法國地球透鏡計劃(GEOSCOPE):過去30年的進展與挑戰＊

Geneviève Roult,Jean-Paulmontagner,Barbara Romanowicz,Michel Cara,Daniel Rouland,Robert Pillet,Jean-Fran?ois 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

法國地球透鏡計劃(GEOSCOPE):過去30年的進展與挑戰＊

Geneviève Roult1),Jean-Paulmontagner1),Barbara Romanowicz2),Michel Cara3),Daniel Rouland3),Robert Pillet4),Jean-Fran?ois 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 長周期地震學的早期概況

巴黎地球物理學院(Institut de Physique du Globe in Paris,簡稱IPGP)在長周期地震學和觀測設施方面有著雄厚的基礎。該學院的地震實驗室于1952—1982年設計了人工操作的地震儀,主要用于對固體潮傾斜的研究。經過多次嘗試,Blum等[1-2]在1957年終于研制出了第一臺原型傾斜儀。這一傳感器是一臺傳統的措爾納(Z?llner)懸掛式[3]水平向機械地震儀,由熔融石英制成,在真空環境下工作(圖1a)。它采用的是光放大和攝影記錄技術,速度為1 cm/h。當時,在記錄線變粗時就認為出現了地震。然而,1960年5月22日智利大地震的記錄中清晰地顯示出持續數分鐘的長周期地震波(圖1b、1c),這就使人們對傾斜儀記錄是否適用于地震研究產生了疑問。那時,以及在隨后的10年間,對于像1960年智利地震或1964年阿拉斯加地震這種大地震的研究,對每一臺站時間序列的處理時間都超過了24小時。由于將資料數字化是一個很冗長的過程,極易增大錯誤概率,所以數據處理通常需要好幾個月的時間[4]。

20世紀60年代,數字化板還沒有出現,就連使用計算機的機會也非常有限。那時的長周期地震研究隊伍從事著繁重的人工數字化和傅里葉變換模擬工作,這通常需要數小時才能完成。1960年智利大地震后,地球物理學院(IPG)的地震學家應邀到加州理工學院地震實驗室進行采樣率為5min的Blum傾斜儀記錄的數字化處理工作,并對相應的頻譜進行計算[5-7]。對Blum記錄東-西向分量進行的譜分析(圖1)顯示出最嚴格意義上正常模式記錄(＜1m Hz)的質量。根據Gutenberg大陸模型[8]計算出的球形和環形理論本征頻率用豎線表示。彈性球體自由振蕩的徑向模式理論計算由泊松(Poisson)[9]首創,其他模式的理論計算則由Jaerisch[10]、Lam b[11]和Jaerisch[12]陸續展開,但第一次真正觀測到自由振蕩卻是在1952年11月4日勘察加半島(Kam chatka)地震后由Benioff[13]實現的。這種遲到的觀測說明地震學家很晚才對甚長周期觀測感興趣[14]。遺憾的是,Blum記錄的原始數據和數字化數據都已丟失,只有部分正式出版的記錄被保存下來。

圖1 放置在巴黎天文研究所的熔融石英傾斜儀記錄到的1960年5月22日智利大地震[1]。(a)Blum水平熔融石英傳感器樣機。(b)東-西向分量。(c)北-南向分量。(d)圖1b的東-西向分量傅里葉變換譜。根據Gutenberg大陸模型[8]計算出的球型和環型振蕩理論本征頻率在能量譜上用豎線表示。橫坐標表示每小時的周期

IPGP最初為研究潮汐而研制的傾斜儀也適用于研究由地震引起的水平運動[15-16]。另有一些科研人員試圖研制垂向地震儀,也是由熔融石英制成,但沒有完全成功。這就是為什么當幾年后GEOSCOPE(法國地球透鏡計劃)正式啟動時沒有選用Blum傾斜儀的原因之一。在法國,斯特拉斯堡(Strasbourg)小組于20世紀70年代首次嘗試使用計算機記錄并預處理長周期地震數據,地點是現在的GEOSCOPE ECH臺站,位于一個舊的平行巷道內。由DEC公司的PDP8計算機驅動的一臺原型斯倫貝謝(Schlumberger)模/數(A/D)轉換器就是在那里開始運轉的,它與一臺9道的磁帶錄音機相連,用于存儲數據,并可通過電話網控制。幾乎與此同時,一個由Nelly Jobert率軍的巴黎團隊在好幾個地點都安放了甚長周期地震儀,他們重點關注的是太平洋的兩個地點:Pamatai(Tahiti)和Kipapa(Haw aii)。來自這兩個臺站的記錄被廣泛應用于太平洋上地幔結構的研究[16-18]。

早在30年前,IPGP團隊就明白方便快捷的數據獲取以及遍布全世界的標準化傳感器是對地震學做出創新性貢獻的必要手段。盡管IPGP的傾斜儀質量不錯,但要將它們遍布全世界卻是不現實的,原因是這些儀器非常易碎,運輸便成了大問題,而且儀器校準工作也非常困難(每一臺儀器都有自己的傳遞函數)。高質量的觀測需要有類似的、標準化的臺站設備。這一概念的倡導者就是創建于1961年的世界標準地震臺網(WWSSN)。A lbuquerque地震學實驗室(ASL)負責為這一臺網在全世界120多個地點布設標準化地震設備(三分量長周期(LP)、短周期(SP)傳感器和一臺精確的時鐘)[19]。這些傳感器的自由周期接近30 s(后來為穩定起見縮短為15 s),可以提供頻帶為15～100 s的校準記錄。在20世紀60年代,WWSSN縮微膠片地震記錄的無償分發為用戶提供了收集短周期和長周期三分量地震記錄的通道。雖然該網絡的首要目標是監測地下核爆炸,但許多地震學家可以利用縮微膠片的分析對各種地球科學問題進行處理。地震學對認識板塊構造所作出的貢獻是WWSSN數據產出的重要成果之一。由于保存不當而造成的損失使得剩下的記錄和縮微膠片藏品今天顯得異常珍貴。1960—1985年間所選事件通過國際數字地震檔案項目(IDEA)保存了下來[20],今天地震學家仍在使用[21]。

如上所述,法國在20世紀70年代初實現模/數記錄轉換。地震研究觀測臺(SRO)和聯合地震研究觀測臺(ASRO)數字臺網的部署[22-23]意味著WWSSN臺網向前邁進了一大步。作為全球數字地震臺網(GDSN)的組成部分,SRO臺網的建立主要是為了區分地震與核爆炸。SRO首次提供來自全球標準化臺站的數值記錄,使研究地球的長周期背景噪聲成為可能[24]。

國際加速度計部署項目(IDA)的領導者解決了對于周期長達數千秒的地震信號記錄儀的需求問題[25-26]。許多基本上源自ET19[27]的Lacoste-Romberg固體潮重力儀被安裝在全球各地,這引起了科學界的極大興趣。1977年8月19日印度尼西亞松巴哇島地震后,科學家利用潮汐記錄和長周期記錄對其進行了廣泛的研究[28]。來自IDA臺網的數據[25]對于利用長周期觀測結果確定大地震震源參數的研究起到了推動作用。利用一種基階Rayleigh波譜的簡單反演方法[29],可以快速估算足以引發多次連續地幔波列的地震事件的震源機制和地震矩。IPGP將這種方法成功地應用于所有大地震。利用IDA數據還可詳細研究大地震地震矩的頻率變化[30],從而為大地震震源能量和尺度的估算以及破裂傳播過程的解釋打開了全新視野。

SRO和IDA是首先提供數字磁帶記錄的兩個全球規模的臺網。第一批地球三維模型就是源自那個時期的非凡產物[31-34]。建立這些模型需要對數千個地震記錄進行分析

這是一項利用傳統模擬記錄無法完成的任務。盡管取得了上述成績,但1981年的全球地震臺網還是落后于理論地震學的發展,而且還有許多不足的地方:

(1)IDA臺網受諸多因素限制,如頻帶太窄以及只能記錄垂直分量的運動信息等。其動態范圍對于大地震而言還不夠大,20個臺站的地理分布也不夠均勻。

(2)在1～100 s寬頻帶范圍內,GDSN儀器一直受非線性問題困擾,儀器響應也不能很好地滿足地震學家在長周期記錄方面的需求。的確,在GDSN中占很大比例的SRO臺網是專門為識別核爆炸而設計的,識別核爆炸不需要頻帶非常寬的信號。

