法國地球透鏡計(jì)劃(GEOSCOPE):過去30年的進(jìn)展與挑戰(zhàn)＊

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(jì)劃(GEOSCOPE):過去30年的進(jìn)展與挑戰(zhàn)＊

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(zhǎng)周期地震學(xué)的早期概況

巴黎地球物理學(xué)院(Institut de Physique du Globe in Paris,簡(jiǎn)稱IPGP)在長(zhǎng)周期地震學(xué)和觀測(cè)設(shè)施方面有著雄厚的基礎(chǔ)。該學(xué)院的地震實(shí)驗(yàn)室于1952—1982年設(shè)計(jì)了人工操作的地震儀,主要用于對(duì)固體潮傾斜的研究。經(jīng)過多次嘗試,Blum等[1-2]在1957年終于研制出了第一臺(tái)原型傾斜儀。這一傳感器是一臺(tái)傳統(tǒng)的措爾納(Z?llner)懸掛式[3]水平向機(jī)械地震儀,由熔融石英制成,在真空環(huán)境下工作(圖1a)。它采用的是光放大和攝影記錄技術(shù),速度為1 cm/h。當(dāng)時(shí),在記錄線變粗時(shí)就認(rèn)為出現(xiàn)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(xù)數(shù)分鐘的長(zhǎng)周期地震波(圖1b、1c),這就使人們對(duì)傾斜儀記錄是否適用于地震研究產(chǎn)生了疑問。那時(shí),以及在隨后的10年間,對(duì)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(duì)每一臺(tái)站時(shí)間序列的處理時(shí)間都超過了24小時(shí)。由于將資料數(shù)字化是一個(gè)很冗長(zhǎng)的過程,極易增大錯(cuò)誤概率,所以數(shù)據(jù)處理通常需要好幾個(gè)月的時(shí)間[4]。

20世紀(jì)60年代,數(shù)字化板還沒有出現(xiàn),就連使用計(jì)算機(jī)的機(jī)會(huì)也非常有限。那時(shí)的長(zhǎng)周期地震研究隊(duì)伍從事著繁重的人工數(shù)字化和傅里葉變換模擬工作,這通常需要數(shù)小時(shí)才能完成。1960年智利大地震后,地球物理學(xué)院(IPG)的地震學(xué)家應(yīng)邀到加州理工學(xué)院地震實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行采樣率為5min的Blum傾斜儀記錄的數(shù)字化處理工作,并對(duì)相應(yīng)的頻譜進(jìn)行計(jì)算[5-7]。對(duì)Blum記錄東-西向分量進(jìn)行的譜分析(圖1)顯示出最嚴(yán)格意義上正常模式記錄(＜1m Hz)的質(zhì)量。根據(jù)Gutenberg大陸模型[8]計(jì)算出的球形和環(huán)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(jì)算由泊松(Poisson)[9]首創(chuàng),其他模式的理論計(jì)算則由Jaerisch[10]、Lam b[11]和Jaerisch[12]陸續(xù)展開,但第一次真正觀測(cè)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(shí)現(xiàn)的。這種遲到的觀測(cè)說明地震學(xué)家很晚才對(duì)甚長(zhǎng)周期觀測(cè)感興趣[14]。遺憾的是,Blum記錄的原始數(shù)據(jù)和數(shù)字化數(shù)據(jù)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(jī)。(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(jù)Gutenberg大陸模型[8]計(jì)算出的球型和環(huán)型振蕩理論本征頻率在能量譜上用豎線表示。橫坐標(biāo)表示每小時(shí)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(yùn)動(dòng)[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(dāng)幾年后GEOSCOPE(法國地球透鏡計(jì)劃)正式啟動(dòng)時(shí)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(jì)70年代首次嘗試使用計(jì)算機(jī)記錄并預(yù)處理長(zhǎng)周期地震數(shù)據(jù),地點(diǎn)是現(xiàn)在的GEOSCOPE ECH臺(tái)站,位于一個(gè)舊的平行巷道內(nèi)。由DEC公司的PDP8計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的一臺(tái)原型斯倫貝謝(Schlumberger)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器就是在那里開始運(yùn)轉(zhuǎn)的,它與一臺(tái)9道的磁帶錄音機(jī)相連,用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并可通過電話網(wǎng)控制。幾乎與此同時(shí),一個(gè)由Nelly Jobert率軍的巴黎團(tuán)隊(duì)在好幾個(gè)地點(diǎn)都安放了甚長(zhǎng)周期地震儀,他們重點(diǎn)關(guān)注的是太平洋的兩個(gè)地點(diǎn):Pamatai(Tahiti)和Kipapa(Haw aii)。來自這兩個(gè)臺(tái)站的記錄被廣泛應(yīng)用于太平洋上地幔結(jié)構(gòu)的研究[16-18]。

早在30年前,IPGP團(tuán)隊(duì)就明白方便快捷的數(shù)據(jù)獲取以及遍布全世界的標(biāo)準(zhǔn)化傳感器是對(duì)地震學(xué)做出創(chuàng)新性貢獻(xiàn)的必要手段。盡管IPGP的傾斜儀質(zhì)量不錯(cuò),但要將它們遍布全世界卻是不現(xiàn)實(shí)的,原因是這些儀器非常易碎,運(yùn)輸便成了大問題,而且儀器校準(zhǔn)工作也非常困難(每一臺(tái)儀器都有自己的傳遞函數(shù))。高質(zhì)量的觀測(cè)需要有類似的、標(biāo)準(zhǔn)化的臺(tái)站設(shè)備。這一概念的倡導(dǎo)者就是創(chuàng)建于1961年的世界標(biāo)準(zhǔn)地震臺(tái)網(wǎng)(WWSSN)。A lbuquerque地震學(xué)實(shí)驗(yàn)室(ASL)負(fù)責(zé)為這一臺(tái)網(wǎng)在全世界120多個(gè)地點(diǎn)布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化地震設(shè)備(三分量長(zhǎng)周期(LP)、短周期(SP)傳感器和一臺(tái)精確的時(shí)鐘)[19]。這些傳感器的自由周期接近30 s(后來為穩(wěn)定起見縮短為15 s),可以提供頻帶為15～100 s的校準(zhǔn)記錄。在20世紀(jì)60年代,WWSSN縮微膠片地震記錄的無償分發(fā)為用戶提供了收集短周期和長(zhǎng)周期三分量地震記錄的通道。雖然該網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是監(jiān)測(cè)地下核爆炸,但許多地震學(xué)家可以利用縮微膠片的分析對(duì)各種地球科學(xué)問題進(jìn)行處理。地震學(xué)對(duì)認(rèn)識(shí)板塊構(gòu)造所作出的貢獻(xiàn)是WWSSN數(shù)據(jù)產(chǎn)出的重要成果之一。由于保存不當(dāng)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(shù)字地震檔案項(xiàng)目(IDEA)保存了下來[20],今天地震學(xué)家仍在使用[21]。

如上所述,法國在20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)模/數(shù)記錄轉(zhuǎn)換。地震研究觀測(cè)臺(tái)(SRO)和聯(lián)合地震研究觀測(cè)臺(tái)(ASRO)數(shù)字臺(tái)網(wǎng)的部署[22-23]意味著WWSSN臺(tái)網(wǎng)向前邁進(jìn)了一大步。作為全球數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)(GDSN)的組成部分,SRO臺(tái)網(wǎng)的建立主要是為了區(qū)分地震與核爆炸。SRO首次提供來自全球標(biāo)準(zhǔn)化臺(tái)站的數(shù)值記錄,使研究地球的長(zhǎng)周期背景噪聲成為可能[24]。

國際加速度計(jì)部署項(xiàng)目(IDA)的領(lǐng)導(dǎo)者解決了對(duì)于周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)千秒的地震信號(hào)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(xué)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(xué)家利用潮汐記錄和長(zhǎng)周期記錄對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究[28]。來自IDA臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)[25]對(duì)于利用長(zhǎng)周期觀測(cè)結(jié)果確定大地震震源參數(shù)的研究起到了推動(dòng)作用。利用一種基階Rayleigh波譜的簡(jiǎn)單反演方法[29],可以快速估算足以引發(fā)多次連續(xù)地幔波列的地震事件的震源機(jī)制和地震矩。IPGP將這種方法成功地應(yīng)用于所有大地震。利用IDA數(shù)據(jù)還可詳細(xì)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(shù)字磁帶記錄的兩個(gè)全球規(guī)模的臺(tái)網(wǎng)。第一批地球三維模型就是源自那個(gè)時(shí)期的非凡產(chǎn)物[31-34]。建立這些模型需要對(duì)數(shù)千個(gè)地震記錄進(jìn)行分析

這是一項(xiàng)利用傳統(tǒng)模擬記錄無法完成的任務(wù)。盡管取得了上述成績(jī),但1981年的全球地震臺(tái)網(wǎng)還是落后于理論地震學(xué)的發(fā)展,而且還有許多不足的地方:

(1)IDA臺(tái)網(wǎng)受諸多因素限制,如頻帶太窄以及只能記錄垂直分量的運(yùn)動(dòng)信息等。其動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于大地震而言還不夠大,20個(gè)臺(tái)站的地理分布也不夠均勻。

(2)在1～100 s寬頻帶范圍內(nèi),GDSN儀器一直受非線性問題困擾,儀器響應(yīng)也不能很好地滿足地震學(xué)家在長(zhǎng)周期記錄方面的需求。的確,在GDSN中占很大比例的SRO臺(tái)網(wǎng)是專門為識(shí)別核爆炸而設(shè)計(jì)的,識(shí)別核爆炸不需要頻帶非常寬的信號(hào)。

(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(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

