地球/6d. 你無法偽造地震：如何解讀地震儀
在猶他州中部亨廷頓鎮以西的懸崖上，水平的煤層被侵蝕出來。克蘭德爾峽谷礦為附近的亨廷頓發電站提供煤炭，該發電站利用煤炭發電。2007 年 8 月凌晨，該礦的頂棚坍塌，將 6 名礦工困在 1800 英尺深的煤礦地下。應急人員趕到現場，發現礦井被完全埋在坍塌中。隨著新媒體抵達現場，救援人員試圖營救 6 名礦工，礦主鮑勃·默裡（Bob Murray）堅稱，礦井坍塌是由於自然發生的地震造成的，而不是由於支撐不力導致的礦井豎井坍塌。隨著救援嘗試證明毫無結果，另外 3 人在試圖找到被困的猶他州礦工時喪生，礦井坍塌是由於支撐不力導致頂棚坍塌，還是由於地震造成的，成為一個核心問題。礦主不知道，那個夏天在猶他州正在進行一項前所未有的最大規模的地球物理實驗，數百臺高品質行動式地震儀被部署在美國各地，以記錄北美大陸的運動。這個地震儀網路被稱為美國陣列。國家科學基金會地球觀測計劃部署的高解析度 GPS 站點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 計劃（地震學聯合研究機構）進一步研究。這項測量地球運動的大規模政府努力，為深入瞭解北美岩石圈板塊的動態本質提供了驚人的見解。測量結果表明，南加州向西北快速移動，而俄勒岡州和華盛頓州的運動方向為東北。南加州下方的太平洋岩石圈板塊沿著聖安德烈亞斯斷層滑動，測得的速度超過每年 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（包括加利福尼亞州的太平洋海岸）與北美板塊分開，而不是板塊分離或俯衝，而是互相橫向移動，這使得該地區極易發生地震。另一方面，位於大陸內部的猶他州運動速度並不快，運動僅限於每年幾毫米。大部分運動發生在西部猶他州靠近內華達州邊界的內華達山脈地區。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。這種運動正在緩慢地拉開西部猶他州，形成一個不斷擴大的盆地地區，稱為內華達山脈。[參見：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 站點都沒有檢測到運動。克蘭德爾峽谷礦附近的區域沒有靠近任何板塊邊界，也沒有活火山或死火山，並且位於北美構造活動較弱的地區。似乎不太可能地震造成礦井坍塌。
地震儀不僅記錄了地球的運動，還可以用來檢測地震的確切起源地。確定地震位置的能力是地質學家的一項重要工具。定位地震至少需要三個位於地震附近的地震儀。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，表面波是傳播速度最慢的地震波。P 波總是先到達每個地震儀，S 波是第二個到達的地震波，然後是表面波；每個波都被記錄為波浪線。P 波和 S 波都被稱為體波，因為它們也穿過地下（岩石層的體積）。P 波和 S 波到達時間差稱為 S-P 間隔，與地震的距離成正比。可以將 P 波和 S 波地震波看作是在賽道上跑步的賽跑者。它們都從同一起跑線出發。速度更快的賽跑者將贏得比賽（P 波），而速度較慢的賽跑者將獲得第二名（S 波）。如果速度更快的賽跑者以恆定速度超過速度較慢的賽跑者，則兩個賽跑者之間的距離會越來越大，他們離起跑線越遠，如果他們跑了 10 米，他們之間的距離會比他們跑了 1000 米時更近。P 波和 S 波到達時間差越大，地震離地震儀就越遠。每個 S-P 間隔將給出距測站的唯一距離，使用三個地震測站，每個測站的距離圓可以精確定位地震的震中。震中是指地球表面正上方的地震位置，可以透過三個（或更多）地震儀的三邊測量找到。震源是指地下深處地震的實際位置。當天早上的 3.9 級地震的震中和震源位於克蘭德爾峽谷礦的正上方，但這並不一定能區分礦井坍塌和自然發生的地震。
