Ancient Seismic Records

乔秀夫　宋天锐　李海兵　高林志　彭阳　聂泽同　梁定益　张传恒　袁静　田洪水

区域性，特别是成大规模带状分布又有固定层位的沉积物液化作用一般讲是地震诱发的。只有大于里氏5级强地震的水平振动力方能使在浅水环境或陆上20m深富含水的软沉积物发生液化或诱发巨浊积岩（Megaturbidite）于深水盆地中。在地层中识别不同类型的液化作用产生的变形构造是野外辨认古地震的基本途径。

本章提供的宏观记录（图1～24）均取自国内材料，大体依地质时代顺序排列，包括碳酸盐岩及碎屑岩不同类型的地震记录，多数为浅水环境下软沉积物变形，少数为成岩后坚硬岩石中的记录，除浅水环境外，本章还选择了深水环境中的地震记录。将现代地震引起的沉积物液化变形排于最前面，目的在于将今论古。

地震发生与构造变动及岩浆活动密切联系，中国境内大陆壳随时间的变化，古沉积环境、构造环境与岩浆活动的规模不同。以我国华北地区为例，中、新元古界以海相碳酸盐岩为主，处于板内多次裂解的构造环境，因而大量多次地震记录赋存于灰岩、白云岩中。下古生界奥陶系为陆表海环境，构造环境稳定，虽也以碳酸盐岩为主，地震发生的频率却很小，目前尚未在板块内部发现奥陶系古地震记录；但在板块北缘地区，由于古亚洲洋与中朝板块的碰撞，诱发强地震，这个地区奥陶系中赋存大量地震记录，且变形特征与中新元古界相同，并无本质区别。又如我国西南地区（广西、四川、云南、贵州）于二叠纪处于超大陆大规模裂解时期，拉张环境下大面积玄武岩喷发，在这种构造－岩浆活动环境下所诱发的极强地震很可能是人类现代地震所未曾经历的，也是无法想像的！在地层中赋存的古地震现象与华北地区中新元古界与古生界的地震现象有所不同，但是强地震诱发液化作用的机制是一致的。本章按时代顺序讨论宏观古地震记录，其目的在于体现不同时期及不同地区地震事件记录的特征也是不同的。

不同类型沉积物中地震记录是可以对比的。如碳酸盐岩中的泥亮晶脉与砂岩中的砂岩脉均为液化泄水所致。野外调查清楚观察到这两种液化脉与产生液化母岩层的连接关系。一些地质学家承认砂岩脉的液化成因，但质疑碳酸盐岩中泥亮晶脉的液化成因，并认为局限于中、新元古界，在本文的宏观记录中，寒武系、奥陶系、下石炭统都有液化碳酸盐脉。坚持液化泥亮晶脉限于元古宙，究其原因是受国外文献的影响，并过于相信某些国外学者的观点。

地质学是实践性、解释性的科学，应以实际调查的宏观地质记录为基础进行科学解释，野外宏观记录是第一位的也是最关键的。本章提供的宏观记录将有助于地质学家了解地层中古地震记录的液化成因机制。地质记录是复杂多变的，地质学家习惯于将其模型化、简单化以便解释类似的复杂记录，但是对于许多一目了然的地质现象实在不应人为地将其复杂化与神秘化。

图1 现代地震的沉积物（全新世）记录（一），新疆

A西昆仑康西瓦地区全新世以来的地震活动（最新1910年7月12日，M≈7）及构造地貌；B较新地震的地震楔（即被充填的地裂缝），位置见图A中的B点位置；C、D地震楔中后—次地震的细粒沙土液化（D图中的白色虚线为液化的范围），位置见图E;E多次地震的地震楔，位置见图A中的E点位置；F约距今五千年的地震诱发的软沉积物变形及破裂构造（红虚线所示）（李海兵）

图2 现代地震的沉积物（全新世）记录（二），青海、新疆

A2001年11月14日发生在东昆仑地区的里氏81级地震；B东昆仑地震的地表同震破裂带中的阶梯状断裂，位置见图A中的B点位置；C东昆仑地震的地表同震破裂带中的右行雁行状破裂缝及沿裂缝的喷沙，沙体在地表呈圆饼状板状体，若被沉积物覆盖，则在地层中呈水平状砂岩脉，裂隙中充填的沙，则垂直于岩层的直立的砂岩脉；D富含水的砾石层①液化，其中较细砾石在下伏砂层②中形成球枕构造（ball-and-pillow）（李海兵）