(4)一個(gè)更普遍的問題是,對(duì)三分量臺(tái)站的需求尤為明顯。例如,在甚長(zhǎng)周期頻帶(100 s～1 h),只記錄地震動(dòng)的垂直分量還不能提供Love面波和地球環(huán)型振蕩的信息。在較短周期頻帶,同時(shí)記錄三分量不同體波數(shù)據(jù)(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(cè)結(jié)果,如Jobert等[15]觀測(cè)到的“X震相”,由水平分量上激發(fā)的高階模式組成[35],因此這種結(jié)果需要三分量記錄。同時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)為了更好地約束矩張量參數(shù)和各向異性,必須對(duì)包含基階和高階的Love面波和Rayleigh面波波列同時(shí)進(jìn)行分析[36]。甚長(zhǎng)周期三分量數(shù)據(jù)提供了不遵循幾何光學(xué)定律的地幔波的實(shí)例,如出現(xiàn)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(dòng)態(tài)范圍都需要擴(kuò)大。這一問題的技術(shù)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(chuàng)于20世紀(jì)60年代末[38-39]。20世紀(jì)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(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬,并具有反饋系統(tǒng)[40-45]。以質(zhì)量平衡反饋為基本理念的大動(dòng)態(tài)范圍地震儀是地震學(xué)取得的重大進(jìn)展。IPGP的地震實(shí)驗(yàn)室迅速采用了STS-1地震儀,并在SSB(Saint-Sauveur Badole)安裝了一臺(tái)垂直傳感器。由于STS-1傳感器的動(dòng)態(tài)范圍大(140 dB)、頻帶寬(20 Hz～1m Hz),所以它能夠填補(bǔ)短周期地震學(xué)(周期＜1 s)和長(zhǎng)周期地震學(xué)(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(duì)應(yīng)的BB配置中的SCZ臺(tái)站(美國Santa Cruz臺(tái)站)傳遞函數(shù)曲線,其反應(yīng)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(shù)相對(duì)應(yīng)的1991年后的甚寬頻帶(VBB)傳遞函數(shù)曲線,在周期域360 s～0.02 s中的BH道呈平坦響應(yīng)。(d)由Ekstr?m等[49]估算的作為時(shí)間函數(shù)的SCZ臺(tái)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(jì)80年代初,科技大環(huán)境對(duì)于建立一個(gè)新的全球?qū)掝l帶網(wǎng)非常有利。在法國國家宇宙科學(xué)研究所(INSU)的支持下,GEOSCOPE計(jì)劃在1981年初應(yīng)運(yùn)而生,該計(jì)劃的出臺(tái)主要源自以下三方面因素[46]:

(1)巴黎地球物理學(xué)院(IPGP)和斯特拉斯堡地球物理學(xué)院(IPGS)在長(zhǎng)周期地震儀方面的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn),以及他們?cè)陂L(zhǎng)周期地震學(xué)研究中豐富的專業(yè)知識(shí)。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(zhǎng)周期測(cè)震學(xué)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題(三分量、大動(dòng)態(tài)范圍、寬頻帶)。雖然STS-1提供的模擬輸出動(dòng)態(tài)范圍只有140 dB,但當(dāng)時(shí)還沒有140 dB數(shù)字記錄儀。因此,第一批安裝的數(shù)字化儀的增益范圍是12 bit。

(3)巴黎地球物理學(xué)院和斯特拉斯堡地球物理學(xué)院(現(xiàn)在的斯特拉斯堡天文與地質(zhì)學(xué)院,簡(jiǎn)稱EOST)之間的長(zhǎng)期合作,以及法國的其他一些機(jī)構(gòu)之間的合作,如法國研究與開發(fā)研究院(IRD)和法國Paul Emile Victo r極地研究院(IPEV)等。這些機(jī)構(gòu)有權(quán)使用世界上孤立站點(diǎn)的資料,而且與世界上許多國家的地震研究機(jī)構(gòu)都有聯(lián)系。這種伙伴關(guān)系為其提供了使用眾多地理站點(diǎn)資料的機(jī)會(huì),也為GEOSCOPE實(shí)現(xiàn)全球臺(tái)網(wǎng)的目標(biāo)做出了重要貢獻(xiàn)。

2 1981—1984:GEOSCOPE計(jì)劃的啟動(dòng)及其早期進(jìn)展

1981年,在法國中部的Saint-Sauveur Badole(SSB)布設(shè)了STS-1地震儀,這意味著GEOSCOPE計(jì)劃已經(jīng)開始行動(dòng)(圖2a)。為了對(duì)儀器進(jìn)行比較,從1981年10月開始,一臺(tái)國際加速度計(jì)部署項(xiàng)目(IDA)的儀器與STS-1并肩運(yùn)行了整整一年,結(jié)果顯示二者在垂直分量上的噪聲水平類似,STS-1的優(yōu)勢(shì)在于其動(dòng)態(tài)范圍更大一些。1982年在留尼汪島(La RéunionIsland)建立了第二個(gè)臺(tái)站,這標(biāo)志著GEOSCOPE的正式啟動(dòng),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(tái)站,1984年又與麻省理工學(xué)院合作在Westford(WFM,馬薩諸塞州)建起了臺(tái)站。

GEOSCOPE計(jì)劃面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是如何將儀器安放在一些偏遠(yuǎn)站點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)均勻的地理覆蓋。到達(dá)這些偏遠(yuǎn)地區(qū)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(fā)揮了重要作用,他們參與了法屬南部領(lǐng)地和南極洲(TAA F)固定科學(xué)基地的科考工作,目的是對(duì)全球地球物理過程進(jìn)行觀測(cè)。初始地震觀測(cè)在Terre Adélie(Portm artin臺(tái)站,1957年移至Dumont D’Urville(DRV);見文獻(xiàn)[51])始于1950年,在凱爾蓋朗群島(Pointemolloy臺(tái)站;見文獻(xiàn)[52],該臺(tái)站于1965年移至PAF)則始于1953年。EOST負(fù)責(zé)第一批GEOSCOPE臺(tái)站中3個(gè)臺(tái)站的建設(shè)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(xué)研究院(ORSTOM,現(xiàn)稱IRD)應(yīng)邀參與了GEOSCOPE項(xiàng)目,與斯特拉斯堡團(tuán)隊(duì)合作完成了兩個(gè)臺(tái)站的建設(shè)工作,并提供資金支持,這兩個(gè)臺(tái)站分別是1985年建成的NOC(Nouméa,新喀里多尼亞)和MBO(M’Bour,塞內(nèi)加爾),隨后又在1987年建起了BNG(Bangui,中非共和國)。

1981年,GEOSCOPE的目標(biāo)是要建成25個(gè)臺(tái)站[46]。選擇一個(gè)新臺(tái)址前一般都會(huì)先進(jìn)行野外背景噪聲測(cè)量。傳感器最好安放在穩(wěn)固的基巖上,因?yàn)檫@樣的基巖對(duì)潛在噪聲源不那么敏感。利用現(xiàn)有的洞穴或地下通道,或按規(guī)格重建洞穴,是當(dāng)時(shí)的基本準(zhǔn)則,另外一個(gè)需要考慮的問題就是要有電源。儀器所屬機(jī)構(gòu)之間還會(huì)就儀器日常運(yùn)轉(zhuǎn)和資料的迅速獲取(初期磁帶是通過郵遞傳送的)等問題達(dá)成具體協(xié)議。IPGP和IPGS之間建立起了密切的工作關(guān)系。當(dāng)?shù)厝藛T都要接受設(shè)備使用和數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面的培訓(xùn),這就為他們打下了良好的科學(xué)基礎(chǔ)。負(fù)責(zé)南印度洋群島和南極洲臺(tái)站的操作人員每年輪換一次,而且在動(dòng)身去偏遠(yuǎn)基站前都要在EOST接受兩個(gè)月的培訓(xùn)。

在剛開始的時(shí)候,只記錄甚長(zhǎng)周期(VLP)道。這一道后來在SEED命名系統(tǒng)中變成了VH道(有關(guān)SEED格式的綜合描述,見http:∥www.iris.washington.edu/manuals;另見文獻(xiàn)[56-57])。在3600 s～60 s周期范圍,它呈現(xiàn)的是地面加速度的平坦響應(yīng)。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有范圍增益性質(zhì)(12 bit尾數(shù),8 bit增益),采樣率為0.1 sps。那時(shí),IPGS研發(fā)了另一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可進(jìn)行1 sps高增益長(zhǎng)周期道(HGLP)的連續(xù)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(fā)道BRB道(寬頻帶道,SEED命名中稱M H),其特點(diǎn)為1～200 s周期范圍內(nèi)地面速度的平坦響應(yīng),采樣率為5 sps。當(dāng)時(shí)傳感器的相應(yīng)傳遞函數(shù)如圖2b所示。1982年末,該網(wǎng)絡(luò)只有兩個(gè)臺(tái)站:法國的SSB和留尼汪島的RER。到1987年臺(tái)站數(shù)量增加到18個(gè);1991年,增加到23個(gè)。儲(chǔ)存在當(dāng)?shù)嘏_(tái)站磁帶上的數(shù)據(jù)每2～4周就通過航空郵寄到法國,遠(yuǎn)在南極洲和南印度洋的臺(tái)站除外(這里的數(shù)據(jù)每年一次,后來每?jī)赡暌淮?通過船運(yùn)寄到法國)。所有原始數(shù)據(jù)都集中在巴黎附近的Saint-Maur des Fossés數(shù)據(jù)處理中心,在那里數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)存到九軌磁帶上,以供歸檔和分發(fā)使用。數(shù)據(jù)格式是“自己特制的”。各臺(tái)站有兩個(gè)不同的時(shí)鐘,一個(gè)是自制的內(nèi)部“原子”鐘,另一個(gè)是提供由OM EGA系統(tǒng)發(fā)布的絕對(duì)時(shí)間的外部時(shí)鐘,精度為50m s,PAF(凱爾蓋朗群島)和DRV(Terre Adélie)兩個(gè)臺(tái)站除外,它們用的外部時(shí)鐘是特制的地方原子鐘(銣鐘)。內(nèi)部時(shí)鐘偏移很大。數(shù)據(jù)磁帶匯集起來以后,還要在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行時(shí)間校正的核實(shí)與應(yīng)用,這項(xiàng)工作非常費(fèi)時(shí)。20世紀(jì)90年代開始,OM EGA逐步被更精確的GPS時(shí)鐘取代。

