大地震與全球地震臺網(wǎng)＊

大地震與全球地震臺網(wǎng)＊

Charles J Ammon1），Thorne Lay2），David W Simpson3）
1）Department of Geosciences，Pennsylvania State University，University Park，Pennsylvania 16802U.S.A.
2）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz
3）Incorporated Research Institutions for Seismology，Washington，DC

引言

地震學家經(jīng)常開玩笑說，“阻止地震的最好辦法就是布設(shè)地震臺站?！睘榱擞涗浀卣鹦盘柣蜷_展有針對性的有關(guān)地球結(jié)構(gòu)的研究就需要布設(shè)地震儀，而地震的發(fā)生往往是變幻莫測的，在時間和空間上都絕對是非均勻的，所以安裝地震儀的辛苦有時會徒勞無功。當然，實踐證明這只是擔心，而并非事實，絕大部分辛苦勞作——尤其是用于多年觀測的設(shè)施——都成功收獲了珍貴的地震資料。最令人欣慰的成功實例之一就是美國地震學研究聯(lián)合會－美國國家科學基金會－美國地質(zhì)調(diào)查局（IRIS－NSF－USGS）的全球地震臺網(wǎng)（GSN），以及美國數(shù)字寬頻帶地震臺網(wǎng)聯(lián)合會（FDSN）部署的多個國際寬頻帶地震臺網(wǎng)。約在1982至2004年之間，全球布設(shè)的高質(zhì)量寬頻帶數(shù)字地震儀數(shù)量急劇增加，取代了世界標準地震臺網(wǎng)（WWSSN）布設(shè)的已經(jīng)過時的模擬系統(tǒng)，也使各機構(gòu)部署的稀疏的觀測臺和第一代數(shù)字臺網(wǎng)得以升級。隨著重要臺站的不斷增設(shè)，到2004年，GSN已經(jīng)達到其基本設(shè)計目標：提供約130個臺站的開放式連續(xù)寬頻帶數(shù)據(jù)，這些臺站已實現(xiàn)實時全球覆蓋和大動態(tài)范圍記錄［1］。后來就發(fā)生了2004年12月26日蘇門答臘－安達曼大地震（MW9.2），這是1964年阿拉斯加地震以來第一個震級超過9級的事件。GSN和FDSN提供了此次事件的全球地震記錄，這種記錄是前所未有的，由此可以開展比對以往任何一次類似規(guī)模的事件都更加詳盡的地震學研究［2－3］。分布在全球的類似地震臺站也收集到了許多次大地震的數(shù)據(jù)。從2001到2010年，共有18次MS≥8和13次MW≥8事件，而20世紀每10年中平均才有6次或7次M≥8事件（為簡單起見，我們用“M”代表MS和MW的混合值）。在GSN建網(wǎng)期間（1986—2004），全球每10年的MW≥7.5地震事件的數(shù)量增加了一倍多，而MW≥8.0的事件數(shù)量則增加到6.5倍。所以，新的地震諺語可能應該是“只要你建網(wǎng)，地震就會來?！备哔|(zhì)量全球數(shù)字地震臺網(wǎng)的長期維護和運轉(zhuǎn)無疑將提供未來長時期的極有價值的科學數(shù)據(jù)。

1 全球地震儀的布設(shè)

擁有標準化地震儀設(shè)計的全球地震觀測臺于20世紀初開始布設(shè)。數(shù)十年間，在英國科學促進協(xié)會支持的米爾恩（Milne）臺網(wǎng)［4］和耶穌會士（Jesuit）觀象臺［5］布設(shè)了由20～30個臺站組成的規(guī)模不大的“全球”臺網(wǎng)，另外還有少數(shù)幾個由各個國家自己建設(shè)的臺網(wǎng)，這些臺網(wǎng)主要建在大學和其他科研中心的觀測臺（圖1）。地下核試驗開始于1957年，在此推動下，隨著1960—1966年WWSSN的布設(shè)，全球地震臺站的規(guī)模急劇擴大［6］。除了布設(shè)標準觀測儀和記錄儀外，WWSSN還通過將地震記錄轉(zhuǎn)換成縮微膠片創(chuàng)建了一個全球數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。在美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、Lamont－Doherty地球觀象臺和加州理工學院（Caltech）建立了全部或部分的WWSSN數(shù)據(jù)檔案。雖然按照現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的標準來看這些數(shù)據(jù)還很原始，但當時對來自WWSSN網(wǎng)絡(luò)的模擬數(shù)據(jù)的訪問相對來說還算方便，這就為20世紀60年代板塊構(gòu)造學說（如文獻［7］）的興起以及始于20世紀70年代的地面運動定量模擬的到來提供了關(guān)鍵性的觀測結(jié)果。