图3 现代地震的沉积物（全新世）记录（三），红海、新疆

A红海裂谷拉张诱发地震，红点为黎巴嫩境内的地震研究探槽；B探槽中的全新世剖面，白色沙土层液化流动变形；C、D白色沙土层地震液化，形成极不平整的上下层面。层内楔状体沙土是由液化母源层经由水平液化通道（箭头所示）贯入形成；E、F西昆仑康西瓦地区全新世以来的地震活动（最新1910年7月12日，M～7），破裂构造及沙土液化（红线所示沙土液化底界）（李海兵）

图4 砂岩的液化，长城系

A长城系串岭沟组中砂岩层液化（**），向上覆及下伏黑色页岩泄水穿刺，在黑色页岩中形成砂岩脉，砂岩脉与砂岩层连接，源于砂岩层，天津市蓟县（高林志、柳永清摄）；B砂岩脉在层面的形态，呈板状体；C黑色液化砂岩向**砂岩穿刺、流动，云南西双版纳热带植物园中巨型观赏石，时代不明（乔秀夫）

图5 薄层与纹层碳酸盐岩液化，长城系，天津市蓟县

A团山子组薄层白云岩的液化，**白云岩脉与可液化的水平**白云岩层连接，脉源于水平白云岩层，立体形态为板状体；B高于庄组纹层白云岩的板状泥晶脉（黑色），找不到泥晶脉与任何纹层的连接关系，是一种盲脉（Blind vein）（乔秀夫）。A、B的地震成因机制可阅本书第5章与第10章

图6 板刺状构造（Plate-spiny structure），蓟县系雾迷山组，北京昌平十三陵

A条带白云岩，北京十三陵雾迷山组，现作为观赏石移置于香山公园内，距眼镜湖约140m（李海兵摄）；B、D条带白云岩间板刺状构造（层间直立的板片砾石）；C板刺构造形成过程：①正常沉积层；②新的沉积物在弱固结状态下遭受强地震水平剪切力作用（箭头）形成尖棱褶曲，褶曲断开成直立的砾石；③震后沉积，有时为一薄藻席层，与②之间有一侵蚀面。进一步研究可阅读本书第7章

图7 灰岩中的巨型地裂缝，蓟县系雾迷山组（Jxw），河北涞源白石山国家地质公园（之一）

A白石山位置，Fl—乌龙沟断裂，FⅡ—紫荆关－灵山断裂；B、C西断层（Fw）与东断裂层（FE）相距300m，组成巨型地裂缝，填充两岸地震塌陷巨角砾岩；D巨角砾岩；E地裂缝形成解释。进一步可阅读《地质通报》2002,21卷10期：“河北省白石山中元古代地震遗迹的发现”一文（梁定益、聂泽同）

图8 巨型地裂缝充填巨型角砾特征，河北省涞源白石山国家地质公园（之二）

A图7A巨型地裂缝中的一个白云岩巨角砾，被阶梯状断层切割；B地堑外围纹层白云岩变形与层内断层；C西断层（Fw）西侧白云岩中液化硅质岩墙，与水平相连接的燧石条带层成分一致，均为白云岩后期硅化；D东断层（FE）一侧充填的巨角砾，有一系列粒序断层（Fault-graded）;E西断层（Fw）一侧的角砾岩；F东断层一侧充填巨角砾的液化卷曲变形（聂泽同、宋志敏） 发生在距今12亿年（雾迷山组时期）白云岩地区地震很可能：①震级很大，地震延续时间较长有多次地震，在地裂缝形成之前雾迷山组即开始变形；2地裂缝产生之后，地震继续诱发地裂缝中充填物变形

图9 灰岩中的水压（Hydraulic shallering）构造与泥亮晶脉，青白口系大龙口组，云南易门

A碳酸盐软沉积物液化（灰色）成液化角砾岩流，流动（箭头示）产生巨大压力，捕虏围岩，使围岩（棕色）爆裂（垂直层面方向张裂），沿裂缝形成近水平方向弯曲的泥晶脉；B两种泥晶脉：与薄层灰岩（浅色）相连接源于薄层灰岩的液化泥晶脉；由可液化纹层液化后，纹层彻底液化消失转化为直立的泥晶“盲脉”。A、B显示泥亮晶脉（国外称之谓molar tooth构造，国内译为臼齿构造）是地震液化成因机制（张传恒）

