國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)臺網(wǎng)布局綜述與評價*

郭昱琴 李 盛

(海南省地震局， ?？?70203)

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國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)臺網(wǎng)布局綜述與評價*

郭昱琴※李 盛

(海南省地震局， 海口570203)

1960年9月10日的聯(lián)合國大會通過了全面禁止核試驗(yàn)條約(CTBT)， 為了監(jiān)視全面禁止核試驗(yàn)條約的執(zhí)行情況， CTBT議定書附件1列出了IMS中構(gòu)成基本網(wǎng)絡(luò)的全球50個地震臺站(陣)。 IMS臺陣多數(shù)為同心圓小孔徑臺陣。 本文詳細(xì)介紹了國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)的核監(jiān)測試驗(yàn)方法、 地震臺站監(jiān)測分類和建設(shè)步驟及兩種不同類型的地震臺站臺網(wǎng)分布情況， 并對IMS的地震監(jiān)測能力做出了評價。

IMS； 地震臺陣； 核試驗(yàn)； 監(jiān)測系統(tǒng)

引言

1960年9月10日的聯(lián)合國大會通過了全面禁止核試驗(yàn)條約(CTBT)， 為了監(jiān)視全面禁止核試驗(yàn)條約的執(zhí)行情況， CTBT議定書附件1列出了IMS中構(gòu)成基本網(wǎng)絡(luò)的全球50個地震臺站(陣)(主要為臺陣)的清單， 其中包括我國的海拉爾臺陣(PS12)和蘭州臺陣(PS13)[1]。 IMS基本地震臺陣多數(shù)為同心圓小孔徑臺陣。 IMS通過89個國家的321個監(jiān)測臺站和16個放射性核素實(shí)驗(yàn)室， 監(jiān)測在各種環(huán)境下核爆炸的跡象[2](圖1)。

IMS使用如下4種監(jiān)測方法監(jiān)測核試驗(yàn)[3]：

地震監(jiān)測： 探測全球發(fā)生的地震； 水聲監(jiān)測： 探測海洋中由自然和人為事件所引起的聲波；

次聲監(jiān)測： 探測大氣中由自然和人為事件所引起的低頻聲波；

放射性核素臺站： 探測來自大氣爆炸、 水下爆炸、 地表泄露的放射性粒子。

4種監(jiān)測手段中， 地震臺陣是最主要的而且成熟的監(jiān)測手段(圖2)。

圖1 各種監(jiān)測手段臺站分布

圖2 (a) 地震技術(shù)監(jiān)測地下核爆炸； (b) 水聲技術(shù)監(jiān)測水上核爆炸； (c) 次聲技術(shù)監(jiān)測空中核爆炸

1 IMS地震臺站監(jiān)測

IMS 的地震臺站中包含地震臺陣和三分向臺站。 臺陣是由統(tǒng)一儀器按照標(biāo)準(zhǔn)形狀布設(shè)的臺站組， 具有提高信噪比的功能， 而三分向臺站則是具有垂直向、 南北向、 東西向監(jiān)測功能的地震臺站。 IMS主要臺站和輔助臺站均包含了這兩種類型， 即地震臺陣和三分向地震臺站。

地震監(jiān)測的目的： 地震監(jiān)測是CTBT為了履行條約， 其檢查機(jī)制應(yīng)用的3種波形技術(shù)中的一種。 地震監(jiān)測的目的是檢測并定位地下核爆炸。 每天來自地震監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果被用來分辨地震事件是天然的還是人為的， 比如天然地震和礦塌。

地下核爆炸起始于1950年， 并引起了廣泛的關(guān)注。 很快， 人們發(fā)現(xiàn)地震觀測可以提供一種方法檢測到這些事件的強(qiáng)度和位置。 對于檢測一個可疑的核爆炸事件， 地震技術(shù)是一種非常有效的手段。 地震波傳播速度很快， 它們可以被世界范圍內(nèi)分布的地震臺站在幾秒到10分鐘的時間內(nèi)記錄到。

地震監(jiān)測對于現(xiàn)場調(diào)查(OSI)的準(zhǔn)備非常重要。 地震數(shù)據(jù)的分析可提供可疑地下核爆炸的必要位置信息， 這是確定一個可疑地區(qū)的先決條件。