圖1 1900—2010年布設(shè)的相對標準化的全球地震臺網(wǎng)。這些臺網(wǎng)為地震和地球結(jié)構(gòu)研究提供了地震記錄［8］

隨著技術(shù)的進步，數(shù)字地震記錄和寬頻帶傳感器也成為全球地震設(shè)施的標準。巴黎地球物理學院的法國地球透鏡計劃（GEOSCOPE）于1982年開始布設(shè)寬頻帶數(shù)字地震臺站［9］，以早期數(shù)字地震臺網(wǎng)為基礎(chǔ)的IRIS－NSF－USGS全球地震臺網(wǎng)（GSN）自1986年開始建立，這些早期臺網(wǎng)包括地震研究觀測臺網(wǎng)（SRO）、輔助地震研究觀測臺網(wǎng)（ASRO）、數(shù)字WWSSN轉(zhuǎn)換臺網(wǎng)和國際加速度儀部署臺網(wǎng)（IDA）［10］。在大家的共同努力下，許多用于全球地震觀測的數(shù)字寬頻帶固定地震臺站布設(shè)項目于1986年聯(lián)手成立了美國數(shù)字寬頻帶地震臺網(wǎng)聯(lián)合會（FDSN）；http：∥www.fdsn.org/historical/）。尤其是在地震危險性很高的地區(qū)，區(qū)域地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的現(xiàn)代數(shù)字寬頻帶系統(tǒng)的合并工作迅速展開。將全球地震觀測臺網(wǎng)的大幅度增加與相應的全球110年大地震活動擱在一起審視，我們便會得到一些非常有意思的結(jié)果。

2 大地震與致命地震的歷史

今天從事地震研究工作的多數(shù)學者并非在1964年就活躍于此領(lǐng)域（許多甚至還未出生），從1970年到2000年，沒有多少次地震可供地震學家研究（圖2）。而過去的10年間，隨著GSN逐步趨近其設(shè)計目標，情況也發(fā)生了變化。眾多地震的發(fā)生及其產(chǎn)生的地面運動使現(xiàn)代記錄系統(tǒng)的帶寬和動態(tài)范圍真正發(fā)揮了作用。從圖2中可以看出整個地震儀監(jiān)測時代強地震活動的起伏很大，但那些留意大地震發(fā)生情況的地震學家肯定會注意到，過去的10年期與前邊幾個10年期相比，其速率顯著增大。從1964年阿拉斯加地震到2004年蘇門答臘－安達曼地震這段時間內(nèi)大地震相對較少，這一時期正好是WWSSN已經(jīng)建成而GSN正在建網(wǎng)的間隙（圖3）。在WWSSN走向衰退，而GSN和FDSN臺站數(shù)量還很少的情況下，地震活動性相對也較低。2004年蘇門答臘－安達曼地震發(fā)生時，只有數(shù)百個寬頻帶數(shù)字臺站在運行，而到最近的2010年2月27日智利（MW8.8）大地震時，我們在數(shù)小時之內(nèi)就可以通過IRIS數(shù)據(jù)管理中心（http：∥www.iris.edu/data/）和其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心門戶網(wǎng)站很容易地訪問超過1 200個全球?qū)掝l帶臺站的數(shù)據(jù)。如此大量數(shù)據(jù)的近實時共享比WWSSN首創(chuàng)的膠片交換前進了一大步，這也是全球地震監(jiān)測和國際科學界的一筆重要財富。圖4示出過去幾年間記錄的部分大地震的數(shù)據(jù)質(zhì)量；如果是WWSSN模擬記錄的話，其相應運動的振幅會有好幾米以至超出標度。此外，WWSSN響應在帶寬上也受到嚴格限制，尤其是在超長周期范圍，而這一周期范圍對于充分描繪大地震特征而言又非常重要。因此，與20世紀大地震觀測的數(shù)據(jù)獲取方式相比，這種近實時寬頻帶數(shù)據(jù)共享確實是一個巨大進步。

圖2 利用哈佛和全球矩心矩張量目錄（截至2010智利MW8.8事件）更新的取自PAGER－CAT［11］的1900—2010年大地震（M≥8.0）時間線。請注意1970—2000年間大地震相對稀少