图10 碳酸盐软沉积物液化流动与卷曲变形（convolute deformation）青白口系何家窑组，河南嵩山

A①地震形成小型地裂缝（ground fissure）；②正常沉积层填充地裂缝；③强地震诱发沉积物成液化沉积物流（liquefied deposit flow），箭头示流动方向，扰动了下伏正常沉积层②；④震后沉积，与③之间形成上超关系（onlap）;B一次强地震在薄层灰岩中的不同变形：下部—层内粒序断层（Fault-graded）；上部—液化卷曲，照片显示清楚的液化流动（高林志摄）

图11 灰岩中的液化底辟（diapir structure）、地裂缝，青白口系何家窑组，河南省嵩山

A液化底辟，碳酸盐沙液化并捕虏灰色灰岩为液化角砾岩①，液化角砾岩向上底辟冲刺围岩并沿层侵位形成水平泥晶脉②与液化角砾岩楔③；B条带碳酸盐沙液化向上侵位成泥晶脉，箭头示液化流动及侵位方向；C流化砾岩；D液化角砾岩向下填充地裂缝，并由地裂缝向两侧围岩液化侵位成沿水平的泥晶脉；E“V”形地裂缝中被上覆新的灰岩（棕色）及由古地表垮落的角砾（灰色）充填（高林志摄）

图12 泥晶脉、液化角砾岩，震旦系万隆组，吉林白山老岭

A灰色中层灰岩（记号笔之下岩层）与棕色中层灰岩同时液化，灰色灰岩原地角砾化（砾石具可拼合性），并向下穿刺棕色灰岩形成泥晶脉①；棕色灰岩液化为沉积物流并捕虏灰色灰岩液化脉为捕虏体②；液化沉积物流向上流动（箭头示）侵位成灰岩墙③；向下伏灰岩侵位成泥晶脉④；B液化泥晶脉（灰色）穿刺围岩使之角砾岩化（箭头示液化源），砾石具可拼合性；C水平产状泥晶脉来源于碳酸盐沙团的液化，①为液化母源（高林志、柳永清摄）

图13 纹层灰中泥晶脉与泥晶“盲”脉，震旦系兴民村组，大连市国家级风景区金石滩海岸

A纹层灰岩为液化源①，液化泄水侵位成泥晶脉②，二者连接；③为纹层沙液化泄水消失而全部转化为直立的“盲”脉；B使某些地质学家无法理解的泥晶“盲”脉，图示脉在垂直层面及层面所显示的板状体形态；C纹层灰岩中的泥晶盲脉向上层面方向穿刺围岩，在脉端围岩弯曲的水塑性变形，脉宽4～8mm;D地震与间震：①地震（泥晶脉），侵蚀面为间震期；②地震，③间震期后的碳酸盐浊积岩的底部单元，为砾屑泥晶脉（高林志、柳永清摄）

图14 灰岩中的负载体（load casts）和球枕（ball-and-pillow），震旦系兴民村组，大连市金石滩

A薄层灰岩①液化，向上覆及下伏层液化形成泥晶脉②及负载体③，地震水平剪切力使负载体与液化母岩层①脱离成灰岩球枕④；B灰岩中水道（宽50cm），水道中碳酸盐沙液化向下泄水成负载体①，液化泥晶脉②及液化角砾岩脉③切穿水道，显示两次地震事件（李海兵）

图15 灰岩中的滑动（slump）岩块与水塑性褶皱（hydroplastic fold），震旦系兴民村组，大连市金石滩海岸

A纹层灰岩中滑动岩块，岩块纹层与原地灰岩纹层不一致，地震诱发沉积物滑动，与液化泥晶脉①共生，箭头指示滑动面，即震积不整合面；B薄层灰岩中的水塑性褶皱，①正常层，②地震事件层，发生水塑性褶皱，③震后正常沉积，水塑性褶皱特点：轴面倾向无序；背斜核部显著加厚（箭头所指）；褶皱遭侵蚀，白色箭头指示侵蚀面）（李海兵）

图16 灰岩水道中的液化泥晶脉，震旦系赵圩组，江苏铜山县赵圩村

A一系列小型水道；B水道叠置，细窄的水道②下切较宽的水道①，在水道①②中均有液化泥晶脉；C水道中的液化泥晶脉；D水道中的泥晶脉②与叠层石共生，较大的水道切割围岩中的泥晶脉①，更新的水道（左上方）切割较大水道中的泥晶脉②；③系小的水道中泥晶脉；E一次地震后沉积物暴露形成硅结壳层②，截切液化泥晶脉①，安徽宿县金山寨村，震旦系望山组；F灰岩中地震成因的环状层（loop bedding），安徽灵璧县张渠组（乔秀夫）

