經(jīng)歷多次地震，胡夫金字塔為何仍保存完好？

埃及的胡夫金字塔，是古王國時(shí)期在開羅吉薩高原西北部建造的最古老金字塔。在過去4600多年里，胡夫金字塔所在區(qū)域曾受到多次地震影響，這些地震的震中距離金字塔都在80千米范圍內(nèi)。

有記錄以來最大的一次地震發(fā)生在1847年8月7日，估計(jì)震級為6.86級。這次地震發(fā)生在距離吉薩金字塔群約70千米的地方。后來，在1992年10月12日，吉薩地區(qū)再次發(fā)生了一次5.8級地震。在這次地震中，金字塔頂部有若干外層包石脫落。盡管如此，胡夫金字塔的主體結(jié)構(gòu)并未遭受任何嚴(yán)重破壞。

胡夫金字塔為何能保存如此完好？

在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對胡夫金字塔的振動(dòng)特征進(jìn)行了分析，揭示了幾個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，為理解胡夫金字塔在地震中的表現(xiàn)提供了線索。

金字塔的“自然節(jié)奏”

每一種結(jié)構(gòu)都有自己的“自然節(jié)奏”，即所謂的固有頻率，我們可以將它理解為結(jié)構(gòu)“傾向于”發(fā)生振動(dòng)的頻率。以秋千為例，如果每次都在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻推一把，擺動(dòng)就會(huì)越來越大；如果推的節(jié)奏不對，秋千就很難越擺越高。建筑和紀(jì)念碑也有類似的表現(xiàn)。如果地震振動(dòng)的頻率與某一結(jié)構(gòu)的固有頻率相匹配，振動(dòng)就可能被放大。這種現(xiàn)象被稱為共振，可能造成災(zāi)難性的后果。

在新的研究中，為了理解胡夫金字塔為何能夠長期保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并具備怎樣的抗震能力，研究人員開展了一項(xiàng)全面的測量。由于不能在胡夫金字塔上鉆孔，也不能對它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性加載，更不能像測試現(xiàn)代橋梁那樣在上面布設(shè)大量儀器，研究人員采用的是一種名為“水平向-垂直向譜比”（HVSR）的方法。

這種方法可以在不造成破壞的情況下提供有用信息，比如記錄由風(fēng)、交通、人類活動(dòng)以及自然地面振動(dòng)產(chǎn)生的微弱背景振動(dòng)。通過比較這些微振動(dòng)的水平分量和垂直分量，研究人員可以估算出土壤和結(jié)構(gòu)各自的主導(dǎo)頻率。在這項(xiàng)研究中，研究人員將測量儀器放置在金字塔的內(nèi)部墓室、建筑石塊以及鄰近土壤中的37個(gè)測點(diǎn)上，測量了胡夫金字塔在環(huán)境條件下的振動(dòng)。

一名研究人員蹲在石室中操作儀器。研究人員在大金字塔內(nèi)部及周圍放置傳感器，以測量其振動(dòng)。（圖/Salama et al. / Scientific Reports）

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

測量結(jié)果顯示，金字塔的各個(gè)結(jié)構(gòu)單元表現(xiàn)出較為一致的固有頻率，范圍多在約2.0至2.6赫茲之間，平均約為2.3赫茲，這表明其動(dòng)力學(xué)特征具有異常高的均一性。相比之下，周圍土壤的優(yōu)勢頻率要低得多，約為0.6赫茲。

這種“頻率錯(cuò)配”為何關(guān)鍵？正如前文所說的，當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的搖晃頻率與某一結(jié)構(gòu)的固有頻率相匹配時(shí)，就可能引發(fā)共振。共振有時(shí)會(huì)造成災(zāi)難性后果。因此，測得的這種頻率差異很重要。如果地面和結(jié)構(gòu)以不同的頻率振動(dòng)，那么地面就不太容易把能量高效地傳遞到結(jié)構(gòu)中。不過，這只涉及地震破壞的一種可能機(jī)制?，F(xiàn)實(shí)中有很多結(jié)構(gòu)，即便其頻率與下方土壤并不匹配，仍然在地震中表現(xiàn)糟糕。

胡夫金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。（圖/Salama et al. / Scientific Reports）

另外，地震的相對放大效應(yīng)會(huì)隨著高度增加而系統(tǒng)性增強(qiáng)，直到48.68米處。但研究人員發(fā)現(xiàn)，在胡夫金字塔的國王墓室上方的“減壓室”（48.86~61.07米）所在的區(qū)域附近，這種放大效應(yīng)顯著減弱。這表明，這些減壓室不僅像科學(xué)家認(rèn)為的那樣能夠改變上方巨大石塊重量的傳遞路徑，還可能影響振動(dòng)能量在金字塔內(nèi)部的傳播方式。

最后，研究人員還在對地下地基進(jìn)行的地震脆弱性評估中，得到了一個(gè)較低的數(shù)值，這證實(shí)其具有優(yōu)異的承載能力，且由地震引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)很小。這種低地震脆弱性指數(shù)表明，未來發(fā)生的地震很可能只會(huì)對金字塔主體造成有限損傷。

非必然的抗震設(shè)計(jì)

胡夫金字塔或許并不是被有意設(shè)計(jì)成抗震建筑的。但它能夠幸存至今，也并非純屬偶然。從工程角度看，它具備許多有利特征：寬闊的底座、較低的質(zhì)心、逐漸收窄的形體、對稱的平面布局、堅(jiān)實(shí)的石灰?guī)r地基，以及由巨大砌體構(gòu)成的荷載傳遞路徑。它是低矮、堅(jiān)硬、地基穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，而不是高聳、細(xì)長、柔性的結(jié)構(gòu)。

最穩(wěn)妥的結(jié)論是，金字塔建造者做出了非常出色的經(jīng)驗(yàn)性工程選擇。這些選擇可能來自建造經(jīng)驗(yàn)、觀察積累、結(jié)構(gòu)上的必要性，或某種文化意圖。它們帶來的抗震益處可能是真實(shí)存在的，但研究人員強(qiáng)調(diào)，這并不意味著抗震就是最初的設(shè)計(jì)目的。

#參考來源：

https://theconversation.com/how-the-great-pyramid-of-giza-has-survived-4-500-years-of-egyptian-earthquakes-283363

https://www.nature.com/articles/s41598-026-49962-6

#圖片來源：

封面圖&首圖：2H Media / Unsplash