核查台阵、美国台阵与科学探测台阵现状综述*

张 爽

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)

中国全球地震台网建设预研

核查台阵、美国台阵与科学探测台阵现状综述*

张 爽※

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)

台阵具有不同的设计理念， 因而在各自科学研究和地震探测领域发挥着不同的作用。 本文介绍了当前正在运行的核查台阵(Seismic array)、 美国台阵(USArray)以及中国地震科学探测台阵(China array)的情况， 在此详细解释核查小孔径地震台阵与美国探测台阵、 中国地震科学探测台阵的区别。

核查台阵; 美国探测台阵; 中国地震科学探测台阵

引言

自从1958年在日内瓦召开的特别专家组会议提出地震台阵的概念以监测全球的核爆炸试验以来， 全球建设了数十个地震台阵并产生了台阵地震学。 为了探测了解深部物质的组构和地球动力学演化过程， 美国实施了USArray计划， 中国实施计划了China array， 经过数十年的发展， 台阵的概念不再单一。 为了给全球地震台网建设预研项目提供资料， 使广大科学研究人员了解地震台阵， 在此详细介绍了核查台阵(Seismic array)、 美国台阵(USArray)， 以及中国地震科学探测台阵(China array)， 对促进全球地震台网建设和促进我国深部探测工作的发展起到借鉴和启示作用。

1 核查台阵(Seismic array)

1.1 核查台阵发展历程及台阵技术简介

1958年10月31日， 为了讨论停止核武器实验， 美国、 苏联和英国的政要在日内瓦进行了全面禁止核试验条约的第1轮谈判。 在日内瓦谈判的科学专家组提出建设地震台阵以监测和识别远处的地下核试验， 为禁止核试验提供核查手段。 这一构想的提出与随后出现的几次旨在提高全球范围内地震台阵质量的活动， 为全球核查台阵的建设拉开了序幕。

同期， 20世纪60年代， 已经证明了在探测和提取源于地震或爆炸的信号特征时， 台阵比单个三分向的地震台站要优越。 与此同时， 从射电天文学、 雷达、 声学以及声纳学中借鉴采用了利用地震台阵来提高信噪比的思路。 这一系列研究成果的取得， 使得包括核查台阵在内的全球各国地震台阵获得迅速发展的机会。

与区域地震台网相比， 地震台阵所采用的技术不同。 原则上说， 地震台网可用作台阵， 而台阵数据也可以按照台网的方式处理。 然而， 大部分台阵处理技术要求整个台阵记录的信号具有很强的一致性， 这就给台阵的几何形状、 空间展布状况以及数据的质量等加上了重要的约束。

简单地说， 地震台阵是在与所观测地震波波长相当的孔径范围内有规则(直线、 圆形、 十字、 三角、 组合等)地排列安装若干地震计(子台)的地震观测系统。 它采用独特的地震数据处理方法， 将各子台的数据汇集在一起， 以达到抑制地面噪声， 提高信噪比， 突出有用地震波信号和获取有关震源及地球内部结构的信息， 从而获得比单个地震台更强的地震监测能力， 特别是提取微弱地震信号的能力。

应用地震台阵可监测到较远处的微震事件， 因而有利于对那些不宜在当地架台的地区进行地震监测， 特别是， 在边境地区和近海海域地区的地震监测。 台阵根据控制范围可分为大、 中、 小孔径地震台阵。 大孔径台阵有的可达到100～200 km。 由于各方面因素， 大孔径台阵中， 只有美国长周期台阵ALPA和挪威NORSAR中的7个子阵延续了下来。 目前， 国际上最普遍的是小孔径台阵(孔径3～5 km)和几个早期的中尺度台阵(孔径20 km左右)。

在核查台阵(Seismic array) 的建设进程中， 早期科学家们建议在全球建设包括180个小地震台阵的全球台网， 每个台阵包括10台垂直向短周期地震仪， 并且附加2台水平向短周期地震仪和1台长周期地震仪， 这些台阵主要分布在孔径几公里的范围内。 这种分布方式也称之为日内瓦型台阵。

