GEOSCOPE全球?qū)掝l帶地震臺網(wǎng)綜述*

張 爽

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

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中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預(yù)研

GEOSCOPE全球?qū)掝l帶地震臺網(wǎng)綜述*

張 爽※

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

GEOSCOPE是由寬頻帶地震臺組成的全球臺網(wǎng)， 目的為法國和國際科學(xué)界提供寬頻帶地震數(shù)據(jù)。 基于對美國、 德國等國家全球臺網(wǎng)的研究， 本文就GEOSCOPE法國全球?qū)掝l帶地震臺網(wǎng)的建設(shè)做簡要介紹。

GEOSCOPE； 臺站建設(shè)； 寬頻帶地震計； 數(shù)據(jù)

引言

GEOSCOPE成立于1982年， 由法國國家科學(xué)研究中心(The National Center for Scientific Research， NCRS)下屬的國家宇宙科學(xué)研究所(Institut National des Sciences de l′Univers， INSU)創(chuàng)建， 當(dāng)前歸屬于法國國家科學(xué)中心的巴黎地球物理學(xué)院(Institut De Physique Du Globe De Paris， IPGP)負(fù)責(zé)運(yùn)行管理。

GEOSCOPE是由寬頻帶地震臺組成的全球臺網(wǎng)， 旨在為法國和全球地學(xué)工作者提供連續(xù)的寬頻帶地震觀測數(shù)據(jù)。 為了給地震觀測臺網(wǎng)提供更好的監(jiān)測效果， 在國際聯(lián)合數(shù)字地震臺網(wǎng)(International Federation of Digital Seismograph Networks， FDSN)的配合下精心確定了當(dāng)前臺網(wǎng)中各臺站的分布點(diǎn)位。 這些臺站記錄了地面的連續(xù)運(yùn)動， 數(shù)據(jù)從臺站實(shí)時或延時傳送到IPGP數(shù)據(jù)中心， 數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)證或修正后進(jìn)行歸檔， 自動從IPGP數(shù)據(jù)中心和其他5個全球地震數(shù)據(jù)中心傳輸共享到FDSN， 數(shù)據(jù)對全球?qū)W者開放。 GEOSCOPE不僅可以提供全球范圍內(nèi)震級大于5.5級的地震波形數(shù)據(jù)及相關(guān)地震目錄信息， 同時還可以提供位于法國境內(nèi)以及地中海地區(qū)的小地震信息。 詳細(xì)信息可登錄http:∥geoscope.ipgp.fr[1]。

GEOSCOPE在1988年與中國地震局合作， 在新疆建成烏什地震臺(WUS)， 并在2004年10月對烏什地震臺進(jìn)行了二期改造， 2016年11月底將對烏什地震臺進(jìn)行三期改造。

GEOSCOPE的大多數(shù)臺站安裝有STS-1地震計， 這是當(dāng)前世界上低噪聲地震計中觀測效果最好的一種。 Streckeisen公司研制的STS-1屬于葉片彈簧地震計， 該設(shè)備傳統(tǒng)觀測范圍被控制在短周期和長周期內(nèi)， 它采用力平衡反饋系統(tǒng)將觀測范圍擴(kuò)展到寬頻帶。 早在1982年， GEOSCOPE就率先將STS-1寬頻帶地震計安裝到自身臺網(wǎng)中。 但由于STS-1對環(huán)境背景噪聲要求非常高， 因而現(xiàn)在已不再在臺站廣泛使用， 正在被逐漸更新。 新的METROZET地震計研制出來后， GEOSCOPE準(zhǔn)備將新的METROZET地震計安裝在所有臺站中， 與臺站舊有的STS-1地震計一起使用。

截止到2012年， GEOSCOPE在19個國家部署了31個臺站， 遍及七大洲、 四大洋以及部分島嶼(圖1)。 所有臺站都配備了三分量甚寬頻帶地震計(STS-1或STS-2)和24(或26位)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Q330HR)。 地震計安裝在堅(jiān)固且難以發(fā)生扭曲變形的擺墩上， 以降低長周期水平分量上至少15 dB的環(huán)境噪聲。 GEOSCOPE的大多數(shù)臺站都安裝了壓力計和溫度計。 在2013年， GEOSCOPE對墨西哥的UNM、 澳大利亞的CAN、 塞內(nèi)加爾的MBO、 凱爾蓋朗群島的PAF以及法國的ECH等5個臺站進(jìn)行了升級改造， 同年， 在新建的羅德里格斯島ROCAM臺站完成了設(shè)備安裝。 當(dāng)前， GEOSCOPE旗下27個臺站數(shù)據(jù)可以實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時傳到GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心和海嘯預(yù)警中心。 GEOSCOPE在極地地區(qū)設(shè)有南極的CCD和格陵蘭島的IVI兩個臺站， 其中格陵蘭島的IVI臺站同屬于GLISN國際臺網(wǎng)的一部分(格陵蘭冰蓋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò))。 所有臺站的連續(xù)數(shù)據(jù)均被GEOSCOPE設(shè)在巴黎的數(shù)據(jù)中心實(shí)時或延遲收集， 在那里對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證后， 存檔并通過不同接口(具體細(xì)節(jié)請參考http:∥geoscope.ipgp.fr)提供給全球科學(xué)家使用。

