GEOFON地震臺網(wǎng)布局與組網(wǎng)*

楊大克

(中國地震局地球物理研究所,北京100081)

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GEOFON地震臺網(wǎng)布局與組網(wǎng)*

楊大克※

(中國地震局地球物理研究所,北京100081)

為了中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)事業(yè)的順利進(jìn)行,對GEOFON地震臺網(wǎng)進(jìn)行了調(diào)研。獲得了GEOFON地震臺網(wǎng)布局、 組網(wǎng)協(xié)議、 臺網(wǎng)臺站主要組成儀器等資料,為我國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)提供了翔實(shí)的背景資料。

GEOFON； GFZ; 中國全球地震臺網(wǎng)； 臺網(wǎng)布局； 組網(wǎng)

引言

通過“九五”、 “十五”期間的建設(shè),我國已建成由1個國家臺網(wǎng)和31個省級區(qū)域臺網(wǎng)構(gòu)成的數(shù)字化測震臺網(wǎng),目前全國測震臺站總數(shù)達(dá)到1021個。由于中國地震臺網(wǎng)臺站主要分布在中國大陸,受臺站布局所限,對國外地震的監(jiān)測能力十分薄弱。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及我國與各國際組織合作的不斷展開,我國目前已能斷斷續(xù)續(xù)接收到由美國全球地震臺網(wǎng)(Global Seismic Networks,GSN)記錄到的實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時地震波形數(shù)據(jù),但在顯著地震發(fā)生之后,網(wǎng)絡(luò)擁堵、 通訊受阻,往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。因此,目前我國對國外地震的速報(bào)時間較長、 定位偏差較大。相應(yīng)地,我國對全球的地震研究也處于劣勢。由于國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)鏈路不穩(wěn)定,經(jīng)常由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或網(wǎng)速較慢,導(dǎo)致GSN數(shù)據(jù)延遲或中斷,甚至中斷數(shù)日。因此,建設(shè)一個由我國地震系統(tǒng)自主運(yùn)行維護(hù)的、 覆蓋全球的、 可長期連續(xù)觀測的地震臺網(wǎng),實(shí)時地獲取來自全球各大板塊的地震信息,是快速準(zhǔn)確獲取國外震情、 有效監(jiān)視境外特殊事件、 開展全球地震研究的必需。為了更好地建設(shè)中國全球臺網(wǎng),首先要對國際上已有的地震臺網(wǎng)進(jìn)行調(diào)研。這里主要對德國主導(dǎo)的GEOFON地震臺網(wǎng)進(jìn)行了調(diào)研。

1　簡介

GEOFON(GEOFOrschungsNetz)是一個由德國地球科學(xué)中心主辦的,與50多個研究所合作的全球?qū)掝l帶地震臺網(wǎng)(圖1),主要著眼于歐洲地中海地區(qū)和印度洋地區(qū),在2014年擁有覆蓋所有大陸的80個高質(zhì)量地震臺。其中,很多數(shù)據(jù)都是實(shí)時傳輸?shù)?。目?GEOFON在全球?qū)崟r地震學(xué)方面處于領(lǐng)導(dǎo)地位,它為GeoForschungsZentrum (GFZ),即亥姆霍茲-波茨坦中心----德國地球科學(xué)研究中心(Helmholtz-Centre Potsdam----German Research Centre for Geosciences)和其他地震團(tuán)體的所有基礎(chǔ)/應(yīng)用全球/區(qū)域的地震研究計(jì)劃提供有價值的數(shù)據(jù)。GEOFON于1993年開始產(chǎn)出數(shù)據(jù),臺站由當(dāng)?shù)睾献髡哌\(yùn)行維護(hù),由GFZ給予指導(dǎo)和后勤支持。GEOFON致力于最先進(jìn)的技術(shù)開發(fā),可以使它能夠物盡其用。所有的臺站都配備寬頻帶地震計(jì)(一般為STS-2),可以分辨全部的地震譜,從高頻小地震到最大的全球地震。數(shù)據(jù)從地震臺直接實(shí)時傳輸?shù)紾EOFON數(shù)據(jù)中心,而后通過有線或者衛(wèi)星直接傳輸?shù)降卣?和海嘯)預(yù)警中心。GEOFON為廣大地震臺網(wǎng)和GFZ提供了數(shù)據(jù)服務(wù),大部分?jǐn)?shù)據(jù)是公開的,如果條件允許,實(shí)時波形數(shù)據(jù)的需求也是可以滿足的。GEOFON利用數(shù)據(jù)組成了全球地震監(jiān)測系統(tǒng),它會即時發(fā)布全球地震信息,承擔(dān)快速大震信息發(fā)布。GEOFON是地中海、 印度洋、 東北大西洋地區(qū)的海嘯預(yù)警最主要的部門。它還是由GFZ主導(dǎo)的模塊化地球科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施(Modular Earth Science Infrastructure,MESI)的一部分(http:∥www.seiscomp.com/)。GEOFON除了發(fā)布信息外,還對科學(xué)研究做出了巨大的貢獻(xiàn)[1-11]。

