GEOFON地震台网布局与组网*

杨大克

(中国地震局地球物理研究所,北京100081)



GEOFON地震台网布局与组网*

杨大克※

(中国地震局地球物理研究所,北京100081)

为了中国全球地震台网建设事业的顺利进行,对GEOFON地震台网进行了调研。获得了GEOFON地震台网布局、 组网协议、 台网台站主要组成仪器等资料,为我国全球地震台网建设提供了翔实的背景资料。

GEOFON； GFZ; 中国全球地震台网； 台网布局； 组网

引言

通过“九五”、 “十五”期间的建设,我国已建成由1个国家台网和31个省级区域台网构成的数字化测震台网,目前全国测震台站总数达到1021个。由于中国地震台网台站主要分布在中国大陆,受台站布局所限,对国外地震的监测能力十分薄弱。随着网络技术的发展以及我国与各国际组织合作的不断展开,我国目前已能断断续续接收到由美国全球地震台网(Global Seismic Networks,GSN)记录到的实时或准实时地震波形数据,但在显著地震发生之后,网络拥堵、 通讯受阻,往往导致数据传输不稳定。因此,目前我国对国外地震的速报时间较长、 定位偏差较大。相应地,我国对全球的地震研究也处于劣势。由于国内互联网络链路不稳定,经常由于网络拥塞或网速较慢,导致GSN数据延迟或中断,甚至中断数日。因此,建设一个由我国地震系统自主运行维护的、 覆盖全球的、 可长期连续观测的地震台网,实时地获取来自全球各大板块的地震信息,是快速准确获取国外震情、 有效监视境外特殊事件、 开展全球地震研究的必需。为了更好地建设中国全球台网,首先要对国际上已有的地震台网进行调研。这里主要对德国主导的GEOFON地震台网进行了调研。

1　简介

GEOFON(GEOFOrschungsNetz)是一个由德国地球科学中心主办的,与50多个研究所合作的全球宽频带地震台网(图1),主要着眼于欧洲地中海地区和印度洋地区,在2014年拥有覆盖所有大陆的80个高质量地震台。其中,很多数据都是实时传输的。目前,GEOFON在全球实时地震学方面处于领导地位,它为GeoForschungsZentrum (GFZ),即亥姆霍兹-波茨坦中心----德国地球科学研究中心(Helmholtz-Centre Potsdam----German Research Centre for Geosciences)和其他地震团体的所有基础/应用全球/区域的地震研究计划提供有价值的数据。GEOFON于1993年开始产出数据,台站由当地合作者运行维护,由GFZ给予指导和后勤支持。GEOFON致力于最先进的技术开发,可以使它能够物尽其用。所有的台站都配备宽频带地震计(一般为STS-2),可以分辨全部的地震谱,从高频小地震到最大的全球地震。数据从地震台直接实时传输到GEOFON数据中心,而后通过有线或者卫星直接传输到地震(和海啸)预警中心。GEOFON为广大地震台网和GFZ提供了数据服务,大部分数据是公开的,如果条件允许,实时波形数据的需求也是可以满足的。GEOFON利用数据组成了全球地震监测系统,它会即时发布全球地震信息,承担快速大震信息发布。GEOFON是地中海、 印度洋、 东北大西洋地区的海啸预警最主要的部门。它还是由GFZ主导的模块化地球科学基础设施(Modular Earth Science Infrastructure,MESI)的一部分(http:∥www.seiscomp.com/)。GEOFON除了发布信息外,还对科学研究做出了巨大的贡献[1-11]。

图1　(a) 地震台站; (b) 数据服务器; (c) 工作站

1.1作用

GEOFON通过提供快速、 跨国家的地震数据和大地震的震源参数,促进地震研究并减轻海啸和地震灾害,并且保持这些数据长期可用。与当地台网合作,运行与维护一个具有永久宽频带台站的全球台网,可以实现这些愿望,并实时获取这个台网以及其他许多合作台网和板块边界观测站的数据,成为一个永久并且安全的地震数据存储中心。它还存储由德国一些大学和研究所的科学家所做的临时试验数据,因此,促进了各方合作并且鼓励所有可用数据的完全开发,并作为波茨坦地球物理仪器库(Geophysical Instrument Pool Potsdam,GIPP)的永久数据存储中心。另外,它还组织与具有合作关系的研究所和国际中心进行实时和存储数据的交换。

1.2职能

利用实时数据流,GEOFON可快速自动确定全球记录的大地震和大部分区域地震的位置,并在几天内提供人工修正的大地震结果。这项服务在全球范围内可向地震和海啸预警中心、 政府机关、 灾害控制组、 新闻媒体以及GFZ和别处的科学家提供基本的、 快速的地震信息。

