Seismograph - Jishinkei

An instrument that records ground vibrations caused by earthquakes. It records ground movement by measuring the relative movement between the ground and an object that vibrates differently from the ground, such as a pendulum.

The world's first seismograph is said to be a tremorsphere made by Zhang Heng of the Eastern Han Dynasty (China) around 130 AD, but as neither the actual object nor drawings remain, its shape and details are unknown. This tremorsphere and other early seismographs made in Japan and elsewhere were merely seismometers used to detect whether an earthquake had occurred, and did not accurately record ground movements. The first modern seismograph capable of accurately measuring ground movements was made in Japan at the end of the 19th century by J. A. Ewing, a foreign teacher employed by Japan, and his colleagues. Since then, improvements have been made in Japan and abroad in pursuit of more accurate and sensitive recording.

In 1889 (Meiji 22), a magnitude 6.3 earthquake that occurred in Kumamoto was recorded in Potsdam, Germany, demonstrating that seismic waves can reach the other side of the Earth, and the gyroscope came to be recognized as a useful observation tool for science investigating the Earth's interior.

In the early days of seismometers, mechanical seismometers with mechanical magnification mechanisms were used to increase sensitivity. However, there was a limit to the magnification. Later, optical seismometers were used, which optically magnify the movement of the seismometer sensor (recording the light beams vibrating during an earthquake on photographic paper in a darkroom), and the magnification of the seismometer increased. Then, from around 1950, electronic seismometers were used, which convert the movement of the seismometer sensor into an electrical signal, which is then electrically amplified and recorded, and the magnification reached more than 100,000 times.

These improvements have made seismometers more sensitive and able to record a wider range of frequencies. However, earthquakes range in size from very large to very small, and the frequency of seismic waves emitted by the source of an earthquake also varies widely, from high frequencies of over 1000 Hertz to low frequencies of less than millihertz (tremors that occur once every few minutes to several hours). Therefore, it is still impossible to use a single seismometer to cover all earthquake observations. For this reason, different types of seismometers are used depending on the purpose of the earthquake observation.

The development of these seismometers has not only helped to explore the interior of the Earth as a sort of stethoscope, but has also contributed to the discovery of microearthquakes (very small earthquakes that humans cannot feel), free vibrations in which the entire Earth vibrates like a bell, and silent earthquakes, which are large earthquakes that shake very slowly but are not felt by the body or destroy buildings.In addition, earthquake observation networks for scientific research, disaster prevention work, and international politics have been deployed all over the world, including a global broadband observation network using standard seismometers, a nationwide earthquake observation network run by the Japan Meteorological Agency and various universities, and a seismic array observation network that concentrates many seismometers in a small area to improve the ability to detect specific earthquakes such as underground nuclear explosions.

Furthermore, from the end of the 1960s, ocean-bottom seismometers, moon seismometers and other seismometers were developed to observe earthquakes in places where they had not been possible before. Ocean-bottom seismometers were created for research purposes, as the plate tectonics hypothesis, which had been developed since the 1960s, had focused attention on the ocean floor, where plates are born and disappear. There was a fierce competition to develop them around the world, but due to technical difficulties, only two or three groups around the world were able to put them into practical use, apart from one developed by a Japanese group around 1970 (Showa 45).

In addition, online commercial ocean bottom seismometers, semi-permanently installed on the seafloor using undersea cables, have been placed in the seas off the coast of Japan by the Japan Meteorological Agency and other organizations since 1979, and their numbers have been increased since the Tohoku Pacific Coast Earthquake (2011). These new cabled ocean bottom seismometers also have ocean bottom tsunami gauges. 85% of earthquakes in Japan occur on the seafloor, and all major earthquakes of magnitude 8 or more occur on the seafloor, so ocean bottom seismological observation in Japan is extremely important for both research and commercial purposes.

Since the Great Hanshin-Awaji Earthquake (1995), the number of seismometers in Japan has increased significantly, to over 1,000. Many of these are strong motion seismographs, which are not very sensitive but can record large earthquakes without going overshooting. These seismographs have recorded a number of earthquakes far exceeding the acceleration of gravity (980 gals). One such earthquake was four times the acceleration of gravity (Iwate-Miyagi inland earthquake, 2008, magnitude 7.2). Until then, it was unknown that such large accelerations could be recorded by earthquakes.

Lunar seismometers were made in the United States and were used to study the internal structure of the moon during the Apollo program in the 1960s, but small seismometers that can be carried by rocket are also being used to explore other planets.

