| 古代如何预测地震：上观星象下听地声中看动物 文化-孔子学院
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从昨晚到今日清晨，四川阿坝州九寨沟县和新疆博尔塔拉州精河县的两则地震新闻刷爆了朋友圈，也牵动着亿万人的心。其实在古代也有多次地震谈笑江湖，除了使用张衡发明的地震仪——“候风地动仪”以外，古人又是如何预测地震的呢？
一
引言
我国古代观测地震的历史源远流长王君可。《竹书纪年》中就有对帝舜时期“地坼及泉”的记载，我国历代积累下来的地震记录，是十分珍贵的文化遗产。“经过整理和研究以后，可以得到从周文王八年（西元前1177年）以来的八千一百多次地震记录。地震学家可以使用这些地震记录加以统计求出地震发生的周期，编制各种地震图表（包括地震分布带的划分），供作早期地震预报的参考。”可见，丰富而悠久的地震记录具有重要的科学价值，对我国地震区域划分，地震预测预报提供了重要的科学依据。

图为《竹书纪年》。《竹书纪年》是春秋时期晋国史官和战国时期魏国史官所作的一部编年体通史，其中记载的内容与正统史书有较大出入，故一直以来广受学者们的重视。
随着历史的发展，经济科技水平的提高，古人对于观测地震逐渐形成一系列措施。我把中国古代观测地震的时期大致分为初期、发展期、稳定期三个阶段纪鸾英。每一个阶段采取的措施不是截然分裂的，而是有所联系，有所继承的，每种措施都有其合理性。通过分析这些措施及其合理性，可以对当代地震观测有所启发。
二
初期——高起点：仪器发明
据史书《五行志》记载，公元92年以后，几乎连年发生地震，地震地区大至数十郡，地裂地陷，江河泛滥，房屋倒塌。鉴于地震的频繁，公元132年，张衡创制了世界上第一台地震仪，即“候风地动仪”。

候风有候气的意思，古人以为地震是由地气所吊起的，因而以此为名。地动仪由精铜铸成，外形像一个大酒壶，中间的圆径八尺，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器内部中央立着一根铜质都柱（上粗下细的棍关）。仪体外部周围铸着八条龙，头向下，尾朝上，按东，南，西，北，东南，东北，西南，西北八个方向布列。龙头和内部信道中的发动机关相连，每个龙头嘴里衔有一粒小铜珠。地上对准龙嘴处，蹲着八个铜蟾蜍，昂着头，张着嘴。当某处发生地震，都柱便倒向那一方，触动牙机，使发生地震方向的龙头张开嘴巴，吐出铜珠，落到铜蟾蜍嘴里，发出“当嘟”声响，人们就知道哪个方向发生地震。当时朝中大臣并不相信地动仪的准确度，然而后来陇西发生的地震还验证了地动仪的科学性。
候风地动仪比欧洲后来出现的地震仪器要早一千多年。那么，具有相当灵敏度的侯风地动仪科学依据是什么？
地震波分为纵波横波和球面波。纵波的振动方向平行于波的传播方向，波速较快，能量较小。横波的振动方向垂直于波的传播方向，波速比纵波慢，能量比纵波大，球面波波速最慢。纵波最先到达地动仪处，如果仪器不够灵敏，纵波的能量不足以使铜球落下，那么随后而来的横波可能会使铜球落下。地震波的纵波传出地面时的地动位移方向，有背震源往上的，也有向震源往下的。若将前者作为正向给予“+”的符号，后者作为负向给予“-”的符号，则纵波传出地面时的地动位移方向显示出一定规律性。归纳起来，约有以下三种情况：（1）过震中作界线，正与负各占其半；（2）以震中为中心，正、负交替，成环形分布；（3）以震中为中心，正、负相间，作象限分布。这三种情况，以第三种最为普遍。

在震中E附近的区域内，纵波传出地面时的地动位移的水平分量背离震中。如果使地动仪工作的是纵波，并且观测点都在震中附近的区域内，那么利用惯性来判断震中在大多数情况下是可行的。
从“合契若神”可知使地动仪产生作用的是纵波，从“尝一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪其无征。后数日骚至，果地震陇西”可知地动仪很灵敏突变活尸，有可能其中有使震动放大的部分，并且可以推测，在地动仪使用的那段时间里，地震大都是在京城可以感知的，这样的地震到达京城，最先到达的纵波能量有可能“施关发机”。如果京城在震中附近区域内，利用地动仪来判断震中在大多数情况下是可行的。
目前关于地动仪的复原探究有很多，但是学界尚无统一意见，这里就不做深入探讨。

