法国地球透镜计划(GEOSCOPE):过去30年的进展与挑战＊

Geneviève Roult,Jean-Paulmontagner,Barbara Romanowicz,Michel Cara,Daniel Rouland,Robert Pillet,Jean-François Karczewski,Luis Rivera,Eléono re Stutzmann,A lessia maggi,the GEOSCOPE team

1)Institut de Physique du Globe,Paris

2)Berkeley Seismological Laboratory,Berkeley,California

3)Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre,Strasbourg,France

4)Géosciences Azur,Universit éde Nice—Sophia Antipolis,Nice,France

法国地球透镜计划(GEOSCOPE):过去30年的进展与挑战＊

Geneviève Roult1),Jean-Paulmontagner1),Barbara Romanowicz2),Michel Cara3),Daniel Rouland3),Robert Pillet4),Jean-François Karczewski1),Luis Rivera3),Eléono re Stutzmann1),A lessia maggi3),the GEOSCOPE team

1)Institut de Physique du Globe,Paris

2)Berkeley Seismological Laboratory,Berkeley,California

3)Ecole et Observatoire des Sciences de la Terre,Strasbourg,France

4)Géosciences Azur,Universit éde Nice—Sophia Antipolis,Nice,France

1 长周期地震学的早期概况

巴黎地球物理学院(Institut de Physique du Globe in Paris,简称IPGP)在长周期地震学和观测设施方面有着雄厚的基础。该学院的地震实验室于1952—1982年设计了人工操作的地震仪,主要用于对固体潮倾斜的研究。经过多次尝试,Blum等[1-2]在1957年终于研制出了第一台原型倾斜仪。这一传感器是一台传统的措尔纳(Zöllner)悬挂式[3]水平向机械地震仪,由熔融石英制成,在真空环境下工作(图1a)。它采用的是光放大和摄影记录技术,速度为1 cm/h。当时,在记录线变粗时就认为出现了地震。然而,1960年5月22日智利大地震的记录中清晰地显示出持续数分钟的长周期地震波(图1b、1c),这就使人们对倾斜仪记录是否适用于地震研究产生了疑问。那时,以及在随后的10年间,对于像1960年智利地震或1964年阿拉斯加地震这种大地震的研究,对每一台站时间序列的处理时间都超过了24小时。由于将资料数字化是一个很冗长的过程,极易增大错误概率,所以数据处理通常需要好几个月的时间[4]。

20世纪60年代,数字化板还没有出现,就连使用计算机的机会也非常有限。那时的长周期地震研究队伍从事着繁重的人工数字化和傅里叶变换模拟工作,这通常需要数小时才能完成。1960年智利大地震后,地球物理学院(IPG)的地震学家应邀到加州理工学院地震实验室进行采样率为5min的Blum倾斜仪记录的数字化处理工作,并对相应的频谱进行计算[5-7]。对Blum记录东-西向分量进行的谱分析(图1)显示出最严格意义上正常模式记录(＜1m Hz)的质量。根据Gutenberg大陆模型[8]计算出的球形和环形理论本征频率用竖线表示。弹性球体自由振荡的径向模式理论计算由泊松(Poisson)[9]首创,其他模式的理论计算则由Jaerisch[10]、Lam b[11]和Jaerisch[12]陆续展开,但第一次真正观测到自由振荡却是在1952年11月4日勘察加半岛(Kam chatka)地震后由Benioff[13]实现的。这种迟到的观测说明地震学家很晚才对甚长周期观测感兴趣[14]。遗憾的是,Blum记录的原始数据和数字化数据都已丢失,只有部分正式出版的记录被保存下来。

图1 放置在巴黎天文研究所的熔融石英倾斜仪记录到的1960年5月22日智利大地震[1]。(a)Blum水平熔融石英传感器样机。(b)东-西向分量。(c)北-南向分量。(d)图1b的东-西向分量傅里叶变换谱。根据Gutenberg大陆模型[8]计算出的球型和环型振荡理论本征频率在能量谱上用竖线表示。横坐标表示每小时的周期

IPGP最初为研究潮汐而研制的倾斜仪也适用于研究由地震引起的水平运动[15-16]。另有一些科研人员试图研制垂向地震仪,也是由熔融石英制成,但没有完全成功。这就是为什么当几年后GEOSCOPE(法国地球透镜计划)正式启动时没有选用Blum倾斜仪的原因之一。在法国,斯特拉斯堡(Strasbourg)小组于20世纪70年代首次尝试使用计算机记录并预处理长周期地震数据,地点是现在的GEOSCOPE ECH台站,位于一个旧的平行巷道内。由DEC公司的PDP8计算机驱动的一台原型斯伦贝谢(Schlumberger)模/数(A/D)转换器就是在那里开始运转的,它与一台9道的磁带录音机相连,用于存储数据,并可通过电话网控制。几乎与此同时,一个由Nelly Jobert率军的巴黎团队在好几个地点都安放了甚长周期地震仪,他们重点关注的是太平洋的两个地点:Pamatai(Tahiti)和Kipapa(Haw aii)。来自这两个台站的记录被广泛应用于太平洋上地幔结构的研究[16-18]。

早在30年前,IPGP团队就明白方便快捷的数据获取以及遍布全世界的标准化传感器是对地震学做出创新性贡献的必要手段。尽管IPGP的倾斜仪质量不错,但要将它们遍布全世界却是不现实的,原因是这些仪器非常易碎,运输便成了大问题,而且仪器校准工作也非常困难(每一台仪器都有自己的传递函数)。高质量的观测需要有类似的、标准化的台站设备。这一概念的倡导者就是创建于1961年的世界标准地震台网(WWSSN)。A lbuquerque地震学实验室(ASL)负责为这一台网在全世界120多个地点布设标准化地震设备(三分量长周期(LP)、短周期(SP)传感器和一台精确的时钟)[19]。这些传感器的自由周期接近30 s(后来为稳定起见缩短为15 s),可以提供频带为15～100 s的校准记录。在20世纪60年代,WWSSN缩微胶片地震记录的无偿分发为用户提供了收集短周期和长周期三分量地震记录的通道。虽然该网络的首要目标是监测地下核爆炸,但许多地震学家可以利用缩微胶片的分析对各种地球科学问题进行处理。地震学对认识板块构造所作出的贡献是WWSSN数据产出的重要成果之一。由于保存不当而造成的损失使得剩下的记录和缩微胶片藏品今天显得异常珍贵。1960—1985年间所选事件通过国际数字地震档案项目(IDEA)保存了下来[20],今天地震学家仍在使用[21]。

如上所述,法国在20世纪70年代初实现模/数记录转换。地震研究观测台(SRO)和联合地震研究观测台(ASRO)数字台网的部署[22-23]意味着WWSSN台网向前迈进了一大步。作为全球数字地震台网(GDSN)的组成部分,SRO台网的建立主要是为了区分地震与核爆炸。SRO首次提供来自全球标准化台站的数值记录,使研究地球的长周期背景噪声成为可能[24]。

国际加速度计部署项目(IDA)的领导者解决了对于周期长达数千秒的地震信号记录仪的需求问题[25-26]。许多基本上源自ET19[27]的Lacoste-Romberg固体潮重力仪被安装在全球各地,这引起了科学界的极大兴趣。1977年8月19日印度尼西亚松巴哇岛地震后,科学家利用潮汐记录和长周期记录对其进行了广泛的研究[28]。来自IDA台网的数据[25]对于利用长周期观测结果确定大地震震源参数的研究起到了推动作用。利用一种基阶Rayleigh波谱的简单反演方法[29],可以快速估算足以引发多次连续地幔波列的地震事件的震源机制和地震矩。IPGP将这种方法成功地应用于所有大地震。利用IDA数据还可详细研究大地震地震矩的频率变化[30],从而为大地震震源能量和尺度的估算以及破裂传播过程的解释打开了全新视野。

SRO和IDA是首先提供数字磁带记录的两个全球规模的台网。第一批地球三维模型就是源自那个时期的非凡产物[31-34]。建立这些模型需要对数千个地震记录进行分析

这是一项利用传统模拟记录无法完成的任务。尽管取得了上述成绩,但1981年的全球地震台网还是落后于理论地震学的发展,而且还有许多不足的地方:

(1)IDA台网受诸多因素限制,如频带太窄以及只能记录垂直分量的运动信息等。其动态范围对于大地震而言还不够大,20个台站的地理分布也不够均匀。

(2)在1～100 s宽频带范围内,GDSN仪器一直受非线性问题困扰,仪器响应也不能很好地满足地震学家在长周期记录方面的需求。的确,在GDSN中占很大比例的SRO台网是专门为识别核爆炸而设计的,识别核爆炸不需要频带非常宽的信号。

(3)所有记录还是在模拟磁带记录仪上完成的,其分析工作既费时又费力。

(4)一个更普遍的问题是,对三分量台站的需求尤为明显。例如,在甚长周期频带(100 s～1 h),只记录地震动的垂直分量还不能提供Love面波和地球环型振荡的信息。在较短周期频带,同时记录三分量不同体波数据(S、多次S、SKS、ScS等)可以提高S波速度不均匀性的深度分辨率。新的观测结果,如Jobert等[15]观测到的“X震相”,由水平分量上激发的高阶模式组成[35],因此这种结果需要三分量记录。同时,研究人员发现为了更好地约束矩张量参数和各向异性,必须对包含基阶和高阶的Love面波和Rayleigh面波波列同时进行分析[36]。甚长周期三分量数据提供了不遵循几何光学定律的地幔波的实例,如出现在纵向和横向上的Love波和Rayleigh波的混合波[37]。

除了需要三分量记录,地震仪的带宽和动态范围都需要扩大。这一问题的技术解决方案来自宽频带反馈式传感器的使用,这种传感器首创于20世纪60年代末[38-39]。20世纪70年代中叶,在瑞士和德国的Erlangen安装了第一批STS-1地震仪(图2a),其特点是动态范围大、频带宽,并具有反馈系统[40-45]。以质量平衡反馈为基本理念的大动态范围地震仪是地震学取得的重大进展。IPGP的地震实验室迅速采用了STS-1地震仪,并在SSB(Saint-Sauveur Badole)安装了一台垂直传感器。由于STS-1传感器的动态范围大(140 dB)、频带宽(20 Hz～1m Hz),所以它能够填补短周期地震学(周期＜1 s)和长周期地震学(周期＞50 s)之间的空白,不管是较大的地方震还是较小的地方震,它都能给出精确记录。

图2 (a)第一代垂直传感器STS-1照片[43]。(b)与地面加速度VH记录和地面速度M H记录相对应的BB配置中的SCZ台站(美国Santa Cruz台站)传递函数曲线,其反应谱在3600 s～150 s和20 s～1 s周期域中都是平坦的。(c)类似于(b)图的与地面速度物理参数相对应的1991年后的甚宽频带(VBB)传递函数曲线,在周期域360 s～0.02 s中的BH道呈平坦响应。(d)由Ekström等[49]估算的作为时间函数的SCZ台站背景噪声水平。垂直分量上(VHZ道)功率谱密度的每月噪声水平用dB表示,周期T=100 s。红色水平线代表周期为100 s的Peterson低噪声模型[50]

20世纪80年代初,科技大环境对于建立一个新的全球宽频带网非常有利。在法国国家宇宙科学研究所(INSU)的支持下,GEOSCOPE计划在1981年初应运而生,该计划的出台主要源自以下三方面因素[46]:

(1)巴黎地球物理学院(IPGP)和斯特拉斯堡地球物理学院(IPGS)在长周期地震仪方面的长期经验,以及他们在长周期地震学研究中丰富的专业知识。这要感谢Nelly Jobert及其同事付出的努力[1,7,47,15,48,35]。

(2)高性能STS-1地震仪的诞生(图2a)。如上所述,这种仪器解决了长周期测震学中的几个关键问题(三分量、大动态范围、宽频带)。虽然STS-1提供的模拟输出动态范围只有140 dB,但当时还没有140 dB数字记录仪。因此,第一批安装的数字化仪的增益范围是12 bit。

(3)巴黎地球物理学院和斯特拉斯堡地球物理学院(现在的斯特拉斯堡天文与地质学院,简称EOST)之间的长期合作,以及法国的其他一些机构之间的合作,如法国研究与开发研究院(IRD)和法国Paul Emile Victo r极地研究院(IPEV)等。这些机构有权使用世界上孤立站点的资料,而且与世界上许多国家的地震研究机构都有联系。这种伙伴关系为其提供了使用众多地理站点资料的机会,也为GEOSCOPE实现全球台网的目标做出了重要贡献。

2 1981—1984:GEOSCOPE计划的启动及其早期进展

1981年,在法国中部的Saint-Sauveur Badole(SSB)布设了STS-1地震仪,这意味着GEOSCOPE计划已经开始行动(图2a)。为了对仪器进行比较,从1981年10月开始,一台国际加速度计部署项目(IDA)的仪器与STS-1并肩运行了整整一年,结果显示二者在垂直分量上的噪声水平类似,STS-1的优势在于其动态范围更大一些。1982年在留尼汪岛(La RéunionIsland)建立了第二个台站,这标志着GEOSCOPE的正式启动,1983年在Port aux Français(PAF,凯尔盖朗群岛)和Tamanrasset(TAM,阿尔及利亚)相继建起了台站,1984年又与麻省理工学院合作在Westford(WFM,马萨诸塞州)建起了台站。

GEOSCOPE计划面临的一个重要挑战就是如何将仪器安放在一些偏远站点,以实现均匀的地理覆盖。到达这些偏远地区在过去是一件非常困难的事情,就在今天也是如此。斯特拉斯堡的EOST小组从一开始就发挥了重要作用,他们参与了法属南部领地和南极洲(TAA F)固定科学基地的科考工作,目的是对全球地球物理过程进行观测。初始地震观测在Terre Adélie(Portm artin台站,1957年移至Dumont D’Urville(DRV);见文献[51])始于1950年,在凯尔盖朗群岛(Pointemolloy台站;见文献[52],该台站于1965年移至PAF)则始于1953年。EOST负责第一批GEOSCOPE台站中3个台站的建设和管理工作:1983年建起了PAF[46,53]和CRZF(Crozet群岛),1986年建起了DRV[54-55]。法国国家科学研究院(ORSTOM,现称IRD)应邀参与了GEOSCOPE项目,与斯特拉斯堡团队合作完成了两个台站的建设工作,并提供资金支持,这两个台站分别是1985年建成的NOC(Nouméa,新喀里多尼亚)和MBO(M’Bour,塞内加尔),随后又在1987年建起了BNG(Bangui,中非共和国)。

1981年,GEOSCOPE的目标是要建成25个台站[46]。选择一个新台址前一般都会先进行野外背景噪声测量。传感器最好安放在稳固的基岩上,因为这样的基岩对潜在噪声源不那么敏感。利用现有的洞穴或地下通道,或按规格重建洞穴,是当时的基本准则,另外一个需要考虑的问题就是要有电源。仪器所属机构之间还会就仪器日常运转和资料的迅速获取(初期磁带是通过邮递传送的)等问题达成具体协议。IPGP和IPGS之间建立起了密切的工作关系。当地人员都要接受设备使用和数据处理技术方面的培训,这就为他们打下了良好的科学基础。负责南印度洋群岛和南极洲台站的操作人员每年轮换一次,而且在动身去偏远基站前都要在EOST接受两个月的培训。