對(duì)于簡(jiǎn)正模式研究[37,58]、面波異常特征觀測(cè)[59]和三維模型的研制[60-61]而言,GEOSCOPE數(shù)據(jù)產(chǎn)出的第一批成果意義非常重大。Masters等[31]發(fā)現(xiàn)的2度上地幔證據(jù)在Romanowicz等[62]和Roult等[63]利用GEOSCOPE數(shù)據(jù)進(jìn)行的地球自由振蕩的首次分析中也有報(bào)導(dǎo)。

3 1985:國際行動(dòng)計(jì)劃國際數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)聯(lián)合會(huì)(FDSN)啟動(dòng)

GEOSCOPE計(jì)劃啟動(dòng)之后,其他國家也相繼迅速啟動(dòng)了自己的行動(dòng)計(jì)劃。1984年美國地震學(xué)聯(lián)合研究會(huì)(IRIS)的成立,特別是IRIS于1986年在美國創(chuàng)建的全球地震臺(tái)網(wǎng)(GSN)的誕生,標(biāo)志著地震學(xué)取得了重大進(jìn)展,同時(shí)也凸顯了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字設(shè)備的全球性需求[64-68]。

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

鑒于國際協(xié)調(diào)的必要性,國際數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)聯(lián)合會(huì)(FDSN)于1985年誕生[73],GEOSCOPE、IRIS/GSN和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)都是其創(chuàng)始成員。其他一些正快速開展寬頻帶臺(tái)站建設(shè)的國家也應(yīng)邀加入進(jìn)來(包括中國、德國、澳大利亞、意大利和前蘇聯(lián))。

FDSN的首要任務(wù)是制定寬頻帶儀器標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)至今仍在使用(見http:∥www.fdsn.org)。要想成為FDSN成員,每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須符合幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。地震儀必須是寬頻帶的(當(dāng)時(shí)其實(shí)就是指STS-1),能夠完成大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字記錄。地震數(shù)據(jù)必須是開放的,也就是說可以自由獲取。此外,FDSN還規(guī)定了選址標(biāo)準(zhǔn):要取得“FDSN”資格,一個(gè)臺(tái)站和另一個(gè)FDSN臺(tái)站之間的距離不得小于2000 km。

建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)顯得尤為必要。GEOSCOPE團(tuán)隊(duì)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(huì)上通過,會(huì)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(shù)是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。被選中的格式必須滿足傳統(tǒng)短周期地震臺(tái)網(wǎng)操作人員的要求,他們注重基于事件的格式;同時(shí)又必須滿足長(zhǎng)周期研究人員的要求,他們則極力推廣連續(xù)數(shù)據(jù)記錄。20多年后,SEED格式仍然是地震學(xué)的通用標(biāo)準(zhǔn),這顯示出采納一種網(wǎng)絡(luò)操作員和整個(gè)地震學(xué)界都能接受的格式有多么重要。SEED格式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,它提供了一種數(shù)據(jù)壓縮的方法,大大減小了需要?dú)w檔和分發(fā)的數(shù)據(jù)量[74-75]。FDSN在推動(dòng)和協(xié)調(diào)許多國家的寬頻帶地震學(xué)項(xiàng)目方面起到了關(guān)鍵作用,而且現(xiàn)在也仍然在發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳感器、采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分發(fā)格式的標(biāo)準(zhǔn)化,以及為了避免不同國家間的重復(fù)性工作而實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)分享,大大提高了數(shù)字寬頻帶地震臺(tái)站的全球覆蓋率[76]。2008年,共有50多個(gè)國家和30多個(gè)臺(tái)網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn),GEOSCOPE在1985—1990年完成了幾項(xiàng)重要升級(jí)[77]。

4.1 從寬頻帶逐步轉(zhuǎn)變到甚寬頻帶配置

第一代STS-1傳感器成功后(圖1,文獻(xiàn)[75]),Wielandt和Steim[74]引入了VBB版的地震儀,這種地震儀提供在整個(gè)頻帶的單道記錄,而不像原來的儀器那樣提供VLP(甚長(zhǎng)周期)和BRB(寬頻帶)多道記錄,同時(shí)它還將頻帶拓寬至10 Hz(原來是5 Hz)。這實(shí)際上意味著隨之而來的是20 sps的連續(xù)記錄,從而提高了短周期遠(yuǎn)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(zhuǎn)換在所有GEOSCOPE臺(tái)站都是逐步完成的。到1990年底,13個(gè)臺(tái)站完成了向VBB配置的轉(zhuǎn)換,6個(gè)臺(tái)站仍使用以前的配置。圖2c顯示出使用VBB配置的4個(gè)道的地面速度的儀器響應(yīng)與以前配置(加速度)的比較,臺(tái)站資料來自SCZ(Santa Cruz,加州)(圖2b)。有關(guān)常用道的情況見附錄(網(wǎng)上資料)。

因?yàn)锽H(或MH)道仍由地震事件觸發(fā),所以大部分信號(hào)已丟失。圖2d顯示了Ekstr?m等[49]估算出的作為時(shí)間函數(shù)的SCZ臺(tái)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(jí)到VBB意味著大大降低了噪聲水平。圖3a和3b簡(jiǎn)要顯示了從1982年至2000年該臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展過程。到1990年末,該臺(tái)網(wǎng)總計(jì)有21個(gè)臺(tái)站。

4.2 HGLP道的特例

每個(gè)偏遠(yuǎn)臺(tái)站都安裝了兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以防在硬件出現(xiàn)故障時(shí)丟失數(shù)據(jù)。在寬頻帶配置中記錄了兩道數(shù)據(jù),其地面加速度反應(yīng)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(dāng)時(shí)被稱為HGLP(高增益長(zhǎng)周期),其特點(diǎn)是在20 s周期的放大倍數(shù)比VH放大倍數(shù)高50倍[45]。由HGLP道收集的數(shù)據(jù)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(xiàn)[78-81]。HGLP記錄對(duì)于我們認(rèn)識(shí)Rayleigh波的極化與各向異性結(jié)構(gòu)的關(guān)系也起到了重要作用[82]。

4.3 偏遠(yuǎn)臺(tái)站的日常質(zhì)量控制

在GEOSCOPE的最初3年,局部數(shù)據(jù)是通過磁拾音頭記錄的,并定期郵寄到法國。1985年,對(duì)臺(tái)站計(jì)算機(jī)進(jìn)行了升級(jí),在有電話線聯(lián)通的地方都配置了M initel系統(tǒng)(互聯(lián)網(wǎng)以前的法國電信網(wǎng)),這樣一來,臺(tái)站計(jì)算機(jī)便可通過電話完成數(shù)據(jù)擷取。更偏遠(yuǎn)些的臺(tái)站都安裝了ARGOS天線,由此實(shí)現(xiàn)對(duì)資料完好狀態(tài)的日常遙測(cè),大大方便了質(zhì)量控制。另外還設(shè)置了一套大地震發(fā)生后立即通過遙測(cè)技術(shù)進(jìn)行24小時(shí)VLP數(shù)據(jù)擷取的流程。

圖3 (a)1982—2000年作為時(shí)間函數(shù)的GEOSCOPE臺(tái)站數(shù)量的變化情況,所示信息與3個(gè)不同階段的采集鏈配置相關(guān)(BB、VBB的BH道觸發(fā),VBB的BH連續(xù)記錄,采樣率為20 sps)。(b)GEOSCOPE網(wǎng)與FDSN臺(tái)站的同步變化情況

4.4 觸發(fā)記錄系統(tǒng)的改進(jìn)

STA/L TA比(短時(shí)平均值/長(zhǎng)時(shí)平均值)算法[83]最初是為短周期體波探測(cè)而建立的,用于M H道的觸發(fā)(5 sps),這種算法不太適合遠(yuǎn)震記錄[84]。許多中等強(qiáng)度地震、大地震的體波以及持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的信號(hào)經(jīng)常漏檢。由Rouland等[85]編制的一套新的地震探測(cè)程序被逐步融入數(shù)字記錄系統(tǒng)[55]。

震源研究[86-88]以及不同波長(zhǎng)的波形模擬中通常使用VBB配置的4個(gè)道來提供區(qū)域或全球三維模型[60],簡(jiǎn)正模式研究使用的也是4個(gè)道[62-63]。

4.5 數(shù)據(jù)分發(fā)

該臺(tái)網(wǎng)創(chuàng)立伊始,IPGP和EOST各自研發(fā)了不同的格式,使得通用數(shù)據(jù)中心的運(yùn)轉(zhuǎn)異常困難。后來決定在IPGP建立一個(gè)單一的GEOSCOPE數(shù)據(jù)檔案館來管理數(shù)據(jù),并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)向國際科技界的數(shù)據(jù)分發(fā)工作。這項(xiàng)工作中比較耗時(shí)的主要任務(wù)就是核對(duì)定時(shí)信息(操作員設(shè)定的時(shí)鐘、閏秒校正和時(shí)鐘跳變),并將必要的時(shí)間校正應(yīng)用到數(shù)據(jù)中。第一個(gè)面向廣大科技界的數(shù)據(jù)分發(fā)模式是通過磁帶完成的,后來根據(jù)要求變成了磁拾音頭。1988年,GEOSCOPE安裝了第一個(gè)“光碟柜”,并啟動(dòng)了通過光碟(CD-ROM)完成系統(tǒng)性數(shù)據(jù)分發(fā)的工程。20世紀(jì)90年代,GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心的能力進(jìn)一步擴(kuò)大,以應(yīng)對(duì)科技界對(duì)數(shù)據(jù)的大量需求,并充分利用諸如互聯(lián)網(wǎng)等高科技手段帶來的便捷與機(jī)遇。取得這些進(jìn)步都是在FDSN行動(dòng)綱領(lǐng)指導(dǎo)下,與IRIS數(shù)據(jù)中心聯(lián)手實(shí)現(xiàn)的[89]。

