地震計

二次資料の中には、古代エジプトに地震探知機に似た装置が存在した可能性があるという未確認の主張を述べているものもあるが、2026年1月現在、これを裏付ける信頼できる歴史的資料はなく、最も初期の十分に記録された地震計は、西暦132年に張衡によって中国で発明されたものである。^{[ 12 ]}

西暦132年、中国の漢王朝の張衡が、（上記の定義による）最初の地震計を発明したと言われている。それは「後風地動儀」（「季節風と地動を測る装置」と訳される）と呼ばれた。後漢史に記された記述によると、それは直径約2メートルの大きな青銅製の容器で、上部の8箇所に青銅の球を持つ龍の頭があった。地震が発生すると、龍の口の1つが開いて球を底部の青銅のヒキガエルに落とし、音を立てて地震の方向を示すとされていた。少なくとも1回、おそらく西暦143年の甘粛省の大地震の際に、地震計は地震を感じなかったにもかかわらず地震を示した。現存する文献によると、容器内部には8本のレールに沿って移動できる中央の柱があった。これは振り子を指していると考えられているが、これが片方のドラゴンの口だけを開ける仕組みとどのように関連していたのかは正確には分かっていない。この地震計で記録された最初の地震は「東のどこか」で発生したとされている。数日後、東から来た騎手がこの地震を報告した。^{[ 9 ] [ 13 ]}

13世紀までに、ペルシャのマラゲ天文台（1259年設立）には地震計が存在していたが、これらが独自に構築されたものか、最初の地震計に基づいて構築されたものかは不明である。^{[ 14 ]}フランスの物理学者で司祭のジャン・ド・オートフイユは1703年に地震計について記述したが、^{[ 10 ]}水銀で満たされたボウルを使用し、ボウルの周囲に等間隔に配置された8つの受容器のうちの1つに水銀が流れ込む仕組みであった。しかし、彼が実際にこの装置を構築したという証拠はない。^{[ 15 ]} 1784年か1785年にアタナシオ・カヴァッリによって水銀地震計が製作され、^{[ 16 ]}その複製がボローニャ大学図書館に所蔵されている。また、1818年にはニッコロ・カッチャトーレによって別の水銀地震計が製作された。 ^{[ 15 ]}ジェームズ・リンドも1790年代後半に、設計や有効性が不明な地震観測装置（地震発生装置として知られる）を製作した。^{[ 17 ]}

振り子装置も同時期に開発されていた。ナポリの博物学者ニコラ・チリッロは、 1731年のプーリア地震の後、振り子式地震探知機のネットワークを構築し、振り子の揺れを分度器で測定して振幅を検出した。ベネディクト会修道士アンドレア・ビナは1751年にこの概念をさらに発展させ、振り子が機構の下の砂に痕跡を残すことで、動きの大きさと方向の両方を測定できるようにした。ナポリの時計職人ドメニコ・サルサーノは、1783年に絵筆を使って記録する同様の振り子を製作し、これをgeo-sismometroと名付けた。これはおそらく、地震計に似た言葉の最初の使用例である。博物学者ニコロ・ズポは、電気的擾乱と地震を同時に検出する装置を考案した（1784年）。^{[ 15 ]}

地震発生時刻を検出する最初の比較的成功した装置は、 1796年にアスカニオ・フィロマリーノによって考案された。彼はサルサーノの振り子装置を改良し、鉛筆で目盛りを付け、機構に毛を取り付けて時計のテンプの動きを抑制した。これにより、地震が発生したときにのみ時計が動き出し、発生時刻を特定することが可能になった。^{[ 15 ]}

1834年10月4日に発生した地震の後、ルイージ・パガーニはボローニャ大学にあった水銀地震計が完全に水銀が溢れてしまい、有用な情報が得られないことに気づいた。そこで彼は、鉛の弾丸を使って地震の方向を検出する携帯型の装置を考案した。鉛は円形に配置された4つの容器に落ち、地震の発生象限を決定する。彼は1841年にこの装置を完成させた。^{[ 15 ]}