经过近60年的发展， 当前， 在全面禁止核试验条约的国际监测系统(International Monitoring System， IMS)中， 有50个主要台站和120个辅助台站， 其中有30个是台阵台站， 辅助台站有7个是台阵台站， IMS主要台站/台阵将把数据24小时实时传输至位于奥地利维也纳的国际数据中心(International Data Center， IDC)， 辅助台站可根据需求提供地震数据。 目前， 50个主要台站/台阵中已有42个获得认证， 2个在建、 3个计划中、 3个刚刚安装完毕。 其中包括我国的海拉尔台阵(HILR)和兰州台阵(LZDM)， 海拉尔和兰州台阵均为同心圆小孔径台阵。 目前， IMS除了海拉尔台阵(HILR， PS12)和兰州台阵(LZDM， PS13)外， 还有白家疃(BJT， AS20)、 昆明(KMI， AS21)、 佘山(SSE， AS22)、 西安(XAN， AS23)4个辅助台阵， 图1为其分布示意简图。

图1 中国IMS主要台阵与辅助台阵的分布

1.2 核查台阵技术及其应用

在核查台阵的发展历程中， 科学家利用小孔径台阵的相似数据集， 开发了多种技术方法， 主要有聚束、 速度谱、 震源阵、 F-K分析、 滑动窗F-K分析、 双聚束等方法。

当前， 全球核查台阵的监测能力能把地下核爆的全球检测下限降低至1kt(千吨)甚至更低当量[1]， 同时， 通过给地震学家提供地球表面不同地点密集的地震波场空间采样， 地震台阵致使地球内部的速度模型得到了改进[2]， 区域尺度上的层析成像分辨率得到了提高[3-4]， 大大促进了全球尺度和区域尺度上地球物理探测工作和深部物质结构研究的发展。

除了可以运用由全球台网产出的数据来对全球尺度的深部结构进行大尺度成像之外， 还可以应用地震台阵进行全球各地诸多区域层析成像的研究工作[4-6]。 而对于全球许多不同地区的高于综合地震学分辨率水平的精细尺度结构， 台阵的工作也能够很好地帮助解决， 技术上有体波[7]和面波[8-9]等多种手段， 研究范围从地壳到上地幔[10]， 再到下地幔[11-12]， 乃至核-幔边界[13-16]， 直至内核区域[17-19]。

除此之外， 核查台阵的相关研究工作还有慢度校正[20-21]、 慢度异常研究[22]和震相特征[23]等诸多方向。

2 美国探测台阵(USArray)

以20世纪70年代美国开始的大陆反射地震探测计划(Consortium for Continental Reflection Profiling， COCORP)为标志， 全球各国以地壳和岩石圈结构为目标的探测计划至今持续不断。 这些发现不仅突破了传统的板块构造演化理论， 深化了人类对地震等自然灾害孕育、 发生和发展规律的认识， 拓展了人类索取自然资源的空间范围， 还加深了对地球上生命演化的认识。 因此， 当前世界各主要国家均制定了本国的深部探测工程， 并将之视为实现可持续发展的国家层次的科学发展战略规划。

继20世纪70年代开展的COCORP之后， 进入21世纪， 美国国家科学基金会(National Science Foundation， NSF)为地球科学研究在新世纪设立了规模空前的第2轮开创性科学研究计划----“EarthScope”(也称地球透镜计划)。 USArray由美国NSF子项目资助， 主要目的是研究北美地壳、 上地幔地质构造、 以及板块构造的反演。 另一个主要目的是通过分析地震源， 从微震到大震的破裂过程， 进一步了解地震的基本性质及其与火山和地壳构造活动的关系。 USArray台阵记录地震信号， 通过地震反演地下结构是地球物理学方法之一。 USArray台阵网格状分布还用于测量地壳和上地幔的电磁观测。 USArray的所有观测数据对全球公众和研究人员分发。 自2003年开始的未来将近20年里， EarthScope将综合多学科的理论和方法， 对北美大陆地区的板块构造和地球动力学演化开展全方位研究， 研究对象包括地震活动、 火山活动和断层构造等， 从沿着板块边界的变形， 直至大陆构造[24-25]。

2.1 美国探测台阵的构成方式

该地球透镜计划由NSF的重大科研设备设施建设(Major Research Equipment and Facilities Construction， MREFC)资助， 由4个子计划组成： 美国地震探测台阵(USArray)、 圣安德烈斯断裂深部观测(SAFOD)、 板块边界观测(PBO)和合成孔径干涉雷达(InSar)。