它发展并改善快速实时数据分析方法,开发世界前沿水平的软件,吸收各处的方法应用到它的分析流,并且与其他国家和国际数据中心合作,发展地震数据交换的标准。

地震数据和地震参数有助于地球结构与地球动力学基础研究,主要是固体地球,还有水层和大气层； 有助于与大地震、 海啸灾害相关的应用研究,有助于以减灾为目的的国家和跨国公司的地震监测,以及公众的快速信息获取。

GEOFON是位于GFZ的MESI的一部分,GFZ为在MESI的永久台网、 分布与存储工作组、 通讯工作组内提供服务。GEOFON的活动由一个外部监督委员会,即GEOFON咨询委员会监督。它直接通过提供科学设施,即全球地震台网的数据存储与监测设施,支持亥姆霍兹委员会,用来研究复杂的地球系统。因此,它有助于减轻地震和海啸灾害带来的巨大灾难。

2　台网布局

2.1全球台网布局

GEOFON台网主要分布在欧洲。图2是GEOFON台网在世界的分布图。红色表示NRT(Near-Real-Time)准实时台站,黄色表示其他GEOFON台站,黑色表示关闭的GEOFON台站[12]。

2.2GEOFON扩充实际地震台网(GEVN)

为完成监测全球地震的任务,GEOFON通过互联网收集了永久台网、 伙伴台网、 欧洲甚至世界范围内的公共台网的数据,形成了所谓的GEOFON扩充实际台网(GEOFON Extended Virtual Network,GEVN,700多个台站)(图3)。在欧洲进行大范围的实时数据交换是EC计划(MEREDIAN和NERIES)的一个主要成就。EC计划由欧洲地震观测与研究实验室(Observatories and Research Facilities for European Seismology,ORFEUS)协调,主要以GFZ开始的布设和发起为基础,由美国数字宽频带地震台网联合会(Federation of Digital Broad-Band Seismograph Networks,FDSN)进行了全球化。GFZ地震信息服务作为所有相关研究所的联合努力,他们必须获得信任。SeedLink实时数据交换主要由单独网络数据中心直接提供。但是,对于与BE、 BS、 NO、 NS、 SS台网的数据交换,主要由ORFEUS数据中心(德比尔特,荷兰)获取； 对于与CU、 GT、 IC、 JP、 MS、 MY和US台网的数据交换,由美国地震学研究联合会(Incorporated Research Institutions for Seismology,IRIS)数据管理中心(西雅图,USA)获取。另外,IRIS数据管理中心还是FDSN主干台网的数据中心。

图2　GEOFON地震台网在全球的分布

图3　GEOFON扩充实际台网在全球的分布

2.3实际欧洲宽频带地震台网(VEBSN)

实际欧洲宽频带地震台网(Virtual European Broadband Seismic Network,VEBSN)由许多宽频带地震台站组成,产生的数据被欧洲地震观测实验室实时或者准实时共享。数据共享以VEBSN运行守则为基础,并且是收集和存储数据进行科学研究的有效载体。因此,数据保存在欧洲综合数据存储中心(European Integrated Data Archive,EIDA),实际上是一个欧洲区域内的FDSN存储中心。

VEBSN起始于EC计划的地中海-欧洲快速地震数据信息和存储中心(Mediterranean-European Rapid Earthquake Data Information and Archiving Network,MEREDIAN),在欧洲地震研究的基础设施网络(Network of Research Infrastructures for European Seismology,NERIES)计划中,VEBSN被扩展,并且建立了EIDA。

2.4各国台站列表

表1是GEOFON最近几年存储数据的台网和台站清单,大部分数据都可以获取。网络分为永久台网和暂时台网。“Virtual”台网包括属于永久和临时台网或更多不同台网的台站。GFZ的特别行动组试验布设的台站属于临时台网。

3　台网技术系统

3.1台站基本配置

所有台站都配备了宽频带(一般为STS-2)地震计,能够记录高频小震,也能记录长周期大震。图4为GEOFON台站地下室设备。图5是GEOFON台站记录点设备[12]。

图6和图7是GEOFON在土耳其的Malatya台站和IRIS、 GEOFON共有的位于智利的Limon Verde台站(台站代码为LVC)。

GEOFON各子台网中台站所使用的地震计主要有Guralp、 Geotech、 Streckeisen、 Nanometrics、 Lennartz公司生产的CMG-3ESP、 KS-54000、 STS-2、 Trillium、 Le3D/20sec等。各子台网中台站所用数采主要有Quanterra、 Nanometric、 Reftek、 Kinemetrics、 Lennartz、 Geotech公司生产的Q330、 HRD-24、 Reftek 130、 K2、 M64、 DR-24等。