1839年にスコットランドのコムリー近郊で一連の地震が発生したことを受け、英国では地震のより優れた検出装置を開発するための委員会が結成された。その結果、ジェームズ・デイビッド・フォーブスが製作した倒立振り子式地震計が、1842年にデイビッド・ミルン＝ホームの報告書で初めて発表された。この地震計は、振り子の上の紙の上に置かれた鉛筆を使って地震活動の測定値を記録した。ミルンの報告書によると、提供された設計は効果的ではなかったという。^{[ 15 ]}ミルンは1841年にこの装置を説明するために「地震計」という言葉を造語した。^{[ 4 ]} 1843年には、ミルンが報告した地震計に最初の水平振り子が使用された（ただし、彼が最初の発明者かどうかは不明である）。^{[ 18 ]}これらの発明の後、ロベール・マレは1848年に地震計の設計に関するアイデアを発表し、そのような装置は時間を記録し、水平方向と垂直方向の振幅を記録し、方向を特定する必要があると示唆した。彼の提案した設計は資金提供を受け、製作が試みられたが、最終的な設計は彼の期待を満たさず、フォーブスの設計と同じ問題、つまり不正確で自己記録機能がないという問題を抱えていた。^{[ 18 ]}

カール・クライルは1848年から1850年の間にプラハで地震計を製作した。これは、紙で覆われた点吊りの剛体円筒振り子を使用し、固定された鉛筆で描画するものであった。円筒は24時間ごとに回転し、特定の地震のおおよその時間を提供した。^{[ 15 ]}

ルイージ・パルミエリは、マレットの1848年の論文^{[ 18 ]}に影響を受け、 1856年に地震の時刻を記録できる地震計を発明した。この装置は、振動によって電気回路を閉じる金属製の振り子を使用し、その振動が電磁石を動かして時計を止める仕組みだった。パルミエリの地震計は広く普及し、長期間使用された^{[ 19 ] 。}

1872年までに、ジェームズ・ブライスが率いる英国の委員会は、コムリー教区教会に設置されている1842年製の大型フォーブス装置を依然として使用していた当時の地震計に不満を表明し、コンパクトで設置が容易で読み取りやすい地震計を要求した。1875年、彼らは砂床に直角に設置されたさまざまなサイズの円筒形のピンの配列からなる大型のマレット装置を採用することに決定した。大きな地震が発生すると、大きなピンが倒れる仕組みである。この装置は、コムリー近郊の「地震の家」に建設され、世界初の専用に建設された地震観測所とみなされている。^{[ 18 ]} 2013年現在、オリジナルの装置またはレプリカのいずれにおいても、円筒が倒れるほど大きな地震は発生していない。

最初の地震計は1870年代から1880年代にかけて発明されました。最初の地震計は1875年頃にフィリッポ・チェッキによって製作されました。地震計が装置の記録開始をトリガーし、記録面が自動的に揺れの図（地震記録）を作成しました。しかし、この装置は感度が十分ではなく、この装置で最初の地震記録が作成されたのは1887年で、その頃にはジョン・ミルンが日本で自身の設計を実証していました。^{[ 20 ]}

1880年、最初の水平振り子式地震計は、1880年から1895年まで日本で外国政府顧問として働いていたジョン・ミルン、ジェームズ・アルフレッド・ユーイング、トーマス・グレイのチームによって開発されました。 ^{[ 3 ]}ミルン、ユーイング、グレイは、いずれも過去5年間に日本の近代化を支援するために明治政府に雇われており、 1880年2月22日に横浜で発生した地震（横浜地震）を受けて日本地震学会を設立しました。ユーイングは翌年に2つの機器を製作しました。1つは一般的な振り子式地震計で、もう1つは減衰水平振り子を使用した最初の地震計でした。革新的な記録システムにより連続記録が可能になり、これは初めてのことでした。最初の地震記録は、1880年11月3日にユーイングの2つの機器で記録されました。^{[ 20 ]}現代の地震計は最終的にこれらの設計から派生することになります。ミルンは「近代地震学の父」と呼ばれており^{[ 21 ]}、彼の地震計の設計は最初の近代的な地震計と呼ばれている^{[ 22 ] 。}

