阿爾伯克基地震實驗室
——全球地震學50周年回顧

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阿爾伯克基地震實驗室
——全球地震學50周年回顧

0引言

阿爾伯克基地震實驗室(The Albuquerque Seismological Laboratory，ASL)位于新墨西哥州阿爾伯克基東南約15英里處，緊鄰柯特蘭空軍基地南部的伊斯萊塔印第安人保護區(qū)。阿爾伯克基地震實驗室為全球地震臺網(wǎng)和美國國家地震監(jiān)測系統(tǒng)分布在世界各地的地震臺站，提供安裝、維護以及操作支持，并作為最大的地震儀器測試設(shè)備基地服務(wù)于美國政府。

阿爾伯克基地震實驗室，作為美國海岸與大地測量局地震處的地震觀測站和儀器室實驗室成立于1961年。該實驗室位于人煙稀少的曼札尼諾山中，在這樣的環(huán)境下進行的實驗可以減少地震儀器的人為噪聲干擾。美國海岸和大地測量局的雇員Frank Werner，James Devine和Joji Tomei選擇了伊斯萊塔印第安人保護區(qū)進行大量地震噪聲研究。這些噪聲研究早在1959年就開始在美國的許多地方進行了。該實驗室的地點選擇不僅考慮到地噪聲，同時得到了大學和科研機構(gòu)的支持，擁有適合的物流和較好的生態(tài)環(huán)境。1960年啟動實驗室建設(shè)項目，當時為了儀器測試的需要在寒武紀花崗巖上炸出了兩個40英尺深的地下隧道(圖1)。同一時期，世界標準地震臺網(wǎng)(WWSSN)也處于計劃和設(shè)計階段。由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)設(shè)計的全球標準地震臺網(wǎng)(圖2)，設(shè)想在60多個國家和島嶼建設(shè)120個規(guī)范的地震臺。阿爾伯克基地震實驗室被認為是臺站安裝和維護中心最理想的地方。美國國防部高級研究計劃局為全球地震標準臺網(wǎng)投入資金，還為他們建了一幢用于活動的樓房。阿爾伯克基地震實驗室在1961年6月19日正式運行，ALQ臺站作為全球標準地震臺網(wǎng)的第一個臺站被安裝在地下隧道中。截止到1965年，已安裝了111個臺站，直到1971年，最后一個位于巴西的巴西利亞BDF臺站安裝完畢。到1990年代中期，全球標準地震臺網(wǎng)的地震觀測和可用數(shù)據(jù)的產(chǎn)出被認為是最重要的進展(圖3)。除了全球標準地震臺網(wǎng)的一些研究外，阿爾伯克基地震實驗室還開展了包括對1964年在阿拉斯加威廉姆海灣發(fā)生的震級為9.2級的大地震在內(nèi)的余震研究。地震學家攜帶超過5 000英鎊重量的地震設(shè)備從阿爾伯克基出發(fā)在地震發(fā)生后2天就抵達安克雷奇布設(shè)儀器設(shè)備來記錄余震。在第二天，第一個便攜系統(tǒng)被布設(shè)完畢。多年來，阿爾伯克基地震實驗室的工作人員參加了眾多的地震現(xiàn)場實驗和爆炸研究，率先研發(fā)了很多地震監(jiān)測系統(tǒng)，包括在阿拉斯加和太平洋區(qū)域的海嘯預警系統(tǒng)以及里奧格蘭德裂谷地震網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。

1阿爾伯克基地震實驗室

由于技術(shù)的進步，阿爾伯克基地震實驗室在1971年開始安裝了第一個高增益長周期數(shù)字地震臺網(wǎng)(JGLP)。緊隨其后的是數(shù)字地震記錄臺網(wǎng)的建設(shè)，包括地震觀測研究(SRO)、可調(diào)性高增益長周期觀測(ASRO)、數(shù)字化世界標準地震儀臺網(wǎng)(DWWSSN)和中國數(shù)字地震臺網(wǎng)。這些地震臺網(wǎng)就是眾所周知的全球數(shù)字地震臺網(wǎng)(GDSN)。全球數(shù)字地震臺網(wǎng)通過阿爾伯克基地震實驗室的數(shù)據(jù)采集中心對這些數(shù)據(jù)進行收集、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控，產(chǎn)出高品質(zhì)的多維窄帶的地震數(shù)據(jù)(峰值近1～25s)。這些早期數(shù)字地震臺網(wǎng)觀測系統(tǒng)的實驗經(jīng)費由美國國防部高級研究計劃局資助。早期地震觀測系統(tǒng)實驗的經(jīng)驗，為今天的寬頻帶地震臺網(wǎng)的建立奠定了基礎(chǔ)。參加全球數(shù)字地震臺網(wǎng)建設(shè)的其他機構(gòu)，其中包括大學和美國空軍(圖4)。