在刚开始的时候,只记录甚长周期(VLP)道。这一道后来在SEED命名系统中变成了VH道(有关SEED格式的综合描述,见http:∥www.iris.washington.edu/manuals;另见文献[56-57])。在3600 s～60 s周期范围,它呈现的是地面加速度的平坦响应。其数据采集系统具有范围增益性质(12 bit尾数,8 bit增益),采样率为0.1 sps。那时,IPGS研发了另一个数据采集系统,可进行1 sps高增益长周期道(HGLP)的连续记录。后来在1985年,为了研究大地震,GEOSCOPE开始记录另一附加触发道BRB道(宽频带道,SEED命名中称M H),其特点为1～200 s周期范围内地面速度的平坦响应,采样率为5 sps。当时传感器的相应传递函数如图2b所示。1982年末,该网络只有两个台站:法国的SSB和留尼汪岛的RER。到1987年台站数量增加到18个;1991年,增加到23个。储存在当地台站磁带上的数据每2～4周就通过航空邮寄到法国,远在南极洲和南印度洋的台站除外(这里的数据每年一次,后来每两年一次,通过船运寄到法国)。所有原始数据都集中在巴黎附近的Saint-Maur des Fossés数据处理中心,在那里数据被转存到九轨磁带上,以供归档和分发使用。数据格式是“自己特制的”。各台站有两个不同的时钟,一个是自制的内部“原子”钟,另一个是提供由OM EGA系统发布的绝对时间的外部时钟,精度为50m s,PAF(凯尔盖朗群岛)和DRV(Terre Adélie)两个台站除外,它们用的外部时钟是特制的地方原子钟(铷钟)。内部时钟偏移很大。数据磁带汇集起来以后,还要在数据处理中心进行时间校正的核实与应用,这项工作非常费时。20世纪90年代开始,OM EGA逐步被更精确的GPS时钟取代。

对于简正模式研究[37,58]、面波异常特征观测[59]和三维模型的研制[60-61]而言,GEOSCOPE数据产出的第一批成果意义非常重大。Masters等[31]发现的2度上地幔证据在Romanowicz等[62]和Roult等[63]利用GEOSCOPE数据进行的地球自由振荡的首次分析中也有报导。

3 1985:国际行动计划国际数字地震台网联合会(FDSN)启动

GEOSCOPE计划启动之后,其他国家也相继迅速启动了自己的行动计划。1984年美国地震学联合研究会(IRIS)的成立,特别是IRIS于1986年在美国创建的全球地震台网(GSN)的诞生,标志着地震学取得了重大进展,同时也凸显了对标准化数字设备的全球性需求[64-68]。

随着矩心矩张量(CM T)项目的启动[69-70]和第一批全球三维模型的诞生[71],多数地震学家开始相信,要想在地球深部动力学方面取得进展,高质量宽频带地震台站的全球性分布非常必要[72]。

鉴于国际协调的必要性,国际数字地震台网联合会(FDSN)于1985年诞生[73],GEOSCOPE、IRIS/GSN和美国地质调查局(USGS)都是其创始成员。其他一些正快速开展宽频带台站建设的国家也应邀加入进来(包括中国、德国、澳大利亚、意大利和前苏联)。

FDSN的首要任务是制定宽频带仪器标准,这些标准至今仍在使用(见http:∥www.fdsn.org)。要想成为FDSN成员,每一个网络必须符合几个标准。地震仪必须是宽频带的(当时其实就是指STS-1),能够完成大动态范围的数字记录。地震数据必须是开放的,也就是说可以自由获取。此外,FDSN还规定了选址标准:要取得“FDSN”资格,一个台站和另一个FDSN台站之间的距离不得小于2000 km。

建立一个标准化数据分发系统显得尤为必要。GEOSCOPE团队参与了FDSN的SEED格式制定工作,这一格式在1987年12月墨西哥Albuquerque召开的FDSN大会上通过,会议由USGS的Ray Buland主持。选择一种唯一的格式来描绘如此之多的地球物理参数是一项颇具挑战性的任务。被选中的格式必须满足传统短周期地震台网操作人员的要求,他们注重基于事件的格式;同时又必须满足长周期研究人员的要求,他们则极力推广连续数据记录。20多年后,SEED格式仍然是地震学的通用标准,这显示出采纳一种网络操作员和整个地震学界都能接受的格式有多么重要。SEED格式的另一个优点是,它提供了一种数据压缩的方法,大大减小了需要归档和分发的数据量[74-75]。FDSN在推动和协调许多国家的宽频带地震学项目方面起到了关键作用,而且现在也仍然在发挥着关键作用。传感器、采集系统和数据分发格式的标准化,以及为了避免不同国家间的重复性工作而实施的经验分享,大大提高了数字宽频带地震台站的全球覆盖率[76]。2008年,共有50多个国家和30多个台网加入了FDSN(http:∥www.fdsn.org)。

4 GEOSCOPE 1985—1990:从宽频带(BB)配置到甚宽频带(VBB)配置

按照FDSN的最高标准,GEOSCOPE在1985—1990年完成了几项重要升级[77]。

4.1 从宽频带逐步转变到甚宽频带配置

第一代STS-1传感器成功后(图1,文献[75]),Wielandt和Steim[74]引入了VBB版的地震仪,这种地震仪提供在整个频带的单道记录,而不像原来的仪器那样提供VLP(甚长周期)和BRB(宽频带)多道记录,同时它还将频带拓宽至10 Hz(原来是5 Hz)。这实际上意味着随之而来的是20 sps的连续记录,从而提高了短周期远震体波研究的精度。从宽频带配置(BB)向甚宽频带配置(VBB)的转换在所有GEOSCOPE台站都是逐步完成的。到1990年底,13个台站完成了向VBB配置的转换,6个台站仍使用以前的配置。图2c显示出使用VBB配置的4个道的地面速度的仪器响应与以前配置(加速度)的比较,台站资料来自SCZ(Santa Cruz,加州)(图2b)。有关常用道的情况见附录(网上资料)。

因为BH(或MH)道仍由地震事件触发,所以大部分信号已丢失。图2d显示了Ekström等[49]估算出的作为时间函数的SCZ台站背景噪声水平。垂直分量(VHZ道)上估算出的每月功率谱密度是以dB为单位绘制的,周期T=100 s。从BB升级到VBB意味着大大降低了噪声水平。图3a和3b简要显示了从1982年至2000年该台网的发展过程。到1990年末,该台网总计有21个台站。

4.2 HGLP道的特例

每个偏远台站都安装了两套数据采集系统,以防在硬件出现故障时丢失数据。在宽频带配置中记录了两道数据,其地面加速度反应谱是平坦的,这两道分别是LP道(1 sp s)和VH道(0.1 sps)。LP道当时被称为HGLP(高增益长周期),其特点是在20 s周期的放大倍数比VH放大倍数高50倍[45]。由HGLP道收集的数据为第一批南极洲三维群速度、相速度和衰减模型的建立作出了重大贡献[78-81]。HGLP记录对于我们认识Rayleigh波的极化与各向异性结构的关系也起到了重要作用[82]。

4.3 偏远台站的日常质量控制

在GEOSCOPE的最初3年,局部数据是通过磁拾音头记录的,并定期邮寄到法国。1985年,对台站计算机进行了升级,在有电话线联通的地方都配置了M initel系统(互联网以前的法国电信网),这样一来,台站计算机便可通过电话完成数据撷取。更偏远些的台站都安装了ARGOS天线,由此实现对资料完好状态的日常遥测,大大方便了质量控制。另外还设置了一套大地震发生后立即通过遥测技术进行24小时VLP数据撷取的流程。

图3 (a)1982—2000年作为时间函数的GEOSCOPE台站数量的变化情况,所示信息与3个不同阶段的采集链配置相关(BB、VBB的BH道触发,VBB的BH连续记录,采样率为20 sps)。(b)GEOSCOPE网与FDSN台站的同步变化情况

4.4 触发记录系统的改进

STA/L TA比(短时平均值/长时平均值)算法[83]最初是为短周期体波探测而建立的,用于M H道的触发(5 sps),这种算法不太适合远震记录[84]。许多中等强度地震、大地震的体波以及持续时间很长的信号经常漏检。由Rouland等[85]编制的一套新的地震探测程序被逐步融入数字记录系统[55]。