圖1　(a) 地震臺站; (b) 數(shù)據(jù)服務(wù)器; (c) 工作站

1.1作用

GEOFON通過提供快速、 跨國家的地震數(shù)據(jù)和大地震的震源參數(shù),促進(jìn)地震研究并減輕海嘯和地震災(zāi)害,并且保持這些數(shù)據(jù)長期可用。與當(dāng)?shù)嘏_網(wǎng)合作,運(yùn)行與維護(hù)一個具有永久寬頻帶臺站的全球臺網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)這些愿望,并實(shí)時獲取這個臺網(wǎng)以及其他許多合作臺網(wǎng)和板塊邊界觀測站的數(shù)據(jù),成為一個永久并且安全的地震數(shù)據(jù)存儲中心。它還存儲由德國一些大學(xué)和研究所的科學(xué)家所做的臨時試驗(yàn)數(shù)據(jù),因此,促進(jìn)了各方合作并且鼓勵所有可用數(shù)據(jù)的完全開發(fā),并作為波茨坦地球物理儀器庫(Geophysical Instrument Pool Potsdam,GIPP)的永久數(shù)據(jù)存儲中心。另外,它還組織與具有合作關(guān)系的研究所和國際中心進(jìn)行實(shí)時和存儲數(shù)據(jù)的交換。

1.2職能

利用實(shí)時數(shù)據(jù)流,GEOFON可快速自動確定全球記錄的大地震和大部分區(qū)域地震的位置,并在幾天內(nèi)提供人工修正的大地震結(jié)果。這項(xiàng)服務(wù)在全球范圍內(nèi)可向地震和海嘯預(yù)警中心、 政府機(jī)關(guān)、 災(zāi)害控制組、 新聞媒體以及GFZ和別處的科學(xué)家提供基本的、 快速的地震信息。

它發(fā)展并改善快速實(shí)時數(shù)據(jù)分析方法,開發(fā)世界前沿水平的軟件,吸收各處的方法應(yīng)用到它的分析流,并且與其他國家和國際數(shù)據(jù)中心合作,發(fā)展地震數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)。

地震數(shù)據(jù)和地震參數(shù)有助于地球結(jié)構(gòu)與地球動力學(xué)基礎(chǔ)研究,主要是固體地球,還有水層和大氣層； 有助于與大地震、 海嘯災(zāi)害相關(guān)的應(yīng)用研究,有助于以減災(zāi)為目的的國家和跨國公司的地震監(jiān)測,以及公眾的快速信息獲取。

GEOFON是位于GFZ的MESI的一部分,GFZ為在MESI的永久臺網(wǎng)、 分布與存儲工作組、 通訊工作組內(nèi)提供服務(wù)。GEOFON的活動由一個外部監(jiān)督委員會,即GEOFON咨詢委員會監(jiān)督。它直接通過提供科學(xué)設(shè)施,即全球地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲與監(jiān)測設(shè)施,支持亥姆霍茲委員會,用來研究復(fù)雜的地球系統(tǒng)。因此,它有助于減輕地震和海嘯災(zāi)害帶來的巨大災(zāi)難。

2　臺網(wǎng)布局

2.1全球臺網(wǎng)布局

GEOFON臺網(wǎng)主要分布在歐洲。圖2是GEOFON臺網(wǎng)在世界的分布圖。紅色表示NRT(Near-Real-Time)準(zhǔn)實(shí)時臺站,黃色表示其他GEOFON臺站,黑色表示關(guān)閉的GEOFON臺站[12]。