(3)所有記錄還是在模擬磁帶記錄儀上完成的,其分析工作既費時又費力。

(4)一個更普遍的問題是,對三分量臺站的需求尤為明顯。例如,在甚長周期頻帶(100 s～1 h),只記錄地震動的垂直分量還不能提供Love面波和地球環型振蕩的信息。在較短周期頻帶,同時記錄三分量不同體波數據(S、多次S、SKS、ScS等)可以提高S波速度不均勻性的深度分辨率。新的觀測結果,如Jobert等[15]觀測到的“X震相”,由水平分量上激發的高階模式組成[35],因此這種結果需要三分量記錄。同時,研究人員發現為了更好地約束矩張量參數和各向異性,必須對包含基階和高階的Love面波和Rayleigh面波波列同時進行分析[36]。甚長周期三分量數據提供了不遵循幾何光學定律的地幔波的實例,如出現在縱向和橫向上的Love波和Rayleigh波的混合波[37]。

除了需要三分量記錄,地震儀的帶寬和動態范圍都需要擴大。這一問題的技術解決方案來自寬頻帶反饋式傳感器的使用,這種傳感器首創于20世紀60年代末[38-39]。20世紀70年代中葉,在瑞士和德國的Erlangen安裝了第一批STS-1地震儀(圖2a),其特點是動態范圍大、頻帶寬,并具有反饋系統[40-45]。以質量平衡反饋為基本理念的大動態范圍地震儀是地震學取得的重大進展。IPGP的地震實驗室迅速采用了STS-1地震儀,并在SSB(Saint-Sauveur Badole)安裝了一臺垂直傳感器。由于STS-1傳感器的動態范圍大(140 dB)、頻帶寬(20 Hz～1m Hz),所以它能夠填補短周期地震學(周期＜1 s)和長周期地震學(周期＞50 s)之間的空白,不管是較大的地方震還是較小的地方震,它都能給出精確記錄。

圖2 (a)第一代垂直傳感器STS-1照片[43]。(b)與地面加速度VH記錄和地面速度M H記錄相對應的BB配置中的SCZ臺站(美國Santa Cruz臺站)傳遞函數曲線,其反應譜在3600 s～150 s和20 s～1 s周期域中都是平坦的。(c)類似于(b)圖的與地面速度物理參數相對應的1991年后的甚寬頻帶(VBB)傳遞函數曲線,在周期域360 s～0.02 s中的BH道呈平坦響應。(d)由Ekstr?m等[49]估算的作為時間函數的SCZ臺站背景噪聲水平。垂直分量上(VHZ道)功率譜密度的每月噪聲水平用dB表示,周期T=100 s。紅色水平線代表周期為100 s的Peterson低噪聲模型[50]

20世紀80年代初,科技大環境對于建立一個新的全球寬頻帶網非常有利。在法國國家宇宙科學研究所(INSU)的支持下,GEOSCOPE計劃在1981年初應運而生,該計劃的出臺主要源自以下三方面因素[46]:

(1)巴黎地球物理學院(IPGP)和斯特拉斯堡地球物理學院(IPGS)在長周期地震儀方面的長期經驗,以及他們在長周期地震學研究中豐富的專業知識。這要感謝Nelly Jobert及其同事付出的努力[1,7,47,15,48,35]。

(2)高性能STS-1地震儀的誕生(圖2a)。如上所述,這種儀器解決了長周期測震學中的幾個關鍵問題(三分量、大動態范圍、寬頻帶)。雖然STS-1提供的模擬輸出動態范圍只有140 dB,但當時還沒有140 dB數字記錄儀。因此,第一批安裝的數字化儀的增益范圍是12 bit。

(3)巴黎地球物理學院和斯特拉斯堡地球物理學院(現在的斯特拉斯堡天文與地質學院,簡稱EOST)之間的長期合作,以及法國的其他一些機構之間的合作,如法國研究與開發研究院(IRD)和法國Paul Emile Victo r極地研究院(IPEV)等。這些機構有權使用世界上孤立站點的資料,而且與世界上許多國家的地震研究機構都有聯系。這種伙伴關系為其提供了使用眾多地理站點資料的機會,也為GEOSCOPE實現全球臺網的目標做出了重要貢獻。

2 1981—1984:GEOSCOPE計劃的啟動及其早期進展

1981年,在法國中部的Saint-Sauveur Badole(SSB)布設了STS-1地震儀,這意味著GEOSCOPE計劃已經開始行動(圖2a)。為了對儀器進行比較,從1981年10月開始,一臺國際加速度計部署項目(IDA)的儀器與STS-1并肩運行了整整一年,結果顯示二者在垂直分量上的噪聲水平類似,STS-1的優勢在于其動態范圍更大一些。1982年在留尼汪島(La RéunionIsland)建立了第二個臺站,這標志著GEOSCOPE的正式啟動,1983年在Port aux Fran?ais(PAF,凱爾蓋朗群島)和Tamanrasset(TAM,阿爾及利亞)相繼建起了臺站,1984年又與麻省理工學院合作在Westford(WFM,馬薩諸塞州)建起了臺站。

GEOSCOPE計劃面臨的一個重要挑戰就是如何將儀器安放在一些偏遠站點,以實現均勻的地理覆蓋。到達這些偏遠地區在過去是一件非常困難的事情,就在今天也是如此。斯特拉斯堡的EOST小組從一開始就發揮了重要作用,他們參與了法屬南部領地和南極洲(TAA F)固定科學基地的科考工作,目的是對全球地球物理過程進行觀測。初始地震觀測在Terre Adélie(Portm artin臺站,1957年移至Dumont D’Urville(DRV);見文獻[51])始于1950年,在凱爾蓋朗群島(Pointemolloy臺站;見文獻[52],該臺站于1965年移至PAF)則始于1953年。EOST負責第一批GEOSCOPE臺站中3個臺站的建設和管理工作:1983年建起了PAF[46,53]和CRZF(Crozet群島),1986年建起了DRV[54-55]。法國國家科學研究院(ORSTOM,現稱IRD)應邀參與了GEOSCOPE項目,與斯特拉斯堡團隊合作完成了兩個臺站的建設工作,并提供資金支持,這兩個臺站分別是1985年建成的NOC(Nouméa,新喀里多尼亞)和MBO(M’Bour,塞內加爾),隨后又在1987年建起了BNG(Bangui,中非共和國)。

1981年,GEOSCOPE的目標是要建成25個臺站[46]。選擇一個新臺址前一般都會先進行野外背景噪聲測量。傳感器最好安放在穩固的基巖上,因為這樣的基巖對潛在噪聲源不那么敏感。利用現有的洞穴或地下通道,或按規格重建洞穴,是當時的基本準則,另外一個需要考慮的問題就是要有電源。儀器所屬機構之間還會就儀器日常運轉和資料的迅速獲取(初期磁帶是通過郵遞傳送的)等問題達成具體協議。IPGP和IPGS之間建立起了密切的工作關系。當地人員都要接受設備使用和數據處理技術方面的培訓,這就為他們打下了良好的科學基礎。負責南印度洋群島和南極洲臺站的操作人員每年輪換一次,而且在動身去偏遠基站前都要在EOST接受兩個月的培訓。

在剛開始的時候,只記錄甚長周期(VLP)道。這一道后來在SEED命名系統中變成了VH道(有關SEED格式的綜合描述,見http:∥www.iris.washington.edu/manuals;另見文獻[56-57])。在3600 s～60 s周期范圍,它呈現的是地面加速度的平坦響應。其數據采集系統具有范圍增益性質(12 bit尾數,8 bit增益),采樣率為0.1 sps。那時,IPGS研發了另一個數據采集系統,可進行1 sps高增益長周期道(HGLP)的連續記錄。后來在1985年,為了研究大地震,GEOSCOPE開始記錄另一附加觸發道BRB道(寬頻帶道,SEED命名中稱M H),其特點為1～200 s周期范圍內地面速度的平坦響應,采樣率為5 sps。當時傳感器的相應傳遞函數如圖2b所示。1982年末,該網絡只有兩個臺站:法國的SSB和留尼汪島的RER。到1987年臺站數量增加到18個;1991年,增加到23個。儲存在當地臺站磁帶上的數據每2～4周就通過航空郵寄到法國,遠在南極洲和南印度洋的臺站除外(這里的數據每年一次,后來每兩年一次,通過船運寄到法國)。所有原始數據都集中在巴黎附近的Saint-Maur des Fossés數據處理中心,在那里數據被轉存到九軌磁帶上,以供歸檔和分發使用。數據格式是“自己特制的”。各臺站有兩個不同的時鐘,一個是自制的內部“原子”鐘,另一個是提供由OM EGA系統發布的絕對時間的外部時鐘,精度為50m s,PAF(凱爾蓋朗群島)和DRV(Terre Adélie)兩個臺站除外,它們用的外部時鐘是特制的地方原子鐘(銣鐘)。內部時鐘偏移很大。數據磁帶匯集起來以后,還要在數據處理中心進行時間校正的核實與應用,這項工作非常費時。20世紀90年代開始,OM EGA逐步被更精確的GPS時鐘取代。