震源研究[86-88]以及不同波长的波形模拟中通常使用VBB配置的4个道来提供区域或全球三维模型[60],简正模式研究使用的也是4个道[62-63]。

4.5 数据分发

该台网创立伊始,IPGP和EOST各自研发了不同的格式,使得通用数据中心的运转异常困难。后来决定在IPGP建立一个单一的GEOSCOPE数据档案馆来管理数据,并负责协调向国际科技界的数据分发工作。这项工作中比较耗时的主要任务就是核对定时信息(操作员设定的时钟、闰秒校正和时钟跳变),并将必要的时间校正应用到数据中。第一个面向广大科技界的数据分发模式是通过磁带完成的,后来根据要求变成了磁拾音头。1988年,GEOSCOPE安装了第一个“光碟柜”,并启动了通过光碟(CD-ROM)完成系统性数据分发的工程。20世纪90年代,GEOSCOPE数据中心的能力进一步扩大,以应对科技界对数据的大量需求,并充分利用诸如互联网等高科技手段带来的便捷与机遇。取得这些进步都是在FDSN行动纲领指导下,与IRIS数据中心联手实现的[89]。

5 GEOSCOPE 1990—1998:多样化项目实施阶段

FDSN所发挥的关键作用[89]就是帮助GEOSCOPE确定了仪器布设中的优先事项[77,90]。20世纪90年代初主要取得了两项重要进展:①多参数记录的开展;②数据收集过程中时间延迟情况的减少(有些台站当时还在通过邮寄的方式提供数据,这样会将时间拖延至1年)。1992年9月,在巴黎召开了一次庆祝GEOSCOPE计划启动10周年大会。与会的台站操作员、数据中心管理者和科学家一起讨论了宽频带地震学的技术发展水平及其面临的新的挑战。会上大家决定进行如下操作流程方面的改变。

5.1 新的标定方法

地震仪传递函数通常来自仪器的“灵敏度”,而灵敏度本身一般都是由仪器制造者通过倾斜台决定的,其可靠的标称精度应为1%。这一标称精度忽略了对运输、场地条件和设备老化等因素的敏感程度。Bernard等[91]提出了一种被称为“G-标定”的实地绝对标定方法,这种方法在台站上执行起来非常容易。他们认为垂直分量上精度完全有可能达到1%,水平分量上还有可能再提高几倍,但前提是必须排除倾斜扰动。

5.2 创新设计理念

辅助道的重要性很早即被认可。很显然,除了记录地震分量以外,我们还可以通过记录其他物理参数而获益。所有的GEOSCOPE台站都配备了3台STS-1地震仪。有些还有辅助道(温度、微气压、倾斜度)。第一批安装的微气压计由Streckeisen设计提供。从DC到0.03 Hz的频率范围内,其反应谱是平坦的,精度高于0.1μbar(10-2Pa)。温度计是由Saint-Maur des Fossés数据处理中心的技术团队生产的PT100或PT1000传感器。从DC到0.03 Hz的传递函数是平坦的,动态范围被调至与±10 V对应的±30℃。灵敏度高于0.1m K。遗憾的是,2000年以前的所有辅助数据都已丢失。

1990年,GEOSCOPE参考台站SSB(Saint-Sauveur Badole,法国)已有两套STS-1地震仪正在运行,这时又加装了两个微气压计。观测结果显示大气压与水平分量地震噪声信号之间存在明显的相关性(图4a;文献[92-93])。垂直分量的地震噪声与压力的相关性则不如水平分量上的高,而且只出现在500 s周期。这些结果与Zürn和Widmer[94]的结果一致,他们发现局部大气压与地震信号之间不呈系统性相关,而且相关的程度主要取决于传感器的安装质量。这一结果对于未来恶劣环境下仪器的安装具有非常重要的意义,包括在海底和其他行星等人类很难干预、甚至不可能干预的环境。

图4 (a)记录大气压数据的重要性[93]。①原始地震数据;②微气压数据;③经校正的地震数据。(b)记录大气压的益处[101]。范例取自1998年的TAM台站,时间为新几内亚地区大地震(1998年2月19日当年的第48天,M S=8.1)后的第51至68天。垂直线表示PREM模型中地球自由振荡的角阶数:①压力效应校正前(细线)和大气压力效应减除后(粗线)加速度的功率谱密度;②大气压功率谱密度

5.3 IPGP数据中心

1989年,GEOSCOPE与CEA/DASE(法国原子能委员会负责地震探测的部门)签署了将数据写入光碟的合作协议。1990年,GEOSCOPE数据以自己制定的“数据库”格式归档,海量的数据使得用磁带分发数据显得不切实际。GEOSCOPE与FDSN标准保持一致,主要体现在以下3方面:①系统地确定传递函数;②编辑一本“台站手册”;③通过各种程序向全世界分发数据。

5.3.1 传递函数

现在,任何地震数据的处理都需要精确的传递函数[95-96]。在SEED格式中,表示传递函数特征的放大系数、极点和零点在一个名为“DA TALESS”的文件中都有简要概述,这可以在SEED指南中查到(见文献[97])。为了计算仪器响应,必须搞清每个台站分量和道的采集链的不同元素的准确信息。仪器响应随时间变化,模拟和数值滤波器的变化以及采集链动态范围的变化(12 bit、12 bit增益范围、16 bit、20 bit、21 bit、24 bit)都必须记录下来。例如,对于法国SSB台站的VH道,最新一卷DATALESS就包含与连续升级的采集链相对应的23个不同传递函数。每次大地震后我们都要计算合成地震记录,以核实并确认道的极性、分量方位和仪器响应。完成所有技术信息的收集与核实工作需要耗费好几年的时间。

5.3.2 台站手册编辑

1992年FDSN大会上通过的一项决议促使“综合台站手册”按计划出版,这些手册统一使用一个标准化模板,每一个网络操作员都要对自己的台站手册负责[98]。第一本GEOSCOPE台站手册只是一个印刷文件[99],两年以后又推出了一个更全面的升级版本[100]。台站手册必须介绍每一台站的“历史”、台站隶属于哪个台网(名称和地址)、该台网的仪器状况、站点的地理坐标及地质概况、不同道的灵敏度及开始运行的日期、仪器传递函数图以及台址照片等。每当更改台站信息时必须在最新一卷DA TALESS中进行记录,并将此信息传递给FDSN/IRIS数据中心,该中心负责收集不同FDSN台网提供的所有台站手册。每一次FDSN会议都为台站手册的升级提供机会。

5.3.3 数据分发模式

(1)通过光碟。为了保证数据的长期保存和分发,GEOSCOPE数据中心在1990年配备了一个300 Gbytes容量的“光碟柜”。传入的数据经过时间校正后全都被存储到光碟柜上。1982年3月(82.061)—1992年7月(92.189)的所有数据都用SEED格式写入光碟,1989—1997年的数据集(36张光碟)被免费分发给世界各地的约200个用户。第一张光碟(编号00)包含了5年的数据,但由于台站数量和记录道的不断增加,最后一张光碟(编号34)只包含了8天的数据。利用光碟分发数据的方式很难将有关台站的升级或变化信息通知给数据用户。要将信息通知到所有用户,每一张新光碟必须包含时间跨度数据和对以前分发的光碟上的错误进行校正的信息。这一系统简直变成了一场噩梦。1997年,光碟终于停产了。同时,由于互联网的迅速发展,我们可以按照匿名f tp(档案传输协定)要求,直接提供访问数据档案的机会。

(2)通过匿名f tp。GEOSCOPE网站于1993年建成。新近发生的6级以上地震的所有数据,或由于地震位置或深度特殊而需要特别关注的地震数据,都被传送到Saint-Maur des Fossés数据处理中心。11个台站的数据是通过成本极高的电话线传输的。每周大概有一次地震事件通过这种方式传输。按照FDSN的要求[103],这些数据可以通过1999年创建的一套具体程序在巴黎的数据中心获取,也可以在地震发生一、两天后通过GEOSCOPE网站服务器或匿名ftp获取。1998年,GEOSCOPE数据中心开始执行由Kradolfer[104-105]介绍的自动数据请求管理程序(AutoDRM)。

