地球行星/6d. 你無法偽造地震：如何解讀地震儀
猶他州中部亨廷頓鎮以西的懸崖上，水平的煤層被侵蝕。克蘭德爾峽谷礦為附近的亨廷頓發電站提供煤炭，該發電站使用煤炭發電。2007年8月初，該礦的礦頂坍塌，將6名礦工困在煤礦地下1800英尺處。緊急救援人員趕到現場，發現該礦已被坍塌完全掩埋。隨著新的媒體趕到現場，並試圖營救這6名礦工，該礦的老闆鮑勃·穆雷斷言，該礦的坍塌是由自然發生的地震造成的，而不是因為礦井支護過弱而導致的坍塌。隨著救援嘗試的失敗，以及另外3人在尋找被困的猶他州礦工的過程中喪生，該礦坍塌是由於支撐礦頂的支護不當，還是由於地震造成的，這個問題成為一個核心問題。礦主不知道的是，那個夏天，猶他州正在進行有史以來最大規模的地質實驗，數百臺高質量的行動式地震儀被部署到美國各地，以記錄北美大陸的運動。這個地震儀網路被稱為美國陣列。美國國家科學基金會地球觀測計劃部署的高解析度GPS站記錄了大陸板塊的實際運動，並與許多大學地震學家合作，透過IRIS專案（地震學聯合研究機構）補充了研究。這項巨大的政府努力來測量地球的運動，讓我們對北美岩石圈板塊的動態性質有了驚人的瞭解。測量結果表明，南加州快速向西北方向移動，而俄勒岡州和華盛頓州則向東北方向移動。南加州下方的太平洋岩石圈板塊沿聖安德烈亞斯斷層滑動，測得的速率超過每年50毫米。聖安德烈亞斯斷層是一個橫向板塊邊界，將太平洋板塊（包括加州的太平洋海岸）與北美板塊隔開，而不是板塊發散或俯衝，它們實際上是相互橫向移動，使該地區極易發生地震。另一方面，位於大陸內部的猶他州移動速度並不快，運動僅限於每年幾毫米。這種運動的很大一部分發生在位於內華達州邊界的猶他州西部的大盆地。北美板塊與太平洋板塊碰撞，並緩慢地順時針旋轉，但每年僅旋轉幾毫米。這種運動正在慢慢地將猶他州西部拉開，形成一個不斷擴大的盆地地區，稱為大盆地。[見：https://www.unavco.org/software/visualization/GPS-Velocity-Viewer/GPS-Velocity-Viewer.html] 然而，在猶他州東部，運動幾乎為零，在該地區部署的許多GPS站都沒有檢測到運動。克蘭德爾峽谷礦附近的地區沒有靠近任何板塊邊界，也沒有活動或已滅絕的火山，位於北美的地質構造平靜區。似乎不太可能是地震導致了礦山坍塌。
地震儀不僅記錄地球的運動，還可以用來準確地檢測地震發生的位置。確定地震位置的能力是地質學家的一項重要工具。定位地震需要至少三個靠近地震的地震儀。地震將產生三種傳播的地震波。P波、S波和表面波。P波是傳播速度最快的波，其次是S波，而表面波是傳播速度最慢的地震波。P波總是首先到達每個地震儀，而S波將是第二個到達的地震波，然後是表面波；每個都記錄為波浪線。P波和S波都稱為體波，因為它們也穿過地下（岩石層的實體）。P波和S波到達時間的差值稱為S-P時間間隔，與地震的距離成正比。將P波和S波地震波想象成跑道上的賽跑者。他們都在同一線上起跑。速度較快的跑步者將贏得比賽（P波），而速度較慢的跑步者將獲得第二名（S波）。如果速度較快的跑步者以恆定的速度超過速度較慢的跑步者，那麼這兩個跑步者之間的距離會隨著他們離起跑線越遠而越遠，如果他們跑10米，他們之間的距離會比他們跑1000米時更近。P波和S波到達時間間隔越大，地震離地震儀越遠。每個S-P時間間隔將給出距臺站的獨特距離，使用三個地震臺站的每個測量距離的圓圈可以確定地震的震中。震中是地球表面直接位於地震發生位置之上的位置，是透過三個（或更多）地震儀的三角測量法找到的。震源是地震在地下發生的實際位置。當天早上發生在克蘭德爾峽谷礦上方的3.9級地震的震中和震源直接位於克蘭德爾峽谷礦上方，但這並不一定能區分礦山坍塌和自然發生的地震。