對于簡正模式研究[37,58]、面波異常特征觀測[59]和三維模型的研制[60-61]而言,GEOSCOPE數據產出的第一批成果意義非常重大。Masters等[31]發現的2度上地幔證據在Romanowicz等[62]和Roult等[63]利用GEOSCOPE數據進行的地球自由振蕩的首次分析中也有報導。

3 1985:國際行動計劃國際數字地震臺網聯合會(FDSN)啟動

GEOSCOPE計劃啟動之后,其他國家也相繼迅速啟動了自己的行動計劃。1984年美國地震學聯合研究會(IRIS)的成立,特別是IRIS于1986年在美國創建的全球地震臺網(GSN)的誕生,標志著地震學取得了重大進展,同時也凸顯了對標準化數字設備的全球性需求[64-68]。

隨著矩心矩張量(CM T)項目的啟動[69-70]和第一批全球三維模型的誕生[71],多數地震學家開始相信,要想在地球深部動力學方面取得進展,高質量寬頻帶地震臺站的全球性分布非常必要[72]。

鑒于國際協調的必要性,國際數字地震臺網聯合會(FDSN)于1985年誕生[73],GEOSCOPE、IRIS/GSN和美國地質調查局(USGS)都是其創始成員。其他一些正快速開展寬頻帶臺站建設的國家也應邀加入進來(包括中國、德國、澳大利亞、意大利和前蘇聯)。

FDSN的首要任務是制定寬頻帶儀器標準,這些標準至今仍在使用(見http:∥www.fdsn.org)。要想成為FDSN成員,每一個網絡必須符合幾個標準。地震儀必須是寬頻帶的(當時其實就是指STS-1),能夠完成大動態范圍的數字記錄。地震數據必須是開放的,也就是說可以自由獲取。此外,FDSN還規定了選址標準:要取得“FDSN”資格,一個臺站和另一個FDSN臺站之間的距離不得小于2000 km。

建立一個標準化數據分發系統顯得尤為必要。GEOSCOPE團隊參與了FDSN的SEED格式制定工作,這一格式在1987年12月墨西哥Albuquerque召開的FDSN大會上通過,會議由USGS的Ray Buland主持。選擇一種唯一的格式來描繪如此之多的地球物理參數是一項頗具挑戰性的任務。被選中的格式必須滿足傳統短周期地震臺網操作人員的要求,他們注重基于事件的格式;同時又必須滿足長周期研究人員的要求,他們則極力推廣連續數據記錄。20多年后,SEED格式仍然是地震學的通用標準,這顯示出采納一種網絡操作員和整個地震學界都能接受的格式有多么重要。SEED格式的另一個優點是,它提供了一種數據壓縮的方法,大大減小了需要歸檔和分發的數據量[74-75]。FDSN在推動和協調許多國家的寬頻帶地震學項目方面起到了關鍵作用,而且現在也仍然在發揮著關鍵作用。傳感器、采集系統和數據分發格式的標準化,以及為了避免不同國家間的重復性工作而實施的經驗分享,大大提高了數字寬頻帶地震臺站的全球覆蓋率[76]。2008年,共有50多個國家和30多個臺網加入了FDSN(http:∥www.fdsn.org)。

4 GEOSCOPE 1985—1990:從寬頻帶(BB)配置到甚寬頻帶(VBB)配置

按照FDSN的最高標準,GEOSCOPE在1985—1990年完成了幾項重要升級[77]。

4.1 從寬頻帶逐步轉變到甚寬頻帶配置

第一代STS-1傳感器成功后(圖1,文獻[75]),Wielandt和Steim[74]引入了VBB版的地震儀,這種地震儀提供在整個頻帶的單道記錄,而不像原來的儀器那樣提供VLP(甚長周期)和BRB(寬頻帶)多道記錄,同時它還將頻帶拓寬至10 Hz(原來是5 Hz)。這實際上意味著隨之而來的是20 sps的連續記錄,從而提高了短周期遠震體波研究的精度。從寬頻帶配置(BB)向甚寬頻帶配置(VBB)的轉換在所有GEOSCOPE臺站都是逐步完成的。到1990年底,13個臺站完成了向VBB配置的轉換,6個臺站仍使用以前的配置。圖2c顯示出使用VBB配置的4個道的地面速度的儀器響應與以前配置(加速度)的比較,臺站資料來自SCZ(Santa Cruz,加州)(圖2b)。有關常用道的情況見附錄(網上資料)。

因為BH(或MH)道仍由地震事件觸發,所以大部分信號已丟失。圖2d顯示了Ekstr?m等[49]估算出的作為時間函數的SCZ臺站背景噪聲水平。垂直分量(VHZ道)上估算出的每月功率譜密度是以dB為單位繪制的,周期T=100 s。從BB升級到VBB意味著大大降低了噪聲水平。圖3a和3b簡要顯示了從1982年至2000年該臺網的發展過程。到1990年末,該臺網總計有21個臺站。

4.2 HGLP道的特例

每個偏遠臺站都安裝了兩套數據采集系統,以防在硬件出現故障時丟失數據。在寬頻帶配置中記錄了兩道數據,其地面加速度反應譜是平坦的,這兩道分別是LP道(1 sp s)和VH道(0.1 sps)。LP道當時被稱為HGLP(高增益長周期),其特點是在20 s周期的放大倍數比VH放大倍數高50倍[45]。由HGLP道收集的數據為第一批南極洲三維群速度、相速度和衰減模型的建立作出了重大貢獻[78-81]。HGLP記錄對于我們認識Rayleigh波的極化與各向異性結構的關系也起到了重要作用[82]。

4.3 偏遠臺站的日常質量控制

在GEOSCOPE的最初3年,局部數據是通過磁拾音頭記錄的,并定期郵寄到法國。1985年,對臺站計算機進行了升級,在有電話線聯通的地方都配置了M initel系統(互聯網以前的法國電信網),這樣一來,臺站計算機便可通過電話完成數據擷取。更偏遠些的臺站都安裝了ARGOS天線,由此實現對資料完好狀態的日常遙測,大大方便了質量控制。另外還設置了一套大地震發生后立即通過遙測技術進行24小時VLP數據擷取的流程。

圖3 (a)1982—2000年作為時間函數的GEOSCOPE臺站數量的變化情況,所示信息與3個不同階段的采集鏈配置相關(BB、VBB的BH道觸發,VBB的BH連續記錄,采樣率為20 sps)。(b)GEOSCOPE網與FDSN臺站的同步變化情況

4.4 觸發記錄系統的改進

STA/L TA比(短時平均值/長時平均值)算法[83]最初是為短周期體波探測而建立的,用于M H道的觸發(5 sps),這種算法不太適合遠震記錄[84]。許多中等強度地震、大地震的體波以及持續時間很長的信號經常漏檢。由Rouland等[85]編制的一套新的地震探測程序被逐步融入數字記錄系統[55]。

震源研究[86-88]以及不同波長的波形模擬中通常使用VBB配置的4個道來提供區域或全球三維模型[60],簡正模式研究使用的也是4個道[62-63]。

4.5 數據分發

該臺網創立伊始,IPGP和EOST各自研發了不同的格式,使得通用數據中心的運轉異常困難。后來決定在IPGP建立一個單一的GEOSCOPE數據檔案館來管理數據,并負責協調向國際科技界的數據分發工作。這項工作中比較耗時的主要任務就是核對定時信息(操作員設定的時鐘、閏秒校正和時鐘跳變),并將必要的時間校正應用到數據中。第一個面向廣大科技界的數據分發模式是通過磁帶完成的,后來根據要求變成了磁拾音頭。1988年,GEOSCOPE安裝了第一個“光碟柜”,并啟動了通過光碟(CD-ROM)完成系統性數據分發的工程。20世紀90年代,GEOSCOPE數據中心的能力進一步擴大,以應對科技界對數據的大量需求,并充分利用諸如互聯網等高科技手段帶來的便捷與機遇。取得這些進步都是在FDSN行動綱領指導下,與IRIS數據中心聯手實現的[89]。