其中， 美国探测台阵由IRIS等机构和部分高校共同合作执行， 主要目的是利用台阵的监测方法显著提高美国及邻区所在的北美大陆深部岩石圈和地幔的地震图像分辨率， 得到深部物质组构方式以探讨其构造演化过程。

美国探测台阵有4种观测模式：

(1) 流动台阵(Transportable Array， TA)。 流动台阵是由400套高质量宽带地震检波器构成的可移动遥测台网， 以网格样式布设于一个从西部到东部区域逐步推进滚动观测的组构方式， 按设计要求提供某个标准网格的实时数据， 其台阵间距约70 km， 台阵中的每个子台都配有三分向宽频带地震计、 信号处理与通讯系统。 台阵在观测18～24个月之后， 向东移至下一个规划位置。 计划分5步(即“Bigfoot”)进行， 在10年周期内完成2000个点的观测， 形成如图2所示的对美国大陆的全覆盖。 该台阵能够记录包括人工爆破或人类活动， 近震和远震等天然地震以及火山喷发等自然现象引起的地震信息， 地震仪的频带宽度由数百秒到10 Hz， 可分辨出深度从地壳到上地幔块体、 下地幔构造直至核-幔边界的深部构造信息。 但由于对浅部5 km以内的结构分辨能力有限， 因此， 无法用于矿产资源开发及油、 气勘探方面的工作。 同时， 流动台阵还配备了大约50台大地电磁测量仪器， 用于提供岩石圈的热结构和流体含量等方面的信息。

(2) 机动台阵(Flexible Array， FA)。 机动台阵包括2146个仪器设备(326个宽频带地震计、 120台短周期地震计， 1700个主动源)， 可以布设灵活的接收台阵几何形状， 利用这些天然或人工震源， 可以为大的流动台阵里面的目标地点提供高密度的短周期观测。 机动台阵在一定范围内还为特殊地区研究高精度层析成像提供高质量数据。 机动台阵观测的震源可以是天然地震， 也可以是人工源地震， 通常会重点关注沉积盆地、 大陆裂谷和造山带的深部结构。

图2 美国探测台阵分布图(截止到2015年1月15日)

(3) 参考台网(Reference Network， RN)。 参考台网目前包括115个地震台站， 间距300～350 km， 覆盖整个美国大陆地区， 其中10个台站位于阿拉斯加， 扩大为美国国家地震台网。 每个参考台站都包括宽频带传感器， 可以记录长周期面波和高频体波， 可以研究从岩石圈到地核的结构。 其中一个子台还配置了甚宽频带地震计， 可以研究大地震引起的自由震荡。 参考台网的观测站提供了长期连续观测的平台， 为移动台阵的校准建立了固定参考点。

(4) 大地电磁台阵(Magnetotelluric Array， MA)。 美国探测台阵中的大地电磁台阵包括7个永久和20个流动台阵。 7个永久台阵分布于全美境内构成参考网络， 20个流动台阵作为永久台网的补充， 以70 km的网格间距布设， 通常进行周期为1个月左右的观测， 用于对特别感兴趣地区的地壳和岩石圈的电性结构进行研究。 这些数据与地震数据一起用来探测地球的热结构和地壳内部流体的分布情况。

2.2 美国探测台阵的当前观测进展

美国探测台阵已经完成了美国本土从东海岸到西海岸48个州的深部探测工作， 从2013年开始移至阿拉斯加， 计划在5年之内完成对阿拉斯加和加拿大西部的深部探测工作。 共有294个地震仪参与布设， 台间间距约85 km。

3 中国地震科学探测台阵(China array)

中国地震科学探测台阵(China array)系统是“中国数字地震观测网络工程”的重要组成部分， 是当前中国地震局正在进行的开展地震学综合研究的大型野外观测活动。

