duì)存儲(chǔ)量要求高。因此，需要根據(jù)圖紙的實(shí)際情況，并結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字化圖紙的經(jīng)驗(yàn)，采用合理的分辨率進(jìn)行掃描。如：伯克利地震學(xué)實(shí)驗(yàn)室（BSL）對(duì)長周期地震圖紙，選用400 dpi分辨率進(jìn)行數(shù)字化；哈佛大學(xué)觀測(cè)站根據(jù)數(shù)字化軟件的具體情況，數(shù)字化分辨率在200—800 dpi 之間（鄭鈺等，2017）；許健生等（2008）對(duì)白家疃臺(tái)1957—2000 年6 級(jí)以上地震記錄進(jìn)行數(shù)字化時(shí)采用300 dpi 分辨率。本次需掃描的地震圖紙均為大幅面（30 cm×70 cm）的煙熏記錄圖，選用德國CRUSES 掃描儀（配備專業(yè)級(jí)工業(yè)數(shù)字鏡頭，分辨率最高可達(dá)40 億像素），采用真空吸氣平臺(tái)和同步臺(tái)采集技術(shù)，避免了傳統(tǒng)滾筒式掃描儀對(duì)圖紙的損害。本次掃描分辨率設(shè)定為500 dpi，格式存儲(chǔ)為TIFF，掃描后每張圖紙約50 M。挑選典型地震圖紙進(jìn)行精細(xì)掃描，其中EW 向144 張，NS 向52 張。

以D（大森式）+分向+起始年月日的格式為數(shù)字化圖紙命名，如1906 年1 月1 日EW 向圖紙文件名為DE1906-01-01.TIFF。在此命名規(guī)則下，每張圖紙均有唯一名稱。

4 地震圖紙保護(hù)

20 世紀(jì)80 年代，孫慶烜、劉昌森為了保護(hù)和收藏好這批珍貴圖紙做了大量工作。將1906 年以后的每張地震圖用宣紙進(jìn)行托底，并加蓋專用印章，將法文的年月日改成英文，為此次整理工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

在此次整理工作中，對(duì)每張地震圖進(jìn)行除塵和消毒，并制定資料收藏和保護(hù)的管理方案；按照?qǐng)D紙尺寸，定制防蟲蛀的樟木箱柜；嚴(yán)格控制存放圖紙的資料室的溫濕度，確保存放環(huán)境達(dá)標(biāo)。

5 地震事件分析

5.1 資料處理

大森式地震儀是無阻尼裝置，其NS 向地震儀轉(zhuǎn)速慢（約3 cm/h），地震波周期測(cè)量誤差大，只量取P 波到時(shí)和振幅，進(jìn)行編目統(tǒng)計(jì)。僅選用EW 向記錄圖紙，測(cè)量分析地震事件，計(jì)算地震參數(shù)。

EW 向分量每天生成1 張地震圖，一般在北京時(shí)間8 時(shí)—9 時(shí)換紙，用法文標(biāo)注年月日，特殊情況會(huì)標(biāo)注上下紙時(shí)間。NS 向每7 天生成1 張地震圖，每日8 時(shí)—9 時(shí)滑動(dòng)筆尖標(biāo)記，并注明日期，更換記錄紙會(huì)標(biāo)注起始至結(jié)束的年月日，不標(biāo)注換紙的具體時(shí)間。

大森式地震儀為長周期地震儀。在計(jì)算近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震的震級(jí)時(shí)采用面波震級(jí)公式，即

其中，A為水平分向面波地動(dòng)位移的矢量和；T為相應(yīng)周期；Δ為震中距，2°＜Δ＜130°。

計(jì)算深震時(shí)用古登堡-里克特（1956）體波震級(jí)公式，即

式中，m=lg(A/T)+Q（Δ，h），其中A為體波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)最大速度所對(duì)應(yīng)最大振幅的地動(dòng)位移振幅，T為相應(yīng)周期，Q為量規(guī)函數(shù)，是震中距Δ和震源深度h的函數(shù)。

從一種震級(jí)標(biāo)度轉(zhuǎn)換為另一種震級(jí)標(biāo)度，必然造成原震級(jí)的信息損失，新的震級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)定的震級(jí)之間不應(yīng)相互換算（劉瑞豐等，2018）。因此，對(duì)于近震，不再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式將面波震級(jí)轉(zhuǎn)換為近震震級(jí)。

5.2 震相識(shí)別

在現(xiàn)存部分地震圖中，地震事件有簡(jiǎn)單標(biāo)注，其中P 波標(biāo)為A，S 波標(biāo)注為B，時(shí)間未注明。在進(jìn)行圖紙數(shù)字化時(shí)，在數(shù)字地震圖上標(biāo)注P、S 震相和到時(shí)（北京時(shí)間），量取面波周期和振幅。圖1、圖2 分別為1907 年1 月4 日發(fā)生在印度尼西亞的7.5 級(jí)地震的EW、NS 向記錄。原圖為熏煙記錄，黑底白線條，清晰度不高。利用軟件進(jìn)行反相處理，并加深了線條顏色和對(duì)比度。

