IRIS规划未来地球物理设施发展*



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IRIS规划未来地球物理设施发展*

赵纪东※王艳茹编译

(中国科学院兰州文献情报中心，兰州730000)

引言

地球物理设施按能力可以分为现有基础能力、新兴基础能力和前沿能力。目前的现有能力对科学发展尤为重要，若被削减，会对科学研究产生阻碍。新兴能力是指在成熟的技术条件下，能够在重大科学挑战的应对中带来突破的基础设施。前沿设施能力是指在不同程度上新出现的能力，能对科学产生变革作用，对社会意义重大。2015年9月，美国地震学联合研究会(Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS)向美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)提交了《应对重大地学挑战的未来地球物理设施需求》(future geophysical facilities required to address grand challenges in the Earth sciences)报告，从现有基础能力、新兴基础能力和前沿能力这3个主要方面分析和规划了美国未来地球物理设施的发展，同时也考虑了教育、劳动力发展等方面的辅助因素。在此，我们对其核心内容做一简要介绍。

1现有基础能力

1.1永久性地震仪、应变仪和大地测量网

解决基本的地球物理问题依赖于高质量、长期的地球物理记录，这些数据有助于对比重要事件，并为一些设备的临时部署提供参考框架。

(1) 全球甚宽频带地震台网。该网平均站距约为20°(相当于陆上的10°)，目前仅限于陆地，可用于地球构造、地震以及核条约核查的研究，也可以用于监测、快速事件鉴定，还可以用于对地震、海啸及其他地震事件的预警。

(2) 永久和连续记录的GPS网。密集稳定的GPS网络所提供的数据必须具有低延迟(<1 s)和高采样率(≥1 Hz)的特点，这样才便于解释主断裂附近震间、震中和震后的板块变形。板块边界的高速、实时大地测量数据能约束大地震和海啸早期预警系统。

(3) 钻孔应变网。钻孔应变计可以捕捉地震与敏感GPS仪器间的部分光谱变形，该仪器遍布活动板块边界断裂带和美国西部火山群，可以为断裂系统、同震/震后变形等提供特有的无震滑动瞬变观测。

1.2测震系统

它能为各类用户收集一系列带宽的高质量地震数据，同时还能进行一些与数据服务相关的收集和传播活动。

(1) 适用于本地及次大陆网络和阵列的便携式宽频带地震仪。设备遥测能力约为1000 km，临时安装的野外地震仪及配套设备可进行专业储存、维护和运输，同时仪器组件还应支持极地/冰川环境下的部署。

(2) 可控源地震仪系统。对地壳尺度研究大约需要3000套独立的地震仪系统，对关键带和地质工程尺度研究大约需要500条电缆系统的记录信道。

(3) 震源设备。它能为陆地和海洋数据的获取提供保障。可控的主动源应可提供从几米到数十千米的最高分辨率的地下结构和组成图像。

(4) 海底地震仪。它包含约160个宽频带和100个短周期系统的浅水和深水设备，后者常用于主动源折射研究。此外，它还包含压力计以及用于强地面运动研究的加速度仪。

1.3大地测量观测系统

重复的临时部署及综合利用合成孔径雷达数据是多数地区获取足够密集观测的唯一途径。

(1) 部署全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)仪器。未来应在全球范围内临时部署约150套最新GPS接收器。GNSS仪器库可用于捕捉大地震后的瞬时变形，同时还需适用于极地或其他极端环境。

(2) 海底大地测量。该设备有利于测量海底活动与半连续观测，应当继续开发能降低成本和增加时空采样的基础技术，来进行大型事件的基线测量和抗震瞬变的研究。

(3) 陆地激光雷达。该设备的共享需要整合硬件、现场工程师和软件技术，支持地质、地貌和极地科学的各项研究。

1.4陆地和海洋大地电磁(MT)

未来设备应包括对100多个长周期和宽频电磁系统访问的集中和维护，以支持由首席科学家引领的活动，同时还应具备支持2～4个同步活动的能力。

1.5数据归档、质量控制和分配

提供现代的数字化基础设施，对大容量的地震、MT、InSAR、GPS/GNSS、应变计和TLS数据进行质量控制和专业支持，并开放存取这些数据，同时还应包含原始数据和数据格式处理及其相关元数据的归档和有效分配。

1.6社会产品和服务的托管

未来设备应涵盖地震、干涉、大地测量时间序列的社会产品和服务，以及社会模型、软件、教学和研讨会等。

1.7高级计算机模拟工具

为社会提供创新的计算方法、资源和技术，促进对地球和地球系统的了解。

1.8其他

(1) 专业人员支持。工作人员应具备各种专业知识，实现最佳实践。

(2) 劳动力发展。发挥设备及管理人员在与学术伙伴合作、下一代地球科学家培训方面的教育、指导作用。

(3) 专业人员组成的全国教育和公众宣传计划。提供一系列能够影响非正式教育、K-16教育和非正式学习的资源，以直达年轻观众，吸引新成员。

2新兴基础能力(2018—2023年优先方向)