圖1 GEOSCOPE臺站的全球分布

2014年， GEOSCOPE數(shù)據(jù)可通過法國國家數(shù)據(jù)中心RESIF獲得， 連續(xù)數(shù)據(jù)和地震噪聲數(shù)據(jù)同樣可以通過GEOSCOPE數(shù)據(jù)網(wǎng)站獲得。

1 科學(xué)研究目標(biāo)

GEOSCOPE的科學(xué)目標(biāo)之一是通過對地球內(nèi)部構(gòu)造和震源機(jī)制的研究進(jìn)一步深刻理解地球動力學(xué)的相關(guān)理論， 于2007年創(chuàng)建了科學(xué)委員會， 該科學(xué)委員會主要采取以法國地震實(shí)驗(yàn)室為主、 3個國外地震學(xué)研究機(jī)構(gòu)為輔的組構(gòu)方式。 GEOSCOPE每兩年召開一次研討會來確定GEOSCOPE未來的發(fā)展方向。 GEOSCOPE所屬的天文臺由法國科學(xué)研究中心、 教育與科學(xué)研究院以及歐洲相關(guān)機(jī)構(gòu)等聯(lián)合建立于2006年， 并開始著手研究環(huán)境問題。

2 臺站建設(shè)及管理

2.1 臺站建設(shè)

GEOSCOPE臺站在選址時一般選擇鄉(xiāng)村噪聲小的地方， 按照要求將設(shè)備安裝在專門挖出的地窖中， 臺站的標(biāo)準(zhǔn)配備有三分向?qū)拵У卣鹩?STS-1或STS-2)、 數(shù)字轉(zhuǎn)換器和本地存儲數(shù)據(jù)系統(tǒng)。 為了記錄地震計的工作環(huán)境， GEOSCOPE在大部分臺站都裝有氣壓和溫度傳感器。

表1 GEOSCOPE正在運(yùn)行的臺站位置

注: 2013年， MBO臺實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)； 2014年， HYB和ROCAM臺升級為提供實(shí)時數(shù)據(jù)； CAN將升級為新型地震計(METROZET)

GEOSCOPE精心挑選的臺站位置， 特別是那些位于南半球的臺站， 可以為我們提供很好的震源數(shù)據(jù)。 例如： 對于2004年蘇門答臘地震和2009年10月薩摩亞地震事件來說， 海嘯預(yù)警GEOSCOPE的觀測數(shù)據(jù)讓我們看到實(shí)時數(shù)據(jù)的采集， 這顯然是件非常重要、 非常具有科學(xué)意義的事情。

2.2臺站管理

GEOSCOPE在臺網(wǎng)的管理機(jī)制方面采取了與IPGP、 法國天文科學(xué)院(L′école et observatoire des sciences de la terre， EOST)、 地震與環(huán)境研究院(CEA/DASE)、 法國研究發(fā)展協(xié)會(Institut de recherche pour le développement， IRD)、 美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey， USGS)等科研機(jī)構(gòu)以及當(dāng)?shù)卮髮W(xué)合作維護(hù)的方式， 圖2為目前臺站管理機(jī)構(gòu)架設(shè)圖。 其中， 維護(hù)分配如下：