圖1　阿爾伯克基實驗室全景對比：(a)1962年；(b)2011年

圖2　世界標準地震臺網(wǎng)系統(tǒng)，包括地震計、電流計、滾筒記錄儀和時間控制臺

圖3　世界標準地震臺網(wǎng)，安裝時間1962～1971年

圖4　(a)1970年代早期Russ Wilson修理全球標準地震臺網(wǎng)組件；(b)阿爾伯克基地震實驗室工程師Gary Gyure維護數(shù)字采集全球臺網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)

在1960年代中晚期，為實現(xiàn)現(xiàn)代化和政府職能重組，在美國商務(wù)部內(nèi)組建了美國環(huán)境科學服務(wù)管理局(ESSA)，然后在1970年又組建了國家海洋大氣管理局(NOAA)。海岸與大地測量局首次并入美國環(huán)境科學服務(wù)管理局，然后在美國國家海洋大氣管理局的幫助下重組。1971年地震學研究被移到環(huán)境研究實驗室，隨后在1973年，被轉(zhuǎn)移到美國政府內(nèi)政部的美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)。

1984年，美國地質(zhì)調(diào)查局與國家科學基金會(NSF)建立伙伴關(guān)系，并與美國地震學聯(lián)合研究協(xié)會(IRIS)聯(lián)合建立了新的寬頻帶數(shù)字地震臺網(wǎng)，稱為全球地震臺網(wǎng)(GSN)。阿爾伯克基地震實驗室為全球地震臺網(wǎng)在設(shè)計研究、開發(fā)站點、技術(shù)規(guī)劃和儀器規(guī)范，以及新系統(tǒng)測試中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用(見圖5，圖6)。全球地震臺網(wǎng)是建立在早期全球臺網(wǎng)基礎(chǔ)上的，它包括世界標準地震臺網(wǎng)和加利福尼亞大學國際部署的加速度計臺網(wǎng)(IDA)。最初部署開始于1991年，截止到2011年，網(wǎng)絡(luò)覆蓋150個臺站。

圖5　(a)1970年代Larry Jaksha在屏幕上測量地震波；(b)2011年Tyler Storm對數(shù)字地震波質(zhì)量監(jiān)控

圖6　阿爾伯克基地震實驗室地震儀器測試工程師Gary Holcomb和Leo Sandoval在阿爾伯克基地震實驗室地下室進行測試

2現(xiàn)在的阿爾伯克基地震實驗室

現(xiàn)在，阿爾伯克基地震實驗室是美國地質(zhì)調(diào)查局位于科羅拉多地質(zhì)災(zāi)害科學中心的一部分。它的設(shè)施由15個部分組成，包括先前建立的2個地下隧道，5個小孔徑井和一些地窖。由于阿爾伯克基地震實驗室設(shè)在遙遠的地方，一直保持著極低噪聲環(huán)境，適合地震計的原始校準、測試以及新儀器研發(fā)。

圖7　阿爾伯克基地震實驗室工作人員在南極QSPA臺站給270m深的井安裝KS54000地震計

阿爾伯克基地震實驗室的工作人員對全世界近60個國家、超過180個臺站進行管理和維護。阿爾伯克基地震實驗室支持全球地震臺網(wǎng)和美國國家地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)(ANSS)的運行和維護，確保其數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)的完整性。

全球地震臺網(wǎng)和美國國家地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)，通過美國地質(zhì)調(diào)查局的國家地震信息中心和美國國家海洋大氣管理局海嘯預警中心，對全球進行實時地震監(jiān)測；同時通過全面禁止核試驗條約組織和美國空軍對核試驗進行監(jiān)測；推動世界廣大研究人員對地震發(fā)生過程以及一些地球物理方面的問題進行科學研究。

阿爾伯克基地震實驗室，通過建立的設(shè)備維修中心支持美國國家地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。維修中心還服務(wù)于美國地質(zhì)調(diào)查局和美國地質(zhì)調(diào)查局以外的臺網(wǎng)，美國國家地震監(jiān)測系統(tǒng)通過提供設(shè)備備件，追蹤設(shè)備故障，以及履行監(jiān)管設(shè)備的維修(見圖6，圖7)。

3中美合作第三期改造

從1980年中美雙方簽署地震合作備忘錄、1992年中國數(shù)字地震臺站的第二期、到2012年第三期技術(shù)改造，中美雙方地震監(jiān)測合作已經(jīng)走過了33年(見圖8，圖9，圖10)。