2.2GEOFON擴(kuò)充實(shí)際地震臺網(wǎng)(GEVN)

為完成監(jiān)測全球地震的任務(wù),GEOFON通過互聯(lián)網(wǎng)收集了永久臺網(wǎng)、 伙伴臺網(wǎng)、 歐洲甚至世界范圍內(nèi)的公共臺網(wǎng)的數(shù)據(jù),形成了所謂的GEOFON擴(kuò)充實(shí)際臺網(wǎng)(GEOFON Extended Virtual Network,GEVN,700多個臺站)(圖3)。在歐洲進(jìn)行大范圍的實(shí)時數(shù)據(jù)交換是EC計(jì)劃(MEREDIAN和NERIES)的一個主要成就。EC計(jì)劃由歐洲地震觀測與研究實(shí)驗(yàn)室(Observatories and Research Facilities for European Seismology,ORFEUS)協(xié)調(diào),主要以GFZ開始的布設(shè)和發(fā)起為基礎(chǔ),由美國數(shù)字寬頻帶地震臺網(wǎng)聯(lián)合會(Federation of Digital Broad-Band Seismograph Networks,FDSN)進(jìn)行了全球化。GFZ地震信息服務(wù)作為所有相關(guān)研究所的聯(lián)合努力,他們必須獲得信任。SeedLink實(shí)時數(shù)據(jù)交換主要由單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心直接提供。但是,對于與BE、 BS、 NO、 NS、 SS臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換,主要由ORFEUS數(shù)據(jù)中心(德比爾特,荷蘭)獲??； 對于與CU、 GT、 IC、 JP、 MS、 MY和US臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換,由美國地震學(xué)研究聯(lián)合會(Incorporated Research Institutions for Seismology,IRIS)數(shù)據(jù)管理中心(西雅圖,USA)獲取。另外,IRIS數(shù)據(jù)管理中心還是FDSN主干臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心。

圖2　GEOFON地震臺網(wǎng)在全球的分布

圖3　GEOFON擴(kuò)充實(shí)際臺網(wǎng)在全球的分布

2.3實(shí)際歐洲寬頻帶地震臺網(wǎng)(VEBSN)

實(shí)際歐洲寬頻帶地震臺網(wǎng)(Virtual European Broadband Seismic Network,VEBSN)由許多寬頻帶地震臺站組成,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被歐洲地震觀測實(shí)驗(yàn)室實(shí)時或者準(zhǔn)實(shí)時共享。數(shù)據(jù)共享以VEBSN運(yùn)行守則為基礎(chǔ),并且是收集和存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)研究的有效載體。因此,數(shù)據(jù)保存在歐洲綜合數(shù)據(jù)存儲中心(European Integrated Data Archive,EIDA),實(shí)際上是一個歐洲區(qū)域內(nèi)的FDSN存儲中心。

VEBSN起始于EC計(jì)劃的地中海-歐洲快速地震數(shù)據(jù)信息和存儲中心(Mediterranean-European Rapid Earthquake Data Information and Archiving Network,MEREDIAN),在歐洲地震研究的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(Network of Research Infrastructures for European Seismology,NERIES)計(jì)劃中,VEBSN被擴(kuò)展,并且建立了EIDA。

2.4各國臺站列表

表1是GEOFON最近幾年存儲數(shù)據(jù)的臺網(wǎng)和臺站清單,大部分?jǐn)?shù)據(jù)都可以獲取。網(wǎng)絡(luò)分為永久臺網(wǎng)和暫時臺網(wǎng)?！癡irtual”臺網(wǎng)包括屬于永久和臨時臺網(wǎng)或更多不同臺網(wǎng)的臺站。GFZ的特別行動組試驗(yàn)布設(shè)的臺站屬于臨時臺網(wǎng)。

3　臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)

3.1臺站基本配置

所有臺站都配備了寬頻帶(一般為STS-2)地震計(jì),能夠記錄高頻小震,也能記錄長周期大震。圖4為GEOFON臺站地下室設(shè)備。圖5是GEOFON臺站記錄點(diǎn)設(shè)備[12]。