IPGP 管理23個臺站(其中2個臺由IRD負(fù)責(zé)管理， 4個臺由當(dāng)?shù)卮髮W(xué)負(fù)責(zé)管理)；

圖2 GEOSCOPE管理機(jī)構(gòu)管理職能表

EOST管理7個臺站(其中1個臺由IRD 負(fù)責(zé)管理， 5個臺由IPEV負(fù)責(zé)管理)；

CEA/DASE管理2個臺站；

IRD 管理3個臺站(其中1個臺由EOST負(fù)責(zé)管理)；

USGS管理2個臺站；

當(dāng)?shù)卮髮W(xué)管理4個臺站(由IPGP負(fù)責(zé)管理)。

3 臺站升級改造

GEOSCOPE通過升級將所有臺站的觀測儀器都更換為數(shù)字化地震儀， 在其中大多數(shù)臺站安裝了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。 這些臺站的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)允許在當(dāng)?shù)氐暮献鳈C(jī)構(gòu)通過設(shè)在IPGP的節(jié)點(diǎn)登陸臺站對其進(jìn)行操作。 臺站所在地的一些國家因?yàn)榻?jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)， 經(jīng)常發(fā)生停電事故， 給觀測帶來極大的不便。 針對這類現(xiàn)象， 改造后的臺站本身都具有強(qiáng)大的自供電能力， 以確保地震數(shù)據(jù)觀測記錄的連續(xù)性， 臺站有權(quán)修復(fù)通訊的一切問題， 并配備有雷電防護(hù)系統(tǒng)。

圖3是放置在塞內(nèi)加爾MBO臺站的STS-1地震計和新型Metrozet E300地震計與無翹曲游離板相接的升級改造現(xiàn)場圖， 經(jīng)過改造后， 能降低地震計記錄到的長周期噪聲， STS-1和STS-2通過靈敏度信號檢測完成標(biāo)定， 零極點(diǎn)使用內(nèi)部校準(zhǔn)信號和Metrozet Calex-EW軟件完成標(biāo)定。

圖4是STS-2安裝在羅德里格斯島ROCAM臺站的一個洞穴中， 在2014年對個臺站進(jìn)行了升級改造， 改造后的臺站能夠?qū)崟r提供數(shù)據(jù)。

圖3 MBO臺站使用的STS-1內(nèi)部軟件被安裝在無翹曲的金屬底座上

圖4 STS-2在ROCAM的一個天然洞穴中

南極的CCD臺站由康科迪亞項(xiàng)目(法國—意大利)建設(shè)， 在2007年完成改造， 該臺站現(xiàn)在的數(shù)據(jù)已集成到GEOSCOPE臺網(wǎng)。

GEOSCOPE已經(jīng)對2010～2012年觀測到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了可用性驗(yàn)證。

4 實(shí)時數(shù)據(jù)分析

實(shí)時數(shù)據(jù)分析是GEOSCOPE數(shù)據(jù)驗(yàn)證的一部分。 通過SCARDEC方法[2]， 對觀測到的寬頻帶數(shù)據(jù)進(jìn)行地震特性分析， 獲得特定區(qū)域內(nèi)近期地震活動信息。 這個方法主要驗(yàn)證臺站的授時和元數(shù)據(jù)(特別是儀器的靈敏度和傳感器定位)。 圖5是對2013年9月24日巴基斯坦地震的分析結(jié)果， SCARDEC方法給出了這次地震的震源機(jī)制、 震源深度、 震級和發(fā)震時刻等信息。

圖5 巴基斯坦地震的數(shù)據(jù)分析結(jié)果

SCARDEC方法適合對全球監(jiān)測到的寬頻帶遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)的處理， 包括GEOSCOPE和FDSN管理的臺站。 圖6是對巴基斯坦地震數(shù)據(jù)在33～200 s周期范圍內(nèi)， 信號記錄的一致性進(jìn)行擬合分析的結(jié)果。

從2014年開始， 5.5～6級以上的地震信息將在地震45分鐘內(nèi)呈現(xiàn)在GEOSCOPE網(wǎng)頁上。

圖6 對巴基斯坦地震數(shù)據(jù)在33～200 s周期范圍內(nèi)進(jìn)行信號記錄一致性擬合分析的結(jié)果。 對異常信號、 授時、 振幅以及波形等不同的量化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測

5 GEOSCOPE數(shù)據(jù)訪問

IPGP數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)對GEOSCOPE寬帶地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、 驗(yàn)證、 歸檔和分發(fā)。 用戶可以免費(fèi)獲得實(shí)時/準(zhǔn)實(shí)時數(shù)據(jù)， 并選擇相應(yīng)的大地震事件來驗(yàn)證連續(xù)波形和元數(shù)據(jù)， 圖7是GEOSCOPE 數(shù)據(jù)流程圖。

我們可以從GEOSCOPE臺網(wǎng)獲取包括實(shí)時和驗(yàn)證數(shù)據(jù)在內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)， 也可以從IPGP、 歐洲綜合數(shù)據(jù)中心(European Integrated Data Archive， EIDA)和IRIS數(shù)據(jù)中心等機(jī)構(gòu)獲取這類數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)中心提供的訪問協(xié)議包括SEEDLINK和ARCLINK(GFZ， 德國)等方式。