1930年，貝諾·古騰堡離開德國和父親日漸破產的肥皂廠，到美國開始新生活。他當時離開德國是一個不錯的選擇。在美國，古騰堡建立了加州理工學院地震學實驗室，以研究加州活躍的太平洋板塊下方的地震活動。儘管英語和南加州的新文化讓他感到吃力，但他繼續研究地震活動。1936年，他僱用了一位笨拙的物理學家，名叫查爾斯·弗朗西斯·里克特。里克特是洛杉磯本地人，參與地震研究。這兩位科學家彼此截然相反，古騰堡是一位性格內向的德國老科學家，而里克特是一位年輕的美國科學家，他把業餘時間花在裸體主義者聚會上，和他的長期妻子（一位浪漫小說作家）在一起，並與1930年代的好萊塢明星們打成一片。這兩位科學家緊密合作，開發了震級尺度。該尺度是一個對數尺度，用於對地震的強度進行分類。觀察地震儀時，垂直的波浪線（振幅）越靠近地震，波浪線越高，但地震越大，波浪線也越高。天文學家對恆星的亮度進行分類時也面臨著同樣的問題；很難判斷一顆恆星是明亮是因為它離我們很近，還是因為它很大。地震也是如此，因此他們開發了一種獨立的方法來對地震的震級進行分類，與它離記錄地震儀的距離無關，這被稱為里氏震級。為了確定里氏震級，地質學家會檢視記錄的所有地震儀記錄，並選擇記錄的最大地面運動（最高振幅）。取最大振幅（以微米/微米測量）垂直高度的對數。根據首次到達時間和最大振幅對數的差值，進行校正。這一簡單的程式可以快速評估地震的里氏震級。在里氏震級上，0到3級的地震很少被人感覺到，但在地震儀上記錄到了。高於3到5級的地震可以感覺到，但不會造成太大損害。高於5級的地震具有破壞性，這取決於它們發生的位置。1906年的舊金山地震的震級為7.9級，而有記錄以來最大的里氏震級地震是1960年的智利大地震，震級為9.5級。記錄在克蘭德爾峽谷礦上方的3.9級地震不足以造成太大損害，附近的觀察者在地球的運動中會略微感覺到它。
地震是由斷層運動產生的。斷層是指兩塊固體岩石運動之間的平面或表面。斷層的方位可以是垂直方向或水平方向，具體取決於固體岩石所承受的應力。正斷層是指方位更垂直的斷層，其形成原因是岩石拉伸導致的伸展作用。在正斷層中，一塊岩石會沿斷層面滑落，導致下降。逆斷層也垂直定向，但其形成原因是岩石擠壓導致的壓縮作用。一塊岩石會騎在另一塊岩石上。逆斷層非常罕見，因此大多數垂直定向的斷層都是正斷層。水平定向的斷層稱為逆衝斷層，通常是由施加在岩石塊上的壓縮力造成的。在逆衝斷層中，一塊岩石會滑過另一塊岩石，通常是在一個更水平的平面上。正斷層在經歷拉伸或伸展的區域很常見，而逆衝斷層在經歷碰撞或壓縮的區域很常見。走滑斷層是指兩塊岩石相互滑動，幾乎沒有或根本沒有垂直運動的斷層。斷層只發生在處於地殼脆性區的岩石層中，該區以下的岩石會塑性變形形成褶皺。構造地質學家研究地球岩石層中觀察到的斷層和褶皺的動態性質。
由斷層運動引起的地震會產生推力或拉力，具體取決於它們的方位和運動。如果 P 波的初動在震波圖上是向上的，則運動是遠離震中的推力，而如果 P 波的初動在震波圖上是向下的，則運動是遠離震中的拉力。如果地震沿著典型的走滑斷層運動，則來自每個象限的震波圖將記錄推力或拉力運動。如果地震沿著逆衝斷層或正斷層運動，則一半的震波圖將記錄拉力，一半記錄推力。對一群震波圖中的推拉記錄的研究可以幫助地質學家確定斷層運動的方向。
2008 年，道格拉斯·S·德雷格、肖恩·R·福特和威廉·R·沃爾特研究了美國陣列實驗期間記錄的猶他州克蘭德爾峽谷礦難期間震波圖的記錄。他們注意到所有震波圖都記錄了拉力運動，或 P 波首次到達時的膨脹。這種運動表明礦井坍塌，導致周圍岩石向礦井內發生拉力運動。這被震波圖記錄下來。因此，礦難被認定是由礦井頂部坍塌在工人身上造成的，而不是地震。
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