これにより、水平方向の動きを初めて効果的に測定することができた。グレイは垂直方向の動きを記録するための最初の信頼できる方法を開発し、これにより最初の効果的な3軸記録が実現した。^{[ 20 ]}

初期の特殊用途地震計は、底部にスタイラスが付いた大型の固定振り子で構成されていました。地球が動き始めると、振り子の重い質量は慣性によってフレーム内で静止したままになります。その結果、スタイラスは地球の動きに対応するパターンを刻みます。このタイプの強震計は、スモークガラス（炭素煤を塗布したガラス）に記録しました。遠方の地震を検出するほど感度は高くありませんでしたが、この装置は圧力波の方向を示すことができ、それによって局地的な地震の震源を見つけるのに役立ちました。このような装置は、1906年のサンフランシスコ地震の解析に役立ちました。1980年代には、これらの初期の記録を使用してさらなる解析が行われ、マリン郡における最初の断層破壊位置とその後の主に南方向への進行をより正確に特定することができました。

その後、世界標準地震観測網用のプロ仕様の機器一式には、15秒で振動するように調整された機器と、90秒で振動するように調整された機器のセットがあり、それぞれが3方向を測定していました。アマチュアや限られた手段しかない観測所は、小型で感度の低い機器を10秒に調整していました。基本的な減衰水平振り子式地震計は、フェンスの門のように揺れます。長い（10cmから 数メートル）三角形の頂点に重い重りが取り付けられ、垂直の辺で蝶番で固定されています。地面が動いても重りは動かず、蝶番で「門」が揺れます。

水平振り子の利点は、コンパクトな装置で非常に低い振動周波数を実現できることです。「ゲート」はわずかに傾いているため、重りはゆっくりと中央位置に戻る傾向があります。振り子は（減衰器を取り付ける前に）3秒に1回、または30秒に1回振動するように調整されます。小規模な観測所やアマチュアの汎用機器は通常10秒に1回振動します。アームの下にオイルの入った容器が置かれ、アームの下側に取り付けられた小さな金属板がオイルを引きずり、振動を減衰させます。オイルのレベル、アーム上の位置、および金属板の角度とサイズは、減衰が「臨界」、つまり振動がほとんど発生するまで調整されます。ヒンジは摩擦が非常に少なく、多くの場合ねじり線であるため、摩擦は線の内部摩擦のみです。小さな耐荷重質量を持つ小型地震計は、空気の流れによる擾乱を減らすために真空中に置かれます。

ツォルナーは1869年には既にねじ​​り吊り下げ式の水平振り子について記述していたが、地震計ではなく重力計のために開発した。

初期の地震計は、宝石軸受にレバーを取り付け、スモークガラスや紙をこする仕組みだった。その後、鏡で光線を反射させ、直接記録用のプレートや印画紙に照射する方式が採用された。さらに、コスト削減のため、機械式機構に戻った設計もあった。20世紀半ばのシステムでは、光は光電子増倍管と呼ばれる一対の差動式電子光センサーに反射された。光電子増倍管で発生した電圧は、軸上に小さな鏡が取り付けられた検流計を駆動するために使用された。反射された光線は、感光紙で覆われた回転ドラムの表面に当たる。感光紙の開発コストが高額だったため、多くの地震観測所はインクや感熱紙に切り替えた。

第二次世界大戦後、ミルン、ユーイング、グレイによって開発された地震計は、広く使用されるプレス・ユーイング地震計へと改良された。

最新の広帯域地震計は、非常に広い周波数範囲を記録できます。これは、高度な電子機器によって駆動される電気的な力で拘束された小さな「慣性質量」で構成されています。地球が動くと、電子機器はフィードバック回路を通して慣性質量を一定に保とうとします。そして、この状態を維持するために必要な力が記録されます。