圖6和圖7是GEOFON在土耳其的Malatya臺站和IRIS、 GEOFON共有的位于智利的Limon Verde臺站(臺站代碼為LVC)。

GEOFON各子臺網(wǎng)中臺站所使用的地震計(jì)主要有Guralp、 Geotech、 Streckeisen、 Nanometrics、 Lennartz公司生產(chǎn)的CMG-3ESP、 KS-54000、 STS-2、 Trillium、 Le3D/20sec等。各子臺網(wǎng)中臺站所用數(shù)采主要有Quanterra、 Nanometric、 Reftek、 Kinemetrics、 Lennartz、 Geotech公司生產(chǎn)的Q330、 HRD-24、 Reftek 130、 K2、 M64、 DR-24等。

3.2組網(wǎng)

GEOFON主要包括永久臺網(wǎng)、 臨時臺網(wǎng)、 GEVN和VEBSN。數(shù)據(jù)在GEOFON數(shù)據(jù)中心通過有線或衛(wèi)星實(shí)時傳輸采集后,便自由分配到地震監(jiān)測和海嘯預(yù)警中心。

GEOFON傳輸協(xié)議采用SeedLink世界標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)歸檔協(xié)議采用ArcLink。采用衛(wèi)星或有線傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)(圖8)。

3.2.1SeedLink通訊協(xié)議

SeedLink是實(shí)時數(shù)據(jù)采集協(xié)議和執(zhí)行該協(xié)議的客戶服務(wù)軟件。SeedLink協(xié)議以TCP為基礎(chǔ)。所有的連接都由客戶制作。在信號交換階段,客戶可以用簡單的ASCII碼命令向特定的臺站和數(shù)據(jù)流訂閱數(shù)據(jù); 當(dāng)數(shù)據(jù)交換結(jié)束后,一串包含8字節(jié)SeedLink頭段、 512字節(jié)MiniSEED記錄的SeedLink包就發(fā)送給客戶。每個單獨(dú)臺站的包總是及時傳輸。SeisComP中有關(guān)SeedLink的執(zhí)行是最老的并且被廣泛應(yīng)用的,但是,還存在其他的執(zhí)行命令。IRIS數(shù)據(jù)管理中心(Data Management Center,DMC)部署了另一個有名的應(yīng)用,而一些廠商在他們數(shù)采的固件中應(yīng)用SeedLink。一般來說,所有的應(yīng)用都是兼容的,但并不是所有都支持全部SeedLink 協(xié)議。另一方面,IRIS的DMC執(zhí)行一些擴(kuò)展軟件,但不被其他服務(wù)器支持。以下,我們用SeedLink代替SeisComP中SeedLink的應(yīng)用。SeedLink服務(wù)器的數(shù)據(jù)源可以是任意數(shù)據(jù),它們由SeedLink插件支持,插件是一個向SeedLink服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的小程序。插件由SeedLink服務(wù)器控制,例如,當(dāng)插件崩潰或者超時發(fā)生時,插件會自動重啟動。由插件提供的數(shù)據(jù)可以形成一個包含著時間信息的Mini-SEED包或者就是原始整數(shù)樣本。如果是下一種情況,SeedLink服務(wù)器用整流器制作需要的數(shù)據(jù)流并組裝MiniSEED包。