5.4 对地震目录的贡献

为地震目录做出贡献从一开始就不是GEOSCOPE的科学目标之一,但南半球的高纬度站点提供了“被漏检的”地震事件的令人感兴趣的记录,对这些地震的定位会有所帮助。

过去几十年间全球范围内台站数量的不断增大(甚至在荒漠地区和其他环境恶劣的地区也设立了台站),使得地震目录(如国际地震中心(ISC)目录或USGS初定震中(PDE)目录)越来越完善。虽然各国的全球地震台网都取得了长足的发展,但在南半球台站数量仍显不足。极少数地震发生在远离板块边界的地方,南半球有限的高质量台站数量使得大量中强地震资料缺失。对北半球和南半球4.2级上下的地震数量进行比较,我们便会发现这样一个证据,即全球标准化地震目录中报告的南半球MW4.2～5.0地震事件显然是不完整的。南半球台站数量的不足平均每年使100次地震被漏检,因而也没有被列入全球地震活动目录。Rouland等[106]在1986年查看了PAF、CRZF、DRV和NOC台站的连续记录,并对观测到的地震波到时与根据美国国家地震信息中心(NEIC)每月目录中报告的震中计算出的Rayleigh波到时进行核对。利用可以清晰识别的Rayleigh波到时,他们只能确定23次以前从未探测到的地震位置。后来,GEOSCOPE和IRIS南半球台站资料的联合使用使得这些事件的识别更加清晰,并确定了1999年发生的半数地震的位置[102]。为确定这些地震事件的位置,作者使用了噪声水平最低的20～100 s周期范围内经滤波的垂直记录上看到的Rayleigh波列。图5示出研究中使用的GEOSCOPE和IRIS台站的地理位置以及1999年“被漏检的”88次地震的位置。这些“被漏检的”事件震级在3.7至5.2之间。

图5 用于识别和确定1999年南半球发生的所有“被漏检的”地震位置(红色点)的GEOSCOPE和FDSN台站(黑色三角形)[102]

6 GEOSCOPE 1998—2002:向多参数化观测迈进

图3a和图3b是1982—2000年GEOSCOPE和FDSN不断增大的台站数量的比较。GEOSCOPE在FDSN中的重要性体现在这样一个事实,即GEOSCOPE的80%的台站都配备了STS-1。这些仪器在360 s范围内对地面速度的反应谱是平坦的,因此其性能要比STS-2好,STS-2的平坦响应只能延伸至120 s。现在,STS-1地震仪已停产,所以那些仍然可以运转的仪器对于甚低频研究而言显得尤为珍贵,特别是对于自由振荡研究更是如此。GEOSCOPE网的最初要旨是增加台站数量,提高台站质量。随后面临的挑战就是记录地震信号的同时还要记录环境参数[107],并利用电话和互联网提高数据的可访问性和可用性。多参数观测台的建设促成了对诸如大气压和温度等环境参数的监测以及这些参数与地震信号之间相干性的研究(图4)。

6.1 多参数台站

在仪器方面花费的气力主要集中在GEOSCOPE台站设备(特别是模/数转换器)的逐步升级,以及通过加装微气压计和温度计将台站变成多参数观测台。这一努力出于两个不同目的:(1)提高信噪比;(2)研究地震与环境物理参数之间的相关性。GEOSCOPE决定将所有的地震台站都变成多参数地球物理台站。当时,多参数台站的理念已被广泛接受。Beauduin[108]、Zürn和Widmer[94]以及Beauduin等[93]都表示出对地震数据与压力数据进行反褶积的兴趣(图4a)。研究结果显示,如果将大气压效应考虑在内,大地震的频谱能够更清晰地识别地球自由振荡频率。1998年,几位作者报道称即使在地震平静期也发现地球连续自由振荡的触发证据。这种现在被称为地震“哼鸣”的微弱信号(约0.4 nanogals)在所有装备了STS-1地震仪的台站记录中都可以发现[109-113]。当大气压也被记录下来并被减除时,对“哼鸣”的观测即大大增强,从而大大提高了信噪比[101]。图4b显示出从地震Z数据中减去压力信号P是非常有用的。1998年2月17日新几内亚岛附近大地震后立即计算出了波谱。减去局部大气压效应明显提高了波谱信噪比。经叠加的Z—P波谱显示,原始叠加波谱中低频峰缺失,在2～15角阶数范围尤其如此,这就使甚低频模式(如0S2～0S15)的研究成为可能,由于噪声水平的关系,这些甚低频模式往往是探测不到的。

6.2 AGECODAGIS实验

20世纪90年代末,能与Quanterra仪器竞争的似乎就是由法国A GECODAGIS公司研制的数字化仪“GEOSCOPE2000”。这种仪器提供了6个24 bit的地震道(3个BH道和3个LM道),以及16个16 bit的用于记录其他不同参数的道(大气压、温度、倾斜仪、GPS等)。其中一台数字化仪于2000年6月被安装在GRC(Garchy,法国)台站,并运行了两年[114]。这一时期,世界各地正在普遍安装Q4120,而且Quanterra当时已开始研制Q330。IPGP对AGECODAGIS和QUAN TERRA系统同时进行了测试,并最终选择了Q330来逐步取代GEOSCOPE项目中所有台站使用的数据记录仪,以保证更符合FDSN台站设备标准化的要求。

6.3 网络化数据中心(NetDC)程序

1999年,GEOSCOPE数据中心进行了重组,以便更好地应对数据量的不断增大,并为将来的实时数据传输做好准备。所有的GEOSCOPE数据都被移入一个元数据的关联式数据库,并被贮存在一个高效、安全的系统内。同年,GEOSCOPE数据中心成为网络化数据中心(NetDC)的一个节点。这一数据访问方式是在FDSN框架内规划的,并在IRIS团队的帮助下在IPGP数据中心安装使用。在NetDC,通过一个应用层并按照路线将用户请求发送至合适的网络化数据中心,该应用层负责业务打包及数据传输的协调工作。对不同网络的数据集进行编辑,再将编辑好的数据集分发出去,这些工作都对用户透明(如图6所示)。

图6 GEOSCOPE数据的可用性以及目前NetDC程序的运行图。图中示出相关的数据中心及国家。1999年,NCEDC(北加州地震数据中心)、ORFEUS和GEOSCOPE成为在IRIS帮助下第一批安装NetDC程序的网络。每一个NetDC节点都是一个数据中心枢纽

7 GEOSCOPE 2002—2007:迎来新的挑战——向实时台站迈进

2002年,在一个由法国所有地震学泰斗、FDSN和欧洲数据中心ORFEUS(欧洲地震观测与地震学研究组织)代表、法国科学家以及GEOSCOPE数据用户出席的“科学委员会”会议期间,GEOSCOPE的目标被重新明确界定:加强与法国国内和国外伙伴的合作关系,建设高纬度站点、实现数据采集链的现代化和标准化、将地震台站变成多参数观测台、在所有台站实现近实时数据传输。那时,所有固定台网都在朝着实时数据传输的方向努力[115-118]。

7.1 增强与法国和国外机构的合作

2002年以来,GEOSCOPE计划不断增强了与法国及国外机构在台站升级与维护方面的合作。由于地震学家对能够加速数据处理和科学研究的实时数据记录的兴趣不断增大,合作协议也越来越多,并更加高效。GEOSCOPE继续寻求当地的合作伙伴,以提高偏远台站的维护效率,使其升级也变得更加方便。拥有台站的当地高校或机构被赋予了更多的责任。南半球的原始站点以及南半球和北半球的高纬度特设站点被给予优先关注。

7.2 高纬度站点的建设

北半球两个高纬度台站的建设/升级已经筹划好几年了,旨在为更好地探测地球内核提供更多的极地路径[119]。GEOSCOPE希望在Novaya Zem lya附近建立一个新的站点

VOR(Vorkuta,俄罗斯),并对已有的台站SEY(Seymchan,俄罗斯)进行升级。SEY的STS-1传感器不久将被移到堪察加半岛北部的另外一个站点AM。由于这两个站点的纬度很高,所以它们都是原始站点,而且很有科学意义。两个台站由IPGP和俄罗斯科学院地球物理中心(GSRAS)共同负责。在南半球,EOST团队与位于罗马的意大利国家地球物理与火山研究所(INGV)合作,共同参与了一个国际极地年(IPY)实验项目和CONCORD IA固定台站的建设工作。

