中國地震科學(xué)臺陣流動觀測現(xiàn)狀及進(jìn)展*

宋麗莉 楊 微 葛洪魁 袁松湧 歐陽飚

1)中國地震局地球物理研究所，北京 100081 2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

引言

地震科學(xué)是一門基于觀測數(shù)據(jù)的學(xué)科，高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)是地震科學(xué)產(chǎn)出的重要保證，利用高質(zhì)量的、標(biāo)準(zhǔn)化的、高密度分布的地震觀測系統(tǒng)，是探測地球系統(tǒng)過程中取得進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)的長期努力方向。地震觀測是地震應(yīng)急、地震預(yù)測、地球科學(xué)研究以及地震社會服務(wù)工程最首要的環(huán)節(jié)，地震觀測工作是開展地震科學(xué)相關(guān)研究和做好防震減災(zāi)工作的基礎(chǔ)[1]。

穿透地球內(nèi)部的地震波被稱為照亮地球內(nèi)部的明燈[2]。它能帶來地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，現(xiàn)代地震探測和成像技術(shù)，不僅可以在大尺度上分析全球板塊構(gòu)造和地幔、地核的速度結(jié)構(gòu)圖像，而且也能夠通過密集臺陣獲取震源尺度和橫切斷層尺度的高分辨率、強(qiáng)地震孕震構(gòu)造圖像。隨著地震觀測技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步以及探測能力的提高，伴隨著國際上對地球深部結(jié)構(gòu)探測研究的發(fā)展，人們認(rèn)識到地震科學(xué)臺陣探測方式的重要性。

流動地震觀測與固定地震臺站觀測相比最大的優(yōu)勢在于觀測位置的靈活性，受觀測成本的限制，在臺站建設(shè)質(zhì)量上很難達(dá)到固定地震臺站的水平，也很難避開各種人為干擾。但是，通過選取適當(dāng)?shù)牡乩砦恢煤筒扇∫欢ǖ呐_基處理，可明顯降低環(huán)境噪聲的干擾水平，保證其觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

地震科學(xué)臺陣的重要優(yōu)勢在于，可以根據(jù)不同科學(xué)目的在某一研究區(qū)域內(nèi)開展不同方式、不同規(guī)模的觀測。對于密集臺陣，臺站的間距可以達(dá)到千米級。高分辨率臺陣觀測的記錄資料可以得到相應(yīng)的高分辨率的研究結(jié)果。利用這種高分辨率臺陣的記錄進(jìn)行地震定位、震源機(jī)制、震源破裂過程和地震成像研究，可以大大改善研究結(jié)果的精度，并且為地震記錄的動力學(xué)解釋開拓新的廣闊前景。

1 開展流動臺陣觀測和加強(qiáng)臺陣建設(shè)的重要性

我國地震觀測技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從無到有，從單臺到組網(wǎng)觀測，從模擬到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，地震監(jiān)測能力逐步得到顯著增強(qiáng)，但數(shù)字臺網(wǎng)的臺站密度與國際上地震科學(xué)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)相比仍然較低[1]。短期內(nèi)，要在全國普遍提高地震固定臺站的分布密度是不現(xiàn)實的，也是完全不必要的。借鑒美國和國際上地震學(xué)的發(fā)展途徑，加強(qiáng)流動地震科學(xué)臺陣的建設(shè)和開展大規(guī)模流動地震臺陣觀測是必然的選擇。

地震科學(xué)臺陣是由一定數(shù)量的地震儀組成，并根據(jù)具體研究目的布設(shè)成一定幾何形狀的地震觀測系統(tǒng)。隨著地震觀測技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，探測能力的提高，大規(guī)模流動地震科學(xué)臺陣觀測將成為高分辨率深部結(jié)構(gòu)成像的重要手段和發(fā)展方向。我國《地震科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006—2020年)》中提出的地震科學(xué)發(fā)展的主要任務(wù)中強(qiáng)調(diào)了對地震探測能力的建設(shè):“在探測能力方面，發(fā)展對我國大陸及海域進(jìn)行深淺部地質(zhì)構(gòu)造和地球物理探測的技術(shù)能力，有效提高我國地震部門在不同區(qū)域條件下、滿足不同精度要求的深淺部構(gòu)造的探測能力”，并將“深部精細(xì)結(jié)構(gòu)的地震臺陣觀測”作為“深部結(jié)構(gòu)和孕震環(huán)境探測”重大專項的研究內(nèi)容。