5 GEOSCOPE 1990—1998:多樣化項(xiàng)目實(shí)施階段

FDSN所發(fā)揮的關(guān)鍵作用[89]就是幫助GEOSCOPE確定了儀器布設(shè)中的優(yōu)先事項(xiàng)[77,90]。20世紀(jì)90年代初主要取得了兩項(xiàng)重要進(jìn)展:①多參數(shù)記錄的開展;②數(shù)據(jù)收集過程中時(shí)間延遲情況的減少(有些臺(tái)站當(dāng)時(shí)還在通過郵寄的方式提供數(shù)據(jù),這樣會(huì)將時(shí)間拖延至1年)。1992年9月,在巴黎召開了一次慶祝GEOSCOPE計(jì)劃啟動(dòng)10周年大會(huì)。與會(huì)的臺(tái)站操作員、數(shù)據(jù)中心管理者和科學(xué)家一起討論了寬頻帶地震學(xué)的技術(shù)發(fā)展水平及其面臨的新的挑戰(zhàn)。會(huì)上大家決定進(jìn)行如下操作流程方面的改變。

5.1 新的標(biāo)定方法

地震儀傳遞函數(shù)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(tái)決定的,其可靠的標(biāo)稱精度應(yīng)為1%。這一標(biāo)稱精度忽略了對(duì)運(yùn)輸、場(chǎng)地條件和設(shè)備老化等因素的敏感程度。Bernard等[91]提出了一種被稱為“G-標(biāo)定”的實(shí)地絕對(duì)標(biāo)定方法,這種方法在臺(tái)站上執(zhí)行起來非常容易。他們認(rèn)為垂直分量上精度完全有可能達(dá)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(dòng)。

5.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念

輔助道的重要性很早即被認(rèn)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(shù)而獲益。所有的GEOSCOPE臺(tái)站都配備了3臺(tái)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(jì)由Streckeisen設(shè)計(jì)提供。從DC到0.03 Hz的頻率范圍內(nèi),其反應(yīng)譜是平坦的,精度高于0.1μbar(10-2Pa)。溫度計(jì)是由Saint-Maur des Fossés數(shù)據(jù)處理中心的技術(shù)團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的PT100或PT1000傳感器。從DC到0.03 Hz的傳遞函數(shù)是平坦的,動(dòng)態(tài)范圍被調(diào)至與±10 V對(duì)應(yīng)的±30℃。靈敏度高于0.1m K。遺憾的是,2000年以前的所有輔助數(shù)據(jù)都已丟失。

1990年,GEOSCOPE參考臺(tái)站SSB(Saint-Sauveur Badole,法國)已有兩套STS-1地震儀正在運(yùn)行,這時(shí)又加裝了兩個(gè)微氣壓計(jì)。觀測(cè)結(jié)果顯示大氣壓與水平分量地震噪聲信號(hào)之間存在明顯的相關(guān)性(圖4a;文獻(xiàn)[92-93])。垂直分量的地震噪聲與壓力的相關(guān)性則不如水平分量上的高,而且只出現(xiàn)在500 s周期。這些結(jié)果與Zürn和Widmer[94]的結(jié)果一致,他們發(fā)現(xiàn)局部大氣壓與地震信號(hào)之間不呈系統(tǒng)性相關(guān),而且相關(guān)的程度主要取決于傳感器的安裝質(zhì)量。這一結(jié)果對(duì)于未來惡劣環(huán)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(yù)、甚至不可能干預(yù)的環(huán)境。

圖4 (a)記錄大氣壓數(shù)據(jù)的重要性[93]。①原始地震數(shù)據(jù);②微氣壓數(shù)據(jù);③經(jīng)校正的地震數(shù)據(jù)。(b)記錄大氣壓的益處[101]。范例取自1998年的TAM臺(tái)站,時(shí)間為新幾內(nèi)亞地區(qū)大地震(1998年2月19日當(dāng)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(shù):①壓力效應(yīng)校正前(細(xì)線)和大氣壓力效應(yīng)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(shù)據(jù)中心

1989年,GEOSCOPE與CEA/DASE(法國原子能委員會(huì)負(fù)責(zé)地震探測(cè)的部門)簽署了將數(shù)據(jù)寫入光碟的合作協(xié)議。1990年,GEOSCOPE數(shù)據(jù)以自己制定的“數(shù)據(jù)庫”格式歸檔,海量的數(shù)據(jù)使得用磁帶分發(fā)數(shù)據(jù)顯得不切實(shí)際。GEOSCOPE與FDSN標(biāo)準(zhǔn)保持一致,主要體現(xiàn)在以下3方面:①系統(tǒng)地確定傳遞函數(shù);②編輯一本“臺(tái)站手冊(cè)”;③通過各種程序向全世界分發(fā)數(shù)據(jù)。

5.3.1 傳遞函數(shù)

現(xiàn)在,任何地震數(shù)據(jù)的處理都需要精確的傳遞函數(shù)[95-96]。在SEED格式中,表示傳遞函數(shù)特征的放大系數(shù)、極點(diǎn)和零點(diǎn)在一個(gè)名為“DA TALESS”的文件中都有簡(jiǎn)要概述,這可以在SEED指南中查到(見文獻(xiàn)[97])。為了計(jì)算儀器響應(yīng),必須搞清每個(gè)臺(tái)站分量和道的采集鏈的不同元素的準(zhǔn)確信息。儀器響應(yīng)隨時(shí)間變化,模擬和數(shù)值濾波器的變化以及采集鏈動(dòng)態(tài)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(duì)于法國SSB臺(tái)站的VH道,最新一卷DATALESS就包含與連續(xù)升級(jí)的采集鏈相對(duì)應(yīng)的23個(gè)不同傳遞函數(shù)。每次大地震后我們都要計(jì)算合成地震記錄,以核實(shí)并確認(rèn)道的極性、分量方位和儀器響應(yīng)。完成所有技術(shù)信息的收集與核實(shí)工作需要耗費(fèi)好幾年的時(shí)間。

5.3.2 臺(tái)站手冊(cè)編輯

1992年FDSN大會(huì)上通過的一項(xiàng)決議促使“綜合臺(tái)站手冊(cè)”按計(jì)劃出版,這些手冊(cè)統(tǒng)一使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模板,每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作員都要對(duì)自己的臺(tái)站手冊(cè)負(fù)責(zé)[98]。第一本GEOSCOPE臺(tái)站手冊(cè)只是一個(gè)印刷文件[99],兩年以后又推出了一個(gè)更全面的升級(jí)版本[100]。臺(tái)站手冊(cè)必須介紹每一臺(tái)站的“歷史”、臺(tái)站隸屬于哪個(gè)臺(tái)網(wǎng)(名稱和地址)、該臺(tái)網(wǎng)的儀器狀況、站點(diǎn)的地理坐標(biāo)及地質(zhì)概況、不同道的靈敏度及開始運(yùn)行的日期、儀器傳遞函數(shù)圖以及臺(tái)址照片等。每當(dāng)更改臺(tái)站信息時(shí)必須在最新一卷DA TALESS中進(jìn)行記錄,并將此信息傳遞給FDSN/IRIS數(shù)據(jù)中心,該中心負(fù)責(zé)收集不同F(xiàn)DSN臺(tái)網(wǎng)提供的所有臺(tái)站手冊(cè)。每一次FDSN會(huì)議都為臺(tái)站手冊(cè)的升級(jí)提供機(jī)會(huì)。

5.3.3 數(shù)據(jù)分發(fā)模式

(1)通過光碟。為了保證數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存和分發(fā),GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心在1990年配備了一個(gè)300 Gbytes容量的“光碟柜”。傳入的數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)間校正后全都被存儲(chǔ)到光碟柜上。1982年3月(82.061)—1992年7月(92.189)的所有數(shù)據(jù)都用SEED格式寫入光碟,1989—1997年的數(shù)據(jù)集(36張光碟)被免費(fèi)分發(fā)給世界各地的約200個(gè)用戶。第一張光碟(編號(hào)00)包含了5年的數(shù)據(jù),但由于臺(tái)站數(shù)量和記錄道的不斷增加,最后一張光碟(編號(hào)34)只包含了8天的數(shù)據(jù)。利用光碟分發(fā)數(shù)據(jù)的方式很難將有關(guān)臺(tái)站的升級(jí)或變化信息通知給數(shù)據(jù)用戶。要將信息通知到所有用戶,每一張新光碟必須包含時(shí)間跨度數(shù)據(jù)和對(duì)以前分發(fā)的光碟上的錯(cuò)誤進(jìn)行校正的信息。這一系統(tǒng)簡(jiǎn)直變成了一場(chǎng)噩夢(mèng)。1997年,光碟終于停產(chǎn)了。同時(shí),由于互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,我們可以按照匿名f tp(檔案?jìng)鬏攨f(xié)定)要求,直接提供訪問數(shù)據(jù)檔案的機(jī)會(huì)。

(2)通過匿名f tp。GEOSCOPE網(wǎng)站于1993年建成。新近發(fā)生的6級(jí)以上地震的所有數(shù)據(jù),或由于地震位置或深度特殊而需要特別關(guān)注的地震數(shù)據(jù),都被傳送到Saint-Maur des Fossés數(shù)據(jù)處理中心。11個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)是通過成本極高的電話線傳輸?shù)?。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(shù)據(jù)可以通過1999年創(chuàng)建的一套具體程序在巴黎的數(shù)據(jù)中心獲取,也可以在地震發(fā)生一、兩天后通過GEOSCOPE網(wǎng)站服務(wù)器或匿名ftp獲取。1998年,GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心開始執(zhí)行由Kradolfer[104-105]介紹的自動(dòng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求管理程序(AutoDRM)。

5.4 對(duì)地震目錄的貢獻(xiàn)