圖3 相對于1900—2010年全球最大地震的最近部署的全球主要地震臺網(wǎng)時間線。Milne/Jesuit全球臺網(wǎng)信息只是大概情況。請注意這里最近10年M≥8.0大地震明顯增多

圖4 POHA和ABPO臺站STS－2地震儀記錄的過去10年中4次大地震的寬頻帶垂直地面位移。上邊3道是2004、2005、2007年沿蘇門答臘島地震事件的記錄道，下邊1道是2010年智利地震的記錄道。每一次事件的MW標于日期之后的括弧內(nèi)。振幅按照相同的震源深度和360 s周期Rayleigh波輻射圖效應進行了調(diào)整。所有信號都是在距震源約100°記錄到的。如果用較早幾代模擬記錄系統(tǒng)進行記錄，這些信號幾乎全部都會遠遠超出標度范圍

過去幾十年中全球大震級地震活動的增多非常令人好奇。每當值得媒體報道的地震事件集中發(fā)生后，人們不可避免地會問及地震頻率增大的問題。在回答這種問題時，地震學家傳統(tǒng)上一般會堅持說，如果考慮足夠的時間和空間，全球地震活動的平均水平總是保持穩(wěn)定的。任何對長期地震活動習性的研究都會被各個時段目錄、震級測定和正在運行的臺站數(shù)量的不均勻性搞得復雜化。話雖如此，但2001—2010年間全球總共發(fā)生了18次MS≥8.0淺源地震，這是20世紀每10年平均數(shù)（6±3）的3倍（如文獻［12］目錄中所列）。雖然在可能的情況下最好使用矩震級（MW），但對于1970年以前的地震事件很少可以利用堪比近期事件所用的方法來直接測定地震矩。有幾位研究人員試圖根據(jù)事件規(guī)模的各種估算值概略估算早期事件的地震矩（如文獻［12－13］），這樣就可以與利用MS震級測定中發(fā)現(xiàn)的趨勢進行比較。

PAGER①PAGER指全球地震響應快速評估系統(tǒng)（Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response）——譯者注。－CAT目錄［11］提供了地震事件的綜合列表，其“首選震級”取自根據(jù)MS或MB或有關(guān)歷史破裂規(guī)模的資料（主要根據(jù)文獻［12－13］）換算的早期事件的MW估算值，以及根據(jù)哈佛和全球矩心矩張量（CMT）反演直接測定的近期地震的MW結(jié)果。圖5表明，從PAGER－CAT首選震級（M）來看，過去100年間大地震的發(fā)生確實每10年都有變化。雖然趨勢不如MS的那樣明顯，但過去10年內(nèi)M≥8.0事件的數(shù)量（13）大概比前邊幾個10年期間每10年的平均數(shù)（6.8±2.3）高出1倍。

圖5 PAGER－CAT中［11］1901—2010年每10年間M≥8.0事件的數(shù)量（CMT MW值更新至2010年）。最近10年中MW≥8.0事件有13次，而之前的幾十年中每10年的平均數(shù)為6.8±2.3。圖6示出各震級閾值和年采樣率每10年的地震事件的滑動平均值，這里只是其單一實現(xiàn)值

圖6示出1900—2010年M≥7.5事件的M 隨時間變化曲線，以及每10年間M≥7.5、M≥7.7、M≥8.0地震數(shù)量的連續(xù)估算值。最近10年的地震活動所包含的各震級閾值每10年的事件總數(shù)比整個20世紀任何一個10年期所經(jīng)歷的都要多。如果將震級閾值從7.5增大到8.0，則最近的事件總量增大更為明顯，但如果我們按M≥7.0這樣的低閾值來計算，則事件總量增大趨勢消失。

圖6 上圖：根據(jù)USGS PAGER－CAT［11］繪制的1900—2010年M≥7.5事件的時間線（事件更新至2010年初）。下邊3個圖：PAGER目錄首選震級M≥7.5（上）、M≥7.7（中）、M≥8.0（下）（以各點為中心）每10年間的事件滑動平均值。地震記錄中，最近10年發(fā)生的大地震和特大地震數(shù)量超過了之前每10年的數(shù)量。請注意地震活動從20世紀80年代中葉的平靜期到最近10年的活躍期經(jīng)歷了劇烈變化