7.3 数据采集链的标准化

现代标准化模/数转换器的安装是迈向近实时数据传输的极其重要的一步。1997年从印度洋的A IS台站(1998年PAF、DRV和CRZF台站)开始逐步配备Quanterra ADC模/数转换器,最先安装的是Q4120系列,后来是Q330系列。Q330-HR与Q4120和Q 330的性能相似。它提供3个26 bit道、3个24 bit道和4个16 bit辅助道。其低成本及用户友好特性非常具有吸引力。2006年,在印度洋海啸预警中心(CNATO I)框架内,由EOST维护的几个印度洋台站开始配备Q330-HR,与原有的Q4120并行运作。详细情况以后在有关GEOSCOPE参与其他计划的章节中还会介绍。表1—3示出了相关台站信息。

7.4 实时数据传输

由于牵涉到时间校正,近实时数据传输系统对于数据中心的操作人员而言非常耗时,所以不久即被废弃。图S5(网上资料)列出了2000年的台站。波茨坦地学研究中心(Geo Fo rschungsZentrum Potsdam)提供的最新成果使得软件的免费获取成为可能,也意味着数据传输会更加流畅[115]。所有传输工作都是按Seedlink协议进行的,从而保障了来自遥远台站的数据流的连续性(Heinloo A,个人通信)。自2002年开始,GEOSCOPE项目经历了一次较大变革,主要是对其向IPGP的数据传输流程进行了几次重要升级[120]。每一个台站都需要一个量身定制的方案。例如,图S6(网上资料)描绘了RER(La Réunion Island)自2004年6月起所遵循的详细流程。超过3.5 km的光纤通过掩蔽隧道将信号传至以太网桥(Ethernet bridge)。无线电通信链路可将信号传至12.5 km以外的Saint Benoit市立高中,那里可以快速连接到互联网。图7示出一个目前标准化GEOSCOPE台站的数据流,共有8个不同的道(3个地震道、3个撑杆位置、1个微气压计、1个温度计)。自动控制系统可迅速探测到功能异常和错误信息的传输,以便作出适当反应。

8 2009年的GEOSCOPE:达到现代技术水平

2009年,GEOSCOPE的优势在于:

(1)在非洲和印度洋有着独一无二的台站分布,在南半球的总体覆盖情况良好;

(2)大部分传感器都是甚宽频带地震仪(22个台站配备了STS-1,8个台站配备了STS-2);

表2 已停止运行的台站

表3 规划中的台站

(3)噪声水平属FDSN台站最低之列;

(4)现在30个台站中有21个提供实时数据;

(5)噪声水平实现准实时估算和绘图。

2009年末,该网络已有30个台站(图8a),其中4个位于非洲北部,8个位于印度洋或靠近印度洋。这些台站平均分布在南、北两半球,主要配备的是STS-1传感器。表1—2给出了不同的参数信息,包括台站的演化、起止日期、地理坐标、各道(VH、BH)的起始状况、台站设备(传感器和数据记录仪),以及数据传输状况(RT:实时;NRT:近实时;RA:通过电话线或互联网远程访问)。不难看出,GEOSCOPE已经达到或超过了其原始设计目标。

图7 一个GEOSCOPE实时数据台站的现时运行图

8.1 2009年末正在运行的台站(图8、表1)

到2009年末,共有30个台站正在运行。其维护由下列机构就地完成,它们是:CEA/DASE、CN ES(法国国家空间研究中心)、EOST、IPGP、IPEV、IRD、GSN/USGS,以及当地大学和科研机构。

●IPGP负责的拥有VBB配置的17个台站是:CLF、COYC、FDF、FOMA、HDC、H YB、M PG、NOUC、RER、PEL、PPTF、SCZ、SPB、SSB、TAM、UNM、WUS。

●EOST(Strasbourg)负责的拥有VBB配置的6个台站是:A IS、CRZF、DRV、ECH、MBO、PAF。

●CEA/DASE(Bruyères-le-Châtel)共同负责的两个台站是:新喀里多尼亚的DZM和马克萨斯群岛的TAOE。

●GSN/IRIS/USGS(美国)共同负责的两个台站是:夏威夷Kipapa的KIP和英属特里斯坦-达库尼亚群岛(Tristan Da Cunha)的TRIS。

●CTBTO(全面禁止核试验条约组织)和IPGP共同负责的一个台站是:A TD(A rta,吉布提)。

●澳大利亚国立大学(ANU)和澳大利亚地球科学局(GA)共同负责的一个台站是:澳大利亚堪培拉的CAN。

●日本地震研究所(ERI)与其他机构联手负责的一个台站是:日本Inuyama的INU。

几乎所有台站都是多参数观测台(图8b)。有关台站仪器的信息(地震和辅助传感器、数据记录仪),详见附录1(网上资料),或登录GEOSCOPE网站(http:∥geoscope.ipgp.fr)。

8.2 道的详细信息

地震仪将地面速度的3个分量(垂直、南-北、东-西)记录下来。对于每一个STS-1分量,共连续记录8道,分别是根据采样率记录的3道:VH、LH、BH;与撑杆位置对应的3个流(产出的结果用于潮汐研究,LM道)、大气压(LDI/LDO道)和温度(L KI道),详见附录1(网上资料)。数据以SEED格式发布[56-57]。

图8 截至2010年1月的GEOSCOPE台网,显示其迈向实时和多参数化观测的进程。(a)台网状态:21个实时/近实时台站、6个可通过互联网或电话线访问的远程台站、3个可局地访问的台站;(b)越来越多的地震台站配备了微气压计和微温度计,共同参与全球多参数化观测行动

位于西雅图的IRIS数据管理中心(DMC)从不同的FDSN信息源(超过50个台网)收集数据,将其存储在一个可靠的高容量系统,并很快将地震数据分发出去[121-123]。所有GEOSCOPE实时(RT)数据都可通过IRIS数据管理中心的统一数据存储器获取。GEOSCOPE实时数据也可以通过IPGP数据中心获取(http:∥geoscope.ipgp.fr),数据下载非常容易。数据格式为mini-seed;传递函数可通过相关DA TALESS卷宗获取。

8.3 2009年末实时数据台站达21个

GEOSCOPE数据中心可提供由IPGP维护的15个台站(A TD、CAN、CLF、FDF、FOM A、HDC、INU、KIP、PEL、PPTF、RER、SSB、SPB、TRIS、UNM)的实时(＜1m n)数据和由CEA维护的2个台站(DZM和TAOE)的近实时(＜2 h)数据(表1—2)。另外还有由EOST监控的4个台站(A IS、CRZF、PAF、ECH)的实时数据。其他台站还存在严重的时间延迟问题,它们仍在使用邮寄磁光盘的方式(大概每月一次)。

图S2c和S2d(网上资料)示出随着时间的推移而不断增大的存档数据量和已分发的数据量,并示出作为时间函数的不同分发流程(CD-ROM、ftp、Web、NetDC)。

8.4 数据质量控制

Murphy和Savino[24]以及Webb[124]阐述了地震噪声的可能起因。更好地认识地震噪声起源对于提高数据的信噪比非常重要。地震频带中大气压与地震噪声之间的关系适合陆地台站使用[93]。Craw ford等[125]利用海底地震波与长周期海浪荷载情况下局部压力变化之间的相干性开发了一种降噪技术。

根据Chave[126]等的程序对台站的功率谱密度(PSD)噪声水平进行分析,结果显示水平分量的噪声水平比垂直分量的噪声水平呈系统性增高,见图9a、9b[127]。Berger等[128]注意到水平分量的最低噪声水平出现在那些将STS-1地震仪(不是STS-2)安放在孤立的地穴或长隧道的台站。热致倾斜和局部大气压起伏可能会促成地震噪声的产生[129]。旋转效应可由倾斜引起,必须加以考虑[130]。正如Lambotte所述[131],水平分量上的空腔效应也不容忽略。