ほとんどの設計では、電子機器がフレームに対して質量を静止状態に保持します。この装置は「力平衡式加速度計」と呼ばれ、地面の動きの速度ではなく加速度を測定します。基本的には、質量とフレームの一部との間の距離が、線形可変差動トランスによって非常に正確に測定されます。一部の機器では、線形可変差動コンデンサが使用されます。

その測定値は、電子的な負帰還ループの一部に接続された電子増幅器によって増幅される。負帰還ループからの増幅された電流の一つが、スピーカーによく似たコイルを駆動する。その結果、質量はほぼ静止状態を保つ。

ほとんどの計測器は、距離センサーを用いて地面の動きを直接測定します。磁石によって質量上の検出コイルに発生する電圧は、地面の瞬間速度を直接測定します。駆動コイルへの電流は、質量とフレーム間の力を高感度かつ正確に測定し、それによって地面の加速度を直接測定します（f=ma、ここでf=力、m=質量、a=加速度）。

高感度垂直地震計における長年の課題の一つは、その質量の浮力です。開いた窓に吹き付ける風によって生じる不均一な圧力変化は、室内の空気密度を容易に変化させ、垂直地震計に誤った信号を発生させる可能性があります。そのため、ほとんどの業務用地震計は、気密性の高い頑丈な筐体に封入されています。例えば、一般的なシュトレカイゼン社の地震計は、厚いガラス製の台座を支柱に気泡が入らないように接着する必要があるのは、まさにこのためです。

重い磁石を質量として利用するのは論理的に思えるかもしれないが、それでは地球の磁場が変動した際に地震計に誤差が生じる。そのため、地震計の可動部は磁場との相互作用が最小限に抑えられる材料で作られている。また、地震計は温度変化にも敏感であるため、多くの機器は非磁性のインバーなどの低膨張材料で作られている。

地震計のヒンジは通常特許で保護されており、特許期間が満了する頃には設計が改良されている。最も成功しているパブリックドメインの設計は、クランプに薄い箔状のヒンジを使用している。

もう一つの問題は、地震計の伝達関数を正確に特性評価し、その周波数応答を把握する必要があることです。これは、プロ用機器とアマチュア用機器の決定的な違いとなることが多い点です。ほとんどの機器は、可変周波数振動台を用いて特性評価されます。

もう一つのタイプの地震計は、デジタル強震計、または加速度計です。このような機器から得られるデータは、地震工学を通して、地震が人工構造物にどのような影響を与えるかを理解するために不可欠です。また、このような機器の記録は、工学地震学を通して、地震災害の評価に極めて重要です。

強震計は加速度を測定します。この加速度は後で数学的に積分することで速度と位置を求めることができます。強震計は遠地地震計ほど地盤の揺れに敏感ではありませんが、最も強い地震動の間も計測値の範囲内に収まります。

強度計用途には、強力なモーションセンサーが使用されます。

加速度計や地震計は、多くの場合、内部にバネで取り付けられたコイルを備えた重い円筒形の磁石です。ケースが動いてもコイルは静止状態を保つ傾向があるため、磁場がワイヤーを切断し、出力ワイヤーに電流を誘導します。受信できる周波数は数百ヘルツから1 ヘルツまでです。一部の機種には電子ダンピング機構が搭載されており、これは低コストで閉ループ広帯域地質地震計と同等の性能を実現するための方法です。

集積回路として構築された歪みビーム型加速度計は、地質地震計には感度が低すぎる（2002年）が、地震計には広く使用されている。

他の高感度な設計では、非腐食性のイオン性流体がエレクトレットスポンジを通過する際に発生する電流や、導電性流体が磁場を通過する際に発生する電流を測定する。

地震計アレイに間隔を置いて配置された地震計は、震源（断層破壊の開始点）から地震波が伝播するのにかかる時間を利用して、地震の発生源を三次元的に正確に特定するためにも使用できます（地震の位置特定も参照）。相互接続された地震計は、地下核実験の爆発を検知するための国際監視システムの一部として、また地震早期警報システムにも使用されています。これらの地震計は、大規模な政府または科学プロジェクトの一部として使用されることが多いですが、Quake-Catcher Networkなどの一部の組織は、コンピューターに組み込まれた家庭用サイズの検出器を使用して地震を検知することもできます。