建設(shè)IMS地震臺站有四個步驟， 包括勘址、 安裝、 鑒定和運(yùn)行(圖3)。 首先， 勘址用來評估點(diǎn)位是否合適建立一個臺站， 并且確定任何可能影響臺站設(shè)計的特殊條件。 條約為每個臺站列出了地理坐標(biāo)， 但是只有勘址能夠確定一個地震臺站和它的子臺的實(shí)際位置。

第二， 選擇單獨(dú)的承包人來進(jìn)行臺站的設(shè)計、 建設(shè)和安裝。 這個選擇一般通過國際招標(biāo)。 CTBTO籌備委員會為臺站建設(shè)提供建議并且檢查建設(shè)過程中的所有方面， 而后確認(rèn)它達(dá)到所有的標(biāo)準(zhǔn)并能夠被確認(rèn)為一個IMS臺網(wǎng)中的合格的臺站。

IMS臺站必須確認(rèn)IDC得到的數(shù)據(jù)是可靠的。 這可以通過為每個臺站的數(shù)據(jù)流植入特殊的數(shù)字簽名而完成。

第三， IMS臺站必須確認(rèn)所有的設(shè)備、 基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)置都達(dá)到了由CTBTO制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 所有的數(shù)據(jù)都通過全球信息基礎(chǔ)設(shè)施(GCI)實(shí)時傳送到維也納的IDC。

第四， 一旦經(jīng)過認(rèn)證， CTBTO就會和臺站運(yùn)行者建立運(yùn)行維護(hù)協(xié)議， 然后執(zhí)行長期的質(zhì)量監(jiān)控用來維護(hù)高水平的數(shù)據(jù)質(zhì)量、 數(shù)據(jù)可用率和臺站性能。

圖3 (a) 主要地震臺站 PS41， 泰國清邁; (b) 主要地震臺站PS12的建設(shè)， 中國海拉爾; (c) 主要臺站 PS15， Dimbroko， 科特廸亞； (d) 主要臺站PS23， Makanchi， 哈薩克斯坦

2 地震監(jiān)測臺網(wǎng)

條約需求兩個全球性監(jiān)測臺網(wǎng)， 即包括50個臺的主要地震臺網(wǎng)和包括120個臺的輔助臺網(wǎng)(圖4)。 這包括50個主要地震臺的臺網(wǎng)向IDC實(shí)時傳送數(shù)據(jù)， 并被廣泛地應(yīng)用。 輔助臺站依托于已經(jīng)存在的地震臺站， 通過升級以達(dá)到IMS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 這些臺站不用實(shí)時傳送數(shù)據(jù)， 而是在CTBTO需要時傳送。

有兩種不同類型的地震臺站： 地震臺陣和三分向臺站。 主要地震臺網(wǎng)大約60%的地震臺為地震臺陣臺站， 它們一般包含9～25個地震計， 在一定范圍內(nèi)按幾何形狀分布。 輔助地震臺網(wǎng)的大部分臺站是三分向臺站。

一組地震計以特定的幾何模式在幾千米至幾百千米的范圍內(nèi)有規(guī)則地布設(shè)， 叫地震臺陣。 由IMS建設(shè)的新地震臺陣孔徑一般為3～4 km。 老的地震臺站， 被IMS升級或者與其地震臺網(wǎng)聯(lián)合的臺陣， 最大能控制500平方千米。

圖4 主要地震臺網(wǎng)(上圖)和輔助地震臺網(wǎng)(下圖)， 圖中， 紅色圓點(diǎn)表示臺陣臺站， 綠色圓點(diǎn)表示三分向臺站

地震臺陣可以增強(qiáng)監(jiān)測能力， 主要有幾個原因。 它們增加了信噪比(圖5)。 這就意味著我們更容易從背景噪聲中提取實(shí)際信號， 防止被漏掉[4]。 臺陣臺站會給予一個更好的方位角， 也就是它們確認(rèn)信號到來的方向。 傳感器的空間分布還可以估計地震波的速度。 地震波的方向和速度信息對于確定一個特殊事件的位置是至關(guān)重要的。

三分向臺站有一個地震傳感器， 用來監(jiān)測地震波的3個空間方向， 也就是垂直向、 南北向、 東西向。 與地震臺陣臺站相比， 三分向臺站通常有大的誤差， 但是更加節(jié)約成本(圖6)。 這種類型的地震臺也計算體波和面波， 因此可以提供事件的深度和震級信息。

