地球/6d. 你无法伪造地震：如何解读地震仪
在犹他州中部亨廷顿镇以西的悬崖上，水平的煤层被侵蚀出来。克兰德尔峡谷矿为附近的亨廷顿发电站提供煤炭，该发电站利用煤炭发电。2007 年 8 月凌晨，该矿的顶棚坍塌，将 6 名矿工困在 1800 英尺深的煤矿地下。应急人员赶到现场，发现矿井被完全埋在坍塌中。随着新媒体抵达现场，救援人员试图营救 6 名矿工，矿主鲍勃·默里（Bob Murray）坚称，矿井坍塌是由于自然发生的地震造成的，而不是由于支撑不力导致的矿井竖井坍塌。随着救援尝试证明毫无结果，另外 3 人在试图找到被困的犹他州矿工时丧生，矿井坍塌是由于支撑不力导致顶棚坍塌，还是由于地震造成的，成为一个核心问题。矿主不知道，那个夏天在犹他州正在进行一项前所未有的最大规模的地球物理实验，数百台高品质便携式地震仪被部署在美国各地，以记录北美大陆的运动。这个地震仪网络被称为美国阵列。国家科学基金会地球观测计划部署的高分辨率 GPS 站点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 计划（地震学联合研究机构）进一步研究。这项测量地球运动的大规模政府努力，为深入了解北美岩石圈板块的动态本质提供了惊人的见解。测量结果表明，南加州向西北快速移动，而俄勒冈州和华盛顿州的运动方向为东北。南加州下方的太平洋岩石圈板块沿着圣安德烈亚斯断层滑动，测得的速度超过每年 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（包括加利福尼亚州的太平洋海岸）与北美板块分开，而不是板块分离或俯冲，而是互相横向移动，这使得该地区极易发生地震。另一方面，位于大陆内部的犹他州运动速度并不快，运动仅限于每年几毫米。大部分运动发生在西部犹他州靠近内华达州边界的内华达山脉地区。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。这种运动正在缓慢地拉开西部犹他州，形成一个不断扩大的盆地地区，称为内华达山脉。[参见：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 站点都没有检测到运动。克兰德尔峡谷矿附近的区域没有靠近任何板块边界，也没有活火山或死火山，并且位于北美构造活动较弱的地区。似乎不太可能地震造成矿井坍塌。
地震仪不仅记录了地球的运动，还可以用来检测地震的确切起源地。确定地震位置的能力是地质学家的一项重要工具。定位地震至少需要三个位于地震附近的地震仪。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，表面波是传播速度最慢的地震波。P 波总是先到达每个地震仪，S 波是第二个到达的地震波，然后是表面波；每个波都被记录为波浪线。P 波和 S 波都被称为体波，因为它们也穿过地下（岩石层的体积）。P 波和 S 波到达时间差称为 S-P 间隔，与地震的距离成正比。可以将 P 波和 S 波地震波看作是在赛道上跑步的赛跑者。它们都从同一起跑线出发。速度更快的赛跑者将赢得比赛（P 波），而速度较慢的赛跑者将获得第二名（S 波）。如果速度更快的赛跑者以恒定速度超过速度较慢的赛跑者，则两个赛跑者之间的距离会越来越大，他们离起跑线越远，如果他们跑了 10 米，他们之间的距离会比他们跑了 1000 米时更近。P 波和 S 波到达时间差越大，地震离地震仪就越远。每个 S-P 间隔将给出距测站的唯一距离，使用三个地震测站，每个测站的距离圆可以精确定位地震的震中。震中是指地球表面正上方的地震位置，可以通过三个（或更多）地震仪的三边测量找到。震源是指地下深处地震的实际位置。当天早上的 3.9 级地震的震中和震源位于克兰德尔峡谷矿的正上方，但这并不一定能区分矿井坍塌和自然发生的地震。