图17 下寒武统液化粉晶白云岩脉（辽宁大连市金石滩海岸鳌滩景点大林子组）与泥晶脉（鲁西馒头组石店段）

A大林子组第4段薄层含砂泥质白云岩互层，地震发生时含有绿泥石的绿色薄层白云岩产生液化，向同一方向集中形成绿色的粉晶白云岩脉，脉向上、下两个层面方向液化穿刺围岩使之弯曲成水塑性褶皱，图A中可以观察到绿色脉与绿色薄层白云岩的连接关系，脉的成分与所连结的白云岩层的矿物组分完全一致。由于大林子组与上覆下寒武统碱厂组间有在长时期间断，未受重压而保持直立状态；B图A白云岩脉在层面的产状，形态是一板状体（李海兵）；C显示泥晶纹层流动贯入裂隙形成液化泥晶脉（田洪水）。野外记录（图A、B）表明：大林子组内部的白云岩脉是层内液化的产物，绝非自地表向下贯入的“渗流管”构造，进一步了解可阅读本书第13、14、15章

图18 奥陶系液化亮晶脉与变形

A亮晶脉与水平灰岩薄层连结，源于薄层水平灰岩层，内蒙古白云鄂博矿区，奥陶系腮林忽洞群（高林志摄）；B粒序断层与卷液化曲变形；C层内断层切割环状层；B、C为山东临朐奥陶系红丝石层（田洪水摄）；D红丝石层的工艺品，可见清楚的地震成因的环形层与层内断层（乔秀夫）

图19 后陆盆地中的地震液化记录，下二叠统下芨芨槽子群，新疆博格达地区（本书第18章部分插图）

A浊积岩中的水塑性褶皱，芨芨槽子村南，a砂层厚度变化型褶皱，镜头朝西；b中、厚层砂岩段中薄层砂岩变形形成的水塑性褶皱，镜头朝西南；B厚层泥岩夹薄层砂岩中发育的砂岩脉：a黑沟剖面砂岩脉，镜头朝北；b芨芨槽子剖面砂岩脉（脉宽7cm）镜头朝向西南；C薄层砂岩中的砂侵蘑菇状构造（mushroom-like sands protruding），镜头向东；D薄层砂岩中的球枕构造（ball-and pillows structure），a芨芨槽子村南，镜头向西；b阿克苏沟南部地区，镜头朝东。地震液化记录成因机制与构造解释详见本书第18章（张传恒）

图20 Pangea古大陆裂解诱发强地震－深水震巨浊积岩，上二叠统，川西

Pangea古大陆P2末大规模裂解，在我国南方与裂解伴生大面积玄武岩喷发与强地震是人类历史上所未曾经历的大灾难事件，其规模与强度均是我们难以想像的，深水区主要为震巨浊积岩（Megaturbidite）。国外学者将其视为海相深水震积岩的“同义词”。A川西木里西秋乡碳酸盐震巨浊积岩，有10个旋回，a、b、c、d为鲍马序列单元；B剖面位置，五星为西秋乡；C向下伏层液化的负载体（load cast）与球枕，位于d单元；D碎屑灰岩球枕；E巨震浊积岩上部单元；b碎屑流角砾灰岩；F底部单元a中的一个巨型灰岩角砾（仅为角砾的局部），最大角砾可＞10m;G震积不整合（BU）（梁定益、聂泽同）

图21 Pangea古大陆裂解诱发强地震－震积不整合、灰岩球枕（ball-and-pillow），上二叠统，川西

A图20A浊积岩b单元角砾岩中的灰岩球枕，断面显示角砾构造；Bb单元中大型灰岩球枕的内部环状层理构造（loop bedding），成因：①位于d单元的load cast受地震剪切力与液化母源层脱落成球枕转移至b单元中；②由浊流带入的灰岩软颗粒在运移中滚动黏结周围物质形成；C图20浊积岩内部的震积不整合，下部为原地相灰岩，上部（**）为碎屑流砾岩，箭头示震积不整合面，间隔时间很短暂；D时间间断长的震积不整合，原地相为C1大塘阶条带灰岩，发育液化泥晶脉（图左上角）与层内断层（F），上覆P3滑来层，角砾屑碎灰岩，滇西德钦（聂泽同、梁定益）。图20,21的进一步解释可阅：现代地质1991，第5卷第2期：试论震积岩与震积不整合；地球科学，1994，第19卷第4期：扬子西缘东吴伸展运动