图为地动仪复原图。地动仪真品早已失传蒋定桂，如今所能见到的只有根据当时文字记载复原出的模型。
三
发展期——缓发展：自然征兆
从最开始的古籍记载“某某时某某处有地震”，到后来古人逐渐意识到某些征兆可能和地震相关。虽然古人已经意识到征兆和地震有关，代表了古人对于地震的认识上了一个新台阶，但是这种认识一直发展缓慢，停留在总结阶段，未能投入到科技运用当中。
1
地声和地光
地声、地光是非常重要的临震前兆现象。我国史书对很多地震都有震前地声情况的记述。如南北朝时期北魏孝文帝延兴四年（公元474年）山西“雁门崎城有声如雷，自上西引十余声，声止地震。”（《魏书·灵征志》）唐玄宗“开元二十二年二月十八，秦州地震。先是秦州百姓闻州西北地下殷殷有声，鞠兴浩俄而地震。”（《旧唐书·五行志》）开元二十二年是公元734年。明宪宗成化四年（公元1468年）四月四日广东琼州府“夜四更地震，未震之先，有声从西南起，遂大震，既而复震，良久乃止。”（《成化实录》卷五十五）
有些强烈地震在发生之前，震区上空往往出现灼亮的闪光，这种发光现象叫地光。史书中关于这方面的记载，如明武宗正德四年五月二十六日（公元1509年六月十三日）夜湖北“武昌府见碧光闪烁如电者六七次，隐隐有声如雷鼓，已而地震。”（《明武宗实录》卷五十）正德八年十二月三十日（公元1514年一月二十五日）四川越隽县“有火轮见空中凶兽时代，声如雷，次日戊戌地震。”（《明武宗实录》卷一O七）这两个震例，不但震前出现了地光，而且还同时有地声。