2.1高频阵列

在首席科学家或团队行动中，应当为团队提供10000个三分量的、可快速部署的、稳定的中短期地震系统，以便其能够对地震、火山、冰川或其他事件做出快速响应。并且系统的规模应实现从稀疏地震波记录到全波场地震波记录的转变。

2.2快速响应设备

在应对数小时至数天的重要地球物理事件，如火山爆发、震群或余震序列、冰川、滑坡时，该类设备应可支持或部署为小型到大型的仪器网，增强实时监测和响应能力。

2.3对大容量合成孔径雷达数据和产品的访问

该设备应该能提供对大容量卫星合成孔径雷达产品的常规、自动和快速访问，包括美国和印度即将开展的美国宇航局空间研究合成孔径雷达(The Nasa-Isro Synthetic Aperture Radar，NISAR)计划。理想状态下，它还应提供对具体项目再处理的访问。

2.3GNSS操作处理

操作处理应完成从单一的GPS信号到完整的GNSS信号的转变，以支持新方法、模型和数据产品的持续创新。

2.4增强探索、开发、应用新一代和新兴仪器的能力

为团队提供关键技术、经验和资源，使新技术能够得到较快应用。同时，相关设备应不断研究和整合这些可用的新技术。

2.5地貌、冰川、地表、近地表和关键带地球物理研究所需的地球物理仪器

包括可进行运动式(campaign-style)部署的便携式硬件、井下地球物理测井仪和可深入地下50～100 m的小型钻孔/取芯机。

2.6陆地震源

可控活动震源是高分辨率地壳成像的关键。目前，学界和业界已经认可了三维及四维反射地震，认为其具有持续性价值。

2.7陆地和海洋电磁(EM)

应扩展和调整地壳尺度(周期为1000 s)的宽频带电磁系统，使其能实现6～10台仪器的同时部署，支持近地表和关键带的研究。

2.8增强海底地震和大地测量能力

要有长期在浅水中部署数十台或更多仪器的能力，以便定期记录宽频带地面运动，同时还要部署海底大地测量仪，在研究区开发和运行海底大地测量阵列。

2.9高带宽、实时全球遥测

对经济、稳定、高带宽的实时地震遥测技术和部署周期不定、数量不定的大地测量仪提供全球访问。

2.10支持多学科环境观测仪器和遥测系统的开发

能量、数据和通信系统应支持更广泛的地球物理观测，该观测通过不同的模拟和数字传感器进行各种辅助地球观测。

2.11随时随地访问高性能计算(HPC)资源

能提供可大规模简化数据、正演模拟、可视化和模型推理的软件及工具。

2.12在全国范围内开展K-12教育

提供对科学方法的经验认识，以显著改善美国学生的教育。目前，急需相应的教师、课程开发者和教科书生产商。

3前沿能力

3.1海底地球物理网和浮动地球物理网

它应该具备安装、维护和开发密集的海底地球物理观测的能力和资源，在某些情况下，需提供实时的连续记录。目标区域的具体设备应能够进行远洋盆地的长期地震观测，为全球地震网络(Global Seismic Network，GSN)和宽频带大地测量观测制定设计标准。

3.2新一代大地电磁和可控源电磁系统

宽频带和可控源的电磁设备应适用于四维成像的长期部署。未来应支持和开发廉价且更有效的仪器，改良廉价电磁成像仪，为密集采样制定新策略。目前的当务之急是开发真正的多用户的海上电磁设备，类似于海底地震仪组(OBSIP)。

3.3深部钻探及相关仪器

它支持大陆和海洋深部(>1 km)的钻探，以进行活动断层的原位研究，关键仪器包括温度、水文、地震、应变和地球化学传感器。

3.4高风险/高收益的实验仪器

它适用于无法进行远程观测的地区，一般搭载无人机或其他具有运动摄影、传感器等功能的仪器系统，包括在极端地形区及其他危险区域开展与人类安全有关的高风险科学研究时，可瞬时、快速或自动部署的、可能为一次性的遥测仪器。

3.5其他

(1) 推动对地球系统科学的广泛理解。探索新的沟通方式，提高数据和概念的可视化，增加科学家、教育工作者和新闻工作者的交流机会，为学生制定能使研究经验最大化的计划和清晰的职业生涯规划。

(2) 劳动力多元化。招收不同种族的学生来确保美国在地球科学领域的领导地位，同时还需制定通用的多层面的专业管理方案。

文献来源： Aster R，Simons M，Burgmann R，et al. Future geophysical facilities required to address grand challenges in the Earth sciences. (2015-09-15)[2015-11-20]. http:∥www.iris.edu/hq/files/workshops/2015/05/fusg/reports/futures_report.pdf： 33-41

中图分类号：P315；

文献标识码：D；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.01.001

通讯作者：※赵纪东，e-mail: zhaojd@llas.ac.cn。

* 收稿日期：2015-12-03； 采用日期： 2016-01-08。