5 GEOSCOPE 1990—1998:多樣化項目實施階段

FDSN所發揮的關鍵作用[89]就是幫助GEOSCOPE確定了儀器布設中的優先事項[77,90]。20世紀90年代初主要取得了兩項重要進展:①多參數記錄的開展;②數據收集過程中時間延遲情況的減少(有些臺站當時還在通過郵寄的方式提供數據,這樣會將時間拖延至1年)。1992年9月,在巴黎召開了一次慶祝GEOSCOPE計劃啟動10周年大會。與會的臺站操作員、數據中心管理者和科學家一起討論了寬頻帶地震學的技術發展水平及其面臨的新的挑戰。會上大家決定進行如下操作流程方面的改變。

5.1 新的標定方法

地震儀傳遞函數通常來自儀器的“靈敏度”,而靈敏度本身一般都是由儀器制造者通過傾斜臺決定的,其可靠的標稱精度應為1%。這一標稱精度忽略了對運輸、場地條件和設備老化等因素的敏感程度。Bernard等[91]提出了一種被稱為“G-標定”的實地絕對標定方法,這種方法在臺站上執行起來非常容易。他們認為垂直分量上精度完全有可能達到1%,水平分量上還有可能再提高幾倍,但前提是必須排除傾斜擾動。

5.2 創新設計理念

輔助道的重要性很早即被認可。很顯然,除了記錄地震分量以外,我們還可以通過記錄其他物理參數而獲益。所有的GEOSCOPE臺站都配備了3臺STS-1地震儀。有些還有輔助道(溫度、微氣壓、傾斜度)。第一批安裝的微氣壓計由Streckeisen設計提供。從DC到0.03 Hz的頻率范圍內,其反應譜是平坦的,精度高于0.1μbar(10-2Pa)。溫度計是由Saint-Maur des Fossés數據處理中心的技術團隊生產的PT100或PT1000傳感器。從DC到0.03 Hz的傳遞函數是平坦的,動態范圍被調至與±10 V對應的±30℃。靈敏度高于0.1m K。遺憾的是,2000年以前的所有輔助數據都已丟失。

1990年,GEOSCOPE參考臺站SSB(Saint-Sauveur Badole,法國)已有兩套STS-1地震儀正在運行,這時又加裝了兩個微氣壓計。觀測結果顯示大氣壓與水平分量地震噪聲信號之間存在明顯的相關性(圖4a;文獻[92-93])。垂直分量的地震噪聲與壓力的相關性則不如水平分量上的高,而且只出現在500 s周期。這些結果與Zürn和Widmer[94]的結果一致,他們發現局部大氣壓與地震信號之間不呈系統性相關,而且相關的程度主要取決于傳感器的安裝質量。這一結果對于未來惡劣環境下儀器的安裝具有非常重要的意義,包括在海底和其他行星等人類很難干預、甚至不可能干預的環境。

圖4 (a)記錄大氣壓數據的重要性[93]。①原始地震數據;②微氣壓數據;③經校正的地震數據。(b)記錄大氣壓的益處[101]。范例取自1998年的TAM臺站,時間為新幾內亞地區大地震(1998年2月19日當年的第48天,M S=8.1)后的第51至68天。垂直線表示PREM模型中地球自由振蕩的角階數:①壓力效應校正前(細線)和大氣壓力效應減除后(粗線)加速度的功率譜密度;②大氣壓功率譜密度

5.3 IPGP數據中心

1989年,GEOSCOPE與CEA/DASE(法國原子能委員會負責地震探測的部門)簽署了將數據寫入光碟的合作協議。1990年,GEOSCOPE數據以自己制定的“數據庫”格式歸檔,海量的數據使得用磁帶分發數據顯得不切實際。GEOSCOPE與FDSN標準保持一致,主要體現在以下3方面:①系統地確定傳遞函數;②編輯一本“臺站手冊”;③通過各種程序向全世界分發數據。

5.3.1 傳遞函數

現在,任何地震數據的處理都需要精確的傳遞函數[95-96]。在SEED格式中,表示傳遞函數特征的放大系數、極點和零點在一個名為“DA TALESS”的文件中都有簡要概述,這可以在SEED指南中查到(見文獻[97])。為了計算儀器響應,必須搞清每個臺站分量和道的采集鏈的不同元素的準確信息。儀器響應隨時間變化,模擬和數值濾波器的變化以及采集鏈動態范圍的變化(12 bit、12 bit增益范圍、16 bit、20 bit、21 bit、24 bit)都必須記錄下來。例如,對于法國SSB臺站的VH道,最新一卷DATALESS就包含與連續升級的采集鏈相對應的23個不同傳遞函數。每次大地震后我們都要計算合成地震記錄,以核實并確認道的極性、分量方位和儀器響應。完成所有技術信息的收集與核實工作需要耗費好幾年的時間。

5.3.2 臺站手冊編輯

1992年FDSN大會上通過的一項決議促使“綜合臺站手冊”按計劃出版,這些手冊統一使用一個標準化模板,每一個網絡操作員都要對自己的臺站手冊負責[98]。第一本GEOSCOPE臺站手冊只是一個印刷文件[99],兩年以后又推出了一個更全面的升級版本[100]。臺站手冊必須介紹每一臺站的“歷史”、臺站隸屬于哪個臺網(名稱和地址)、該臺網的儀器狀況、站點的地理坐標及地質概況、不同道的靈敏度及開始運行的日期、儀器傳遞函數圖以及臺址照片等。每當更改臺站信息時必須在最新一卷DA TALESS中進行記錄,并將此信息傳遞給FDSN/IRIS數據中心,該中心負責收集不同FDSN臺網提供的所有臺站手冊。每一次FDSN會議都為臺站手冊的升級提供機會。

5.3.3 數據分發模式

(1)通過光碟。為了保證數據的長期保存和分發,GEOSCOPE數據中心在1990年配備了一個300 Gbytes容量的“光碟柜”。傳入的數據經過時間校正后全都被存儲到光碟柜上。1982年3月(82.061)—1992年7月(92.189)的所有數據都用SEED格式寫入光碟,1989—1997年的數據集(36張光碟)被免費分發給世界各地的約200個用戶。第一張光碟(編號00)包含了5年的數據,但由于臺站數量和記錄道的不斷增加,最后一張光碟(編號34)只包含了8天的數據。利用光碟分發數據的方式很難將有關臺站的升級或變化信息通知給數據用戶。要將信息通知到所有用戶,每一張新光碟必須包含時間跨度數據和對以前分發的光碟上的錯誤進行校正的信息。這一系統簡直變成了一場噩夢。1997年,光碟終于停產了。同時,由于互聯網的迅速發展,我們可以按照匿名f tp(檔案傳輸協定)要求,直接提供訪問數據檔案的機會。

(2)通過匿名f tp。GEOSCOPE網站于1993年建成。新近發生的6級以上地震的所有數據,或由于地震位置或深度特殊而需要特別關注的地震數據,都被傳送到Saint-Maur des Fossés數據處理中心。11個臺站的數據是通過成本極高的電話線傳輸的。每周大概有一次地震事件通過這種方式傳輸。按照FDSN的要求[103],這些數據可以通過1999年創建的一套具體程序在巴黎的數據中心獲取,也可以在地震發生一、兩天后通過GEOSCOPE網站服務器或匿名ftp獲取。1998年,GEOSCOPE數據中心開始執行由Kradolfer[104-105]介紹的自動數據請求管理程序(AutoDRM)。