我國地震科學(xué)技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比存在基礎(chǔ)性工作薄弱的差距。在大陸地殼上地幔結(jié)構(gòu)探查方面，“普查”不夠，“地情”不清。目前，華北地區(qū)和青藏高原是開展地震體波層析成像工作最多的兩個區(qū)域;大尺度的地震體波層析成像區(qū)域基本上已覆蓋全國大部分(分辨尺度≥100 km)，而中等分辨率(分辨尺度≤50 km)的地震體波層析成像區(qū)域還很少;可分析地震震源區(qū)特征的高分辨率(分辨尺度≤10 km)地震體波層析成像區(qū)域更少。今后高分辨率的地震體波層析成像將成為主要開展的工作，大規(guī)模流動地震臺陣觀測將必然成為高分辨率深部結(jié)構(gòu)成像的重要手段。

對近年來發(fā)生的唐山7.8級地震、汶川8.0級地震、玉樹7.3級地震等的深部孕震環(huán)境和動力學(xué)過程的認(rèn)識，需要深部孕震環(huán)境探查結(jié)果的支持。要獲得強(qiáng)震孕育發(fā)生的構(gòu)造標(biāo)志或特征，從震源區(qū)細(xì)結(jié)構(gòu)和孕震環(huán)境的角度深化對強(qiáng)震發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識，急需大規(guī)模地震科學(xué)臺陣探測技術(shù)，獲取分辨率≤10 km的強(qiáng)震危險區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu)圖像，解剖強(qiáng)震發(fā)生和強(qiáng)震危險區(qū)的構(gòu)造環(huán)境和震源區(qū)精細(xì)結(jié)構(gòu)。

電子及傳感器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使地震儀器往體積小和性能高的方向發(fā)展，并能批量生產(chǎn)，這使得研究人員能在感興趣的區(qū)域密集布設(shè)數(shù)以百計的流動地震觀測臺站，從而達(dá)到提高成像分辨率和事件檢測能力的目的。近些年來，國內(nèi)中國地震局、中國科學(xué)院、國土資源部等單位陸續(xù)建立了大、中型流動地震臺陣探測系統(tǒng)，為大型探測計劃(如華北地震探測)的實施創(chuàng)造了條件。目前，中國地震局正在實施中國地震科學(xué)臺陣探測計劃，該計劃擬用21年左右的時間，完成全國范圍內(nèi)的地震臺陣探測，獲得整個中國大陸地區(qū)地殼與上地幔精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像和介質(zhì)物性的分布特征，提高對深部孕震環(huán)境和地震發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識水平，為社會防震減災(zāi)事業(yè)服務(wù)。

大規(guī)模的地震臺站觀測對觀測質(zhì)量提出了迫切要求。地震科學(xué)臺陣觀測具有流動性大，使用儀器數(shù)量多，涉及環(huán)節(jié)多，技術(shù)要求高，參與人員廣，涉及地域環(huán)境條件復(fù)雜等特點(diǎn)，其觀測質(zhì)量受到多個環(huán)節(jié)和多種因素的影響。目前，我國大規(guī)模的流動地震觀測工作仍處在發(fā)展階段，還沒有建立起相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，由于觀測人員經(jīng)驗不足、野外觀測條件較差、觀測技術(shù)保障不過關(guān)等原因，儀器系統(tǒng)管理和野外觀測人員往往根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行操作，隨意性強(qiáng)。流動地震觀測質(zhì)量受到儀器性能、臺基條件和人員技術(shù)水平的影響，觀測質(zhì)量不能得到保證，需要開展流動觀測全過程質(zhì)量控制，建立起一套行之有效的流動觀測質(zhì)量評價與控制方法。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國外流動地震觀測

1984年，美國的IRIS配合GSN計劃，提出了美國大陸巖石圈流動測震臺陣研究計劃(PASSCAL)，耗資1.4億美元，裝備具有1000套流動寬頻帶數(shù)字地震儀組成的大陸巖石圈地震臺陣，對大陸巖石圈進(jìn)行千米級分辨率的地震成像觀測研究。以美國為首的PASSCAL觀測研究在美國本土、中國青藏高原和坦桑尼亞等全球40多個地區(qū)開展了各種類型的觀測實驗研究，取得了豐碩的研究成果。

美國PASSCAL建立了選點(diǎn)和布臺操作指南，PASSCAL儀器中心在布臺前對所有野外工作人員都要進(jìn)行培訓(xùn)，其中包括:儀器架設(shè)、軟件設(shè)置和控制操作、數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與控制、數(shù)據(jù)存檔4個方面。儀器架設(shè)按照不同類型的實驗，對于不同類別的儀器具有不同的要求。臺站架設(shè)方案考慮了原材料來源、環(huán)境噪音、排水和安全性等。在布臺過程中，對臺基噪音進(jìn)行快速評價，以保證記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1992年，德國為保持自己在數(shù)字測震技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，啟動了GEOFON計劃。這個計劃除了建立德國自己的全球?qū)掝l帶數(shù)字測震臺網(wǎng)外，還包括建立由130個寬頻帶數(shù)字地震儀組成的流動測震臺陣。