台阵系统主要由流动观测仪器系统、 观测单元监控管理系统、 可控震源系统、 流动观测技术保障系统、 流动观测数据中心和流动观测实验场构成， 总投资约10777.58万元。 中国地震科学探测台阵是由一定数量的地震仪组成， 并根据具体研究目的布设成一定几何形状的地震观测系统。 地震台阵仪器间具有良好的一致性， 精确授时， 观测数据采用专门技术进行处理， 可提高地震信号的信噪比和提高地震成像精度。 目前， 大规模流动地震台阵观测已经成为高分辨率深部结构成像的重要手段。 中国地震科学探测台阵作为开展地震学综合研究的大型野外观测系统， 是我国地震科学研究的重要技术支撑。 科学台阵设备分别存放于中国地震局所属的地球物理研究所、 地球物理勘探中心和地质研究所， 并在地球物理研究所和地球物理勘探中心建有仪器维护中心， 在地球物理研究所建有数据中心。 科学探测台阵的可控震源系统由大容量气枪震源和可移动式震源系统组成， 为台阵提供高能量、 低频、 重复性好且性能可靠的人工震源， 用于深部结构探测和动态监测， 为地震监测预报服务。 流动观测技术保障系统是科学台阵仪器设备的维护、 检测和技术支持系统， 主要由分别建于地球物理研究所和地球物理勘探中心的仪器中心组成。

流动观测数据中心是科学台阵系统的数据管理平台， 是由高性能计算机、 大容量存储和备份设备、 网络服务器等组成， 可以承担科学台阵资料的汇集、 存储和共享服务等任务， 并提供较强的数据处理计算能力， 可以迅速产出科学成果。

当前， 科学台阵主要由600套流动观测地震仪、 200套无线通讯设备、 20辆工程和越野车、 1套气枪震源和1套精密可控震源等设备组成。 可在观测现场实现地震仪器工作状态监控和观测数据收集回放等功能。 中国地震科学探测台阵所用的甚宽带仪器使用CMT3T和Reftek-130s， 地震计共有500套； 宽频带仪器使用CMG-3ESP和Reftek-130s， 地震计共有600套； 短周期仪器使用CMT-40T和Reftek-130s， 地震计共190套。 图3为部分仪器图。

图3 中国地震科学探测台阵所用部分仪器图

中国地震科学探测台阵计划利用大孔径宽频带地震台阵， 并联合其他地球物理方法， 对台阵布设区域及邻区深部地壳和地幔结构特征进行研究， 以探讨研究区域地震活动性与地球物理场演化规律。 该计划在15～20年里分7个阶段完成实施， 图4为各阶段地震台阵布设区域简图。 China array到目前仅完成了前两期的观测工作， 其研究成果正在逐渐产出。

4 小孔径核查台阵与美国探测台阵、 中国地震科学探测台阵的对比与讨论

4.1 研究目的

小孔径核查地震台阵从一开始建设， 目的就非常明确， 是为了监测各有核国家的核试验情况， 通过不断的技术发展， 可降低全球地震与核爆检测下限。 美国探测台阵与中国地震科学台阵的建立是各自所属国家为了对地下结构进行精细尺度高分辨率的深部探测研究工作。

图4 中国地震科学探测台阵7个阶段布设示意简图

4.2 研究性质

小孔径核查地震台阵为了监测核试验， 架设的是固定台阵， 以利于进行长期观测， 因而可加入地震台网进行联合定位。 而美国探测台阵和中国地震科学台阵通常是流动台阵， 以短期观测的方式进行科学研究。 因而需要项目自己建立数据库， 进行数据的存储和交流。 美国探测台阵的部分流动台阵在为期近两年的观测结束后， 会根据需求而改为固定台阵。 但中国地震科学探测台阵不具备这方面的规划。

4.3 布设孔径、 间距和形状

小孔径核查台阵布设孔径一般为3～5 km， 中尺度地震台阵约为20多千米， 台间距从几百米至几千米不等。 中国地震科学探测台阵的台阵布设间距通常为35 km左右， 美国探测台阵的台间距为70 km左右， 远远大于小孔径台阵的孔径。

小孔径台阵一般按照规则的几何形状布设， 如前文介绍， 美国探测台阵与中国地震科学探测台阵一般采用观测完毕后移动至下一片规划区域进行观测的方式布设。

4.4 处理数据方法

IMS台阵采用在小孔径范围内布设相同类型的地震观测仪器， 因而， 各子台记录的波形相似度高， 可利用聚束法增加信噪比， 从而可降低监测下限。 IMS台阵适合研究间断面、 分界面等处的精细结构。 主要方法有F-K分析、 聚束功率分析、 聚束、 速度谱分析和滑行窗F-K分析等。