5.4 對地震目錄的貢獻

為地震目錄做出貢獻從一開始就不是GEOSCOPE的科學目標之一,但南半球的高緯度站點提供了“被漏檢的”地震事件的令人感興趣的記錄,對這些地震的定位會有所幫助。

過去幾十年間全球范圍內臺站數量的不斷增大(甚至在荒漠地區和其他環境惡劣的地區也設立了臺站),使得地震目錄(如國際地震中心(ISC)目錄或USGS初定震中(PDE)目錄)越來越完善。雖然各國的全球地震臺網都取得了長足的發展,但在南半球臺站數量仍顯不足。極少數地震發生在遠離板塊邊界的地方,南半球有限的高質量臺站數量使得大量中強地震資料缺失。對北半球和南半球4.2級上下的地震數量進行比較,我們便會發現這樣一個證據,即全球標準化地震目錄中報告的南半球MW4.2～5.0地震事件顯然是不完整的。南半球臺站數量的不足平均每年使100次地震被漏檢,因而也沒有被列入全球地震活動目錄。Rouland等[106]在1986年查看了PAF、CRZF、DRV和NOC臺站的連續記錄,并對觀測到的地震波到時與根據美國國家地震信息中心(NEIC)每月目錄中報告的震中計算出的Rayleigh波到時進行核對。利用可以清晰識別的Rayleigh波到時,他們只能確定23次以前從未探測到的地震位置。后來,GEOSCOPE和IRIS南半球臺站資料的聯合使用使得這些事件的識別更加清晰,并確定了1999年發生的半數地震的位置[102]。為確定這些地震事件的位置,作者使用了噪聲水平最低的20～100 s周期范圍內經濾波的垂直記錄上看到的Rayleigh波列。圖5示出研究中使用的GEOSCOPE和IRIS臺站的地理位置以及1999年“被漏檢的”88次地震的位置。這些“被漏檢的”事件震級在3.7至5.2之間。

圖5 用于識別和確定1999年南半球發生的所有“被漏檢的”地震位置(紅色點)的GEOSCOPE和FDSN臺站(黑色三角形)[102]

6 GEOSCOPE 1998—2002:向多參數化觀測邁進

圖3a和圖3b是1982—2000年GEOSCOPE和FDSN不斷增大的臺站數量的比較。GEOSCOPE在FDSN中的重要性體現在這樣一個事實,即GEOSCOPE的80%的臺站都配備了STS-1。這些儀器在360 s范圍內對地面速度的反應譜是平坦的,因此其性能要比STS-2好,STS-2的平坦響應只能延伸至120 s。現在,STS-1地震儀已停產,所以那些仍然可以運轉的儀器對于甚低頻研究而言顯得尤為珍貴,特別是對于自由振蕩研究更是如此。GEOSCOPE網的最初要旨是增加臺站數量,提高臺站質量。隨后面臨的挑戰就是記錄地震信號的同時還要記錄環境參數[107],并利用電話和互聯網提高數據的可訪問性和可用性。多參數觀測臺的建設促成了對諸如大氣壓和溫度等環境參數的監測以及這些參數與地震信號之間相干性的研究(圖4)。

6.1 多參數臺站

在儀器方面花費的氣力主要集中在GEOSCOPE臺站設備(特別是模/數轉換器)的逐步升級,以及通過加裝微氣壓計和溫度計將臺站變成多參數觀測臺。這一努力出于兩個不同目的:(1)提高信噪比;(2)研究地震與環境物理參數之間的相關性。GEOSCOPE決定將所有的地震臺站都變成多參數地球物理臺站。當時,多參數臺站的理念已被廣泛接受。Beauduin[108]、Zürn和Widmer[94]以及Beauduin等[93]都表示出對地震數據與壓力數據進行反褶積的興趣(圖4a)。研究結果顯示,如果將大氣壓效應考慮在內,大地震的頻譜能夠更清晰地識別地球自由振蕩頻率。1998年,幾位作者報道稱即使在地震平靜期也發現地球連續自由振蕩的觸發證據。這種現在被稱為地震“哼鳴”的微弱信號(約0.4 nanogals)在所有裝備了STS-1地震儀的臺站記錄中都可以發現[109-113]。當大氣壓也被記錄下來并被減除時,對“哼鳴”的觀測即大大增強,從而大大提高了信噪比[101]。圖4b顯示出從地震Z數據中減去壓力信號P是非常有用的。1998年2月17日新幾內亞島附近大地震后立即計算出了波譜。減去局部大氣壓效應明顯提高了波譜信噪比。經疊加的Z—P波譜顯示,原始疊加波譜中低頻峰缺失,在2～15角階數范圍尤其如此,這就使甚低頻模式(如0S2～0S15)的研究成為可能,由于噪聲水平的關系,這些甚低頻模式往往是探測不到的。

6.2 AGECODAGIS實驗

20世紀90年代末,能與Quanterra儀器競爭的似乎就是由法國A GECODAGIS公司研制的數字化儀“GEOSCOPE2000”。這種儀器提供了6個24 bit的地震道(3個BH道和3個LM道),以及16個16 bit的用于記錄其他不同參數的道(大氣壓、溫度、傾斜儀、GPS等)。其中一臺數字化儀于2000年6月被安裝在GRC(Garchy,法國)臺站,并運行了兩年[114]。這一時期,世界各地正在普遍安裝Q4120,而且Quanterra當時已開始研制Q330。IPGP對AGECODAGIS和QUAN TERRA系統同時進行了測試,并最終選擇了Q330來逐步取代GEOSCOPE項目中所有臺站使用的數據記錄儀,以保證更符合FDSN臺站設備標準化的要求。

6.3 網絡化數據中心(NetDC)程序

1999年,GEOSCOPE數據中心進行了重組,以便更好地應對數據量的不斷增大,并為將來的實時數據傳輸做好準備。所有的GEOSCOPE數據都被移入一個元數據的關聯式數據庫,并被貯存在一個高效、安全的系統內。同年,GEOSCOPE數據中心成為網絡化數據中心(NetDC)的一個節點。這一數據訪問方式是在FDSN框架內規劃的,并在IRIS團隊的幫助下在IPGP數據中心安裝使用。在NetDC,通過一個應用層并按照路線將用戶請求發送至合適的網絡化數據中心,該應用層負責業務打包及數據傳輸的協調工作。對不同網絡的數據集進行編輯,再將編輯好的數據集分發出去,這些工作都對用戶透明(如圖6所示)。

圖6 GEOSCOPE數據的可用性以及目前NetDC程序的運行圖。圖中示出相關的數據中心及國家。1999年,NCEDC(北加州地震數據中心)、ORFEUS和GEOSCOPE成為在IRIS幫助下第一批安裝NetDC程序的網絡。每一個NetDC節點都是一個數據中心樞紐

7 GEOSCOPE 2002—2007:迎來新的挑戰——向實時臺站邁進

2002年,在一個由法國所有地震學泰斗、FDSN和歐洲數據中心ORFEUS(歐洲地震觀測與地震學研究組織)代表、法國科學家以及GEOSCOPE數據用戶出席的“科學委員會”會議期間,GEOSCOPE的目標被重新明確界定:加強與法國國內和國外伙伴的合作關系,建設高緯度站點、實現數據采集鏈的現代化和標準化、將地震臺站變成多參數觀測臺、在所有臺站實現近實時數據傳輸。那時,所有固定臺網都在朝著實時數據傳輸的方向努力[115-118]。

7.1 增強與法國和國外機構的合作

2002年以來,GEOSCOPE計劃不斷增強了與法國及國外機構在臺站升級與維護方面的合作。由于地震學家對能夠加速數據處理和科學研究的實時數據記錄的興趣不斷增大,合作協議也越來越多,并更加高效。GEOSCOPE繼續尋求當地的合作伙伴,以提高偏遠臺站的維護效率,使其升級也變得更加方便。擁有臺站的當地高校或機構被賦予了更多的責任。南半球的原始站點以及南半球和北半球的高緯度特設站點被給予優先關注。

7.2 高緯度站點的建設

北半球兩個高緯度臺站的建設/升級已經籌劃好幾年了,旨在為更好地探測地球內核提供更多的極地路徑[119]。GEOSCOPE希望在Novaya Zem lya附近建立一個新的站點

VOR(Vorkuta,俄羅斯),并對已有的臺站SEY(Seymchan,俄羅斯)進行升級。SEY的STS-1傳感器不久將被移到堪察加半島北部的另外一個站點AM。由于這兩個站點的緯度很高,所以它們都是原始站點,而且很有科學意義。兩個臺站由IPGP和俄羅斯科學院地球物理中心(GSRAS)共同負責。在南半球,EOST團隊與位于羅馬的意大利國家地球物理與火山研究所(INGV)合作,共同參與了一個國際極地年(IPY)實驗項目和CONCORD IA固定臺站的建設工作。

