徐家匯觀象臺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（Observatore de Zi-ka-wei）始建于1872 年，是佘山地震臺的前身。徐家匯觀象臺儀器和設(shè)備配備齊全，觀測項目豐富。研究人員在此開展了氣象、天文、地磁等方面的觀測和研究（閻林山等，1984）。20 世紀(jì)初增設(shè)地震觀測項目，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，開創(chuàng)了中國大陸近代儀器觀測地震的先河。同年2 月5 日，地震觀測資料與氣象、地磁資料合并發(fā)表于徐家匯天文臺年報（Bulletin Annuel de L’obser Vatlere de Zi-ka-wei）。為提高臺站監(jiān)測能力，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。徐家匯臺的地震觀測設(shè)備達(dá)到當(dāng)時的先進(jìn)水平（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2005）。

由于年代久遠(yuǎn)，歷經(jīng)戰(zhàn)爭和數(shù)次搬遷，徐家匯臺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，是一項有意義的工作。受條件所限，僅對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，同時對圖紙采取除塵和消毒等初步保護(hù)措施。此外，對典型的地震圖紙進(jìn)行數(shù)字化精細(xì)掃描、數(shù)字化建檔和備份。

1 大森式地震儀簡介

大森式(Omori)地震儀NS、EW 水平擺質(zhì)量為20 kg，無具體測定常數(shù)值參考，其基本參數(shù)見表1（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，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)時間系統(tǒng)，授時采用老式天文擺鐘，收對電臺為日本JJY，用秒表法進(jìn)行對鐘，其中鐘差日變值±0.5 s（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2005）。

EW 向地震圖早期30 s 打一時間標(biāo)記，1909 年后圖紙改為60 s 打1 分號，每一整點打1 時號。NS 向為每一整點打1 時號，早8 時—9 時做1 個日標(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間為1904 年1 月22 日，結(jié)束時間為1918 年9月5 日（國家地震局科技監(jiān)測司，1987）。但對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)清點和拍照留檔時，發(fā)現(xiàn)留存最早的一張地震圖紙記錄時間為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間為1918 年10月27 日，比文獻(xiàn)記載的結(jié)束時間延后1 個多月。

經(jīng)統(tǒng)計，徐家匯臺大森式地震圖現(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。徐家匯臺年報地震目錄中的圖紙，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，分辨率過高對存儲量要求高。因此，需要根據(jù)圖紙的實際情況，并結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字化圖紙的經(jīng)驗，采用合理的分辨率進(jìn)行掃描。如：伯克利地震學(xué)實驗室（BSL）對長周期地震圖紙，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）對白家疃臺1957—2000 年6 級以上地震記錄進(jìn)行數(shù)字化時采用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），采用真空吸氣平臺和同步臺采集技術(shù)，避免了傳統(tǒng)滾筒式掃描儀對圖紙的損害。本次掃描分辨率設(shè)定為500 dpi，格式存儲為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；按照圖紙尺寸，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），地震波周期測量誤差大，只量取P 波到時和振幅，進(jìn)行編目統(tǒng)計。僅選用EW 向記錄圖紙，測量分析地震事件，計算地震參數(shù)。

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

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

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

計算深震時用古登堡-里克特（1956）體波震級公式，即

式中，m=lg(A/T)+Q（Δ，h），其中A為體波質(zhì)點運動最大速度所對應(yīng)最大振幅的地動位移振幅，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)。

從一種震級標(biāo)度轉(zhuǎn)換為另一種震級標(biāo)度，必然造成原震級的信息損失，新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測定的震級之間不應(yīng)相互換算（劉瑞豐等，2018）。因此，對于近震，不再根據(jù)經(jīng)驗公式將面波震級轉(zhuǎn)換為近震震級。

5.2 震相識別

在現(xiàn)存部分地震圖中，地震事件有簡單標(biāo)注，其中P 波標(biāo)為A，S 波標(biāo)注為B，時間未注明。在進(jìn)行圖紙數(shù)字化時，在數(shù)字地震圖上標(biāo)注P、S 震相和到時（北京時間），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)一一對比分析和梳理，整理出49 個清晰的地震事件，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《徐家匯臺地震臺地震記錄報告1906 年至1948 年》（上海市地震局地震觀測技術(shù)研究所，1985）。此次整理增補(bǔ)了4 個地震目錄中未記載的地震事件。

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

5.3 震中距、震級與目錄地震參數(shù)對比

《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)時技術(shù)所限，每個記錄事件的觀測儀器不一定相同，參數(shù)也各不相同，計算的地震參數(shù)也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，本次震級對比僅作參考。

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

圖3 大森式地震儀震級與“目錄震級”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 時和7 時在菲律賓同一地區(qū)發(fā)生的2 個地震進(jìn)行對比，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 個據(jù)此目錄反演得到的震中距數(shù)據(jù)，對40 個地震事件的震中距進(jìn)行對比，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”震中距對比Fig.4 Comparison between the Omori epicentral distance and “the cataloguee” epicentral distance

對比發(fā)現(xiàn)，對于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°，用大森式地震儀實際波形重新計算的震中距為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地震臺。除徐家匯觀象臺外，大多數(shù)儀器設(shè)備質(zhì)量不高，維護(hù)不善，觀測時間不長，可用資料不多（程裕淇等，1996）。因此，應(yīng)珍惜徐家匯臺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，及時開展數(shù)字化工作為今后對維歇爾、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。