由于台间距相比核查台阵大很多， 使得美国探测台阵和中国地震科学探测台阵在数据处理方法上与小孔径台阵数据处理方法明显不同。 并且， 因为台间距大， 波形不相似， 不能提高信噪比， 无法应用小孔径台阵的技术来对观测数据进行反演处理。 因而美国探测台阵和中国地震科学探测台阵这两个台阵在利用流动台阵的方法进行不同地区的地下结构反演时， 主要方法有层析成像、 接收函数和波速比等。

4.5 研究成果举例

核查台阵的研究成果主要集中在降低监测下限、 提高区域层析成像分辨率和地下精细结构方面。 1998年8月22日核查台阵记录到发生在前苏联东哈萨克斯坦的Degelen山点火的0.1 kt的传统核爆炸(事件代号 K980822)事件， 该爆炸事件证实IMS系统核爆炸的检测下限达到1 kt(图5来自Douglas[1])。在核爆监测中， 核查小孔径台阵将发挥着无可替代的作用。

另外， 通过给地震学家提供地球表面不同地点密集的地震波场空间采样， 地震台阵致使地球内部的速度模型得到了改进[2]， 区域尺度上的层析成像分辨率得到了提高[3-4]。

图5 IMS监测系统典型记录示意图

USArray仅在USArray项目实施的前5年， 就取得了一系列令地球科学界瞩目的科学发现。 在这期间的典型成果众多， 如Burdick等[26]运用高分辨率层析成像方法揭示了太平洋板块向北美大陆之下俯冲所引起的速度扰动可达660 km深度界面， 俯冲板条延伸到北美大陆腹地； Yang等[27]利用USArray的背景噪声记录对美国西部大洋板块俯冲形态的成果显示， 俯冲前缘已经超过海岸山脉到达大盆地之下； West等[28]对美国西部大盆地(The Great Basin)之下岩石圈的结果表明， 下方拆沉的岩石圈碎片坠落深度能达到800 km， 结果表明， 岩石圈拆沉在全球构造格架中具有重要地位； Miller等[29]运用USArray数据对Moho面及岩石圈-软流圈边界进行了研究。

China array到目前仅完成了前两期的观测工作， 其研究成果正在逐渐产出。 从已公开发表的研究成果来看， 主要集中在地下莫霍面深度分布[30]、 噪声层析成像[31]和岩石圈各向异性[32]等方面。

像高倍望远镜对现代天文学的影响一样， 地震台阵对地震学也有着与其相同的影响。 核查地震台阵的建设除了检测核爆炸信号外， 还可以通过许多不同的方法对地球内部结构的精密尺度进行研究。 在多种地球内部结构的研究中： 如火山、 大陆地壳和岩石圈的内部、 地幔中地震速度的全球性变化、 核幔边界与内核的结构方面， 地震台阵都很有帮助。

从美国20世纪70年代开始的COCORP计划开始， 国外其他具有典型意义的深部探测计划有： 欧洲地球探测计划， 德国大陆反射地震计划， 英国反射地震计划， 意大利地壳探测计划， 瑞士地壳探测计划(NRP20)， 俄罗斯系列深部探测计划， 加拿大岩石圈探测计划， 澳大利亚地球探测计划等。 国际上约40余年相继实施的这些重大的地球探测计划， 不仅大大深化了全球地学工作者们对地球深部物质展布、 结构和动力学演化的认知水平， 同时， 也将对我们正在开展的China array提供更多的参考。 可以想象， 随着China array布设的逐渐展开， 更多的研究成果将会不断涌现。

致谢 感谢袁松湧副研究员在China array方面给予的帮助！

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Review on the arrays for scientific research and CTBT monitoring

Zhang Shuang

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

For different purposes， some arrays were designed in accordance to different concepts， and therefore play different roles in their respective fields of scientific research and seismic exploration. In this paper， details and current status of Seismic array and USArray are introduced. In comparison， China array was also illustrated.The differences among the small-aperture seismic arrays， the USArray， and China array are explicitly explained. Future development of China’s deep earth exploration is prospected at last.

Seismic array； The US Array (USAarry)； China array

2016-11-10； 采用日期： 2016-11-25。

※通讯作者： 张爽， e-mail: zshuang75@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。

P315.78；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.12.007