3.2组网

GEOFON主要包括永久台网、 临时台网、 GEVN和VEBSN。数据在GEOFON数据中心通过有线或卫星实时传输采集后,便自由分配到地震监测和海啸预警中心。

GEOFON传输协议采用SeedLink世界标准。数据归档协议采用ArcLink。采用卫星或有线传输地震数据(图8)。

3.2.1SeedLink通讯协议

SeedLink是实时数据采集协议和执行该协议的客户服务软件。SeedLink协议以TCP为基础。所有的连接都由客户制作。在信号交换阶段,客户可以用简单的ASCII码命令向特定的台站和数据流订阅数据; 当数据交换结束后,一串包含8字节SeedLink头段、 512字节MiniSEED记录的SeedLink包就发送给客户。每个单独台站的包总是及时传输。SeisComP中有关SeedLink的执行是最老的并且被广泛应用的,但是,还存在其他的执行命令。IRIS数据管理中心(Data Management Center,DMC)部署了另一个有名的应用,而一些厂商在他们数采的固件中应用SeedLink。一般来说,所有的应用都是兼容的,但并不是所有都支持全部SeedLink 协议。另一方面,IRIS的DMC执行一些扩展软件,但不被其他服务器支持。以下,我们用SeedLink代替SeisComP中SeedLink的应用。SeedLink服务器的数据源可以是任意数据,它们由SeedLink插件支持,插件是一个向SeedLink服务器发送数据的小程序。插件由SeedLink服务器控制,例如,当插件崩溃或者超时发生时,插件会自动重启动。由插件提供的数据可以形成一个包含着时间信息的Mini-SEED包或者就是原始整数样本。如果是下一种情况,SeedLink服务器用整流器制作需要的数据流并组装MiniSEED包。

表1　永久台网列表

图4　GEOFON台站地下室设备

图5　GEOFON台站记录点设备

(a) Malatya台站外貌； (b) Malatya台站地下室设备

图7　IRIS/GEOFON共有台站Limon Verde(智利)-LVC

图8　ArcLink网络概念

3.2.2ArcLink 通讯协议

SeedLink被设计用来进行实时数据传输。SeedLink用户只能获取相对较短的实时环形缓冲区中的数据。此外,SeedLink既没有功能访问台站数据库,又不能处理仪器响应,所以不支持全SEED格式数据。ArcLink通过提供上述功能弥补了SeedLink的不足。ArcLink协议与SeedLink相似： 它基于TCP,并且利用简单的ASCII代码命令。一个概念性的差别是客户不向实时数据流订阅,而是基于时间窗请求数据。与SeedLink不同,当数据请求被处理后,数据不是立即传送,可能是几分钟后甚至几个小时以后传送。ArcLink请求与请求ID有关,这个ID可以用来获取请求的状态、 下载数据或者删除请求。ArcLink服务器不直接到达数据存储装置,但是给这项工作分配一个“请求句柄”。因此,我们可以通过应用不同的“请求句柄”利用ArcLink获取不同的数据存储。这个功能相当于利用SeedLink从不同的数据源获取不同的实时数据。这个“请求句柄”的功能与SeedLink插件功能相似,但是,当SeedLink在开机启动时,启动一个被定义为插件的程序,而ArcLink则是利用一个单独的请求句柄并且每个请求启动一个请求句柄。另外,对于波形和元数据,可以向ArcLink服务器请求路由信息。路由信息告诉我们哪个ArcLink服务器向我们提供一个给定台站的数据。路由数据库本身被认为在所有ArcLink服务器之间是同步的。用这种方法,客户可以连接到任何公共ArcLink服务器,请求路由信息并相应地分离请求。

3.2.3通讯手段

图9表示GFZ与全球各大数据机构的通讯关系[13]。阿拉伯卫星通讯组织(Arab Organisation of Satellite Communications)BADR4卫星、 国际通信卫星(international telecommunications satellite)IS10非洲频段、 Express AM22全欧洲频段卫星分别被用来传输阿拉伯国家地震台站、 非洲地震台站、 欧洲地震台站的数据,这些数据传输到维也纳,而GFZ与维也纳通过CROSAT进行数据交换。印尼电信(Telkom)2C波段被用来传输印尼地区地震台站的数据到BMKG,BMKG是印尼海啸预警系统[Indonesian Agency for Meteorological,Climatological and Geophysics (印尼气象局、 气候与地球物理局),Badan Meteorologi (巴丹气象局),Klimatologi,dan Geofisika or simply BMKG],而BMKG与GFZ进行数据交换,同时通过国际通信卫星与维也纳进行数据交换。