7.3 數據采集鏈的標準化

現代標準化模/數轉換器的安裝是邁向近實時數據傳輸的極其重要的一步。1997年從印度洋的A IS臺站(1998年PAF、DRV和CRZF臺站)開始逐步配備Quanterra ADC模/數轉換器,最先安裝的是Q4120系列,后來是Q330系列。Q330-HR與Q4120和Q 330的性能相似。它提供3個26 bit道、3個24 bit道和4個16 bit輔助道。其低成本及用戶友好特性非常具有吸引力。2006年,在印度洋海嘯預警中心(CNATO I)框架內,由EOST維護的幾個印度洋臺站開始配備Q330-HR,與原有的Q4120并行運作。詳細情況以后在有關GEOSCOPE參與其他計劃的章節中還會介紹。表1—3示出了相關臺站信息。

7.4 實時數據傳輸

由于牽涉到時間校正,近實時數據傳輸系統對于數據中心的操作人員而言非常耗時,所以不久即被廢棄。圖S5(網上資料)列出了2000年的臺站。波茨坦地學研究中心(Geo Fo rschungsZentrum Potsdam)提供的最新成果使得軟件的免費獲取成為可能,也意味著數據傳輸會更加流暢[115]。所有傳輸工作都是按Seedlink協議進行的,從而保障了來自遙遠臺站的數據流的連續性(Heinloo A,個人通信)。自2002年開始,GEOSCOPE項目經歷了一次較大變革,主要是對其向IPGP的數據傳輸流程進行了幾次重要升級[120]。每一個臺站都需要一個量身定制的方案。例如,圖S6(網上資料)描繪了RER(La Réunion Island)自2004年6月起所遵循的詳細流程。超過3.5 km的光纖通過掩蔽隧道將信號傳至以太網橋(Ethernet bridge)。無線電通信鏈路可將信號傳至12.5 km以外的Saint Benoit市立高中,那里可以快速連接到互聯網。圖7示出一個目前標準化GEOSCOPE臺站的數據流,共有8個不同的道(3個地震道、3個撐桿位置、1個微氣壓計、1個溫度計)。自動控制系統可迅速探測到功能異常和錯誤信息的傳輸,以便作出適當反應。

8 2009年的GEOSCOPE:達到現代技術水平

2009年,GEOSCOPE的優勢在于:

(1)在非洲和印度洋有著獨一無二的臺站分布,在南半球的總體覆蓋情況良好;

(2)大部分傳感器都是甚寬頻帶地震儀(22個臺站配備了STS-1,8個臺站配備了STS-2);

表2 已停止運行的臺站

表3 規劃中的臺站

(3)噪聲水平屬FDSN臺站最低之列;

(4)現在30個臺站中有21個提供實時數據;

(5)噪聲水平實現準實時估算和繪圖。

2009年末,該網絡已有30個臺站(圖8a),其中4個位于非洲北部,8個位于印度洋或靠近印度洋。這些臺站平均分布在南、北兩半球,主要配備的是STS-1傳感器。表1—2給出了不同的參數信息,包括臺站的演化、起止日期、地理坐標、各道(VH、BH)的起始狀況、臺站設備(傳感器和數據記錄儀),以及數據傳輸狀況(RT:實時;NRT:近實時;RA:通過電話線或互聯網遠程訪問)。不難看出,GEOSCOPE已經達到或超過了其原始設計目標。

圖7 一個GEOSCOPE實時數據臺站的現時運行圖

8.1 2009年末正在運行的臺站(圖8、表1)

到2009年末,共有30個臺站正在運行。其維護由下列機構就地完成,它們是:CEA/DASE、CN ES(法國國家空間研究中心)、EOST、IPGP、IPEV、IRD、GSN/USGS,以及當地大學和科研機構。

●IPGP負責的擁有VBB配置的17個臺站是:CLF、COYC、FDF、FOMA、HDC、H YB、M PG、NOUC、RER、PEL、PPTF、SCZ、SPB、SSB、TAM、UNM、WUS。

●EOST(Strasbourg)負責的擁有VBB配置的6個臺站是:A IS、CRZF、DRV、ECH、MBO、PAF。

●CEA/DASE(Bruyères-le-Chatel)共同負責的兩個臺站是:新喀里多尼亞的DZM和馬克薩斯群島的TAOE。

●GSN/IRIS/USGS(美國)共同負責的兩個臺站是:夏威夷Kipapa的KIP和英屬特里斯坦-達庫尼亞群島(Tristan Da Cunha)的TRIS。

●CTBTO(全面禁止核試驗條約組織)和IPGP共同負責的一個臺站是:A TD(A rta,吉布提)。

●澳大利亞國立大學(ANU)和澳大利亞地球科學局(GA)共同負責的一個臺站是:澳大利亞堪培拉的CAN。

●日本地震研究所(ERI)與其他機構聯手負責的一個臺站是:日本Inuyama的INU。

幾乎所有臺站都是多參數觀測臺(圖8b)。有關臺站儀器的信息(地震和輔助傳感器、數據記錄儀),詳見附錄1(網上資料),或登錄GEOSCOPE網站(http:∥geoscope.ipgp.fr)。

8.2 道的詳細信息

地震儀將地面速度的3個分量(垂直、南-北、東-西)記錄下來。對于每一個STS-1分量,共連續記錄8道,分別是根據采樣率記錄的3道:VH、LH、BH;與撐桿位置對應的3個流(產出的結果用于潮汐研究,LM道)、大氣壓(LDI/LDO道)和溫度(L KI道),詳見附錄1(網上資料)。數據以SEED格式發布[56-57]。

圖8 截至2010年1月的GEOSCOPE臺網,顯示其邁向實時和多參數化觀測的進程。(a)臺網狀態:21個實時/近實時臺站、6個可通過互聯網或電話線訪問的遠程臺站、3個可局地訪問的臺站;(b)越來越多的地震臺站配備了微氣壓計和微溫度計,共同參與全球多參數化觀測行動

位于西雅圖的IRIS數據管理中心(DMC)從不同的FDSN信息源(超過50個臺網)收集數據,將其存儲在一個可靠的高容量系統,并很快將地震數據分發出去[121-123]。所有GEOSCOPE實時(RT)數據都可通過IRIS數據管理中心的統一數據存儲器獲取。GEOSCOPE實時數據也可以通過IPGP數據中心獲取(http:∥geoscope.ipgp.fr),數據下載非常容易。數據格式為mini-seed;傳遞函數可通過相關DA TALESS卷宗獲取。

8.3 2009年末實時數據臺站達21個

GEOSCOPE數據中心可提供由IPGP維護的15個臺站(A TD、CAN、CLF、FDF、FOM A、HDC、INU、KIP、PEL、PPTF、RER、SSB、SPB、TRIS、UNM)的實時(＜1m n)數據和由CEA維護的2個臺站(DZM和TAOE)的近實時(＜2 h)數據(表1—2)。另外還有由EOST監控的4個臺站(A IS、CRZF、PAF、ECH)的實時數據。其他臺站還存在嚴重的時間延遲問題,它們仍在使用郵寄磁光盤的方式(大概每月一次)。

圖S2c和S2d(網上資料)示出隨著時間的推移而不斷增大的存檔數據量和已分發的數據量,并示出作為時間函數的不同分發流程(CD-ROM、ftp、Web、NetDC)。

8.4 數據質量控制

Murphy和Savino[24]以及Webb[124]闡述了地震噪聲的可能起因。更好地認識地震噪聲起源對于提高數據的信噪比非常重要。地震頻帶中大氣壓與地震噪聲之間的關系適合陸地臺站使用[93]。Craw ford等[125]利用海底地震波與長周期海浪荷載情況下局部壓力變化之間的相干性開發了一種降噪技術。

根據Chave[126]等的程序對臺站的功率譜密度(PSD)噪聲水平進行分析,結果顯示水平分量的噪聲水平比垂直分量的噪聲水平呈系統性增高,見圖9a、9b[127]。Berger等[128]注意到水平分量的最低噪聲水平出現在那些將STS-1地震儀(不是STS-2)安放在孤立的地穴或長隧道的臺站。熱致傾斜和局部大氣壓起伏可能會促成地震噪聲的產生[129]。旋轉效應可由傾斜引起,必須加以考慮[130]。正如Lambotte所述[131],水平分量上的空腔效應也不容忽略。