為地震目錄做出貢獻(xiàn)從一開始就不是GEOSCOPE的科學(xué)目標(biāo)之一,但南半球的高緯度站點(diǎn)提供了“被漏檢的”地震事件的令人感興趣的記錄,對(duì)這些地震的定位會(huì)有所幫助。

過去幾十年間全球范圍內(nèi)臺(tái)站數(shù)量的不斷增大(甚至在荒漠地區(qū)和其他環(huán)境惡劣的地區(qū)也設(shè)立了臺(tái)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(tái)網(wǎng)都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,但在南半球臺(tái)站數(shù)量仍顯不足。極少數(shù)地震發(fā)生在遠(yuǎn)離板塊邊界的地方,南半球有限的高質(zhì)量臺(tái)站數(shù)量使得大量中強(qiáng)地震資料缺失。對(duì)北半球和南半球4.2級(jí)上下的地震數(shù)量進(jìn)行比較,我們便會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)證據(jù),即全球標(biāo)準(zhǔn)化地震目錄中報(bào)告的南半球MW4.2～5.0地震事件顯然是不完整的。南半球臺(tái)站數(shù)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(dòng)目錄。Rouland等[106]在1986年查看了PAF、CRZF、DRV和NOC臺(tái)站的連續(xù)記錄,并對(duì)觀測(cè)到的地震波到時(shí)與根據(jù)美國國家地震信息中心(NEIC)每月目錄中報(bào)告的震中計(jì)算出的Rayleigh波到時(shí)進(jìn)行核對(duì)。利用可以清晰識(shí)別的Rayleigh波到時(shí),他們只能確定23次以前從未探測(cè)到的地震位置。后來,GEOSCOPE和IRIS南半球臺(tái)站資料的聯(lián)合使用使得這些事件的識(shí)別更加清晰,并確定了1999年發(fā)生的半數(shù)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(nèi)經(jīng)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(tái)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(jí)在3.7至5.2之間。

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

6 GEOSCOPE 1998—2002:向多參數(shù)化觀測(cè)邁進(jìn)

圖3a和圖3b是1982—2000年GEOSCOPE和FDSN不斷增大的臺(tái)站數(shù)量的比較。GEOSCOPE在FDSN中的重要性體現(xiàn)在這樣一個(gè)事實(shí),即GEOSCOPE的80%的臺(tái)站都配備了STS-1。這些儀器在360 s范圍內(nèi)對(duì)地面速度的反應(yīng)譜是平坦的,因此其性能要比STS-2好,STS-2的平坦響應(yīng)只能延伸至120 s?，F(xiàn)在,STS-1地震儀已停產(chǎn),所以那些仍然可以運(yùn)轉(zhuǎn)的儀器對(duì)于甚低頻研究而言顯得尤為珍貴,特別是對(duì)于自由振蕩研究更是如此。GEOSCOPE網(wǎng)的最初要旨是增加臺(tái)站數(shù)量,提高臺(tái)站質(zhì)量。隨后面臨的挑戰(zhàn)就是記錄地震信號(hào)的同時(shí)還要記錄環(huán)境參數(shù)[107],并利用電話和互聯(lián)網(wǎng)提高數(shù)據(jù)的可訪問性和可用性。多參數(shù)觀測(cè)臺(tái)的建設(shè)促成了對(duì)諸如大氣壓和溫度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)以及這些參數(shù)與地震信號(hào)之間相干性的研究(圖4)。

6.1 多參數(shù)臺(tái)站

在儀器方面花費(fèi)的氣力主要集中在GEOSCOPE臺(tái)站設(shè)備(特別是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)的逐步升級(jí),以及通過加裝微氣壓計(jì)和溫度計(jì)將臺(tái)站變成多參數(shù)觀測(cè)臺(tái)。這一努力出于兩個(gè)不同目的:(1)提高信噪比;(2)研究地震與環(huán)境物理參數(shù)之間的相關(guān)性。GEOSCOPE決定將所有的地震臺(tái)站都變成多參數(shù)地球物理臺(tái)站。當(dāng)時(shí),多參數(shù)臺(tái)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(duì)地震數(shù)據(jù)與壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積的興趣(圖4a)。研究結(jié)果顯示,如果將大氣壓效應(yīng)考慮在內(nèi),大地震的頻譜能夠更清晰地識(shí)別地球自由振蕩頻率。1998年,幾位作者報(bào)道稱即使在地震平靜期也發(fā)現(xiàn)地球連續(xù)自由振蕩的觸發(fā)證據(jù)。這種現(xiàn)在被稱為地震“哼鳴”的微弱信號(hào)(約0.4 nanogals)在所有裝備了STS-1地震儀的臺(tái)站記錄中都可以發(fā)現(xiàn)[109-113]。當(dāng)大氣壓也被記錄下來并被減除時(shí),對(duì)“哼鳴”的觀測(cè)即大大增強(qiáng),從而大大提高了信噪比[101]。圖4b顯示出從地震Z數(shù)據(jù)中減去壓力信號(hào)P是非常有用的。1998年2月17日新幾內(nèi)亞島附近大地震后立即計(jì)算出了波譜。減去局部大氣壓效應(yīng)明顯提高了波譜信噪比。經(jīng)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(shù)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(guān)系,這些甚低頻模式往往是探測(cè)不到的。

6.2 AGECODAGIS實(shí)驗(yàn)

20世紀(jì)90年代末,能與Quanterra儀器競(jìng)爭(zhēng)的似乎就是由法國A GECODAGIS公司研制的數(shù)字化儀“GEOSCOPE2000”。這種儀器提供了6個(gè)24 bit的地震道(3個(gè)BH道和3個(gè)LM道),以及16個(gè)16 bit的用于記錄其他不同參數(shù)的道(大氣壓、溫度、傾斜儀、GPS等)。其中一臺(tái)數(shù)字化儀于2000年6月被安裝在GRC(Garchy,法國)臺(tái)站,并運(yùn)行了兩年[114]。這一時(shí)期,世界各地正在普遍安裝Q4120,而且Quanterra當(dāng)時(shí)已開始研制Q330。IPGP對(duì)AGECODAGIS和QUAN TERRA系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行了測(cè)試,并最終選擇了Q330來逐步取代GEOSCOPE項(xiàng)目中所有臺(tái)站使用的數(shù)據(jù)記錄儀,以保證更符合FDSN臺(tái)站設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

6.3 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)中心(NetDC)程序

1999年,GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了重組,以便更好地應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)量的不斷增大,并為將來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。所有的GEOSCOPE數(shù)據(jù)都被移入一個(gè)元數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫,并被貯存在一個(gè)高效、安全的系統(tǒng)內(nèi)。同年,GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心成為網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)中心(NetDC)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這一數(shù)據(jù)訪問方式是在FDSN框架內(nèi)規(guī)劃的,并在IRIS團(tuán)隊(duì)的幫助下在IPGP數(shù)據(jù)中心安裝使用。在NetDC,通過一個(gè)應(yīng)用層并按照路線將用戶請(qǐng)求發(fā)送至合適的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)中心,該應(yīng)用層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)打包及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)工作。對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行編輯,再將編輯好的數(shù)據(jù)集分發(fā)出去,這些工作都對(duì)用戶透明(如圖6所示)。

圖6 GEOSCOPE數(shù)據(jù)的可用性以及目前NetDC程序的運(yùn)行圖。圖中示出相關(guān)的數(shù)據(jù)中心及國家。1999年,NCEDC(北加州地震數(shù)據(jù)中心)、ORFEUS和GEOSCOPE成為在IRIS幫助下第一批安裝NetDC程序的網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)NetDC節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)數(shù)據(jù)中心樞紐

7 GEOSCOPE 2002—2007:迎來新的挑戰(zhàn)——向?qū)崟r(shí)臺(tái)站邁進(jìn)

2002年,在一個(gè)由法國所有地震學(xué)泰斗、FDSN和歐洲數(shù)據(jù)中心ORFEUS(歐洲地震觀測(cè)與地震學(xué)研究組織)代表、法國科學(xué)家以及GEOSCOPE數(shù)據(jù)用戶出席的“科學(xué)委員會(huì)”會(huì)議期間,GEOSCOPE的目標(biāo)被重新明確界定:加強(qiáng)與法國國內(nèi)和國外伙伴的合作關(guān)系,建設(shè)高緯度站點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集鏈的現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化、將地震臺(tái)站變成多參數(shù)觀測(cè)臺(tái)、在所有臺(tái)站實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。那時(shí),所有固定臺(tái)網(wǎng)都在朝著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚺115-118]。

7.1 增強(qiáng)與法國和國外機(jī)構(gòu)的合作

2002年以來,GEOSCOPE計(jì)劃不斷增強(qiáng)了與法國及國外機(jī)構(gòu)在臺(tái)站升級(jí)與維護(hù)方面的合作。由于地震學(xué)家對(duì)能夠加速數(shù)據(jù)處理和科學(xué)研究的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄的興趣不斷增大,合作協(xié)議也越來越多,并更加高效。GEOSCOPE繼續(xù)尋求當(dāng)?shù)氐暮献骰锇?以提高偏遠(yuǎn)臺(tái)站的維護(hù)效率,使其升級(jí)也變得更加方便。擁有臺(tái)站的當(dāng)?shù)馗咝；驒C(jī)構(gòu)被賦予了更多的責(zé)任。南半球的原始站點(diǎn)以及南半球和北半球的高緯度特設(shè)站點(diǎn)被給予優(yōu)先關(guān)注。

7.2 高緯度站點(diǎn)的建設(shè)

北半球兩個(gè)高緯度臺(tái)站的建設(shè)/升級(jí)已經(jīng)籌劃好幾年了,旨在為更好地探測(cè)地球內(nèi)核提供更多的極地路徑[119]。GEOSCOPE希望在Novaya Zem lya附近建立一個(gè)新的站點(diǎn)