图22 Pangea古大陆裂解诱发强地震－浅水碳酸盐台地上的灰岩墙，广西，二叠纪

灰岩墙，上宽下窄，时代二叠系（P），围岩泥盆系（D），桂林庙门； 灰岩墙的带状构造与流动构造，直立的条带构造指示曾有多次脉贯入地裂缝，最后一次贯入在裂缝的左侧，向下弯曲的层指示流动方向为自上而下贯入（箭头示），桂林庙门； 三叠系液化角砾灰岩流贯入地裂缝形成角砾灰岩墙，天鹅； 巨型地裂缝中充填二叠系灰岩角砾，庙门；下图为（a)(b)(c)(d）图的解释：发生强地震时在固结地层（D）及软沉积物（P）的不同表现，前者裂开，后者液化（彭阳）。进一步研究可阅读本书第19章及20章。

图23 山东胜利油田济阳坳陷岩心中地震记录（岩心直径10cm），古近系沙河街组济阳坳陷由东营、沾化、车镇等凹陷及其中隆起组成（袁静）

A层内微断层与微型地裂缝，Bin420井，井深26341 m，东营凹陷中央隆；B层内粒序断层（fault-graded），微型地裂缝，Bin 420井，井深26253 m，东莞凹陷中央隆起带；C环状层理（loop bedding）,Shang 25～34井，井深209654 m，惠民凹陷中央隆起带；D液化卷曲变形与负载体（load cast）,Tuo 127井，井深283233 m，东营凹陷陡坡带；E沙球枕与层内断层，Shang 847井，井深284765 m，惠民凹陷中央隆起带；F层内液化卷曲变形，Bin 420井，井深26347 m，东营凹陷中央隆起带；G液化砂岩脉，Niu 110井，井深30029 m，东营凹陷洼陷带；H微地裂缝与层内微断层，Yang 29井，井深22825 m，惠民凹陷陡坡带

图24 假玄武玻璃岩（Pseudotachlyte）——地震活化石，辽东半岛南部，大连市金州区黑山寨

A位于太古宇①与青白口系石英岩③之间的假玄武玻璃②，基底与盖层之间巨大滑脱剪切作用的产物；B第2期钾玄玻璃岩；A′兴民村组地震记录，B′大林子组地震记录。图24是一个科学的推测，假玄武玻璃年龄正在国内外实验室中测试（李海兵）

张衡：发明了地动仪

张衡连续做了6年的太史令，到安帝建兴元年（公元121年），被调任公车司马令。公车司马令的官署设在皇宫的南阙门旁，职责是保卫皇帝的宫殿，通达内外奏章，接受全国官吏和人民的献贡物品，以及接待各地调京人员等等。把科学家张衡调到这样的一个职位上，充分说明封建皇帝如何不重视科学，不让有天才的人有充分发挥才能的机会。然而，就是在这样的岗位上，张衡还是利用一切可能利用的时间和精力，继续进行学术研究。除了天文学以外，他还对数学、物理和机械制造等方面，下了很大的苦功。我们曾提到张衡的数学名著《算罔论》以及制造的计里鼓车，指南车等等，都是在张衡就任公车司马令时苦心钻研的结果。

到顺帝永建元年（公元126年），张衡又被调任太史令。这是张衡第二次做太史令。当时有一些热衷于名利的人乘机嘲笑张衡“辄积年不徒”，不得提升，讽刺他宦途不顺，“去史官5载而复还，非进取之势”，是倦鸟归飞，仍回旧巢，攻击张衡“与世殊技，固孤求是”。还有人把张衡创制的科学仪器看作是“屠龙之技”，认为是“艺成而下”的小道。也有人嘲笑张衡“不务正义”，认为张衡如果把精力用在作官上的话，早就能升官了。面对统治阶级的冷遇和传统势力的冷嘲热讽，张衡特地写了一篇名为《应间》的文章来答复这些“刻舟求剑，守株待兔”的目光短浅之人的嘲笑。

张衡在《应间》里不仅清楚地表明了自己在研究学问上是抱着“约己博艺，无坚不钻的信心和决心，以及“不耻禄之不伙，而耻智之不博”的谦虚态度；同时也表示自己不愿同那些贪图名利、目光短浅的人去争长短，自己坚持着“方将师天老而友地典，与之乎高睨而大谈”的广阔胸怀。