與1970年以前相比，最近的活動水平高可能受與地震目錄中多種震級測定模式相關(guān)的不確定因素影響，但GSN運行期間（1986—2004）全球地震活動的增多卻是不爭的事實，而GSN只使用嚴格的MW測定模式和完整的全球目錄。20世紀沒有發(fā)生一次巨大地震事件，相對于其中任何一個類似的時間段而言，過去6年間數(shù)目眾多的大地震形成了累積地震矩的整體高斜率（圖7）。

圖7 利用PAGER－CAT中M≥7事件（在此類圖中占多數(shù)）建立的全球地震活動累積地震矩。各時間段穩(wěn)健直線擬合的斜率列于左上表中，線性擬合用虛線表示（為明顯起見稍有延長）。1952—1965年群發(fā)事件前后的累積矩增長率幾乎相同。2004年以來的矩累積幾乎是從前大致均勻矩率時期的兩倍

至于最近大地震活動性增強的統(tǒng)計學意義［14］以及隨之而來的震級閾值和地震事件叢集效應的相關(guān)分析，我們留給其他項目去研究。本文討論的重點是，廣泛搭建的全球數(shù)字地震臺網(wǎng)（許多臺網(wǎng)提供開放式數(shù)據(jù)訪問）及時捕捉到了最近急劇增多的大地震事件（當然還有成千上萬的小事件）的大量記錄資料。

3 科學機遇與長期承諾

過去10年間的大地震數(shù)量比其前兩個10年間的數(shù)量明顯增多，大動態(tài)范圍寬頻帶地震臺站的數(shù)量已增至1 000多個，而且可提供開放式訪問的地震記錄，所有這些都為地震學家研究大地震破裂過程和地球結(jié)構(gòu)提供了大量的地面運動資料。全球地震臺網(wǎng)為地球過程監(jiān)測構(gòu)建了一條多功能化途徑，這對于應對地球科學方面的重大科學挑戰(zhàn)至關(guān)重要［15］。

假使國際地震學界沒有布設(shè)全球?qū)掝l帶數(shù)字地震臺網(wǎng)，也沒有建立為開放式數(shù)據(jù)分配提供便利條件的一套程序，那么情況就會截然不同。這些臺網(wǎng)收集到的觀測結(jié)果對于地震過程基礎(chǔ)研究的重要性是不言而喻的。圖8概括了PAGER－CAT［11］所列1900年以來地震造成的生命損失情況。審視該圖，我們會更加深刻地認識到對未來毀滅性地震信號進行記錄并歸檔具有重要的社會意義。伴隨著易震區(qū)人口的增長，我們也會明顯感覺到致命地震的數(shù)量越來越多［16］。可實時訪問的開放式全球地震觀測結(jié)果能夠大大提高海嘯預警系統(tǒng)水平（如文獻［17－18］），以及斷裂作用和人員受災情況的震后評估水平（如［19，11］）。

圖8 1900—2010年單個致命地震事件引起的生命損失估算值。資料來自PAGER－CAT［11］及其所用的許多參考文獻。此外還有許多未標出的死亡人數(shù)小于1 000的事件

地震學家經(jīng)常被人問及的一個問題是，“為什么還要一直堅持運轉(zhuǎn)全球地震臺網(wǎng)？難道你們看到的一次又一次的信號不都是差不多的嗎？”對此問題的最好回答可能就是，“假使我們對未來大地震的量化和認知水平還沒有對現(xiàn)在發(fā)生的事件的認知度高，難道不可以說這是不可思議的事情嗎？”聯(lián)邦項目和國際項目都需要恪守其運轉(zhuǎn)和維護這些至關(guān)重要的地球監(jiān)測設(shè)施的承諾，地震學家必須從他們所記錄的信號中解讀出我們所能解讀的一切。地震臺網(wǎng)在地震和火山監(jiān)測中發(fā)揮著核心作用，為地下核爆炸的探測做出了重要貢獻，并且提供了有關(guān)冰川和冰蓋動力學特征的珍貴資料。巖石圈中交互作用（如俯沖作用）的許多有趣的方面以及相應的地震過程都要求我們能夠長期地收集地震學（和大地測量學）觀測資料（如文獻［20－26］）。我們對未來地球科學家和社會應負的責任是，盡最大可能提供最高質(zhì)量的觀測資料，以便未來的科研人員對這些過程的認識能比我們今天的認識更加深刻，因為我們到目前為止的觀測時間還很有限。

譯自：Seismological Research Letters，November/December 2010，81（6）：965－971

原題：Great earthquakes and global seismic networks

（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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