VOR(Vorkuta,俄羅斯),并對(duì)已有的臺(tái)站SEY(Seymchan,俄羅斯)進(jìn)行升級(jí)。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(gè)站點(diǎn)AM。由于這兩個(gè)站點(diǎn)的緯度很高,所以它們都是原始站點(diǎn),而且很有科學(xué)意義。兩個(gè)臺(tái)站由IPGP和俄羅斯科學(xué)院地球物理中心(GSRAS)共同負(fù)責(zé)。在南半球,EOST團(tuán)隊(duì)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(gè)國際極地年(IPY)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和CONCORD IA固定臺(tái)站的建設(shè)工作。

7.3 數(shù)據(jù)采集鏈的標(biāo)準(zhǔn)化

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的安裝是邁向近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉O其重要的一步。1997年從印度洋的A IS臺(tái)站(1998年P(guān)AF、DRV和CRZF臺(tái)站)開始逐步配備Quanterra ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)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(gè)26 bit道、3個(gè)24 bit道和4個(gè)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(yù)警中心(CNATO I)框架內(nèi),由EOST維護(hù)的幾個(gè)印度洋臺(tái)站開始配備Q330-HR,與原有的Q4120并行運(yùn)作。詳細(xì)情況以后在有關(guān)GEOSCOPE參與其他計(jì)劃的章節(jié)中還會(huì)介紹。表1—3示出了相關(guān)臺(tái)站信息。

7.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

由于牽涉到時(shí)間校正,近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)中心的操作人員而言非常耗時(shí),所以不久即被廢棄。圖S5(網(wǎng)上資料)列出了2000年的臺(tái)站。波茨坦地學(xué)研究中心(Geo Fo rschungsZentrum Potsdam)提供的最新成果使得軟件的免費(fèi)獲取成為可能,也意味著數(shù)據(jù)傳輸會(huì)更加流暢[115]。所有傳輸工作都是按Seedlink協(xié)議進(jìn)行的,從而保障了來自遙遠(yuǎn)臺(tái)站的數(shù)據(jù)流的連續(xù)性(Heinloo A,個(gè)人通信)。自2002年開始,GEOSCOPE項(xiàng)目經(jīng)歷了一次較大變革,主要是對(duì)其向IPGP的數(shù)據(jù)傳輸流程進(jìn)行了幾次重要升級(jí)[120]。每一個(gè)臺(tái)站都需要一個(gè)量身定制的方案。例如,圖S6(網(wǎng)上資料)描繪了RER(La Réunion Island)自2004年6月起所遵循的詳細(xì)流程。超過3.5 km的光纖通過掩蔽隧道將信號(hào)傳至以太網(wǎng)橋(Ethernet bridge)。無線電通信鏈路可將信號(hào)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(lián)網(wǎng)。圖7示出一個(gè)目前標(biāo)準(zhǔn)化GEOSCOPE臺(tái)站的數(shù)據(jù)流,共有8個(gè)不同的道(3個(gè)地震道、3個(gè)撐桿位置、1個(gè)微氣壓計(jì)、1個(gè)溫度計(jì))。自動(dòng)控制系統(tǒng)可迅速探測(cè)到功能異常和錯(cuò)誤信息的傳輸,以便作出適當(dāng)反應(yīng)。

8 2009年的GEOSCOPE:達(dá)到現(xiàn)代技術(shù)水平

2009年,GEOSCOPE的優(yōu)勢(shì)在于:

(1)在非洲和印度洋有著獨(dú)一無二的臺(tái)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(gè)臺(tái)站配備了STS-1,8個(gè)臺(tái)站配備了STS-2);

表2 已停止運(yùn)行的臺(tái)站

表3 規(guī)劃中的臺(tái)站

(3)噪聲水平屬FDSN臺(tái)站最低之列;

(4)現(xiàn)在30個(gè)臺(tái)站中有21個(gè)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);

(5)噪聲水平實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)估算和繪圖。

2009年末,該網(wǎng)絡(luò)已有30個(gè)臺(tái)站(圖8a),其中4個(gè)位于非洲北部,8個(gè)位于印度洋或靠近印度洋。這些臺(tái)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(shù)信息,包括臺(tái)站的演化、起止日期、地理坐標(biāo)、各道(VH、BH)的起始狀況、臺(tái)站設(shè)備(傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀),以及數(shù)據(jù)傳輸狀況(RT:實(shí)時(shí);NRT:近實(shí)時(shí);RA:通過電話線或互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問)。不難看出,GEOSCOPE已經(jīng)達(dá)到或超過了其原始設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖7 一個(gè)GEOSCOPE實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)臺(tái)站的現(xiàn)時(shí)運(yùn)行圖

8.1 2009年末正在運(yùn)行的臺(tái)站(圖8、表1)

到2009年末,共有30個(gè)臺(tái)站正在運(yùn)行。其維護(hù)由下列機(jī)構(gòu)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(dāng)?shù)卮髮W(xué)和科研機(jī)構(gòu)。

●IPGP負(fù)責(zé)的擁有VBB配置的17個(gè)臺(tái)站是:CLF、COYC、FDF、FOMA、HDC、H YB、M PG、NOUC、RER、PEL、PPTF、SCZ、SPB、SSB、TAM、UNM、WUS。

●EOST(Strasbourg)負(fù)責(zé)的擁有VBB配置的6個(gè)臺(tái)站是:A IS、CRZF、DRV、ECH、MBO、PAF。

●CEA/DASE(Bruyères-le-Chatel)共同負(fù)責(zé)的兩個(gè)臺(tái)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(fù)責(zé)的兩個(gè)臺(tái)站是:夏威夷Kipapa的KIP和英屬特里斯坦-達(dá)庫尼亞群島(Tristan Da Cunha)的TRIS。

●CTBTO(全面禁止核試驗(yàn)條約組織)和IPGP共同負(fù)責(zé)的一個(gè)臺(tái)站是:A TD(A rta,吉布提)。

●澳大利亞國立大學(xué)(ANU)和澳大利亞地球科學(xué)局(GA)共同負(fù)責(zé)的一個(gè)臺(tái)站是:澳大利亞堪培拉的CAN。

●日本地震研究所(ERI)與其他機(jī)構(gòu)聯(lián)手負(fù)責(zé)的一個(gè)臺(tái)站是:日本Inuyama的INU。

幾乎所有臺(tái)站都是多參數(shù)觀測(cè)臺(tái)(圖8b)。有關(guān)臺(tái)站儀器的信息(地震和輔助傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀),詳見附錄1(網(wǎng)上資料),或登錄GEOSCOPE網(wǎng)站(http:∥geoscope.ipgp.fr)。

8.2 道的詳細(xì)信息

地震儀將地面速度的3個(gè)分量(垂直、南-北、東-西)記錄下來。對(duì)于每一個(gè)STS-1分量,共連續(xù)記錄8道,分別是根據(jù)采樣率記錄的3道:VH、LH、BH;與撐桿位置對(duì)應(yīng)的3個(gè)流(產(chǎn)出的結(jié)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(wǎng)上資料)。數(shù)據(jù)以SEED格式發(fā)布[56-57]。

圖8 截至2010年1月的GEOSCOPE臺(tái)網(wǎng),顯示其邁向?qū)崟r(shí)和多參數(shù)化觀測(cè)的進(jìn)程。(a)臺(tái)網(wǎng)狀態(tài):21個(gè)實(shí)時(shí)/近實(shí)時(shí)臺(tái)站、6個(gè)可通過互聯(lián)網(wǎng)或電話線訪問的遠(yuǎn)程臺(tái)站、3個(gè)可局地訪問的臺(tái)站;(b)越來越多的地震臺(tái)站配備了微氣壓計(jì)和微溫度計(jì),共同參與全球多參數(shù)化觀測(cè)行動(dòng)

位于西雅圖的IRIS數(shù)據(jù)管理中心(DMC)從不同的FDSN信息源(超過50個(gè)臺(tái)網(wǎng))收集數(shù)據(jù),將其存儲(chǔ)在一個(gè)可靠的高容量系統(tǒng),并很快將地震數(shù)據(jù)分發(fā)出去[121-123]。所有GEOSCOPE實(shí)時(shí)(RT)數(shù)據(jù)都可通過IRIS數(shù)據(jù)管理中心的統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獲取。GEOSCOPE實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以通過IPGP數(shù)據(jù)中心獲取(http:∥geoscope.ipgp.fr),數(shù)據(jù)下載非常容易。數(shù)據(jù)格式為mini-seed;傳遞函數(shù)可通過相關(guān)DA TALESS卷宗獲取。

8.3 2009年末實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)臺(tái)站達(dá)21個(gè)

GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心可提供由IPGP維護(hù)的15個(gè)臺(tái)站(A TD、CAN、CLF、FDF、FOM A、HDC、INU、KIP、PEL、PPTF、RER、SSB、SPB、TRIS、UNM)的實(shí)時(shí)(＜1m n)數(shù)據(jù)和由CEA維護(hù)的2個(gè)臺(tái)站(DZM和TAOE)的近實(shí)時(shí)(＜2 h)數(shù)據(jù)(表1—2)。另外還有由EOST監(jiān)控的4個(gè)臺(tái)站(A IS、CRZF、PAF、ECH)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其他臺(tái)站還存在嚴(yán)重的時(shí)間延遲問題,它們?nèi)栽谑褂绵]寄磁光盤的方式(大概每月一次)。

圖S2c和S2d(網(wǎng)上資料)示出隨著時(shí)間的推移而不斷增大的存檔數(shù)據(jù)量和已分發(fā)的數(shù)據(jù)量,并示出作為時(shí)間函數(shù)的不同分發(fā)流程(CD-ROM、ftp、Web、NetDC)。

8.4 數(shù)據(jù)質(zhì)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(rèn)識(shí)地震噪聲起源對(duì)于提高數(shù)據(jù)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(guān)系適合陸地臺(tái)站使用[93]。Craw ford等[125]利用海底地震波與長(zhǎng)周期海浪荷載情況下局部壓力變化之間的相干性開發(fā)了一種降噪技術(shù)。