除了浑天仪外，张衡在世界科学史上另一个不朽的创造发明——地动仪，就是在他第二次担任太史令期间研制成功的。发明于公元132年（阳嘉元年）的地动仪，是世界上第一台测定地震及其方位的仪器。地动仪的发明，在人类同地震作斗争的历史上，写下了光辉的一页，从此，开始了人类使用仪器观测地震的历史。

我国是一个地震比较多的国家。几千年来，我们的祖先一直在顽强地同地震灾害作斗争。早在3800多年前，我国便已经有了关于地震的记载。晋代出土的《竹书纪年》中记载，虞舜时“地圻（裂）及泉”，可能就是指的地震；最明确的报道，是夏代帝发7年（约公元前1590年）的“泰山震”，这是世界上最早的地震记录；《诗经·小雅·十月之交》报道的地震情景说，“烨烨（yìyì，意为火光很盛）震电，不宁不令（意为不合时令，使人不安宁），百川沸腾，山冢（山顶）■（即断“崩”）。据考证，这是周朝末年（公元前780年）陕西一带地震引起山崩的生动记载（前二句可能是“地声”、“地光”结合的地震前兆）；公元前三世纪的《吕氏春秋》里记载了“周文王立国8年（公元前1177年），岁6月，文王寝疾5日，而地动东西南北，不出国郊。”这一记载明确指出了地震发生的时间和范围，是我国地震记录中具体可靠的最早记载。此外，在《春秋》、《国语》和《左传》等先秦古籍中都有关于地震的记述，保存了不少古老的地震记录。从西汉开始，地震就被作为灾异记入各断代史的“五行志”中了。

东汉时期，我国地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载，自和帝永元4年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年间，共发生了二十六次比较大的地震。汉安帝元初6年（公元119年），就曾发生过两次大地震，第一次是发生在2月间，京师洛阳和其他42个郡国地区都受到影响，有的地方地面陷裂，有的地方地下涌出洪水，有的地方城廓房屋倒塌，死伤了很多人；第二次是在冬天，地震的范围波及8个郡国的广大地区，造成了生命和财产的巨大损失。当时人们由于缺乏科学知识，对于地震极为惧怕，都以为是神灵主宰。

张衡当时正在洛阳任太史令，对于那许多次地震，他有不少亲身经验。张衡多次目睹震后的惨状，痛心不已。为了掌握全国的地震动态，他记录了所有地方上发生地震的报告，在他已有的天文学基础上，经过长年孜孜不倦的探索研究，终于在他50岁的时候（公元132年），发明了世界上第一架用于测定地震方向的地震仪—地动仪。

据《后汉书·张衡》记载，地动仪是用青铜铸成的，形状很象一个大酒樽，圆径有8尺。仪器的顶上有凸起的盖子，仪器的表面刻有各种篆文、山、龟、鸟兽等花纹。仪器的周围镶着8条龙，龙头是朝东、南、西、北、东北、东南、西北、西南8个方向排列的，每个龙嘴里都衔着一枚铜球。每个龙头的下方都蹲着一只铜铸的蟾蜍，蟾蜍对准龙嘴张开嘴巴，象等候吞食食物一样。无论哪个地方发生了地震，传来地震的震波，哪个方向的龙嘴里的铜球就会滚出来，落到下面的蟾蜍嘴里，发出激扬的响声。看守地动仪的人听到声音来检视地动仪，看哪个方向龙嘴的铜球吐落了，就可以知道地震发生的时间和方向。这样一方面可以记录下准确的地震材料；同时也可以沿地震的方向，寻找受灾地区，做一些抢救工作，以减少损失。

汉顺帝永和3年（公元138年）2月3日，安放在京城洛阳的地动仪的正对着西方的龙嘴突然张开，一个铜球从龙嘴中吐出，掉在蟾蜍口中。可当时在京城洛阳的人们对地震没有丝毫感觉，于是人们议论纷纷，怀疑地动仪不灵验；那些本来就不相信张衡的官僚、学者乘机攻击张衡是吹牛。可是没隔几天，陇西（今甘肃省东南部）便有人飞马来报，说当地前几天突然发生了地震。于是人们对张衡创制的地动仪“皆服其妙”。陇西距洛阳有1000多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是相当高的。据《张衡传》所记洛阳人没有震感的情况来分析，地动仪可以测出的最低地震裂度是3度左右（按我国12度地震烈度表计），在1800多年前的技术条件下，这可以说是一项非常伟大的成就。

