国际监测系统(IMS)台网布局综述与评价*

郭昱琴 李 盛

(海南省地震局， 海口570203)



国际监测系统(IMS)台网布局综述与评价*

郭昱琴※李 盛

(海南省地震局， 海口570203)

1960年9月10日的联合国大会通过了全面禁止核试验条约(CTBT)， 为了监视全面禁止核试验条约的执行情况， CTBT议定书附件1列出了IMS中构成基本网络的全球50个地震台站(阵)。 IMS台阵多数为同心圆小孔径台阵。 本文详细介绍了国际监测系统(IMS)的核监测试验方法、 地震台站监测分类和建设步骤及两种不同类型的地震台站台网分布情况， 并对IMS的地震监测能力做出了评价。

IMS； 地震台阵； 核试验； 监测系统

引言

1960年9月10日的联合国大会通过了全面禁止核试验条约(CTBT)， 为了监视全面禁止核试验条约的执行情况， CTBT议定书附件1列出了IMS中构成基本网络的全球50个地震台站(阵)(主要为台阵)的清单， 其中包括我国的海拉尔台阵(PS12)和兰州台阵(PS13)[1]。 IMS基本地震台阵多数为同心圆小孔径台阵。 IMS通过89个国家的321个监测台站和16个放射性核素实验室， 监测在各种环境下核爆炸的迹象[2](图1)。

IMS使用如下4种监测方法监测核试验[3]：

地震监测： 探测全球发生的地震； 水声监测： 探测海洋中由自然和人为事件所引起的声波；

次声监测： 探测大气中由自然和人为事件所引起的低频声波；

放射性核素台站： 探测来自大气爆炸、 水下爆炸、 地表泄露的放射性粒子。

4种监测手段中， 地震台阵是最主要的而且成熟的监测手段(图2)。

图1 各种监测手段台站分布

图2 (a) 地震技术监测地下核爆炸； (b) 水声技术监测水上核爆炸； (c) 次声技术监测空中核爆炸

1 IMS地震台站监测

IMS 的地震台站中包含地震台阵和三分向台站。 台阵是由统一仪器按照标准形状布设的台站组， 具有提高信噪比的功能， 而三分向台站则是具有垂直向、 南北向、 东西向监测功能的地震台站。 IMS主要台站和辅助台站均包含了这两种类型， 即地震台阵和三分向地震台站。

地震监测的目的： 地震监测是CTBT为了履行条约， 其检查机制应用的3种波形技术中的一种。 地震监测的目的是检测并定位地下核爆炸。 每天来自地震监测的数据结果被用来分辨地震事件是天然的还是人为的， 比如天然地震和矿塌。

地下核爆炸起始于1950年， 并引起了广泛的关注。 很快， 人们发现地震观测可以提供一种方法检测到这些事件的强度和位置。 对于检测一个可疑的核爆炸事件， 地震技术是一种非常有效的手段。 地震波传播速度很快， 它们可以被世界范围内分布的地震台站在几秒到10分钟的时间内记录到。

地震监测对于现场调查(OSI)的准备非常重要。 地震数据的分析可提供可疑地下核爆炸的必要位置信息， 这是确定一个可疑地区的先决条件。

建设IMS地震台站有四个步骤， 包括勘址、 安装、 鉴定和运行(图3)。 首先， 勘址用来评估点位是否合适建立一个台站， 并且确定任何可能影响台站设计的特殊条件。 条约为每个台站列出了地理坐标， 但是只有勘址能够确定一个地震台站和它的子台的实际位置。

第二， 选择单独的承包人来进行台站的设计、 建设和安装。 这个选择一般通过国际招标。 CTBTO筹备委员会为台站建设提供建议并且检查建设过程中的所有方面， 而后确认它达到所有的标准并能够被确认为一个IMS台网中的合格的台站。

IMS台站必须确认IDC得到的数据是可靠的。 这可以通过为每个台站的数据流植入特殊的数字签名而完成。

第三， IMS台站必须确认所有的设备、 基础设施和设置都达到了由CTBTO制定的技术标准， 所有的数据都通过全球信息基础设施(GCI)实时传送到维也纳的IDC。

第四， 一旦经过认证， CTBTO就会和台站运行者建立运行维护协议， 然后执行长期的质量监控用来维护高水平的数据质量、 数据可用率和台站性能。

图3 (a) 主要地震台站 PS41， 泰国清迈; (b) 主要地震台站PS12的建设， 中国海拉尔; (c) 主要台站 PS15， Dimbroko， 科特廸亚； (d) 主要台站PS23， Makanchi， 哈萨克斯坦

2 地震监测台网

条约需求两个全球性监测台网， 即包括50个台的主要地震台网和包括120个台的辅助台网(图4)。 这包括50个主要地震台的台网向IDC实时传送数据， 并被广泛地应用。 辅助台站依托于已经存在的地震台站， 通过升级以达到IMS的技术标准， 这些台站不用实时传送数据， 而是在CTBTO需要时传送。