4　结论与讨论

GEOFON是由德国地球科学中心主办的与50多个研究所合作的全球宽频带地震台网,主要着眼于欧洲地中海地区和印度洋地区。由于GEOFON台网主要针对地中海和印度洋地区,所以台站布设也以这些地区为主,采用的地震计和数据采集器主要为世界上几个大的地震仪器厂商生产的仪器。

GEOFON主要包括永久台网、 临时台网、 GEVN和VEBSN。数据在GEOFON数据中心通过有线或卫星实时传输采集后,便自由分配到地震监测和海啸预警中心。GEOFON的传输协议采用SeedLink世界标准,数据归档协议采用ArcLink。采用卫星或有线传输地震数据。

GEOFON台网的布局、 采用的地震仪器、 采用的传输协议、 归档协议、 数据传输方式等都对中国全球地震台网建设具有重要的参考意义。

致谢感谢河北省地震局李小军同志在相关资料上的帮助。

[1] Erduran M,Cakir Ö,Tezel T,et al. Anatolian surface wave evaluated at GEOFON station ISP Isparta,Turkey. Tectonophysics,2007,434(1-4): 39-54

[2] Skarlatoudis A A,Papazachos C B,Margaris B N,et al. Combination of acceleration-sensor and broadband velocity-sensor recordings for attenuation studies: The case of the 8 January 2006 Kythera intermediate-depth earthquake. Bull. Seismol. Soc. Amer.,2009,99(2A): 694-704

[3] Houser C,Williams Q. Reconciling Pacific 410 and 660 km discontinuity topography,transition zone shear velocity patterns,and mantle phase transitions. Earth Planet.Sci. Lett.,2010,296(3-4): 255-266

[4] Boore D M,Skarlatoudis A A,Margaris B N,et al. Along-arc and back-arc attenuation,site response,and source spectrum for the intermediate-depth 8 January 2006M6.7 Kythera,Greece,earthquake. Bull. Seismol. Soc. Amer.,2009,99(4): 2410-2434

[5] Muyzert E,Paulssen H,Snieder R. A seismic cross-section through the east European continent. Geophys. J. Int.,1999,136(3): 695-704

[6] Hetényi G,Bus Z. Shear wave velocity and crustal thickness in the Pannonian Basin from receiver function inversions at four permanent stations in Hungary. J. Seismol.,2007,11(4): 405-414

[7] Schäfer J,Wölbern I,Rümpker G. Depth variations of the 410 and 520 km-discontinuities beneath asia and the Pacific from PP precursors. Geophys. Res. Lett.,2009,36(12): 91-100

[8] Konstantinou K I,Lee S J,Evangelidis C P,et al. Source process and tectonic implications of the 8 January 2006 (MW6.7) Kythira earthquake,southern Greece. Phys.Earth Planet. Inter.,2009,175(3-4): 167-182

[9] Erduran M,Endrun B,Meier T. Continental vs. oceanic lithosphere beneath the Eastern Mediterranean Sea: implications from Rayleigh wave dispersion measurements. Tectonophysics,2008,457(1-2): 42-52

[10] Pondrelli S,Salimbeni S,Morelli A,et al. Seismic moment tensors of the April 2009,L′Aquila (Central Italy),earthquake sequence. Geophys. J. Int.,2010,180(1): 238-242

[11] Diehl T,Ritter J R R. The crustal structure beneath SE Romania from teleseismic receiver functions. Geophy. J. Int.,2005,163(1): 238-251

[12] Hanka W,Saul J. GEOFON and its role in earthquake monitoring and tsunami warning: Volume 81 of NATO Science Series IV: Earth and Environmental Sciences,2008: 151-162

[13] Hanka W,Saul J,Weber B,et al. Real-time earthquake monitoring for tsunami warning in the Indian Ocean and beyond. Nat. Hazard.Earth Sys. Sci.,2010,10(12): 2611-2622

The distribution and organization of GEOFON

Yang Dake

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

The preparatory research was made on GEOFON to implement the project of China global seismic network successfully. We provided informative background materials for the project of China global seismic network by obtaining the distribution of GEOFON, the protocol of organizing GEOFON, the main equipment used in GEOFON etc.

GEOFON; GFZ; China global seismic network; network distribution; network organization

2016-05-13； 采用日期： 2016-06-02。

杨大克,e-mail: ydk@seis.ac.cn。

地震行业科研专项： 中国全球地震台网建设预研(201508007)资助。

P315.78；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.008