张衡的地动仪创造成功了，历史上出现了第一架记录地震的科学仪器。在国外，过了一千多年，直到公元13世纪，古波斯才有类似仪器在马拉哈天文台出现；而欧洲最早的地震仪也是出现在地动仪发明1700多年以后了。

然而，由于封建王朝的统治者对于科学技术上的发明创造素来不加重视，所以张衡在地震方面的研究和发明，得不到他们的支持。地动仪创造出来以后，不仅没有得到广泛地推广使用，就连地动仪本身也不知在什么时候毁失了，这实在是科学技术史上的一大损失。

张衡地动仪的内部结构原理，史书上的记载非常简略，使人无法详知，这是很令人遗憾的。在张衡以后，我国历史上有几位科学家对于地动仪有过专门的研究。例如南北朝时的河间（今河北省河间县）人信都芳曾经把浑天、欹器、地动、铜乌、漏刻、候风等机巧仪器的构造，用图画绘写出来，并且加以数学的演算和文字的说明，并把这些资料编成一部名叫《器准》的科技名著；隋朝初年的临孝恭也写过一本《地动铜仪经》的著作，对地动仪的机械原理，作了一些说明。但是这些重要著作，也没有能够留传下来。近代中外科学家做了不少研究工作，提出了一些复原方案。1959年，中国历史博物馆展出了王振铎复原的张衡地动仪模型。但是在准确测定地震方向的问题上，王振铎的模型和《后汉书·张衡传》中的记载仍有出入。

张衡地动仪的内部机械的具体构造，虽然早已失传了，可是近年来我国的科学技术工作者，凭借他们所掌握的现代科学知识，依据《后汉书·张衡传》的有关记载，参照考古资料，经过多方面的探索，终于考证推论出1800多年前张衡制造的地动仪的机构原理，并且设计了这座仪器的想象图。

《后汉书·张衡传》中所载地动仪“中有都柱，傍行八道，施关发机”，这是地动仪的主要结构。根据许多学者的反复研究，张衡地动仪的基本构造符合物理学的原理，它同近代地震仪一样，是利用物体力学的惯性来拾取大地震动波，从而进行远距离测量的。这个原理到现在也仍然在沿用。王振铎先生比较正确地推断出这座仪器是由两部分组成：一部分是竖立在仪器樽形部位中央的一根很重的铜柱，铜柱底尖、上大，相当于表达惯性运动的摆，张衡叫它作“都柱”；另一部分是设在“都柱”周围和仪器主体相接联的八个方向的八组杠杆机械（即在都柱四周围连接八根杆子，杆子按四面八方伸出），直接和八个龙头相衔接）。这八根杆子就是《后汉书·张衡传》中的“傍行八道”，也就是今天机械学上所说的“曲横杆”。这两部分都设置在一座密闭的铜体仪中央。但因为“都柱”上粗下细，重心高，支面小，象个倒立的不倒翁，这样便极易受震动——即令是微弱的震动——而倾倒。遇到地震时仪体随之震动，只有“都柱”由于本身的惯性而和仪体发生相对的位移，失去平衡而倾斜，推开一组杠杆，使这组杠杆和仪体外部相联的龙嘴张开，吐出铜球，掉在下面的蟾蜍口中，通过击落的声响和铜球掉落的方向，来报告地震和记录地震的方向。

张衡设计的地动仪，也是他的唯物主义自然学说的形象体现。地动仪的仪体似卵形，直径和浑象同样大，象征浑天说的天。立有都柱的仪器平底，表示大地，在天之内。仪体上雕刻的山、龟、鸟、兽象征山峦和青龙、白虎、云雀、玄武二十八宿。乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑等八卦篆文表示八方之气。八龙在上象征阳，蟾蜍在下象征阴，构成阴阳、上下、动静的辩证关系。都柱居于顶天立地的地位，是按照古代“天柱”的说法作的布局。而其中的机关自然是采用了杠杆结构。

张衡的这一卓越发明，不仅体现了科学家的智慧和创造精神，而且也反映了我国东汉时期的先进科学文化水平，这是令我们感到无比骄傲的。

除了地动仪外，张衡还创造了另一个气象学上的仪器，这就是候风仪。以前许多人以为“候风仪”和“地动仪”是同一种仪器，据最近科学家的研究，这种认为是错误的。《后汉书·张衡传》里“阳嘉元年，复造候风、地动仪”这句话，是说张衡在当年同时创造了候风仪和地动仪两个仪器。不过《后汉书·张衡传》中没有记载候风仪的构造。现在我们把有关候风仪的情况介绍一下。