[Hideki Shimamura]

"Understanding Seismology: The Unknown Drama of the Earth" by Hidenori Shimamura (2002, Shokokusha)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

地震による地面の振動を記録する計測器。振り子のように地面の揺れと異なる振動をするものと地面との間の相対運動を計ることによって、地面の動きを記録する。

　世界初の地震計は130年ころに後漢(ごかん)（中国）の張衡(ちょうこう)がつくった地動儀といわれているが、これは現物も絵も残っていないために、その形や詳細は知られていない。この地動儀をはじめ、日本などでもつくられた初期の地震計は、いずれも地震があったかどうかを感じるための感震器にすぎず、地面の動きを正確に記録するものではなかった。地面の動きを正確に知ることができる近代的な地震計としては、19世紀の末に日本のお雇い外国人教師であったJ・A・ユーイングらが日本でつくったものが最初で、その後、より正確で感度の高い記録を求めて、日本や外国で改良が重ねられた。

　1889年（明治22）には、熊本でおきたマグニチュード6.3の地震がドイツのポツダムで記録され、地球の反対側にまで地震の波が届くことがわかるなど、地球の内部を調べる科学にとって有用な観測器として認められるようになった。

　地震計の方式としては、初期のころは、感度を上げるために機械的な拡大機構のついた機械式地震計が使われていた。しかし倍率には限りがあった。その後、地震計センサーの動きを光学的に拡大する（地震で揺れる光のビームを暗室で印画紙に記録する）光学式地震計になって地震計の倍率は高まった。さらに1950年ころからは、地震計センサーの動きを電気信号に変換し、それを電気的に増幅して記録する電子式地震計にかわってきたので、倍率は10万倍以上にも達した。

　これらの改良によって、地震計はさらに高感度で、より広い周波数の範囲の記録がとれるようになった。しかし地震の大きさは特大級のものからごく小さなものまであり、地震の震源が出す地震波の周波数も、高いものは1000ヘルツ以上から低いものはミリヘルツ以下（数十分から数時間に1回の揺れ）までと幅広いので、一つの地震計ですべての地震観測をカバーするのは現在でも不可能である。このため地震観測の目的に応じたいろいろな地震計が使い分けられている。

　これら地震計の発達は、いわば聴診器として地球の内部を探るために役だってきたほか、微小地震（人間には感じられないごく小さい地震）、地球全体が釣鐘のように振動する自由振動、身体に感じたり建築物を壊したりはしないがごくゆっくり揺れる大地震であるサイレント地震などの発見にも貢献している。また標準的な地震計による世界的な広帯域観測網や、気象庁や各大学による全日本的な地震観測網、多くの地震計を狭い範囲に集中的に配置して地下核爆発など特定地震を探知する能力を高める群列地震観測網など、科学研究用、防災業務用、国際政治用の地震観測網が世界各地に展開されている。

　さらに1960年代末から、海底地震計や月震計など、それまでは観測できなかった場所で地震を観測するための地震計がつくられた。海底地震計は、1960年代以来展開されたプレートテクトニクス仮説でプレートが生まれたり消滅したりする場である海底が脚光を浴びたために、研究用としてつくられたものである。世界各国で激しい開発競争が行われたが、技術的な困難さから1970年（昭和45）ごろに日本のグループによって開発されたもののほかは、世界でもわずか二、三のグループのものしか実用化されなかった。

　このほか、海底ケーブルを使って海底に半永久的に設置するオンラインの業務用海底地震計が、気象庁などによって1979年以来日本近海に置かれていて、東北地方太平洋沖地震（2011）以来、さらに数が増やされている。これら新型の海底ケーブル式海底地震計は、海底津波計も同時に備えている。日本の地震の85％は海底でおき、しかもマグニチュード8を超える大地震はすべて海底でおきているため、日本での海底地震観測は研究用、業務用ともに非常に重要である。

　阪神・淡路大震災（1995）以来、日本国内の地震計は大幅に増やされて1000点を超えるまでになった。増やされたうちの多くは強震計strong motion seismographといわれるもので、地震計としての感度は高くないが大きな地震の記録も振り切れないで記録できる。この強震計の記録から、重力の加速度（980ガル）をはるかに超える地震がいくつも記録されるようになった。なかには重力の加速度の4倍を記録した地震（岩手・宮城内陸地震、2008年、マグニチュード7.2）もある。それまでは、このような大きな加速度が地震で記録されることは知られていなかった。

　月震計はアメリカでつくられ、1960年代のアポロ計画によって月の内部構造の研究などに活躍したが、ロケットで運べる小型の地震計はさらにほかの惑星の探査にも使われようとしている。

［島村英紀］

『島村英紀著『地震学がよくわかる――誰も知らない地球のドラマ』（2002・彰国社）』

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