圖1 大森式地震儀1907 年1 月4 日EW 向地震記錄Fig.1 The EW component Omori Seismogram on January 4,1907

圖2 大森式地震儀1907 年1 月4 日NS 向地震記錄Fig.2 The NS component Omori Seismogram on January 4,1907

20 世紀(jì)80 年代，孫慶烜利用照相翻拍技術(shù)，按與原圖1:1 的比例，在相片紙上對(duì)地震事件進(jìn)行標(biāo)注，之后粘貼在相應(yīng)地震圖上。筆者以前人工作為參考，結(jié)合地震目錄的事件要素進(jìn)行反演，經(jīng)一一對(duì)比分析和梳理，整理出49 個(gè)清晰的地震事件，見表3。地震目錄主要參考《全球地震目錄》（宋治平等，2011）、《中國地震目錄》（李善邦，1960）和《徐家匯臺(tái)地震臺(tái)地震記錄報(bào)告1906 年至1948 年》（上海市地震局地震觀測(cè)技術(shù)研究所，1985）。此次整理增補(bǔ)了4 個(gè)地震目錄中未記載的地震事件。

表3 大森式地震儀測(cè)定的地震事件與世界地震目錄的對(duì)比Table 3 Comparative analysis of earthquakes measured by the Omori seismograph and global earthquake catalog

5.3 震中距、震級(jí)與目錄地震參數(shù)對(duì)比

《全球地震目錄》（宋治平等，2011）資料源于國內(nèi)外多種渠道。受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，每個(gè)記錄事件的觀測(cè)儀器不一定相同，參數(shù)也各不相同，計(jì)算的地震參數(shù)也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次震級(jí)對(duì)比僅作參考。

剔除4 個(gè)新增地震事件，此次共對(duì)比45 個(gè)地震事件震級(jí)。由表3 可知，由大森式地震儀記錄計(jì)算的震級(jí)總體偏小，其中近震震級(jí)偏差在0.5 以上，遠(yuǎn)震震級(jí)大部分偏差在±0.5 以內(nèi)（圖3）。究其原因如下：①僅EW 向數(shù)據(jù)參與震級(jí)計(jì)算；②大森式地震儀是長周期地震儀，近震波形不在其優(yōu)勢(shì)頻率范圍內(nèi)。

圖3 大森式地震儀震級(jí)與“目錄震級(jí)”差值頻次Fig.3 Frequency chart of the difference between Omori magnitude and “catalogue magnitude”

將1907 年4 月19 日4 時(shí)和7 時(shí)在菲律賓同一地區(qū)發(fā)生的2 個(gè)地震進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者波形振幅明顯小于后者，而《全球地震目錄》則相反，應(yīng)予以修正。

去除5 個(gè)據(jù)此目錄反演得到的震中距數(shù)據(jù)，對(duì)40 個(gè)地震事件的震中距進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4，可見近震震中距相差約±1°，遠(yuǎn)震偏差約±3°。大森地震儀時(shí)間讀取偏差較大，但據(jù)大森地震儀記錄量算的地震震中距，與《全球地震目錄》偏差3°是可接受的。

圖4 大森式地震儀與“地震目錄”震中距對(duì)比Fig.4 Comparison between the Omori epicentral distance and “the cataloguee” epicentral distance

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于1911 年2 月23 日發(fā)生的地震，根據(jù)此目錄反演得到的震中距為7.3°，用大森式地震儀實(shí)際波形重新計(jì)算的震中距為12.4°，偏差達(dá)4.9°，《全球地震目錄》應(yīng)予以修正。

6 結(jié)束語

由于地震記錄圖紙資料久遠(yuǎn)，相關(guān)參數(shù)標(biāo)注不詳，且受限于地震儀機(jī)械制造工藝，波形記錄不清晰，整理分析工作困難。在整理工作過程中，工作人員注重原始圖紙的客觀性，查閱國內(nèi)外正式出版的各種地震目錄以及相關(guān)參考文獻(xiàn)，保證資料處理和編目的準(zhǔn)確性及客觀性。

近代地震觀測(cè)只有一百多年的歷史。20 世紀(jì)初，法、日、俄、德等國先后在上海、東北、青島等地建立了二十多個(gè)地震臺(tái)。除徐家匯觀象臺(tái)外，大多數(shù)儀器設(shè)備質(zhì)量不高，維護(hù)不善，觀測(cè)時(shí)間不長，可用資料不多（程裕淇等，1996）。因此，應(yīng)珍惜徐家匯臺(tái)保存的大量歷史地震圖紙，整理并保護(hù)大森式地震儀記錄圖，及時(shí)開展數(shù)字化工作為今后對(duì)維歇爾、伽利津等地震儀記錄圖紙的保護(hù)和研究提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。