地球行星/6d. 你无法伪造地震：如何解读地震仪
犹他州中部亨廷顿镇以西的悬崖上，水平的煤层被侵蚀。克兰德尔峡谷矿为附近的亨廷顿发电站提供煤炭，该发电站使用煤炭发电。2007年8月初，该矿的矿顶坍塌，将6名矿工困在煤矿地下1800英尺处。紧急救援人员赶到现场，发现该矿已被坍塌完全掩埋。随着新的媒体赶到现场，并试图营救这6名矿工，该矿的老板鲍勃·穆雷断言，该矿的坍塌是由自然发生的地震造成的，而不是因为矿井支护过弱而导致的坍塌。随着救援尝试的失败，以及另外3人在寻找被困的犹他州矿工的过程中丧生，该矿坍塌是由于支撑矿顶的支护不当，还是由于地震造成的，这个问题成为一个核心问题。矿主不知道的是，那个夏天，犹他州正在进行有史以来最大规模的地质实验，数百台高质量的便携式地震仪被部署到美国各地，以记录北美大陆的运动。这个地震仪网络被称为美国阵列。美国国家科学基金会地球观测计划部署的高分辨率GPS站记录了大陆板块的实际运动，并与许多大学地震学家合作，通过IRIS项目（地震学联合研究机构）补充了研究。这项巨大的政府努力来测量地球的运动，让我们对北美岩石圈板块的动态性质有了惊人的了解。测量结果表明，南加州快速向西北方向移动，而俄勒冈州和华盛顿州则向东北方向移动。南加州下方的太平洋岩石圈板块沿圣安德烈亚斯断层滑动，测得的速率超过每年50毫米。圣安德烈亚斯断层是一个横向板块边界，将太平洋板块（包括加州的太平洋海岸）与北美板块隔开，而不是板块发散或俯冲，它们实际上是相互横向移动，使该地区极易发生地震。另一方面，位于大陆内部的犹他州移动速度并不快，运动仅限于每年几毫米。这种运动的很大一部分发生在位于内华达州边界的犹他州西部的大盆地。北美板块与太平洋板块碰撞，并缓慢地顺时针旋转，但每年仅旋转几毫米。这种运动正在慢慢地将犹他州西部拉开，形成一个不断扩大的盆地地区，称为大盆地。[见：https://www.unavco.org/software/visualization/GPS-Velocity-Viewer/GPS-Velocity-Viewer.html] 然而，在犹他州东部，运动几乎为零，在该地区部署的许多GPS站都没有检测到运动。克兰德尔峡谷矿附近的地区没有靠近任何板块边界，也没有活动或已灭绝的火山，位于北美的地质构造平静区。似乎不太可能是地震导致了矿山坍塌。
地震仪不仅记录地球的运动，还可以用来准确地检测地震发生的位置。确定地震位置的能力是地质学家的一项重要工具。定位地震需要至少三个靠近地震的地震仪。地震将产生三种传播的地震波。P波、S波和表面波。P波是传播速度最快的波，其次是S波，而表面波是传播速度最慢的地震波。P波总是首先到达每个地震仪，而S波将是第二个到达的地震波，然后是表面波；每个都记录为波浪线。P波和S波都称为体波，因为它们也穿过地下（岩石层的实体）。P波和S波到达时间的差值称为S-P时间间隔，与地震的距离成正比。将P波和S波地震波想象成跑道上的赛跑者。他们都在同一线上起跑。速度较快的跑步者将赢得比赛（P波），而速度较慢的跑步者将获得第二名（S波）。如果速度较快的跑步者以恒定的速度超过速度较慢的跑步者，那么这两个跑步者之间的距离会随着他们离起跑线越远而越远，如果他们跑10米，他们之间的距离会比他们跑1000米时更近。P波和S波到达时间间隔越大，地震离地震仪越远。每个S-P时间间隔将给出距台站的独特距离，使用三个地震台站的每个测量距离的圆圈可以确定地震的震中。震中是地球表面直接位于地震发生位置之上的位置，是通过三个（或更多）地震仪的三角测量法找到的。震源是地震在地下发生的实际位置。当天早上发生在克兰德尔峡谷矿上方的3.9级地震的震中和震源直接位于克兰德尔峡谷矿上方，但这并不一定能区分矿山坍塌和自然发生的地震。