開展大型測震科學(xué)臺陣建設(shè)的還有法國的“地球透鏡計劃(GEOSCOPE)”和日本的“海神計劃”。

2004年，美國國家基金會投資2.19億美元，啟動了為期15年的“地球透鏡計劃”(EarthScope)，該計劃包含4個大型工程，其中之一是以利用流動地震臺陣勾畫美國大陸高精度地下結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)的“美國臺陣”項目(USArray)。該項目是一個由寬頻帶和短周期地震計組成的大陸規(guī)模的流動地震觀測臺陣，其目的是提供巖石圈和地球更深部的連續(xù)的三維圖像。臺陣的核心就是一個由400臺寬帶地震計組成的移動遙測臺陣，其目的是從密集、均勻且臺站間距約70 km的一個規(guī)則臺陣中和一條約1400 km長的斷裂帶中獲得實時觀測資料。該臺陣將對本地、區(qū)域及遠(yuǎn)震地震進(jìn)行記錄，同時提供幾十千米量級的地殼和上地幔精度，并提高下地幔和核-幔邊界上的構(gòu)造精度。流動臺陣在每個場地以1～2年的周期一直運(yùn)轉(zhuǎn)著，在8～10年的時間里，多重部署將涵蓋整個美國大陸。部署完成時，該臺陣將有約2000個臺站可提供三維成像數(shù)據(jù)，其所涵蓋的有效范圍將是前所未有的[4-5](圖1)。

國外科技發(fā)達(dá)國家在地震流動觀測方面特別重視觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，組織了強(qiáng)大的儀器檢測與維護(hù)隊伍，在臺陣架設(shè)方面舍得投入，并編制有應(yīng)用軟件對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價，建立了較為完善的數(shù)據(jù)存儲、管理、分析和共享服務(wù)系統(tǒng)、工作規(guī)范、配套設(shè)施完備。

2.2 國內(nèi)流動地震觀測基礎(chǔ)

我國開展流動地震臺陣觀測較發(fā)達(dá)國家起步晚。另外，流動地震觀測情況復(fù)雜，與固定臺站相比，無論在臺址選擇、供電系統(tǒng)保障、工作環(huán)境等方面都存在著不確定性，而且至今在國內(nèi)還沒有制訂相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和開展相關(guān)研究。

圖1 美國“地球透鏡計劃”流動地震臺陣示意圖[3]

“十五”期間，中國地震局結(jié)合“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)工程”，建設(shè)了由600套數(shù)字流動地震儀為核心的地震科學(xué)探測臺陣系統(tǒng)。目前，這套儀器系統(tǒng)已經(jīng)用于幾個重要項目的野外地震觀測，取得了較好的效果，發(fā)揮了很好的科學(xué)效益，已成為我國流動地震科學(xué)臺陣研究的重要支撐。中國地震局在“十一五”期間，增購了500套流動地震儀(400套寬頻帶和100套短周期地震儀)，擴(kuò)充了地震科學(xué)臺陣的規(guī)模，建成了在規(guī)模和性能方面名列世界前茅的儀器系統(tǒng)。

與此同時，大規(guī)模流動地震臺陣觀測計劃(如中國大陸地下精細(xì)結(jié)構(gòu)的地震臺陣探測研究喜馬拉雅計劃“南北地震帶南端”，圖2)正在緊鑼密鼓地進(jìn)行中，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。該計劃將用21年左右的時間，完成全國范圍內(nèi)的流動地震臺陣探測，獲得整個中國的地殼上地幔精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像和介質(zhì)物性的分布特征，提高對深部孕震環(huán)境和地震發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識水平，為社會防震減災(zāi)事業(yè)服務(wù)。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和北京大學(xué)、南京大學(xué)等科研院所和高校，充分意識到流動地震臺陣觀測在地震學(xué)的創(chuàng)新性研究中的重要性，近年來分別購置了200套和數(shù)十套流動地震儀，以進(jìn)行針對性的流動地震臺陣觀測研究。