圖5 地震臺陣的優(yōu)勢是信號質(zhì)量的改善， 那就是每個傳感器上觀測到的信號加起來----參看最上面的波形

圖6 三分向臺站 PS21， Tehran， 伊朗伊斯蘭共和國

現(xiàn)在的地震計可以檢測到很小的地震動， 小到可以檢測晶體中原子距離的尺度。 但是持續(xù)的背景噪聲， 也就是地震噪聲， 通常會使地震信號失真并限制它們的檢測[5]。

地震噪聲大部分由風(fēng)和海浪產(chǎn)生， 交通工具和工業(yè)行為也會產(chǎn)生地震噪聲。 為了減少地震噪聲的影響， 地震臺站通常建在偏僻的地區(qū)。 首先選擇地質(zhì)基巖出露的地方， 并且遠(yuǎn)離人類活動區(qū)。

3 評價

IMS主要地震臺站有50個， 它們實(shí)時傳輸信號到IDC， 而實(shí)際上有很多輔助臺站的數(shù)據(jù)也沒有按照議定書上的按需傳輸， 而是實(shí)時傳輸?shù)絀DC。 IMS和全球地震臺網(wǎng)(GSN)之間有52個臺站共享數(shù)據(jù)， 如此IMS地震臺站的數(shù)量甚至可以達(dá)到100個。

IDC 于2000年2月至2014年3月定位的地震事件有420823個(圖7)， 遍布全球。

圖8為IMS地震臺站的監(jiān)測能力， IMS對南半球地震事件的監(jiān)測能力下限在ML3.5～3.7之間， 對北半球地震事件的監(jiān)測能力下限要低些， 為ML3.1～3.3。 這是由于北半球陸地較多， 從而地震臺站較多造成的。

圖7 IDC定位的地震事件

圖8 IMS地震臺站的監(jiān)測能力

CTBTO/IMS： 最多30 s延遲； LISS： 平均100 s 延遲； IRIS： 平均180 s延遲

圖9表示了IDC的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析， 并與IRIS的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了對比。 IMS臺站的數(shù)據(jù)延遲最多為30 s， 而LISS的數(shù)據(jù)延遲平均為100多秒， IRIS的數(shù)據(jù)時間延遲平均為180多秒。

目前IMS要求的數(shù)據(jù)可用率為98%， 年停記要小于等于7天。 目前情況是IMS主要臺陣的數(shù)據(jù)可用率為93.6%， 輔助臺站的數(shù)據(jù)可用率為87.3%。

[1] 郝春月， 邊銀菊. 地震臺陣、 臺陣地震學(xué)在中國的現(xiàn)狀與發(fā)展. 國際地震動態(tài)， 2007(9): 36-43

[2] Douglas A， 鄭建常， 王麗鳳 譯. 地震臺陣在地震與禁核試地震學(xué)中的用途. 世界地震譯叢， 2006(1): 70-82

[3] 郝春月， 鄭重， 牟磊育.臺陣地震學(xué)、 地震臺陣與禁核試驗(yàn)條約監(jiān)測系統(tǒng). 中國地震， 2007， 23(3): 233-244

[4] 袁松湧， 宋麗莉， 楊徽， 等. 地震臺陣流動地震儀的檢測與標(biāo)定方法研究. 地震地磁觀測與研究， 2010， 31(1)： 49-56

[5] 郝春月， 賀冬梅， 張爽， 等. 臺陣地震學(xué)方法及在中國IMS臺陣的應(yīng)用研究. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2008， 23(3)： 668-673

Network layout and assessment of the International Monitoring System (IMS)

Guo Yuqin Li Sheng

(Earthquake Administration of Hainan Province， Haikou 570100, China)

The General Assembly of the United Nations adopted the Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty (CTBT) on 10th September,1960. To monitor the implementation of the CTBT, Annex 1 of the CTBT Protocol lists 50 global seismic stations that constitute the basic network for IMS. Most IMS arrays are concentric circles with small aperture. This paper introduces the methods of nuclear monitoring, classification and construction steps of seismic monitoring stations and the distribution of two different types of seismic stations, and evaluates the seismic monitoring capability of the International Monitoring System (IMS).

IMS; seismic array; nuclear test; monitoring system

2016-09-28； 采用日期： 2016-10-10。

※通訊作者： 郭昱琴， e-mail: skylineguo@126.com。 基金項(xiàng)目： 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；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.11.009