圖9 上:兩個Geoscope臺站的功率譜密度圖。(a)僻靜的大陸臺站(TAM,Tamanrasset)。(b)與Peterson[50]低噪聲模型(LNM,虛線)相對的海岸臺站(PAF,Port aux Fran?ais,印度洋凱爾蓋朗群島)。下:NOUC(Nouméa,新喀里多尼亞)臺站功率譜密度的三分量日變化和季節性變化。(c)作為周期函數的地震噪聲日變化。局部時間窗為0～6小時(藍色)、6～12小時(粉紅)、12～18小時(紅色)、18～24小時(綠色)。(d)地震噪聲季節性變化。時間窗為1月—3月(q1,藍色)、4月—6月(q2,粉紅)、7月—9月(q3,紅色)、10月—12月(q4,綠色)

所有GEOSCOPE臺站的平均噪聲水平比整個FDSN臺站的平均水平要低[127],有些GEOSCOPE臺站的噪聲水平還屬FDSN臺站中最低的(中國的WUS、阿爾及利亞的TAM)。正如所預期的一樣,短周期記錄中水平分量噪聲水平在位于大陸地區的TAM臺站(圖9a)比位于島區的PAF臺站(圖9b)的噪聲水平低。多數離海岸不到150 km的沿岸臺站的噪聲水平都比大陸臺站的高。長周期記錄中島上臺站的噪聲水平與沿岸臺站的差不多,但在周期小于20 s的記錄中,特別是在微震峰值周期范圍,島上臺站的噪聲水平較高。在周期大于20 s的記錄中,水平分量上的噪聲在多數臺站都隨時間而變,而且白天比夜晚高(圖9c)。短周期地震噪聲(周期低于7 s)未呈現季節性系統變化的證據。一些臺站在7 s微震峰值振幅內呈現出季節性變化,秋、冬季比春、夏季高;此峰值在秋、冬季也向長周期轉變(圖9d)。這可以從秋、冬季海洋大風暴增多中找到解釋。長周期地震噪聲(周期大于30 s)在一些臺站也隨季節變化,但其系統性特征還未被發現。

圖10a示出1990年至2000年ECH(Echery,法國)臺站噪聲水平的季節性變化情況[49]。噪聲水平似乎隨著時間的推移略有增高。對這種趨勢的一種可能的解釋就是STS-1傳感器已經老化,STS-1用戶曾對此現象做過仔細評估。Tanimoto等[132]表達了對站點安裝溫度計的興趣,他們在PEL(Peldehue,智利)臺站觀測到了微震質點運動(水平/垂直比(H/Z))的季節性變化,并發現其與溫度信號的極高的相干性(圖10b)。

2006年,為了加快歸檔進程,GEOSCOPE數據中心實現了可用實時數據的自動質量控制。自動質量控制包括:搜尋時間或振幅異常以及確認傳遞函數的有效性。地震信號功率譜估計的日圖、月圖、年圖都可通過GEOSCOPE網站查到(圖10c、10d)

8.5 CM T的確定

GEOSCOPE計劃從啟動伊始就重點關注所有大震事件震源機制的確定[86-88,133]。大地震的震源參數目前在區域構造背景下得到了系統的研究[134]。所用數據源自GEOSCOPE臺站和幾個外加的FDSN臺站的三分量長周期地震信號,頻率范圍1～10m Hz。通過對較短周期體波獲得的結果進行比較,可精確測定震源機制和破裂過程。矩心參數和震源持續時間的估算通過在時空網格上(緯度、經度、深度、震源持續時間)進行探索來完成。假定矩心已知并已被測定,則矩張量與數據之間的關系就是線性的。那么,在矩心參數空間的每一點,對于不同震源持續時間,通過在復雜譜域內進行線性反演便可得到矩張量。最優解與最佳數據擬合相對應。

GEOSCOPE的CM T解(震源機制)在大震后的一周內通過系統計算獲得。圖S7(網上資料)給出了2009年所有大地震的地理位置。這些矩心解都發表在GEOSCOPE網站上(http:∥geoscope.ipgp.fr),也可在歐洲-地中海地震中心(EM SC)網站上查到(http:∥www.emsc-csem.org/index.php?page=home)。

9 GEOSCOPE參與其他行動計劃的情況

GEOSCOPE與整個地震學界分享其專業知識以及在地震儀器和數據分發方面的經驗。GEOSCOPE已發起了許多行動計劃,并在相關領域發揮了關鍵作用。

9.1 海底觀測臺和試點項目

大部分海洋區(占地球表面的2/3)都缺乏固定的地球物理傳感器。國際社會很早就認識到長期海底觀測的必要性,當基礎設施能夠完成數據傳輸時,這可以為地球科學界提供全球的、區域性的以及局地規模的實時觀測數據[135]。所有未來戰略研討會都一致提議建立長期海底地震臺,最好是地球物理觀測臺。GEOSCOPE團隊自創立伊始就極力推動寬頻帶臺站在海洋地區的擴展。

圖10 (a)1990—2000年ECH臺站垂直分量的功率譜密度(PSD,單位:dB)變化,周期T=100 s[49]。(b)對記錄溫度的興趣:1997—2002年,同一臺站微震頻帶內不同頻率的H/Z比(水平分量與垂直分量之比)和隨時間變化的溫度之間存在著明顯的負相關[132]。(c)所有臺站的噪聲圖每年估算一次(以2009年為例)。(d)2000—2008年的噪聲圖(以CAN臺站為例)

海底地球物理觀測臺網(稱為GOBO)的建設是新世紀面臨的一個嚴峻的技術挑戰。為解決各種技術問題,已開展了好幾個試點項目。20世紀90年代初首先啟動了重點建設固定地震臺站的先期試驗項目[136]。

1991年3月,一套CM G3鉆孔寬頻帶檢波器被成功安放在“海洋鉆探項目(ODP)”位于日本海的843B鉆孔中,但儀器沒有被收回來[137]。該儀器記錄到了遠震事件,在收回數據以后科研人員獲得了寬頻帶地震噪聲譜(0.03 s～200 s)[138]。1992年5月,法國“深海觀測臺/海底地震檢波器(OFM/SISMOBS)”試點項目在北大西洋成功實施,這里正是“深海鉆探項目(DSDP)”396B鉆孔所處位置(23°N,43.3°W)。在此安放的兩套CM G3寬頻帶檢波器運行時間超過一周,并被成功收回[139]。第一套CM G3檢波器(海底檢波器稱OFM)被安放在離鉆孔20m遠的海底,而且被半埋在沉積層中。第二套CM G3檢波器(井下檢波器稱OFP)被安放在海底下296m深處的鉆孔內。兩套檢波器被成功安裝后,OFM連續記錄了8天的地震信號,OFP連續記錄了6天,采樣率為5 sps。實驗項目結束后儀器被成功收回。

法國海洋開發研究院(IFREM ER)為項目提供了所有的后勤支援。從技術角度看,此項目圓滿成功。Montagner等[140]介紹了該項目取得的最重要的成果。與典型的FDSN寬頻帶大陸臺站(如SSB,法國GEOSCOPE)相比,OFM和OFP的地震噪聲在4～30 s周期范圍內明顯偏低,在高達600 s的周期范圍,OFM的噪聲水平仍然比在SSB臺站的噪聲水平低[92]。地震噪聲水平的降低意味著檢測閾值的降低,由此,這種儀器能夠準確記錄震級最小為5.2的遠震。該項實驗首次表明,經周密安裝的、半埋于海底的寬頻帶地震儀可呈現很好的信號/噪聲比,并提供有用的地震數據。項目成果在夏威夷附近開展的海洋地震綜合觀測臺網試點項目OSN 1期間得到了認證[141]。

由于這些實驗項目的成功,國際科技界隨后在1993年決定發起一個新的行動計劃“國際海洋臺網(ION),該項目的技術指標與FDSN的完全相同,科學目標也與其類似,只不過是為海底地震臺站而設立的。ION隸屬于國際地震學與地球內部物理學協會(IASPEI)和國際大地測量與地球物理學聯合會(IUGG)。

1995年ION在法國馬賽召開了第一次國際研討會[142-144],作為會議的一項成果,IPGP、西布列塔尼大學(UBO Brest)、蒙特利灣水族研究所(MBARI)和加州大學伯克利分校共同發起了一個多參數合作項目,旨在測試在海底安裝、操作和收回不同地球物理傳感器(主要是寬頻帶地震儀、電磁儀和環境信息傳感器)的可行性。蒙特利灣地震儀器實驗項目(MO ISE)于1997年7—9月在蒙特利灣的加州近海展開,儀器被安放在1015m深的海底沉積層中。地球物理觀測儀的布設工作由MBARI的遠程操控裝置Ventana完成,檢波器箱子被半埋于沉積層中[145-146]。Romanow icz等[147]文獻中介紹的成果顯示出地震噪聲與深層水流之間有很強的相關性。

