• 文／林欽仁 (中央研究院地球科學研究所 研究助技師)

地震儀是地震學家了解地震波傳遞過程所仰賴的工具，而地震儀的發明也帶動了地震科學的發展。

為推廣地震科學教育，讓大眾了解地震儀器的原理，美國地震學研究聯合會 (Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS) 提出 AS-1 地震儀的機構設計，並撰寫地震資料軟體 Amaseis，期許大眾透過 DIY 實作了解地震儀器的運作，筆者的工作環境再加上身為 TEC 的一員，認為此地震儀相當符合教育推廣的需求，遂與同仁打造出中央研究院地球科學研究所版本的 AS-1，提供給高中及大學作為地科課程的教材。

質量塊、彈簧，再加點阻尼，於是地震儀就誕生了

首先來談談「如何觀測地震」，如果要測量地震造成的震動，我們需要一個作為相對於地面的參考點觀測，最理想的方式便是從空中來觀測地面的起伏變化。然而實務上此想法不容易達成，於是科學家想到另一個方法：利用質量塊、彈簧與阻尼製作出地震儀，這也是組成地震儀的三要素。

這裡直接以 AS-1 地震儀的結構設計為例，詳述地震儀的運作原理。

地震儀利用彈簧拉起質量塊（也就是圖中的磁鐵），當地面震動的頻率大於彈簧頻率時，透過彈簧所懸吊的磁鐵會近似於靜止不動，這是利用牛頓運動定律中的「慣性」。因此地面的震動，也就是圖中的線圈，便與磁鐵有了相對運動，如此一來線圈的兩端產生了與地面震動速度成正比的電壓，運用的便是法拉第感應電壓原理。

到此為止地震儀已經有了觀測地面震動的能力，但其系統響應[註1]並非理想，因為當地面以低於或接近於彈簧頻率來震動時，懸掛於彈簧上的磁鐵便也跟著地面晃動，在缺乏阻尼（可想像成是如摩擦力的阻力）的作用下，彈簧本身將產生自然振盪，也就是當地震的搖晃減小時，彈簧仍不住的搖晃，而這些非地震本身的運動，仍會反映於磁鐵線圈所產生的電壓變化，其紀錄的振幅甚至大於實際地面的震動訊號，影響了我們對地表震動的觀測。儘管彈簧造成的振動訊號可以透過儀器響應修正的方式來移除，卻也對分析地震資料的人來說造成不必要的困擾，為了克服此問題，地震儀需要加入阻尼的機制[註2]。

有點晃又不能太晃，合適的阻尼如何設計？

AS-1 阻尼系統是由銅片及磁鐵組成，銅是良好的導電材料，但銅本身卻不會被磁鐵直接吸引。因此當銅片進、出磁鐵的磁場時，磁通量的變化會在銅片上產生感應電流，感應電流產生感應磁場，與磁鐵的磁場相互作用下可減緩銅片的運動速度，也就增加了地震儀的阻尼，這便是應用冷次定律來實現阻尼的結構。

地震儀在質量塊（磁鐵）、彈簧及阻尼三個元件的協調作用下，可達成觀測地面震動的工作。其實地震儀的運作原理與我們平常搭乘車子的懸吊系統類似，避震器之彈簧的功能在於避免路面的坑洞產生的不適，而避震器之阻尼在於減緩彈簧的自然振動，避免過多的振動影響汽車的操縱性。

目前的 AS-1 地震儀僅能觀測地面垂直向的運動，水平向的觀測需仰賴不同的懸吊設計，但原理大致接近。此外，由於磁鐵質量塊的擺動為圓周運動，當擺動較大時其擺角將不可視為與地面垂直運動維持線性關係（d=l*sin(θ)≠l*θ; d為磁鐵圓周運動位移軌跡，l為旋轉半徑，θ為擺角），此時地震儀的系統方程式將會略加複雜。

為了解決這些問題，現代化的地震儀使用迴授控制技術[註3]，控制質量塊之位置使其與地面震動無相對位移，此時控制的力量即與地面震動加速度成正比，此方式可以增加地震儀的頻寬，卻不增加其體積(譬如不需更大的質量塊)，又可保持地震動觀測之線性度[註4]，此技術已成為現代地震儀之基石。