竺可祯先生在《中国过去气象学上的成就》一文里写道：“在气象仪器方面，雨量器和风信器都是中国人的发明，算年代要比西洋早得多。《后汉书·张衡传》：‘阳嘉元年，复造候风、地动仪。’《后汉书》单说到地动仪的结构，没有一个字提到候风仪是如何样子的，因此有人疑心以为候风、地动仪是一件仪器，其实不然。《三辅黄图》是后汉或魏晋人所著的。书中说：“长安宫南有灵台，高15仞，上有浑仪，张衡所制；又有相风铜乌，遇风乃动。’明明是说相风铜乌是另一种仪器，其制法在《汉书》上虽然说得不详细，但是根据《观象玩占》书里所说的：“凡俟风必于高平远畅之地。立5丈竿，于竿者作盘，上作三足乌，两足连上外立，一足系下内转，风来则转，回首向之，乌口衔花，花施则占之。’即可以知道张衡的候风铜乌和西洋屋顶上的候风鸡是相类似的。西洋的候风鸡到12世纪的时候始见之于载籍，要比张衡候风铜乌的记载迟到1000年。”

除竺可祯先生的论证之外，另外还有三项有关候风仪的资料。（一）、《后汉书·百官志》中注载太史令的属官有灵台特诏42人，其中有3人是专管“候风”这一项职务的。因此可知制造候风仪，观测气象，是张衡做太史令时职务范围以内的事情；（二）、《西京杂记》中载皇帝仪仗队里有“相风乌车”一项。依此我们可以推知“相风乌”这种仪器，不仅安置在灵台上，同时也可以装置在车辆上面。候风仪的发明可能是在张衡之前，张衡制造的候风仪虽然有所改进，但已不是特别突出的新发明，因而史籍也就不详细记叙了；（三）、北魏时信都芳所著《器准》一书，把地动、候风、铜乌并列做三项；隋代临孝恭所著的《地动铜仪经》，不带“候风”二字。因此，我们一方面可以推想铜乌和候风这两个器物的构造可能是不完全相同的；另一方面，也可以认为地动仪和候风仪是两种完全不同的仪器。

张衡在创造地动仪以外，制造了候风仪，是可以肯定的。通过这些论证，也可以窥见我国两汉时代在气象仪器上的创造和应用方面的部分情况；同时又证明张衡对职务认真负责，并能在科学研究上结合实际，善于学习前人的科学经验而有所创新改进，是我国科学史上的伟大先驱者。

中国最早的地震记录朝代是明朝。明朝嘉靖三十四年(1555年)，陕西渭南、陕西周浦发生强烈地震，83万多人遇难。这次地震是我国历史上有明确文字记录的最大一次地震。中国是一个地震频发的国家，有记载的地震历史长达4000多年。从公元前1177年到公元1969年，除数据不准确外，5级及以上地震共2097次(部分数据由史料推断)。有记录的8级及以上地震有18次。

据专家统计，随着中国历史年代的变化，地震的次数、年均地震次数和占总地震的比例，都是有差异的。明朝（1368年）之前，地震记录相对比较少，明清两朝，每年记录一两次左右，但从20世纪20年代以来，地震记录猛增。

一方面是由于人类的活动范围日益扩大，使得中国地震记录的区域空间也随之扩大；另一方面，随着经济发展、科技发达，人类对地震的观测和记录也更为频繁和准确。

另外，经考证，中国水平最高的地震文章或许不是出自科学家之手，而是出自康熙皇帝。顺治康熙两朝，发生过3次8级以上地震，1679年的三河-平谷地震是中国历史上第一次发生在首都区域内的8级地震，当时死亡5万人，故宫被损。随后康熙皇帝采取了一系列应对和赈灾措施。

引起地球表层振动的原因很多，根据地震的成因，可以把地震分为以下几种

1、构造地震

由于地下深处岩层错动，破裂引起的地震称为结构性地震。这种地震发生的次数最多，破坏力最大，约占世界地震的90%。

2、火山地震

火山岩活动、气爆等引起的地震，称为火山地震。只有火山活动地区有可能发生火山地震，这种类型的地震仅占全球地震的7%。

3、塌陷地震

火山岩活动、气爆等引起的地震称为火山地震。火山地震只发生在火山活动区，仅占全球地震的7%。

4、诱发地震

库区蓄水、油田注水等活动引起的地震称为诱发地震。这种类型的地震仅发生在一些特殊的水库、油田地区。