在ION和綜合大洋鉆探計劃框架內,IPGP、日本海洋-地球科學技術機構(Jamstec)以及IFREM ER發起了一個國際合作項目,并計劃沿印度洋的東經90度洋中脊在Ninety East Ridge觀測臺(NERO)的臺址處(18°S～88°E)建起一個海底觀測臺。鉆孔工作已于1998年完成,迄今一直在等待地球物理探測儀的入住。

這些試點項目表明,在某些特殊站點建設海底地球物理觀測臺網從技術角度看是可行的[148]。然而,長期維護的問題仍未解決。其他國家也同樣面臨著海底地球物理觀測臺網無法長期運作的問題,只有日本是個例外,他們已建起好幾個海底地球物理觀測臺網(WP1、WP2、JT1、JT2)。整個ION觀測項目已被擱置下來,期待著未來資金的到位。另一個例外就是獨立的海底寬頻帶觀測臺MOBB(蒙特利海底寬頻帶觀測臺),它是由加利福尼亞州州立大學伯克利分校地震實驗室和蒙特利灣水族研究所于2002年共同建起的,該臺站的建立吸取了在2009年還在運轉的蒙特利灣地震儀器實驗項目的經驗教訓。由日本人率軍的團隊于2008年3月又發起了一項雄心勃勃的新的行動計劃,這項計劃可能會對ION和整個海底觀測行動起到振興作用。它已證明寬頻帶海底移動臺站可成功替代ION的固定觀測臺,這些流動臺站已經開始對固定的陸地臺網(如GEOSCOPE)起到有效的補充作用。

10 GEOSCOPE與海嘯預警

2004年12月26日蘇門答臘大地震及其帶來的災難性后果對地震學界和整個社會都產生了強烈沖擊。法國政府決定參與印度洋海嘯預警系統(SA TO I),并向法國國家氣象局(Météo France)提供資金,用于支持其通過法國的印度洋海嘯預警組織國家印度洋海嘯預警中心(CNA TO I)收集所有對海嘯預警有用的數據。為此,7個GEOSCOPE臺站進行了升級,它們是:A TD(吉布提)、H YB(印度)、RER(留尼汪島)、CAN(澳大利亞)、PAF(凱爾蓋朗群島)、A IS(阿姆斯特丹島)和CRZF(Crozet群島)。到2009年末,已經有7個臺站(A IS、A TD、CAN、CRZF、FOM A、RER和PA F,并不是CNA TO I的所有臺站)向印度洋海嘯預警系統傳送數據。由于印度政府對實時訪問H YB(Hyderabad,印度)臺站數據加以限制,所以法國機構決定在印度洋上新建兩個臺站,第一個位于馬達加斯加以南(FOMA,馬達加斯加多凡堡),第二個位于毛里求斯的羅德里格斯島(RODM)。所有野外工作都是由IPGP與馬達加斯加塔那那利佛地球物理觀測研究所(IOGA)和羅德里格斯島的毛里求斯氣象服務局(MM S)聯手開展的。

來自GEOSCOPE/CNATOI的臺站數據被送往IPGP數據中心,并提供給所有已經存在的和正在運行的國際海嘯預警中心和海嘯信息中心(太平洋海嘯預警中心、日本氣象廳/地震海嘯觀測中心、德國-印度尼西亞海嘯預警中心、澳大利亞海嘯預警系統、國際海嘯信息中心),如圖S8所示(網上資料)。所有從海嘯預警/信息中心發出的信息都要傳遞給有關當局,用作減輕海嘯災害的依據。這些中心通過全球電信系統(GTS)發送信息。

11 訪問地震數據的其他渠道

11.1 法國地震觀測與環境研究聯合會(FOSFORE)

2002年,位于IPGP的GEOSCOPE團隊、區域性機構(圖11a)以及法國國家宇宙科學研究所決定將法國的寬頻帶數據貢獻者、固定臺網操作員和流動臺陣聯合起來建立一個法國的聯合會,名為法國寬頻帶地震觀測聯合會(FFOSL)。2006年,該聯合會交由法國國家宇宙科學研究所(INSU)主管,并更名為法國地震觀測與環境研究聯合會(FOSFORE),業務范圍也隨之擴大至短周期臺網和臨時臺網。該聯合會的主要目標是通過法國國家門戶網站(http:∥www.fosfo re.ipgp.fr)向國際社會提供SEED格式的所有數據。2009年末,位于IPGP的GEOSCOPE數據中心成為主要的數據提供者,另外,GEOSCOPE還有其他幾個數據中心,分別位于格勒諾布爾(Grenoble)、尼斯(Nice)和斯特拉斯堡(Strasbourg)。

11.2 歐洲地震網絡基礎設施研究機構(NERIES)

自1987年成立以來,GEOSCOPE和IPGP一直都是ORFEUS的組成部分[149]。ORFEUS負責歐洲不同項目[150-151,118](如NERIES)的協調工作。其宗旨是創建一個能夠滿足科學界現時和未來需求的泛歐洲基礎設施核心。NERIES是一個由25所大學和研究中心組成的聯合體,每一個機構都將其專業知識和基礎設施貢獻給大家分享[152]。NERIES對地震研究和監測機構的要求都一一作出回應;其第一要務就是監測和了解地震過程。其活動事項都與數據交換、數據歸檔和技術轉讓有關。GEOSCOPE計劃還參與了歐洲綜合波形數據歸檔(EIDA)子項目,旨在創建一個獨一無二的歐洲信息門戶(如圖11b所示)。

圖11 (a)法國:2006年,FFOSL更名為FOSFORE。主要目的是將不同的法國臺網和位于不同地方的機構(Grenoble、Nice、Paris、Strasbourg)聯合起來建成一個法國門戶,此舉是在以“數據中心”為主導的基本理念下實現的。(b)歐洲:GEOSCOPE和NERIES。EIDA項目對應于4個歐洲節點位于荷蘭的ORFEUS、德國的GFZ、意大利的INGV和法國的IPGP

12 結論與展望

我們介紹了GEOSCOPE誕生的歷史背景及其在一系列重點科學項目推動下的發展歷程。我們描繪了GEOSCOPE發展過程中的演變、經歷的主要步驟以及面臨的挑戰,著重介紹了其在國際背景下的成功經驗,也描述了GEOSCOPE在前進道路上遇到的主要困難。

GEOSCOPE是全球第一個三分量“寬頻帶”地震網,開啟了數字地震學的一個嶄新的時代。GEOSCOPE作為一項法國的行動計劃開始于1982年,它是全球寬頻帶地震臺網的創始成員。該計劃已經發揮了關鍵作用,其技術發展計劃由FDSN協調,而且長期以來都與國際寬頻帶行動的科學目標緊密相連。幾十年間,GEOSCOPE在臺站配置、數據采集方法和數據傳輸方面無時不在進行著必要的升級。

GEOSCOPE數據被地震學界廣泛應用于震源研究和地球內部三維模型(層析成像)的建立。源自GEOSCOPE觀測臺網的產品涉及范圍非常廣泛:從地震危險性評估與跟蹤到對地球內部動力學的深刻認識;從俯沖板塊和地幔不均勻性的研究到地球物質的特性。該網絡參與了整個地球的震源參數化工程。GEOSCOPE實時臺站數據被應用于全球CM T估算[69]和CM T參數的IPGP常規測定。GEOSCOPE網從一個基礎性的全球地震臺網逐步變成了一個與國際監測系統相關的全球化多參數實時監控網,特別是在印度洋和法屬西印度群島海嘯危險性的監控方面發揮著獨特的作用。

固體地球、海洋和大氣研究已成為GEOSCOPE職能中越來越重要的組成部分。地球科學家對時間相關的地震學(四維地震學)越來越感興趣;他們需要長時間序列的數據來研究長周期現象。由此,GEOSCOPE臺網的長期化運作對于這些新興領域(包括環境地震學)顯得尤為重要。

(網上資料:附錄1臺站信息;附錄2 1982年至今的GEOSCOPE團隊;附錄3致謝;補充圖S1—S8。網址:http:∥www.ipgp.fr/～groult/Roult.esupp.doc)

(注:原圖除圖1、4、11外,其余均為彩圖)

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

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

(中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯;鄭需要 校)

(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

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