反射地震学では、多数の地震計を用いて地表下の地形を画像化する。得られたデータは、断層撮影に類似したアルゴリズムを用いて画像化される。このデータ処理方法は、コンピュータ断層撮影（CTスキャン）やイメージングソナーといった医療用画像診断装置の手法と類似している。

世界中に設置された地震計は、実際に地球内部を波の速度と透過率で画像化することができる。この種のシステムは、地震、衝突、核爆発などの事象を波源として利用する。この方法の最初の試みでは、紙の地震計チャートから手動でデータ処理を行っていた。現代のデジタル地震計記録は、コンピュータでの直接使用により適している。安価な地震計設計とインターネットアクセスにより、アマチュアや小規模な機関が「公共地震計ネットワーク」を形成することさえある。^{[ 25 ]}

石油やその他の鉱物探査に使用される地震探査システムは、従来、爆薬とトラックの後ろに巻き取られた地震計のワイヤーラインを使用していた。現在では、ほとんどの近距離システムは地面を叩く「サンパー」を使用しており、小型の商用システムの中には、デジタル信号処理が非常に優れているため、数回ハンマーで叩くだけで近距離屈折探査に十分な信号が得られるものもある。特殊な十字型または二次元配列の地震計を使用して、地下構造の三次元反射イメージングを行うこともある。基本的な線形屈折ジオマッピングソフトウェア（かつては秘術だった）は市販されており、ノートパソコンで動作し、わずか3つの地震計のストリングで使用できる。現在では、コンピューター、ディスプレイ、プリンターがカバーに内蔵された18インチ（0.5m）のプラスチック製フィールドケースに収納されたシステムもある。

小型地震探査システムは現在、土木技術者が基礎工事現場の調査、岩盤の位置特定、地下水の探査などに利用できるほど安価になっている。

光ファイバーケーブルを使用した地震検出の新しい技術が発見されました。^{[ 26 ]} 2016年、イギリスで周波数計測実験 を行っていた計測学者のチームが、地震によって発生する地震波に似た波形のノイズを観測しました。これは、約1400km離れたイタリアで発生したMw 6.0の_地震の地震学的観測と一致することがわかりました。イギリス、イタリア、およびマルタへの海底光ファイバーケーブルを使用したさらなる実験により、4100km離れた地震や、ケーブルから89km離れたML 3.4の地震など_、追加の地震が検出されました。   

地震波は、ケーブルの長さにマイクロメートル単位の変化を引き起こすため、検出可能です。ケーブルの長さが変化すると、光パケットがケーブルの端まで往復するのにかかる時間も変化します（2本目の光ファイバーを使用）。超安定な計測グレードのレーザーを用いることで、こうした極めて微細な時間変化（フェムト秒単位）が位相変化として現れます。

地震のP波（岩盤中の音波に相当）によって最初に擾乱を受けたケーブル上の地点は、ループ状に配置された光ファイバーのペアで双方向にパケットを送信することで特定できます。最初に擾乱を受けたパケットの到着時間の差から、ケーブルに沿った距離が分かります。この地点は、地震の震源に最も近い地点でもあり、震源はケーブルに垂直な平面上にあるはずです。P波とS波の到着時間の差から距離が算出され（理想的な条件下では）、震源は円内に限定されます。結果の曖昧さを解消するには、平行でないケーブルで2回目の検出を行う必要があります。追加の観測によって震源の位置が絞り込まれ、震源の深さも特定できる場合があります。

この技術は、地震計が設置されていない広大な海洋域において、特に小規模な地震を観測する上で大きな利点となることが期待されており、海底地震計よりもはるかに低コストで実現できる。

スタンフォード大学の研究者らは、特に都市部で地震を検出できるUrbanDenoiserと呼ばれる深層学習アルゴリズムを開発した。 ^{[ 27 ]}このアルゴリズムは、都市部の賑やかな都市で収集された地震ノイズから背景ノイズを除去して地震を検出する。^{[ 27 ] [ 28 ]}