最後，筆者希望透過組裝及運用 AS-1 地震儀的經驗，讓更多有興趣的人瞭解地震觀測儀器的原理，進而成立討論社群。期許 AS-1 地震儀的推廣教育，也能對地震的防救災有所貢獻！

備註

• [註1]：簡單來說，系統響應是指地震儀器相對於真實地震情況的感應和記錄的能力，包括地震波的振幅與相位與頻率的關係。
• [註2]：在沒有阻尼的機制下，便無法阻止地震後彈簧和質量塊多餘的晃動，這些紀錄便干擾了地震波紀錄。
• [註3]：迴授控制：相對於 AS-1 地震儀其磁鐵與彈簧懸吊可自由運動我們稱其為開迴路系統 (open-loop system)，另外一種地震儀的設計透過感測器來監控磁鐵與線圈的相對位移，並提供額外電流於線圈，所產生的電磁場可以改變磁鐵的位置，最終目的在於讓磁鐵與線圈無相對位移，稱為閉迴路系統 (close-loop system)，而此控制技術稱為迴授控制。
• [註4]：數學上來說線性關係為輸入與輸出可用一階線性方程式來描述，簡單來說為地震儀觀測之輸入(地動)與輸出(電壓)維持常數倍率之關係。

本文轉載自震識：那些你想知道的震事，原文為《地震儀自己動手作：AS-1地震儀介紹》，也歡迎追蹤粉絲頁震識：那些你想知道的震事了解更多地震事。

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水井、石油井和天然氣井大家都知道，但你有聽過「岩漿井」嗎？最近，冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意，滾燙的岩漿可高達攝氏上千度，還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃，不僅具備新興可再生能源的巨大潛能，更有望開啓地球科學的新篇章！

冰與火之地——冰島，100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島（Iceland），擁有壯闊冰川與絢麗極光，同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一，可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼，因位在大西洋中洋脊^[註1]之上，受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯，而有著 32 個活躍的火山系統，且平均每 4 年就會發生噴發。

除了令人屏息的天然極地美景，冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件，讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源，其中 73% 的電力源自水力發電，另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源，尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島，在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一，更吸引了不少國外的投資入駐，以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀：利用地球的熱情發電吧：深層地熱發電

通往「地獄」之門，也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島，在 2009 年的一次鑽探中，卻遇到了意想不到的變故：原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水，沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫^[註2]！這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近，一個較小火山口 Víti （冰島語中正是「地獄」之意）邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出，在鑽探套管報廢之前，還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停，但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

這起事故，促成了克拉夫拉岩漿試驗臺（ Krafla Magma Testbed，簡稱 KMT）研究計劃的誕生。時隔多年籌備，這個備受矚目與期待的計劃，在國際大陸科學鑽探計劃（International Continental Scientific Drilling Program）與多個科研機構的支持資助下，終於於今年展開。這一次，科學家們帶著更堅實的鑽探工具，與明確的鑽研目標，要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星，也到過金星，但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會，只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星，來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩，但這些已固化的樣本，早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發，影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來，科學家確認它的脾氣相當溫和，並無噴發的太大風險，加上位處偏僻無人居住之地，因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本，將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿，揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床，都是由玄武質熔岩^[註3]構成，冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩，卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來，而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異？科學家相信，探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本，將揭秘這個地質科學中很基本，卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數，實實在在地挑戰人類科技的極限，因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械，而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學，有朝一日更可能造福太空探索，如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

一口岩漿井，將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新，也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿，利用地熱能發電的效率便會增倍，這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量，降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井，就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時，需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭，這個對火山系統進行擾動的過程，也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後，地震波速度發生的改變，也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化，科學家能更好預測火山的噴發，讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後，這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿，就像在瞭解地球的脈動，可以告訴人類更多關於這顆星球的故事，更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

1. 大西洋中洋脊（Mid – Atlantic Ridge，又稱中大西洋帶），是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
2. 岩漿庫（Magma chamber，又稱岩漿房），是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低，因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道，便會造成火山噴發。
3. 玄武岩（basalt），由基性岩漿噴發凝結而成，主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣，是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

• 火山帶來的挑戰

參考資料

1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
2. VisitIceland – Geography of Iceland
3. VisitIceland – Renewable energy
4. Magma chamber
5. Krafla Magma Testbed
6. Rhyolite
7. Basalt

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