1930年，贝诺·古腾堡离开德国和父亲日渐破产的肥皂厂，到美国开始新生活。他当时离开德国是一个不错的选择。在美国，古腾堡建立了加州理工学院地震学实验室，以研究加州活跃的太平洋板块下方的地震活动。尽管英语和南加州的新文化让他感到吃力，但他继续研究地震活动。1936年，他雇用了一位笨拙的物理学家，名叫查尔斯·弗朗西斯·里克特。里克特是洛杉矶本地人，参与地震研究。这两位科学家彼此截然相反，古腾堡是一位性格内向的德国老科学家，而里克特是一位年轻的美国科学家，他把业余时间花在裸体主义者聚会上，和他的长期妻子（一位浪漫小说作家）在一起，并与1930年代的好莱坞明星们打成一片。这两位科学家紧密合作，开发了震级尺度。该尺度是一个对数尺度，用于对地震的强度进行分类。观察地震仪时，垂直的波浪线（振幅）越靠近地震，波浪线越高，但地震越大，波浪线也越高。天文学家对恒星的亮度进行分类时也面临着同样的问题；很难判断一颗恒星是明亮是因为它离我们很近，还是因为它很大。地震也是如此，因此他们开发了一种独立的方法来对地震的震级进行分类，与它离记录地震仪的距离无关，这被称为里氏震级。为了确定里氏震级，地质学家会查看记录的所有地震仪记录，并选择记录的最大地面运动（最高振幅）。取最大振幅（以微米/微米测量）垂直高度的对数。根据首次到达时间和最大振幅对数的差值，进行校正。这一简单的程序可以快速评估地震的里氏震级。在里氏震级上，0到3级的地震很少被人感觉到，但在地震仪上记录到了。高于3到5级的地震可以感觉到，但不会造成太大损害。高于5级的地震具有破坏性，这取决于它们发生的位置。1906年的旧金山地震的震级为7.9级，而有记录以来最大的里氏震级地震是1960年的智利大地震，震级为9.5级。记录在克兰德尔峡谷矿上方的3.9级地震不足以造成太大损害，附近的观察者在地球的运动中会略微感觉到它。
地震是由断层运动产生的。断层是指两块固体岩石运动之间的平面或表面。断层的方位可以是垂直方向或水平方向，具体取决于固体岩石所承受的应力。正断层是指方位更垂直的断层，其形成原因是岩石拉伸导致的伸展作用。在正断层中，一块岩石会沿断层面滑落，导致下降。逆断层也垂直定向，但其形成原因是岩石挤压导致的压缩作用。一块岩石会骑在另一块岩石上。逆断层非常罕见，因此大多数垂直定向的断层都是正断层。水平定向的断层称为逆冲断层，通常是由施加在岩石块上的压缩力造成的。在逆冲断层中，一块岩石会滑过另一块岩石，通常是在一个更水平的平面上。正断层在经历拉伸或伸展的区域很常见，而逆冲断层在经历碰撞或压缩的区域很常见。走滑断层是指两块岩石相互滑动，几乎没有或根本没有垂直运动的断层。断层只发生在处于地壳脆性区的岩石层中，该区以下的岩石会塑性变形形成褶皱。构造地质学家研究地球岩石层中观察到的断层和褶皱的动态性质。
由断层运动引起的地震会产生推力或拉力，具体取决于它们的方位和运动。如果 P 波的初动在震波图上是向上的，则运动是远离震中的推力，而如果 P 波的初动在震波图上是向下的，则运动是远离震中的拉力。如果地震沿着典型的走滑断层运动，则来自每个象限的震波图将记录推力或拉力运动。如果地震沿着逆冲断层或正断层运动，则一半的震波图将记录拉力，一半记录推力。对一群震波图中的推拉记录的研究可以帮助地质学家确定断层运动的方向。
2008 年，道格拉斯·S·德雷格、肖恩·R·福特和威廉·R·沃尔特研究了美国阵列实验期间记录的犹他州克兰德尔峡谷矿难期间震波图的记录。他们注意到所有震波图都记录了拉力运动，或 P 波首次到达时的膨胀。这种运动表明矿井坍塌，导致周围岩石向矿井内发生拉力运动。这被震波图记录下来。因此，矿难被认定是由矿井顶部坍塌在工人身上造成的，而不是地震。
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