学界目前一般认为地声是由于地下岩石破裂、断裂而产生的。临震前，震源处积累的应力已相当巨大，达到了岩石的破坏强度，首先在将要发震的断层面及其附近处发生大量的小裂缝和微破碎，使震源断层面的摩擦阻力下降，断层盘体发生缓慢滑动；进而断层面上一些凹凸不平的地方又继续破坏，使摩擦力进一步降低，大地震就发生了。震源处大量小裂缝和微破碎的产生，以及蠕变滑动时凹凸不平处的破坏等，都会产生音频振动，从而使人们听到地声。除了上述原因外，震前地下和地表的放电可以导致地声这一因素，也是不能排除的。
关于地光的成因至今还处在推想、假说阶段枭风。地光的形式多种多样，成因也并不单一沈烈烈。有的可能是由于岩石的摩擦起电而发光；有的可能是由于可燃性气体的溢出地面并迅速氧化燃烧而发光；有的则可能是由于大气电场强化引起的大气放电而发光。
2
地下水异常
强烈地震发生前，地下水位往往发生异常变化，例如清康熙七年（公元1668年），山东郑城发生8.5级大震，好几个地方出现了河水突然干涸的记载：山东寿光“未震之前一日，耳中闻河水汹汹之声。遣子探试，亦无所见，或云先一日弥丹诸河水忽涸。”（民国《寿光县志》引《青社遗闻》）江苏赣榆“先是苦雨几一月，是日城南渠一暑之间，暴涨忽涸，见者异之。”（康熙《海州志》引倪长犀《地震记》）
除了这种水量显著变化的观察记载外，在一些古籍中对震前地下水成分、色味的改变还留有记载，如“井水忽浑浊”、“水变赤如流丹”“井水变味、甘咸相反”等。
至于地下水为什么会发生变化，其原因是有科学依据的：地震在孕育发展过程中，地应力不断积累、加强，当地应力积累到一定强度时，可以使地壳发生形变。在地壳垂直形变幅度较大的地区，地下水位原先的平衡状态被破坏了，高处的水向低处运动，造成地下水位和地表水位的变化，后者反应在震前靠近大震震中区附近湖泊或海平面的水位变化。随着地应力的不断加强，还可能使承压含水层的隔水顶板受到破坏，不同含水层因而相互串通起来。有时承压水甚至沿断裂或裂隙上溢，成为上层的补给来源，从而引起地下水位的变化。
地应力变大，地壳活动越强烈，地下水升降面积和变化幅度也就越大。在震源应力场作用下，可以使某些地区受到挤压，某些地区受到引张。由于水是不可压缩的液体，这时压缩区的地下水位上升，氡含量明显上升，异常幅度较大；引张区的地下水位下降，氡含量也下降或变化幅度很小。
地下岩层受力，在某些情况下可能使含水层形变，使水的渗透速度加大，增强了扩散作用，引起地下水氡含量的增加。震前，随着地应力的加大，岩石结构和矿物品格遭到破坏，从而也会导致岩石中氡气含量的变化，影响地下水中的氡含量。另外，氡在水中的溶解度在一定范围内是与分压力成正比的，地应力增大，氡在地下水中的浓度也可能增大。
3
动物异常
地震前，许多动物出现异常反应。对动物这种震前异常反应，我国历史上从唐代开始便有记载，如《开元占经·地镜》中说道“鼠聚朝廷市衙中而呜，地方屠裂。”在地震地裂之前出现了老鼠成群呜叫的现象。明世宗嘉靖三十五年正月二十三日（公元1666年二月十四日）夜河南邓县、内乡“分闻风雨声自西北来，鸟兽皆鸣，已而地震轰如雷。”（顺治《邓州志》）清仁宗嘉庆二十年（公元1815年）山西平陆强烈地震后，还总结了这方面的经验，山西《虞乡县志》中明确指出“牛马仰首，鸡犬声乱，即震验也。”在对震前动物异常反应的长期而大量的观察之后，有的震区还得出了震前“水陆间生物顿有异象”的认识。
对于动物异常为什么和地震有关学界尚无定论，但是已经有很多种可能性很大的推测。常见的哺乳动物在大震前出现异常的原因，可以从几个方面来考虑：
（1）狗、猫、兔等都具有灵敏的听觉，而且在动物的腿部、趾部，以及腹部肠系膜等部位，有着大量的能感受机械振动的环层小体。因此，它们对于大震前较高频率的振动及地声比较敏感，从而引起焦躁不安、惊慌外逃的现象。
（2）大震前，岩石处于受挤压状态。如果岩石的结构是以结晶状排列占优势，那么，就会出现压电效应。其结果是，导致地电场和地磁场发生突然的剧烈变化，且以光速传播着，继而影响大气电场。所以，往往造成在夜空出现闪电般的强光。尽管时间很短，但也会使处于通常是稳定的、缓慢变化的低频电场和静电场背景中的不少动物，感觉到这一突然变化，而发出惊叫，惶恐不安，处于警觉地准备对付危险的状态。
（3）当由于空气电离，在空气中主要由二氧化碳分子膨成的阳离子浓度增加时，通过动物的嗅觉和味觉，以及刺激动物的呼吸道，也会引起动物产生不舒适、焦躁不安、饮食量减少，以及血液中酸碱度（pH）值降低等现象。
（4）大地震前，还可能产生电磁波。故有人推测，地震前家畜多次感觉不安，惊叫，越厩外逃，就是这种电磁波（可能是无线电波）对家畜神经系统作用的结果。而无线电波是能导致一些动物的异常行为反应的。
四
稳定期——渐停滞：机构设置
劳动人民预测预报地震，不只是限于震前兆，他们还以综合的观点，对预报地震的前兆现象作了概括。例如清高宗乾隆二十年（公元1755年）编写的《银川小志》，记载了清初一位在官府做饭的炊事员和几位老乡共同总结出的预报地震的前兆。书中说到宁夏地震“大约春冬二季居多，如井水忽浑浊，炮声散长，群犬围吠，即防此患。”从这段记载，可以看出劳动群众除了认为宁夏地震发生的时间有春冬二季居多的特点外，更加重要的是，提出了井水变化、地声和动物异常跟地震的关系，已经有了综合多种前兆现象来预报地震的思想。这种观点是很科学的。因为地震是一种复杂的自然现象，要对它的发生做出准确预报，就必须采取多途径、多手段，从各个角度，把各种观测方法所获得的资料进行综合分析研究，而不能仅仅根据某种异常现象就轻易作出预报。
我国的史料长期以来注重对地震的记录，后期也注意到了可以运用征兆来预测地震。然而观测地震一直并未正式被纳入机构，所以地震观测一直没有系统化和体系化，后期的发展处于停滞状态。
中国现代地震学，是从19世纪末、20世纪初外国传教士在中国建立观象台并进行地震观测开始的。日本侵略台湾后，于1897年在台南、台中、台东等8个地方建立了区域地震台网。1904年法国耶稣会所属上海徐家汇观象台建立中国大陆上第一个地震台。1904 ~ 1908年俄国与日本在大连、营口等5地建立地震台。1909年德国在青岛建立地震台。地震台的设立对中国后来地震局的设立亦有借鉴作用，地震学体系化、科学化、机构化的运行模式势在必行。

图为徐家汇观象台。徐家汇观象台成立于1872年，曾被誉为远东气象第一台，同时也是中国唯一的百年气候站。
五
结语
候风地动仪虽然不能预报地震，但是其发明体现了我国对于地震的记录和勘察是始于一个高起点的位置，领先于欧洲一千多年。对地震征兆的记录和总结，并加以运用，是中国地震观测的稳定发展阶段，但是对于地震的预测一直未取得实质性突破。
尽管中国学者对地震有详细的记载姜黎黎，对地震征兆有所意识，但是对地震的原因认识并不深刻，占主导的是把地震与其他自然现象和自然灾害联系起来，诸如洪水、瘟疫等，并从超自然的关系中寻求原因。由于历史和其他种种原因，中国近代科学技术大大落后于西方，现代地震学没有在中国产生，地震预报的思想也产生在国外。虽然如此，我们并不能否定中国先民在观测地震时做出的探索及其科学性。对地动仪原理的探究，及对地震前兆原因的解析都是前人留给后人的研究空白，解释，等待着进一步的解密；地震进入科学研究视野，不再用灾异神学方式，而是采用体系化、制度化的研究，这也是地震研究的一次飞跃。
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