表1　永久臺網(wǎng)列表

圖4　GEOFON臺站地下室設(shè)備

圖5　GEOFON臺站記錄點(diǎn)設(shè)備

(a) Malatya臺站外貌； (b) Malatya臺站地下室設(shè)備

圖7　IRIS/GEOFON共有臺站Limon Verde(智利)-LVC

圖8　ArcLink網(wǎng)絡(luò)概念

3.2.2ArcLink 通訊協(xié)議

SeedLink被設(shè)計(jì)用來進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸。SeedLink用戶只能獲取相對較短的實(shí)時環(huán)形緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。此外,SeedLink既沒有功能訪問臺站數(shù)據(jù)庫,又不能處理儀器響應(yīng),所以不支持全SEED格式數(shù)據(jù)。ArcLink通過提供上述功能彌補(bǔ)了SeedLink的不足。ArcLink協(xié)議與SeedLink相似： 它基于TCP,并且利用簡單的ASCII代碼命令。一個概念性的差別是客戶不向?qū)崟r數(shù)據(jù)流訂閱,而是基于時間窗請求數(shù)據(jù)。與SeedLink不同,當(dāng)數(shù)據(jù)請求被處理后,數(shù)據(jù)不是立即傳送,可能是幾分鐘后甚至幾個小時以后傳送。ArcLink請求與請求ID有關(guān),這個ID可以用來獲取請求的狀態(tài)、 下載數(shù)據(jù)或者刪除請求。ArcLink服務(wù)器不直接到達(dá)數(shù)據(jù)存儲裝置,但是給這項(xiàng)工作分配一個“請求句柄”。因此,我們可以通過應(yīng)用不同的“請求句柄”利用ArcLink獲取不同的數(shù)據(jù)存儲。這個功能相當(dāng)于利用SeedLink從不同的數(shù)據(jù)源獲取不同的實(shí)時數(shù)據(jù)。這個“請求句柄”的功能與SeedLink插件功能相似,但是,當(dāng)SeedLink在開機(jī)啟動時,啟動一個被定義為插件的程序,而ArcLink則是利用一個單獨(dú)的請求句柄并且每個請求啟動一個請求句柄。另外,對于波形和元數(shù)據(jù),可以向ArcLink服務(wù)器請求路由信息。路由信息告訴我們哪個ArcLink服務(wù)器向我們提供一個給定臺站的數(shù)據(jù)。路由數(shù)據(jù)庫本身被認(rèn)為在所有ArcLink服務(wù)器之間是同步的。用這種方法,客戶可以連接到任何公共ArcLink服務(wù)器,請求路由信息并相應(yīng)地分離請求。

3.2.3通訊手段

圖9表示GFZ與全球各大數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)的通訊關(guān)系[13]。阿拉伯衛(wèi)星通訊組織(Arab Organisation of Satellite Communications)BADR4衛(wèi)星、 國際通信衛(wèi)星(international telecommunications satellite)IS10非洲頻段、 Express AM22全歐洲頻段衛(wèi)星分別被用來傳輸阿拉伯國家地震臺站、 非洲地震臺站、 歐洲地震臺站的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄S也納,而GFZ與維也納通過CROSAT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。印尼電信(Telkom)2C波段被用來傳輸印尼地區(qū)地震臺站的數(shù)據(jù)到BMKG,BMKG是印尼海嘯預(yù)警系統(tǒng)[Indonesian Agency for Meteorological,Climatological and Geophysics (印尼氣象局、 氣候與地球物理局),Badan Meteorologi (巴丹氣象局),Klimatologi,dan Geofisika or simply BMKG],而BMKG與GFZ進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,同時通過國際通信衛(wèi)星與維也納進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

4　結(jié)論與討論

GEOFON是由德國地球科學(xué)中心主辦的與50多個研究所合作的全球?qū)掝l帶地震臺網(wǎng),主要著眼于歐洲地中海地區(qū)和印度洋地區(qū)。由于GEOFON臺網(wǎng)主要針對地中海和印度洋地區(qū),所以臺站布設(shè)也以這些地區(qū)為主,采用的地震計(jì)和數(shù)據(jù)采集器主要為世界上幾個大的地震儀器廠商生產(chǎn)的儀器。

GEOFON主要包括永久臺網(wǎng)、 臨時臺網(wǎng)、 GEVN和VEBSN。數(shù)據(jù)在GEOFON數(shù)據(jù)中心通過有線或衛(wèi)星實(shí)時傳輸采集后,便自由分配到地震監(jiān)測和海嘯預(yù)警中心。GEOFON的傳輸協(xié)議采用SeedLink世界標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)歸檔協(xié)議采用ArcLink。采用衛(wèi)星或有線傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)。

GEOFON臺網(wǎng)的布局、 采用的地震儀器、 采用的傳輸協(xié)議、 歸檔協(xié)議、 數(shù)據(jù)傳輸方式等都對中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)具有重要的參考意義。

致謝感謝河北省地震局李小軍同志在相關(guān)資料上的幫助。

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The distribution and organization of GEOFON

Yang Dake

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

The preparatory research was made on GEOFON to implement the project of China global seismic network successfully. We provided informative background materials for the project of China global seismic network by obtaining the distribution of GEOFON, the protocol of organizing GEOFON, the main equipment used in GEOFON etc.

GEOFON; GFZ; China global seismic network; network distribution; network organization

2016-05-13； 采用日期： 2016-06-02。

楊大克,e-mail: ydk@seis.ac.cn。

地震行業(yè)科研專項(xiàng)： 中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預(yù)研(201508007)資助。

P315.78；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.008