根據(jù)Chave[126]等的程序?qū)ε_(tái)站的功率譜密度(PSD)噪聲水平進(jìn)行分析,結(jié)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(tǒng)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(xiàn)在那些將STS-1地震儀(不是STS-2)安放在孤立的地穴或長(zhǎng)隧道的臺(tái)站。熱致傾斜和局部大氣壓起伏可能會(huì)促成地震噪聲的產(chǎn)生[129]。旋轉(zhuǎn)效應(yīng)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(yīng)也不容忽略。

圖9 上:兩個(gè)Geoscope臺(tái)站的功率譜密度圖。(a)僻靜的大陸臺(tái)站(TAM,Tamanrasset)。(b)與Peterson[50]低噪聲模型(LNM,虛線)相對(duì)的海岸臺(tái)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(tái)站功率譜密度的三分量日變化和季節(jié)性變化。(c)作為周期函數(shù)的地震噪聲日變化。局部時(shí)間窗為0～6小時(shí)(藍(lán)色)、6～12小時(shí)(粉紅)、12～18小時(shí)(紅色)、18～24小時(shí)(綠色)。(d)地震噪聲季節(jié)性變化。時(shí)間窗為1月—3月(q1,藍(lán)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(tái)站的平均噪聲水平比整個(gè)FDSN臺(tái)站的平均水平要低[127],有些GEOSCOPE臺(tái)站的噪聲水平還屬FDSN臺(tái)站中最低的(中國的WUS、阿爾及利亞的TAM)。正如所預(yù)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(qū)的TAM臺(tái)站(圖9a)比位于島區(qū)的PAF臺(tái)站(圖9b)的噪聲水平低。多數(shù)離海岸不到150 km的沿岸臺(tái)站的噪聲水平都比大陸臺(tái)站的高。長(zhǎng)周期記錄中島上臺(tái)站的噪聲水平與沿岸臺(tái)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(tái)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(shù)臺(tái)站都隨時(shí)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(xiàn)季節(jié)性系統(tǒng)變化的證據(jù)。一些臺(tái)站在7 s微震峰值振幅內(nèi)呈現(xiàn)出季節(jié)性變化,秋、冬季比春、夏季高;此峰值在秋、冬季也向長(zhǎng)周期轉(zhuǎn)變(圖9d)。這可以從秋、冬季海洋大風(fēng)暴增多中找到解釋。長(zhǎng)周期地震噪聲(周期大于30 s)在一些臺(tái)站也隨季節(jié)變化,但其系統(tǒng)性特征還未被發(fā)現(xiàn)。

圖10a示出1990年至2000年ECH(Echery,法國)臺(tái)站噪聲水平的季節(jié)性變化情況[49]。噪聲水平似乎隨著時(shí)間的推移略有增高。對(duì)這種趨勢(shì)的一種可能的解釋就是STS-1傳感器已經(jīng)老化,STS-1用戶曾對(duì)此現(xiàn)象做過仔細(xì)評(píng)估。Tanimoto等[132]表達(dá)了對(duì)站點(diǎn)安裝溫度計(jì)的興趣,他們?cè)赑EL(Peldehue,智利)臺(tái)站觀測(cè)到了微震質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)(水平/垂直比(H/Z))的季節(jié)性變化,并發(fā)現(xiàn)其與溫度信號(hào)的極高的相干性(圖10b)。

2006年,為了加快歸檔進(jìn)程,GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了可用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的自動(dòng)質(zhì)量控制。自動(dòng)質(zhì)量控制包括:搜尋時(shí)間或振幅異常以及確認(rèn)傳遞函數(shù)的有效性。地震信號(hào)功率譜估計(jì)的日?qǐng)D、月圖、年圖都可通過GEOSCOPE網(wǎng)站查到(圖10c、10d)

8.5 CM T的確定

GEOSCOPE計(jì)劃從啟動(dòng)伊始就重點(diǎn)關(guān)注所有大震事件震源機(jī)制的確定[86-88,133]。大地震的震源參數(shù)目前在區(qū)域構(gòu)造背景下得到了系統(tǒng)的研究[134]。所用數(shù)據(jù)源自GEOSCOPE臺(tái)站和幾個(gè)外加的FDSN臺(tái)站的三分量長(zhǎng)周期地震信號(hào),頻率范圍1～10m Hz。通過對(duì)較短周期體波獲得的結(jié)果進(jìn)行比較,可精確測(cè)定震源機(jī)制和破裂過程。矩心參數(shù)和震源持續(xù)時(shí)間的估算通過在時(shí)空網(wǎng)格上(緯度、經(jīng)度、深度、震源持續(xù)時(shí)間)進(jìn)行探索來完成。假定矩心已知并已被測(cè)定,則矩張量與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系就是線性的。那么,在矩心參數(shù)空間的每一點(diǎn),對(duì)于不同震源持續(xù)時(shí)間,通過在復(fù)雜譜域內(nèi)進(jìn)行線性反演便可得到矩張量。最優(yōu)解與最佳數(shù)據(jù)擬合相對(duì)應(yīng)。

GEOSCOPE的CM T解(震源機(jī)制)在大震后的一周內(nèi)通過系統(tǒng)計(jì)算獲得。圖S7(網(wǎng)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(fā)表在GEOSCOPE網(wǎng)站上(http:∥geoscope.ipgp.fr),也可在歐洲-地中海地震中心(EM SC)網(wǎng)站上查到(http:∥www.emsc-csem.org/index.php?page=home)。

9 GEOSCOPE參與其他行動(dòng)計(jì)劃的情況

GEOSCOPE與整個(gè)地震學(xué)界分享其專業(yè)知識(shí)以及在地震儀器和數(shù)據(jù)分發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)。GEOSCOPE已發(fā)起了許多行動(dòng)計(jì)劃,并在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

9.1 海底觀測(cè)臺(tái)和試點(diǎn)項(xiàng)目

大部分海洋區(qū)(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(huì)很早就認(rèn)識(shí)到長(zhǎng)期海底觀測(cè)的必要性,當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施能夠完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí),這可以為地球科學(xué)界提供全球的、區(qū)域性的以及局地規(guī)模的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)[135]。所有未來戰(zhàn)略研討會(huì)都一致提議建立長(zhǎng)期海底地震臺(tái),最好是地球物理觀測(cè)臺(tái)。GEOSCOPE團(tuán)隊(duì)自創(chuàng)立伊始就極力推動(dòng)寬頻帶臺(tái)站在海洋地區(qū)的擴(kuò)展。

圖10 (a)1990—2000年ECH臺(tái)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(duì)記錄溫度的興趣:1997—2002年,同一臺(tái)站微震頻帶內(nèi)不同頻率的H/Z比(水平分量與垂直分量之比)和隨時(shí)間變化的溫度之間存在著明顯的負(fù)相關(guān)[132]。(c)所有臺(tái)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(tái)站為例)

海底地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)(稱為GOBO)的建設(shè)是新世紀(jì)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。為解決各種技術(shù)問題,已開展了好幾個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。20世紀(jì)90年代初首先啟動(dòng)了重點(diǎn)建設(shè)固定地震臺(tái)站的先期試驗(yàn)項(xiàng)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(xiàng)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(yuǎn)震事件,在收回?cái)?shù)據(jù)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(cè)臺(tái)/海底地震檢波器(OFM/SISMOBS)”試點(diǎn)項(xiàng)目在北大西洋成功實(shí)施,這里正是“深海鉆探項(xiàng)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(yùn)行時(shí)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(yuǎn)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(nèi)。兩套檢波器被成功安裝后,OFM連續(xù)記錄了8天的地震信號(hào),OFP連續(xù)記錄了6天,采樣率為5 sps。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后儀器被成功收回。

法國海洋開發(fā)研究院(IFREM ER)為項(xiàng)目提供了所有的后勤支援。從技術(shù)角度看,此項(xiàng)目圓滿成功。Montagner等[140]介紹了該項(xiàng)目取得的最重要的成果。與典型的FDSN寬頻帶大陸臺(tái)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(nèi)明顯偏低,在高達(dá)600 s的周期范圍,OFM的噪聲水平仍然比在SSB臺(tái)站的噪聲水平低[92]。地震噪聲水平的降低意味著檢測(cè)閾值的降低,由此,這種儀器能夠準(zhǔn)確記錄震級(jí)最小為5.2的遠(yuǎn)震。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)首次表明,經(jīng)周密安裝的、半埋于海底的寬頻帶地震儀可呈現(xiàn)很好的信號(hào)/噪聲比,并提供有用的地震數(shù)據(jù)。項(xiàng)目成果在夏威夷附近開展的海洋地震綜合觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目OSN 1期間得到了認(rèn)證[141]。

由于這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功,國際科技界隨后在1993年決定發(fā)起一個(gè)新的行動(dòng)計(jì)劃“國際海洋臺(tái)網(wǎng)(ION),該項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)與FDSN的完全相同,科學(xué)目標(biāo)也與其類似,只不過是為海底地震臺(tái)站而設(shè)立的。ION隸屬于國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會(huì)(IASPEI)和國際大地測(cè)量與地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGG)。

1995年ION在法國馬賽召開了第一次國際研討會(huì)[142-144],作為會(huì)議的一項(xiàng)成果,IPGP、西布列塔尼大學(xué)(UBO Brest)、蒙特利灣水族研究所(MBARI)和加州大學(xué)伯克利分校共同發(fā)起了一個(gè)多參數(shù)合作項(xiàng)目,旨在測(cè)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(huán)境信息傳感器)的可行性。蒙特利灣地震儀器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(cè)儀的布設(shè)工作由MBARI的遠(yuǎn)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(xiàn)中介紹的成果顯示出地震噪聲與深層水流之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。

在ION和綜合大洋鉆探計(jì)劃框架內(nèi),IPGP、日本海洋-地球科學(xué)技術(shù)機(jī)構(gòu)(Jamstec)以及IFREM ER發(fā)起了一個(gè)國際合作項(xiàng)目,并計(jì)劃沿印度洋的東經(jīng)90度洋中脊在Ninety East Ridge觀測(cè)臺(tái)(NERO)的臺(tái)址處(18°S～88°E)建起一個(gè)海底觀測(cè)臺(tái)。鉆孔工作已于1998年完成,迄今一直在等待地球物理探測(cè)儀的入住。