1930年，贝诺·古腾堡离开德国，抛下了他父亲日渐衰败的肥皂厂，前往美国开始新的生活。在他那个年代离开德国是一个明智的选择。在美国，古腾堡在加州理工学院地震实验室建立了地震研究部门，专门研究加州太平洋板块活跃区域的地震活动。尽管他当时在英语和南加州的新文化方面遇到了困难，但他还是继续进行地震活动的研究所。1936年，他雇佣了一位名叫查尔斯·弗朗西斯·里克特的古怪物理学家。里克特是洛杉矶人，并参与了地震研究。这两位科学家性格截然不同，古腾堡是一位沉默寡言的德国老人，而里克特则是一位年轻的美国人，他喜欢在空闲时间与他的长期妻子（一位浪漫小说作家）一起去裸体主义者聚居地，并与 1930 年代的好莱坞明星们交往。两人密切合作开发了一个震级量表。该量表是一个对数刻度，用于对地震的强度进行分类。通过观察地震仪，垂直的波形（振幅）越高，地震越近，也越大。这与天文学家对恒星亮度进行分类时遇到的问题相同；很难区分一颗恒星是由于距离近而显得明亮，还是由于本身很大而显得明亮。地震也是如此，因此他们开发了一种独立的方式来对地震的震级进行分类，而与地震到记录地震仪的距离无关，这被称为 **里氏地震震级**。为了确定里氏震级，地质学家将查看所有记录的事件的地震仪记录，并选择记录的最大地面运动（最高振幅）。然后取最大振幅垂直高度的对数（以微米/微米为单位）。根据第一次到达时间和最大振幅的对数之间的距离，进行相应的修正。这个简单的步骤可以快速评估地震的 **里氏震级**。在里氏地震震级中，震级在 0 到 3 之间的地震很少能感觉到，但可以在地震仪上记录到。震级在 3 到 5 之间的地震可以感觉到，但不会造成太大破坏。震级超过 5 的地震具有破坏性，具体取决于发生的地点。1906 年的旧金山地震的震级为 7.9，而有史以来记录到的最大里氏震级地震是 1960 年的智利大地震，震级为 9.5。直接位于 Crandall Canyon 矿山上的 3.9 级地震不足以造成太大破坏，并且附近的人可能在地震的晃动中感到轻微的震动。
地震是由断层上的运动产生的。断层是两个运动的固体岩石块之间的平面或表面。断层可以垂直或水平方向为主，取决于作用于固体岩石的应力。正断层是垂直方向为主的断层，由拉伸作用产生，当岩石被拉开时。在正断层中，一块岩石将在断层面上滑落，从而下降。逆断层也垂直方向为主，但由压缩作用产生，当岩石被挤压在一起时。一块岩石将骑在另一块岩石之上。逆断层非常罕见，因此大多数垂直方向的断层都是正断层。水平方向的断层被称为逆冲断层，通常是由作用于岩石块的压缩力造成的。在逆冲断层中，一块岩石将在另一块岩石之上滑动，通常是在一个更水平的平面上。正断层常见于经历拉伸或伸展的区域，而逆冲断层常见于经历碰撞或压缩的区域。走滑断层是一种断层，其中两块岩石相互滑动，没有或只有很少的垂直运动。断层仅发生在地壳脆性带内的岩层中，该区域以下的岩石将塑性变形为褶皱。构造地质学家研究地球岩层中观察到的断层和褶皱的动态特征。
由断层运动引起的地震将根据其方向和运动产生推力或拉力。如果地震仪上的 P 波的初动向上，则运动是从震中推开的，而如果地震仪上的 P 波的初动向下，则运动是从震中拉开的。如果地震沿典型的走滑断层移动，每个象限的地震仪将记录推力或拉力运动。如果地震沿逆冲断层或正断层移动，一半的地震仪将记录拉力，一半记录推力。研究一组地震仪的推拉记录可以帮助地质学家确定断层上运动的方向。
2008 年，Douglas S. Dreger、Sean R. Ford 和 William R. Walter 检查了美国阵列实验期间记录的犹他州 Crandall Canyon 矿难期间地震仪的记录。他们注意到所有地震仪都记录了拉力运动，或者在 P 波的第一次到达时膨胀。这种运动表明矿井坍塌，导致周围岩石向矿井内收缩。这是由地震仪记录的。因此，矿难被认定是由于矿井顶棚坍塌到矿工身上造成的，而不是地震造成的。
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