1983年5月中國地震局與美國地質(zhì)調(diào)查局開始規(guī)劃設(shè)計中美合作的中國數(shù)字地震臺網(wǎng)(CDSN)，到1986年建成了北京、佘山、牡丹江、海拉爾、烏魯木齊、瓊中、恩施、蘭州、昆明等9個數(shù)字化地震臺站，以及中國數(shù)字地震臺網(wǎng)維修中心、數(shù)據(jù)管理中心組成的我國第一個國家級數(shù)字地震臺網(wǎng)。1991年和1995年又分別增設(shè)了拉薩和西安2個數(shù)字地震臺站，1993～2001年，中美雙方對中國數(shù)字地震臺網(wǎng)進行了二期技術(shù)改造，使臺網(wǎng)的硬件、軟件系統(tǒng)符合美國地震學聯(lián)合研究協(xié)會在全球建立的數(shù)字地震臺網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范。

圖8　中美合作備忘錄

圖9　工作人員合影

圖10　中國數(shù)字地震臺網(wǎng)

圖11　LSA臺站技術(shù)改造系統(tǒng)圖

為了提升中國數(shù)字地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量及可維護性，中國地震局支持該中美地震科技合作項目的升級改造，由中國地震局地球物理研究所與美國地質(zhì)調(diào)查局阿爾伯克基地震實驗室共同執(zhí)行。經(jīng)過雙方協(xié)商，2011年對中國數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站進行了升級改造調(diào)查。中美雙方于2012年8月27日到31日就中國數(shù)字地震臺網(wǎng)的全部10個臺站的三期升級改造相關(guān)事宜在北京進行會談。

中美合作中國數(shù)字臺網(wǎng)項目的美方負責人、美國地質(zhì)調(diào)查局Lind Gee博士于2012年8月28日在中國地震局地球物理研究所就全球地震臺網(wǎng)的建設(shè)和數(shù)據(jù)質(zhì)量保證，阿爾伯克基地震實驗室的地理位置、生活環(huán)境、人員組成、發(fā)展情況，以及與中國的合作等方面做了介紹。隨后提出全球地震臺網(wǎng)系統(tǒng)老化的問題以及美方對全球地震臺網(wǎng)系統(tǒng)的改造方案，并對改造過程中應(yīng)用的新儀器進行了展示和介紹。與會的專家們對美方采用的新儀器很感興趣，并進行了深入的交流。同時，美方也就共同改造中國數(shù)字地震臺網(wǎng)的方案進行了交流，就合作的日程安排進行了討論。

中國地震局地球物理研究所成立了以周公威研究員為顧問，以李麗、鄭重、楊大克等研究員組成的專家團隊，與美國地質(zhì)調(diào)查

局阿爾伯克基地震實驗室的Gary Gyure和Joel Edwards就升級改造的關(guān)鍵技術(shù)與步驟進行多次會談。最終，確定自2013年1月開始，雙方聯(lián)合開始對10個中國數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站進行第三期改造。

本次升級改造的主要內(nèi)容，以STS-1長周期地震計為核心，對全部地震計進行更新、檢查，其中用STS-2.5替換STS-2和GS-13短周期地震計，用ES-T替換FBA-32加速度地震計，同時更換STS-1地震計的反饋電路，改進安裝和密封方式；對供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及監(jiān)測控制系統(tǒng)進行全面更新(見圖11)；對臺站的分析系統(tǒng)進行升級，提供了新的工作站及所需的處理、分析、監(jiān)控軟件。經(jīng)過此次升級改造，臺站硬件設(shè)備得到了全面的提升，更加便于監(jiān)控和維護，數(shù)據(jù)質(zhì)量也得到了明顯改善。

目前，中國數(shù)字地震臺網(wǎng)是全球地震臺網(wǎng)的一個重要組成部分。

Lind Gee

譯 者 簡 介

張爽(1975—)，女，中國地震局地球物理研究所工程師。在中國數(shù)字地震臺網(wǎng)從事臺站數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及小孔徑地震數(shù)據(jù)研究。E-mail：shuangz@cea-igp.ac.cn。

靳志同，男，防災(zāi)科技學院講師。E-mail：jzt2006@163.com。

編譯自美國地質(zhì)調(diào)查局阿爾伯克基地震實驗室Lind Gee贈送的材料

張爽 譯.2016.阿爾伯克基地震實驗室——全球地震學50周年回顧.世界地震譯叢.47(3)：261-268.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201603008

消息

中國地震局地球物理研究所張爽譯

中國地震局地球物理研究所周公威校