目前， GEOSCOPE臺站采用的連續(xù)波形記錄方式， 記錄狀態(tài)緩慢。 因此， 1982～1987年期間， GEOSCOPE臺站只記錄了長周期(每10秒采樣)地面?zhèn)鞑ニ俣龋?1988年起， 其他地震信道也能記錄到信息。 當(dāng)前， GEOSCOPE臺站地震儀的采樣率有：

·長周期每秒采1個樣；

·寬頻段每秒采5個樣；

·甚寬頻段每秒采20～30個樣。

2000年末， 臺站開始安裝氣壓傳感器。 由于Streckeisen公司已經(jīng)停止生產(chǎn)STS-1地震計， 有的臺站只能安裝STS-2地震計。 由于STS-1的設(shè)計高端， 受環(huán)境影響很大， 在長時間記錄過程中記錄到的波形數(shù)據(jù)效果很不理想， 使得它只能安裝在特定的環(huán)境下。

目前， 臺站逐漸改造， 通過衛(wèi)星鏈路或ADSL實(shí)時向GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)。 GEOSCOPE地震臺網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)不僅可用于實(shí)時監(jiān)測震情， 同時允許海嘯預(yù)警中心使用這些觀測數(shù)據(jù)。

圖7 GEOSCOPE 數(shù)據(jù)流程圖

6 數(shù)據(jù)格式以及歸檔

直到2000年， 大多數(shù)臺站數(shù)據(jù)記錄的格式是按照儀器廠家規(guī)定的格式生成， 傳到數(shù)據(jù)中心后才轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)文件要求的格式， 最后以SEED格式(地震數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式)被FDSN接收。

這些數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換過程緩慢， 使得數(shù)據(jù)訪問的時間過長。 因此， GEOSCOPE不得不重新考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)歸檔、 數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)等一系列問題。

目前， 臺站安裝的數(shù)字地震儀提供的數(shù)據(jù)為miniSEED格式， 這也是GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)歸檔格式。

元數(shù)據(jù)(臺站信息和臺站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))被記錄在一個關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中， 并且可以在SEED格式參數(shù)表下進(jìn)行分發(fā)。 在這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， GEOSCOPE臺網(wǎng)數(shù)據(jù)以FDSN規(guī)范的SEED數(shù)據(jù)格式(參數(shù)表+miniseed)迅速地進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)， 圖8為GEOSCOPE自1982年創(chuàng)建到2016年5月數(shù)據(jù)歸檔情況。

圖8 GEOSCOPE自1982年創(chuàng)建到2016年5月數(shù)據(jù)歸檔情況

7 結(jié)論

GEOSCOPE的目標(biāo)是建立一個安裝有31個寬頻帶三分向數(shù)字地震儀的全球地震臺網(wǎng)， 這個項(xiàng)目是由IPGP、 EOST和 IRD三個機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。 臺站管理和安裝是由IPEV、 加利福尼亞、 墨西哥、 智利、 巴西、 CNES、 CEA/ DASE、 USGS/ IRIS及一些高校負(fù)責(zé)。 自1982年以來， GEOSCOPE參與其他國家的一些項(xiàng)目中(涉及到的國家有： 美國、 日本、 意大利、 中國和德國等)， 并使這些國家成為合作聯(lián)盟， 即FDSN， 以便于為各國科學(xué)家盡可能快地提供高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)。 據(jù)統(tǒng)計， 1982～2009年使用GEOSCOPE數(shù)據(jù)發(fā)表的論文超過1000篇， GEOSCOPE已經(jīng)對地震學(xué)、 地球構(gòu)造、 海嘯預(yù)警等領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)[3-7]。

致謝 感謝對此文提供資料查詢的工作人員以及給予審閱的專家。

[1] http:∥geoscope.ipgp.fr

[2] Lentas K， Ferreira A M G， Vallée M. Assessment of SCARDEC source parameters of global large (MW≥7.5) subduction earthquakes. Geophys. J. Int.， 2013, 195(3): 1989-2004

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Introduction of Global Network of Broadband Seismic Stations(GEOSCOPE)

Zhang Shuang

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

GEOSCOPE is composed of global broadband seismic station network, for the purpose of providing broadband seismic data for the French and international scientific community. Based on the study on the design of global network station in the United States, Germany and other countries, this article introduces GEOSCOPE of global broadband seismic network in France.

GEOSCOPE station; broadband seismometer; data

2016-09-06； 采用日期： 2016-10-08。

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.0235-4975.2016.10.007

※通訊作者： 張爽， e-mail: zshuang75@126.com。