2.3 國內(nèi)外差距

我國的地震災(zāi)害分布廣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，研究的熱點(diǎn)地區(qū)多，探測任務(wù)重，開展地震流動觀測較發(fā)達(dá)國家起步晚。許多地震科學(xué)工作者對儀器的布設(shè)、流動地震臺站的勘選、數(shù)據(jù)的歸檔等還缺乏足夠的經(jīng)驗。還沒有建立起相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，野外觀測人員往往根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行操作，隨意性強(qiáng)。臺陣儀器的管理、維護(hù)和檢測也在逐步總結(jié)完善過程中。因此，要在較短時間內(nèi)追趕國際先進(jìn)水平，需要完成大量的臺陣探測工作。

(1)在地震流動觀測的質(zhì)量上與先進(jìn)國家存在著差距。美國的流動臺網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)觀測實踐，強(qiáng)調(diào)必須對觀測臺站進(jìn)行實時監(jiān)控和通訊，以加強(qiáng)對流動臺站觀測質(zhì)量的控制，同時也可對臺網(wǎng)地區(qū)發(fā)生的地震進(jìn)行實時處理，極大地增強(qiáng)了對區(qū)域地震的監(jiān)測能力。我們的儀器系統(tǒng)在這方面還在逐步完善過程中，由于中國衛(wèi)星通訊價格的昂貴和無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍問題，部分山區(qū)或無人區(qū)等觀測區(qū)域還無法實現(xiàn)流動臺網(wǎng)的實時監(jiān)控及實時數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 中國大陸地下精細(xì)結(jié)構(gòu)的地震臺陣探測研究喜馬拉雅計劃規(guī)劃圖(丁志峰研究員，私人通訊)

(2)數(shù)據(jù)服務(wù)的差距。美國、日本等國際上地震科學(xué)研究先進(jìn)的國家，都建立了完善的數(shù)據(jù)存儲、管理、分析和共享服務(wù)系統(tǒng)。與這些國家相比，我國的流動地震臺陣數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)自動分析處理軟件系統(tǒng)還不健全，存儲能力有限、共享服務(wù)系統(tǒng)亟待進(jìn)一步改善。

(3)儀器維護(hù)的差距。和美國、日本等國家相比，我們在儀器維護(hù)的水平、經(jīng)驗、規(guī)范性、配套設(shè)施、技術(shù)人員等方面有明顯的差距，急需提高。

(4)培訓(xùn)服務(wù)的差距。流動地震觀測是地震科學(xué)研究的重要發(fā)展趨勢，我國大規(guī)模的流動地震觀測工作仍處在起步階段，許多地震科學(xué)研究工作者對儀器的布設(shè)、流動地震臺站的勘選、數(shù)據(jù)的預(yù)處理等還缺乏足夠的經(jīng)驗，美國IRIS的PASSCAL儀器中心將流動地震儀器的觀測使用等培訓(xùn)工作作為其維護(hù)工作的重要內(nèi)容，我國目前還沒有建立有關(guān)流動地震臺陣觀測的培訓(xùn)基地。

3 結(jié)束語

我國開展流動地震臺陣觀測較發(fā)達(dá)國家起步較晚，目前大規(guī)模的流動地震觀測工作仍處在發(fā)展階段，結(jié)合美國、日本等發(fā)達(dá)國家流動臺陣觀測技術(shù)水平，我們還需在以下幾個方面進(jìn)一步加強(qiáng)和完善。

(1)加強(qiáng)地震臺陣觀測平臺建設(shè):觀測平臺的建設(shè)要向國際先進(jìn)化、規(guī)?；投嘣较虬l(fā)展，要能同時滿足不同規(guī)模和不同觀測目的、各種類型的流動臺陣觀測;

(2)加強(qiáng)人才隊伍建設(shè):野外工作人員是開展和實施野外流動觀測順利進(jìn)行的保障，因而需培養(yǎng)一批具有儀器設(shè)備操作、設(shè)置、檢測和維修，臺陣架設(shè)，臺基評價及提供技術(shù)培訓(xùn)等各方面能力的野外工作人員;

(3)建立一套相應(yīng)的規(guī)范:包括踏勘與站點(diǎn)的選擇、臺基評價、臺站架設(shè)、儀器管理與檢測維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)匯交等;

(4)加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享服務(wù):數(shù)據(jù)匯交格式和產(chǎn)出要與國際接軌，野外觀測完成后要提交統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和實驗數(shù)據(jù)報告，監(jiān)督和評價每次實驗數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，實驗數(shù)據(jù)應(yīng)在2～3年的保密期后向所有的科研人員和團(tuán)體公開。

[1]宋彥云.中國地震觀測簡要回顧與展望.地震地磁觀測與研究，2009，30(9):1-5

[2]陳颙，周華偉，葛洪魁.華北地震臺陣探測計劃.大地測量與地球動力學(xué)，2006，25(4):1-5

[3]http:∥anf.ucsd.edu/stations.php

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