有两种不同类型的地震台站： 地震台阵和三分向台站。 主要地震台网大约60%的地震台为地震台阵台站， 它们一般包含9～25个地震计， 在一定范围内按几何形状分布。 辅助地震台网的大部分台站是三分向台站。

一组地震计以特定的几何模式在几千米至几百千米的范围内有规则地布设， 叫地震台阵。 由IMS建设的新地震台阵孔径一般为3～4 km。 老的地震台站， 被IMS升级或者与其地震台网联合的台阵， 最大能控制500平方千米。

图4 主要地震台网(上图)和辅助地震台网(下图)， 图中， 红色圆点表示台阵台站， 绿色圆点表示三分向台站

地震台阵可以增强监测能力， 主要有几个原因。 它们增加了信噪比(图5)。 这就意味着我们更容易从背景噪声中提取实际信号， 防止被漏掉[4]。 台阵台站会给予一个更好的方位角， 也就是它们确认信号到来的方向。 传感器的空间分布还可以估计地震波的速度。 地震波的方向和速度信息对于确定一个特殊事件的位置是至关重要的。

三分向台站有一个地震传感器， 用来监测地震波的3个空间方向， 也就是垂直向、 南北向、 东西向。 与地震台阵台站相比， 三分向台站通常有大的误差， 但是更加节约成本(图6)。 这种类型的地震台也计算体波和面波， 因此可以提供事件的深度和震级信息。

图5 地震台阵的优势是信号质量的改善， 那就是每个传感器上观测到的信号加起来----参看最上面的波形

图6 三分向台站 PS21， Tehran， 伊朗伊斯兰共和国

现在的地震计可以检测到很小的地震动， 小到可以检测晶体中原子距离的尺度。 但是持续的背景噪声， 也就是地震噪声， 通常会使地震信号失真并限制它们的检测[5]。

地震噪声大部分由风和海浪产生， 交通工具和工业行为也会产生地震噪声。 为了减少地震噪声的影响， 地震台站通常建在偏僻的地区。 首先选择地质基岩出露的地方， 并且远离人类活动区。

3 评价

IMS主要地震台站有50个， 它们实时传输信号到IDC， 而实际上有很多辅助台站的数据也没有按照议定书上的按需传输， 而是实时传输到IDC。 IMS和全球地震台网(GSN)之间有52个台站共享数据， 如此IMS地震台站的数量甚至可以达到100个。

IDC 于2000年2月至2014年3月定位的地震事件有420823个(图7)， 遍布全球。

图8为IMS地震台站的监测能力， IMS对南半球地震事件的监测能力下限在ML3.5～3.7之间， 对北半球地震事件的监测能力下限要低些， 为ML3.1～3.3。 这是由于北半球陆地较多， 从而地震台站较多造成的。

图7 IDC定位的地震事件

图8 IMS地震台站的监测能力

CTBTO/IMS： 最多30 s延迟； LISS： 平均100 s 延迟； IRIS： 平均180 s延迟

图9表示了IDC的数据质量分析， 并与IRIS的数据质量进行了对比。 IMS台站的数据延迟最多为30 s， 而LISS的数据延迟平均为100多秒， IRIS的数据时间延迟平均为180多秒。

目前IMS要求的数据可用率为98%， 年停记要小于等于7天。 目前情况是IMS主要台阵的数据可用率为93.6%， 辅助台站的数据可用率为87.3%。

[1] 郝春月， 边银菊. 地震台阵、 台阵地震学在中国的现状与发展. 国际地震动态， 2007(9): 36-43

[2] Douglas A， 郑建常， 王丽凤 译. 地震台阵在地震与禁核试地震学中的用途. 世界地震译丛， 2006(1): 70-82

[3] 郝春月， 郑重， 牟磊育.台阵地震学、 地震台阵与禁核试验条约监测系统. 中国地震， 2007， 23(3): 233-244

[4] 袁松湧， 宋丽莉， 杨徽， 等. 地震台阵流动地震仪的检测与标定方法研究. 地震地磁观测与研究， 2010， 31(1)： 49-56

[5] 郝春月， 贺冬梅， 张爽， 等. 台阵地震学方法及在中国IMS台阵的应用研究. 地球物理学进展， 2008， 23(3)： 668-673

Network layout and assessment of the International Monitoring System (IMS)

Guo Yuqin Li Sheng

(Earthquake Administration of Hainan Province， Haikou 570100, China)

The General Assembly of the United Nations adopted the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty (CTBT) on 10th September,1960. To monitor the implementation of the CTBT, Annex 1 of the CTBT Protocol lists 50 global seismic stations that constitute the basic network for IMS. Most IMS arrays are concentric circles with small aperture. This paper introduces the methods of nuclear monitoring, classification and construction steps of seismic monitoring stations and the distribution of two different types of seismic stations, and evaluates the seismic monitoring capability of the International Monitoring System (IMS).

IMS; seismic array; nuclear test; monitoring system

2016-09-28； 采用日期： 2016-10-10。

※通讯作者： 郭昱琴， e-mail: skylineguo@126.com。 基金项目： 地震行业科研专项“中国全球地震台网建设预研(201508007)”资助。

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.11.009