图9 上:两个Geoscope台站的功率谱密度图。(a)僻静的大陆台站(TAM,Tamanrasset)。(b)与Peterson[50]低噪声模型(LNM,虚线)相对的海岸台站(PAF,Port aux Français,印度洋凯尔盖朗群岛)。下:NOUC(Nouméa,新喀里多尼亚)台站功率谱密度的三分量日变化和季节性变化。(c)作为周期函数的地震噪声日变化。局部时间窗为0～6小时(蓝色)、6～12小时(粉红)、12～18小时(红色)、18～24小时(绿色)。(d)地震噪声季节性变化。时间窗为1月—3月(q1,蓝色)、4月—6月(q2,粉红)、7月—9月(q3,红色)、10月—12月(q4,绿色)

所有GEOSCOPE台站的平均噪声水平比整个FDSN台站的平均水平要低[127],有些GEOSCOPE台站的噪声水平还属FDSN台站中最低的(中国的WUS、阿尔及利亚的TAM)。正如所预期的一样,短周期记录中水平分量噪声水平在位于大陆地区的TAM台站(图9a)比位于岛区的PAF台站(图9b)的噪声水平低。多数离海岸不到150 km的沿岸台站的噪声水平都比大陆台站的高。长周期记录中岛上台站的噪声水平与沿岸台站的差不多,但在周期小于20 s的记录中,特别是在微震峰值周期范围,岛上台站的噪声水平较高。在周期大于20 s的记录中,水平分量上的噪声在多数台站都随时间而变,而且白天比夜晚高(图9c)。短周期地震噪声(周期低于7 s)未呈现季节性系统变化的证据。一些台站在7 s微震峰值振幅内呈现出季节性变化,秋、冬季比春、夏季高;此峰值在秋、冬季也向长周期转变(图9d)。这可以从秋、冬季海洋大风暴增多中找到解释。长周期地震噪声(周期大于30 s)在一些台站也随季节变化,但其系统性特征还未被发现。

图10a示出1990年至2000年ECH(Echery,法国)台站噪声水平的季节性变化情况[49]。噪声水平似乎随着时间的推移略有增高。对这种趋势的一种可能的解释就是STS-1传感器已经老化,STS-1用户曾对此现象做过仔细评估。Tanimoto等[132]表达了对站点安装温度计的兴趣,他们在PEL(Peldehue,智利)台站观测到了微震质点运动(水平/垂直比(H/Z))的季节性变化,并发现其与温度信号的极高的相干性(图10b)。

2006年,为了加快归档进程,GEOSCOPE数据中心实现了可用实时数据的自动质量控制。自动质量控制包括:搜寻时间或振幅异常以及确认传递函数的有效性。地震信号功率谱估计的日图、月图、年图都可通过GEOSCOPE网站查到(图10c、10d)

8.5 CM T的确定

GEOSCOPE计划从启动伊始就重点关注所有大震事件震源机制的确定[86-88,133]。大地震的震源参数目前在区域构造背景下得到了系统的研究[134]。所用数据源自GEOSCOPE台站和几个外加的FDSN台站的三分量长周期地震信号,频率范围1～10m Hz。通过对较短周期体波获得的结果进行比较,可精确测定震源机制和破裂过程。矩心参数和震源持续时间的估算通过在时空网格上(纬度、经度、深度、震源持续时间)进行探索来完成。假定矩心已知并已被测定,则矩张量与数据之间的关系就是线性的。那么,在矩心参数空间的每一点,对于不同震源持续时间,通过在复杂谱域内进行线性反演便可得到矩张量。最优解与最佳数据拟合相对应。

GEOSCOPE的CM T解(震源机制)在大震后的一周内通过系统计算获得。图S7(网上资料)给出了2009年所有大地震的地理位置。这些矩心解都发表在GEOSCOPE网站上(http:∥geoscope.ipgp.fr),也可在欧洲-地中海地震中心(EM SC)网站上查到(http:∥www.emsc-csem.org/index.php?page=home)。

9 GEOSCOPE参与其他行动计划的情况

GEOSCOPE与整个地震学界分享其专业知识以及在地震仪器和数据分发方面的经验。GEOSCOPE已发起了许多行动计划,并在相关领域发挥了关键作用。

9.1 海底观测台和试点项目

大部分海洋区(占地球表面的2/3)都缺乏固定的地球物理传感器。国际社会很早就认识到长期海底观测的必要性,当基础设施能够完成数据传输时,这可以为地球科学界提供全球的、区域性的以及局地规模的实时观测数据[135]。所有未来战略研讨会都一致提议建立长期海底地震台,最好是地球物理观测台。GEOSCOPE团队自创立伊始就极力推动宽频带台站在海洋地区的扩展。

图10 (a)1990—2000年ECH台站垂直分量的功率谱密度(PSD,单位:dB)变化,周期T=100 s[49]。(b)对记录温度的兴趣:1997—2002年,同一台站微震频带内不同频率的H/Z比(水平分量与垂直分量之比)和随时间变化的温度之间存在着明显的负相关[132]。(c)所有台站的噪声图每年估算一次(以2009年为例)。(d)2000—2008年的噪声图(以CAN台站为例)

海底地球物理观测台网(称为GOBO)的建设是新世纪面临的一个严峻的技术挑战。为解决各种技术问题,已开展了好几个试点项目。20世纪90年代初首先启动了重点建设固定地震台站的先期试验项目[136]。

1991年3月,一套CM G3钻孔宽频带检波器被成功安放在“海洋钻探项目(ODP)”位于日本海的843B钻孔中,但仪器没有被收回来[137]。该仪器记录到了远震事件,在收回数据以后科研人员获得了宽频带地震噪声谱(0.03 s～200 s)[138]。1992年5月,法国“深海观测台/海底地震检波器(OFM/SISMOBS)”试点项目在北大西洋成功实施,这里正是“深海钻探项目(DSDP)”396B钻孔所处位置(23°N,43.3°W)。在此安放的两套CM G3宽频带检波器运行时间超过一周,并被成功收回[139]。第一套CM G3检波器(海底检波器称OFM)被安放在离钻孔20m远的海底,而且被半埋在沉积层中。第二套CM G3检波器(井下检波器称OFP)被安放在海底下296m深处的钻孔内。两套检波器被成功安装后,OFM连续记录了8天的地震信号,OFP连续记录了6天,采样率为5 sps。实验项目结束后仪器被成功收回。

法国海洋开发研究院(IFREM ER)为项目提供了所有的后勤支援。从技术角度看,此项目圆满成功。Montagner等[140]介绍了该项目取得的最重要的成果。与典型的FDSN宽频带大陆台站(如SSB,法国GEOSCOPE)相比,OFM和OFP的地震噪声在4～30 s周期范围内明显偏低,在高达600 s的周期范围,OFM的噪声水平仍然比在SSB台站的噪声水平低[92]。地震噪声水平的降低意味着检测阈值的降低,由此,这种仪器能够准确记录震级最小为5.2的远震。该项实验首次表明,经周密安装的、半埋于海底的宽频带地震仪可呈现很好的信号/噪声比,并提供有用的地震数据。项目成果在夏威夷附近开展的海洋地震综合观测台网试点项目OSN 1期间得到了认证[141]。

由于这些实验项目的成功,国际科技界随后在1993年决定发起一个新的行动计划“国际海洋台网(ION),该项目的技术指标与FDSN的完全相同,科学目标也与其类似,只不过是为海底地震台站而设立的。ION隶属于国际地震学与地球内部物理学协会(IASPEI)和国际大地测量与地球物理学联合会(IUGG)。

1995年ION在法国马赛召开了第一次国际研讨会[142-144],作为会议的一项成果,IPGP、西布列塔尼大学(UBO Brest)、蒙特利湾水族研究所(MBARI)和加州大学伯克利分校共同发起了一个多参数合作项目,旨在测试在海底安装、操作和收回不同地球物理传感器(主要是宽频带地震仪、电磁仪和环境信息传感器)的可行性。蒙特利湾地震仪器实验项目(MO ISE)于1997年7—9月在蒙特利湾的加州近海展开,仪器被安放在1015m深的海底沉积层中。地球物理观测仪的布设工作由MBARI的远程操控装置Ventana完成,检波器箱子被半埋于沉积层中[145-146]。Romanow icz等[147]文献中介绍的成果显示出地震噪声与深层水流之间有很强的相关性。