這些試點(diǎn)項(xiàng)目表明,在某些特殊站點(diǎn)建設(shè)海底地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)從技術(shù)角度看是可行的[148]。然而,長(zhǎng)期維護(hù)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(cè)臺(tái)網(wǎng)無法長(zhǎng)期運(yùn)作的問題,只有日本是個(gè)例外,他們已建起好幾個(gè)海底地球物理觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)(WP1、WP2、JT1、JT2)。整個(gè)ION觀測(cè)項(xiàng)目已被擱置下來,期待著未來資金的到位。另一個(gè)例外就是獨(dú)立的海底寬頻帶觀測(cè)臺(tái)MOBB(蒙特利海底寬頻帶觀測(cè)臺(tái)),它是由加利福尼亞州州立大學(xué)伯克利分校地震實(shí)驗(yàn)室和蒙特利灣水族研究所于2002年共同建起的,該臺(tái)站的建立吸取了在2009年還在運(yùn)轉(zhuǎn)的蒙特利灣地震儀器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。由日本人率軍的團(tuán)隊(duì)于2008年3月又發(fā)起了一項(xiàng)雄心勃勃的新的行動(dòng)計(jì)劃,這項(xiàng)計(jì)劃可能會(huì)對(duì)ION和整個(gè)海底觀測(cè)行動(dòng)起到振興作用。它已證明寬頻帶海底移動(dòng)臺(tái)站可成功替代ION的固定觀測(cè)臺(tái),這些流動(dòng)臺(tái)站已經(jīng)開始對(duì)固定的陸地臺(tái)網(wǎng)(如GEOSCOPE)起到有效的補(bǔ)充作用。

10 GEOSCOPE與海嘯預(yù)警

2004年12月26日蘇門答臘大地震及其帶來的災(zāi)難性后果對(duì)地震學(xué)界和整個(gè)社會(huì)都產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊。法國政府決定參與印度洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)(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(yù)警組織國家印度洋海嘯預(yù)警中心(CNA TO I)收集所有對(duì)海嘯預(yù)警有用的數(shù)據(jù)。為此,7個(gè)GEOSCOPE臺(tái)站進(jìn)行了升級(jí),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(jīng)有7個(gè)臺(tái)站(A IS、A TD、CAN、CRZF、FOM A、RER和PA F,并不是CNA TO I的所有臺(tái)站)向印度洋海嘯預(yù)警系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。由于印度政府對(duì)實(shí)時(shí)訪問H YB(Hyderabad,印度)臺(tái)站數(shù)據(jù)加以限制,所以法國機(jī)構(gòu)決定在印度洋上新建兩個(gè)臺(tái)站,第一個(gè)位于馬達(dá)加斯加以南(FOMA,馬達(dá)加斯加多凡堡),第二個(gè)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(dá)加斯加塔那那利佛地球物理觀測(cè)研究所(IOGA)和羅德里格斯島的毛里求斯氣象服務(wù)局(MM S)聯(lián)手開展的。

來自GEOSCOPE/CNATOI的臺(tái)站數(shù)據(jù)被送往IPGP數(shù)據(jù)中心,并提供給所有已經(jīng)存在的和正在運(yùn)行的國際海嘯預(yù)警中心和海嘯信息中心(太平洋海嘯預(yù)警中心、日本氣象廳/地震海嘯觀測(cè)中心、德國-印度尼西亞海嘯預(yù)警中心、澳大利亞海嘯預(yù)警系統(tǒng)、國際海嘯信息中心),如圖S8所示(網(wǎng)上資料)。所有從海嘯預(yù)警/信息中心發(fā)出的信息都要傳遞給有關(guān)當(dāng)局,用作減輕海嘯災(zāi)害的依據(jù)。這些中心通過全球電信系統(tǒng)(GTS)發(fā)送信息。

11 訪問地震數(shù)據(jù)的其他渠道

11.1 法國地震觀測(cè)與環(huán)境研究聯(lián)合會(huì)(FOSFORE)

2002年,位于IPGP的GEOSCOPE團(tuán)隊(duì)、區(qū)域性機(jī)構(gòu)(圖11a)以及法國國家宇宙科學(xué)研究所決定將法國的寬頻帶數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者、固定臺(tái)網(wǎng)操作員和流動(dòng)臺(tái)陣聯(lián)合起來建立一個(gè)法國的聯(lián)合會(huì),名為法國寬頻帶地震觀測(cè)聯(lián)合會(huì)(FFOSL)。2006年,該聯(lián)合會(huì)交由法國國家宇宙科學(xué)研究所(INSU)主管,并更名為法國地震觀測(cè)與環(huán)境研究聯(lián)合會(huì)(FOSFORE),業(yè)務(wù)范圍也隨之?dāng)U大至短周期臺(tái)網(wǎng)和臨時(shí)臺(tái)網(wǎng)。該聯(lián)合會(huì)的主要目標(biāo)是通過法國國家門戶網(wǎng)站(http:∥www.fosfo re.ipgp.fr)向國際社會(huì)提供SEED格式的所有數(shù)據(jù)。2009年末,位于IPGP的GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心成為主要的數(shù)據(jù)提供者,另外,GEOSCOPE還有其他幾個(gè)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施研究機(jī)構(gòu)(NERIES)

自1987年成立以來,GEOSCOPE和IPGP一直都是ORFEUS的組成部分[149]。ORFEUS負(fù)責(zé)歐洲不同項(xiàng)目[150-151,118](如NERIES)的協(xié)調(diào)工作。其宗旨是創(chuàng)建一個(gè)能夠滿足科學(xué)界現(xiàn)時(shí)和未來需求的泛歐洲基礎(chǔ)設(shè)施核心。NERIES是一個(gè)由25所大學(xué)和研究中心組成的聯(lián)合體,每一個(gè)機(jī)構(gòu)都將其專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)設(shè)施貢獻(xiàn)給大家分享[152]。NERIES對(duì)地震研究和監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的要求都一一作出回應(yīng);其第一要?jiǎng)?wù)就是監(jiān)測(cè)和了解地震過程。其活動(dòng)事項(xiàng)都與數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)歸檔和技術(shù)轉(zhuǎn)讓有關(guān)。GEOSCOPE計(jì)劃還參與了歐洲綜合波形數(shù)據(jù)歸檔(EIDA)子項(xiàng)目,旨在創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)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(tái)網(wǎng)和位于不同地方的機(jī)構(gòu)(Grenoble、Nice、Paris、Strasbourg)聯(lián)合起來建成一個(gè)法國門戶,此舉是在以“數(shù)據(jù)中心”為主導(dǎo)的基本理念下實(shí)現(xiàn)的。(b)歐洲:GEOSCOPE和NERIES。EIDA項(xiàng)目對(duì)應(yīng)于4個(gè)歐洲節(jié)點(diǎn)位于荷蘭的ORFEUS、德國的GFZ、意大利的INGV和法國的IPGP

12 結(jié)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(diǎn)科學(xué)項(xiàng)目推動(dòng)下的發(fā)展歷程。我們描繪了GEOSCOPE發(fā)展過程中的演變、經(jīng)歷的主要步驟以及面臨的挑戰(zhàn),著重介紹了其在國際背景下的成功經(jīng)驗(yàn),也描述了GEOSCOPE在前進(jìn)道路上遇到的主要困難。

GEOSCOPE是全球第一個(gè)三分量“寬頻帶”地震網(wǎng),開啟了數(shù)字地震學(xué)的一個(gè)嶄新的時(shí)代。GEOSCOPE作為一項(xiàng)法國的行動(dòng)計(jì)劃開始于1982年,它是全球?qū)掝l帶地震臺(tái)網(wǎng)的創(chuàng)始成員。該計(jì)劃已經(jīng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用,其技術(shù)發(fā)展計(jì)劃由FDSN協(xié)調(diào),而且長(zhǎng)期以來都與國際寬頻帶行動(dòng)的科學(xué)目標(biāo)緊密相連。幾十年間,GEOSCOPE在臺(tái)站配置、數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)傳輸方面無時(shí)不在進(jìn)行著必要的升級(jí)。

GEOSCOPE數(shù)據(jù)被地震學(xué)界廣泛應(yīng)用于震源研究和地球內(nèi)部三維模型(層析成像)的建立。源自GEOSCOPE觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的產(chǎn)品涉及范圍非常廣泛:從地震危險(xiǎn)性評(píng)估與跟蹤到對(duì)地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的深刻認(rèn)識(shí);從俯沖板塊和地幔不均勻性的研究到地球物質(zhì)的特性。該網(wǎng)絡(luò)參與了整個(gè)地球的震源參數(shù)化工程。GEOSCOPE實(shí)時(shí)臺(tái)站數(shù)據(jù)被應(yīng)用于全球CM T估算[69]和CM T參數(shù)的IPGP常規(guī)測(cè)定。GEOSCOPE網(wǎng)從一個(gè)基礎(chǔ)性的全球地震臺(tái)網(wǎng)逐步變成了一個(gè)與國際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)的全球化多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng),特別是在印度洋和法屬西印度群島海嘯危險(xiǎn)性的監(jiān)控方面發(fā)揮著獨(dú)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(xué)家對(duì)時(shí)間相關(guān)的地震學(xué)(四維地震學(xué))越來越感興趣;他們需要長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)來研究長(zhǎng)周期現(xiàn)象。由此,GEOSCOPE臺(tái)網(wǎng)的長(zhǎng)期化運(yùn)作對(duì)于這些新興領(lǐng)域(包括環(huán)境地震學(xué))顯得尤為重要。

(網(wǎng)上資料:附錄1臺(tái)站信息;附錄2 1982年至今的GEOSCOPE團(tuán)隊(duì);附錄3致謝;補(bǔ)充圖S1—S8。網(wǎng)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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2010-11-26。