1930年，貝諾·古騰堡離開德國，拋下了他父親日漸衰敗的肥皂廠，前往美國開始新的生活。在他那個年代離開德國是一個明智的選擇。在美國，古騰堡在加州理工學院地震實驗室建立了地震研究部門，專門研究加州太平洋板塊活躍區域的地震活動。儘管他當時在英語和南加州的新文化方面遇到了困難，但他還是繼續進行地震活動的研究所。1936年，他僱傭了一位名叫查爾斯·弗朗西斯·里克特的古怪物理學家。里克特是洛杉磯人，並參與了地震研究。這兩位科學家性格截然不同，古騰堡是一位沉默寡言的德國老人，而里克特則是一位年輕的美國人，他喜歡在空閒時間與他的長期妻子（一位浪漫小說作家）一起去裸體主義者聚居地，並與 1930 年代的好萊塢明星們交往。兩人密切合作開發了一個震級量表。該量表是一個對數刻度，用於對地震的強度進行分類。透過觀察地震儀，垂直的波形（振幅）越高，地震越近，也越大。這與天文學家對恆星亮度進行分類時遇到的問題相同；很難區分一顆恆星是由於距離近而顯得明亮，還是由於本身很大而顯得明亮。地震也是如此，因此他們開發了一種獨立的方式來對地震的震級進行分類，而與地震到記錄地震儀的距離無關，這被稱為 **里氏地震震級**。為了確定里氏震級，地質學家將檢視所有記錄的事件的地震儀記錄，並選擇記錄的最大地面運動（最高振幅）。然後取最大振幅垂直高度的對數（以微米/微米為單位）。根據第一次到達時間和最大振幅的對數之間的距離，進行相應的修正。這個簡單的步驟可以快速評估地震的 **里氏震級**。在里氏地震震級中，震級在 0 到 3 之間的地震很少能感覺到，但可以在地震儀上記錄到。震級在 3 到 5 之間的地震可以感覺到，但不會造成太大破壞。震級超過 5 的地震具有破壞性，具體取決於發生的地點。1906 年的舊金山地震的震級為 7.9，而有史以來記錄到的最大里氏震級地震是 1960 年的智利大地震，震級為 9.5。直接位於 Crandall Canyon 礦山上的 3.9 級地震不足以造成太大破壞，並且附近的人可能在地震的晃動中感到輕微的震動。
地震是由斷層上的運動產生的。斷層是兩個運動的固體岩石塊之間的平面或表面。斷層可以垂直或水平方向為主，取決於作用於固體岩石的應力。正斷層是垂直方向為主的斷層，由拉伸作用產生，當岩石被拉開時。在正斷層中，一塊岩石將在斷層面上滑落，從而下降。逆斷層也垂直方向為主，但由壓縮作用產生，當岩石被擠壓在一起時。一塊岩石將騎在另一塊岩石之上。逆斷層非常罕見，因此大多數垂直方向的斷層都是正斷層。水平方向的斷層被稱為逆衝斷層，通常是由作用於岩石塊的壓縮力造成的。在逆衝斷層中，一塊岩石將在另一塊岩石之上滑動，通常是在一個更水平的平面上。正斷層常見於經歷拉伸或伸展的區域，而逆衝斷層常見於經歷碰撞或壓縮的區域。走滑斷層是一種斷層，其中兩塊岩石相互滑動，沒有或只有很少的垂直運動。斷層僅發生在地殼脆性帶內的岩層中，該區域以下的岩石將塑性變形為褶皺。構造地質學家研究地球岩層中觀察到的斷層和褶皺的動態特徵。
由斷層運動引起的地震將根據其方向和運動產生推力或拉力。如果地震儀上的 P 波的初動向上，則運動是從震中推開的，而如果地震儀上的 P 波的初動向下，則運動是從震中拉開的。如果地震沿典型的走滑斷層移動，每個象限的地震儀將記錄推力或拉力運動。如果地震沿逆衝斷層或正斷層移動，一半的地震儀將記錄拉力，一半記錄推力。研究一組地震儀的推拉記錄可以幫助地質學家確定斷層上運動的方向。
2008 年，Douglas S. Dreger、Sean R. Ford 和 William R. Walter 檢查了美國陣列實驗期間記錄的猶他州 Crandall Canyon 礦難期間地震儀的記錄。他們注意到所有地震儀都記錄了拉力運動，或者在 P 波的第一次到達時膨脹。這種運動表明礦井坍塌，導致周圍岩石向礦井內收縮。這是由地震儀記錄的。因此，礦難被認定是由於礦井頂棚坍塌到礦工身上造成的，而不是地震造成的。
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