在ION和综合大洋钻探计划框架内,IPGP、日本海洋-地球科学技术机构(Jamstec)以及IFREM ER发起了一个国际合作项目,并计划沿印度洋的东经90度洋中脊在Ninety East Ridge观测台(NERO)的台址处(18°S～88°E)建起一个海底观测台。钻孔工作已于1998年完成,迄今一直在等待地球物理探测仪的入住。

这些试点项目表明,在某些特殊站点建设海底地球物理观测台网从技术角度看是可行的[148]。然而,长期维护的问题仍未解决。其他国家也同样面临着海底地球物理观测台网无法长期运作的问题,只有日本是个例外,他们已建起好几个海底地球物理观测台网(WP1、WP2、JT1、JT2)。整个ION观测项目已被搁置下来,期待着未来资金的到位。另一个例外就是独立的海底宽频带观测台MOBB(蒙特利海底宽频带观测台),它是由加利福尼亚州州立大学伯克利分校地震实验室和蒙特利湾水族研究所于2002年共同建起的,该台站的建立吸取了在2009年还在运转的蒙特利湾地震仪器实验项目的经验教训。由日本人率军的团队于2008年3月又发起了一项雄心勃勃的新的行动计划,这项计划可能会对ION和整个海底观测行动起到振兴作用。它已证明宽频带海底移动台站可成功替代ION的固定观测台,这些流动台站已经开始对固定的陆地台网(如GEOSCOPE)起到有效的补充作用。

10 GEOSCOPE与海啸预警

2004年12月26日苏门答腊大地震及其带来的灾难性后果对地震学界和整个社会都产生了强烈冲击。法国政府决定参与印度洋海啸预警系统(SA TO I),并向法国国家气象局(Météo France)提供资金,用于支持其通过法国的印度洋海啸预警组织国家印度洋海啸预警中心(CNA TO I)收集所有对海啸预警有用的数据。为此,7个GEOSCOPE台站进行了升级,它们是:A TD(吉布提)、H YB(印度)、RER(留尼汪岛)、CAN(澳大利亚)、PAF(凯尔盖朗群岛)、A IS(阿姆斯特丹岛)和CRZF(Crozet群岛)。到2009年末,已经有7个台站(A IS、A TD、CAN、CRZF、FOM A、RER和PA F,并不是CNA TO I的所有台站)向印度洋海啸预警系统传送数据。由于印度政府对实时访问H YB(Hyderabad,印度)台站数据加以限制,所以法国机构决定在印度洋上新建两个台站,第一个位于马达加斯加以南(FOMA,马达加斯加多凡堡),第二个位于毛里求斯的罗德里格斯岛(RODM)。所有野外工作都是由IPGP与马达加斯加塔那那利佛地球物理观测研究所(IOGA)和罗德里格斯岛的毛里求斯气象服务局(MM S)联手开展的。

来自GEOSCOPE/CNATOI的台站数据被送往IPGP数据中心,并提供给所有已经存在的和正在运行的国际海啸预警中心和海啸信息中心(太平洋海啸预警中心、日本气象厅/地震海啸观测中心、德国-印度尼西亚海啸预警中心、澳大利亚海啸预警系统、国际海啸信息中心),如图S8所示(网上资料)。所有从海啸预警/信息中心发出的信息都要传递给有关当局,用作减轻海啸灾害的依据。这些中心通过全球电信系统(GTS)发送信息。

11 访问地震数据的其他渠道

11.1 法国地震观测与环境研究联合会(FOSFORE)

2002年,位于IPGP的GEOSCOPE团队、区域性机构(图11a)以及法国国家宇宙科学研究所决定将法国的宽频带数据贡献者、固定台网操作员和流动台阵联合起来建立一个法国的联合会,名为法国宽频带地震观测联合会(FFOSL)。2006年,该联合会交由法国国家宇宙科学研究所(INSU)主管,并更名为法国地震观测与环境研究联合会(FOSFORE),业务范围也随之扩大至短周期台网和临时台网。该联合会的主要目标是通过法国国家门户网站(http:∥www.fosfo re.ipgp.fr)向国际社会提供SEED格式的所有数据。2009年末,位于IPGP的GEOSCOPE数据中心成为主要的数据提供者,另外,GEOSCOPE还有其他几个数据中心,分别位于格勒诺布尔(Grenoble)、尼斯(Nice)和斯特拉斯堡(Strasbourg)。

11.2 欧洲地震网络基础设施研究机构(NERIES)

自1987年成立以来,GEOSCOPE和IPGP一直都是ORFEUS的组成部分[149]。ORFEUS负责欧洲不同项目[150-151,118](如NERIES)的协调工作。其宗旨是创建一个能够满足科学界现时和未来需求的泛欧洲基础设施核心。NERIES是一个由25所大学和研究中心组成的联合体,每一个机构都将其专业知识和基础设施贡献给大家分享[152]。NERIES对地震研究和监测机构的要求都一一作出回应;其第一要务就是监测和了解地震过程。其活动事项都与数据交换、数据归档和技术转让有关。GEOSCOPE计划还参与了欧洲综合波形数据归档(EIDA)子项目,旨在创建一个独一无二的欧洲信息门户(如图11b所示)。

图11 (a)法国:2006年,FFOSL更名为FOSFORE。主要目的是将不同的法国台网和位于不同地方的机构(Grenoble、Nice、Paris、Strasbourg)联合起来建成一个法国门户,此举是在以“数据中心”为主导的基本理念下实现的。(b)欧洲:GEOSCOPE和NERIES。EIDA项目对应于4个欧洲节点位于荷兰的ORFEUS、德国的GFZ、意大利的INGV和法国的IPGP

12 结论与展望

我们介绍了GEOSCOPE诞生的历史背景及其在一系列重点科学项目推动下的发展历程。我们描绘了GEOSCOPE发展过程中的演变、经历的主要步骤以及面临的挑战,着重介绍了其在国际背景下的成功经验,也描述了GEOSCOPE在前进道路上遇到的主要困难。

GEOSCOPE是全球第一个三分量“宽频带”地震网,开启了数字地震学的一个崭新的时代。GEOSCOPE作为一项法国的行动计划开始于1982年,它是全球宽频带地震台网的创始成员。该计划已经发挥了关键作用,其技术发展计划由FDSN协调,而且长期以来都与国际宽频带行动的科学目标紧密相连。几十年间,GEOSCOPE在台站配置、数据采集方法和数据传输方面无时不在进行着必要的升级。

GEOSCOPE数据被地震学界广泛应用于震源研究和地球内部三维模型(层析成像)的建立。源自GEOSCOPE观测台网的产品涉及范围非常广泛:从地震危险性评估与跟踪到对地球内部动力学的深刻认识;从俯冲板块和地幔不均匀性的研究到地球物质的特性。该网络参与了整个地球的震源参数化工程。GEOSCOPE实时台站数据被应用于全球CM T估算[69]和CM T参数的IPGP常规测定。GEOSCOPE网从一个基础性的全球地震台网逐步变成了一个与国际监测系统相关的全球化多参数实时监控网,特别是在印度洋和法属西印度群岛海啸危险性的监控方面发挥着独特的作用。

固体地球、海洋和大气研究已成为GEOSCOPE职能中越来越重要的组成部分。地球科学家对时间相关的地震学(四维地震学)越来越感兴趣;他们需要长时间序列的数据来研究长周期现象。由此,GEOSCOPE台网的长期化运作对于这些新兴领域(包括环境地震学)显得尤为重要。

(网上资料:附录1台站信息;附录2 1982年至今的GEOSCOPE团队;附录3致谢;补充图S1—S8。网址:http:∥www.ipgp.fr/～groult/Roult.esupp.doc)

(注:原图除图1、4、11外,其余均为彩图)

译自:Seismological Research Letters,Vol.81,Number 3,May/June 2010,427-452

原题:The GEOSCOPE program:Progress and challenges during the past 30 years

(中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译;郑需要 校)

(译者电子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

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