中国地震科学台阵流动观测现状及进展*

宋丽莉 杨 微 葛洪魁 袁松湧 欧阳飚

1)中国地震局地球物理研究所，北京 100081 2)中国地震局地质研究所，北京 100029

引言

地震科学是一门基于观测数据的学科，高质量的观测数据是地震科学产出的重要保证，利用高质量的、标准化的、高密度分布的地震观测系统，是探测地球系统过程中取得进步和发现的长期努力方向。地震观测是地震应急、地震预测、地球科学研究以及地震社会服务工程最首要的环节，地震观测工作是开展地震科学相关研究和做好防震减灾工作的基础[1]。

穿透地球内部的地震波被称为照亮地球内部的明灯[2]。它能带来地球内部结构的信息，现代地震探测和成像技术，不仅可以在大尺度上分析全球板块构造和地幔、地核的速度结构图像，而且也能够通过密集台阵获取震源尺度和横切断层尺度的高分辨率、强地震孕震构造图像。随着地震观测技术的发展和进步以及探测能力的提高，伴随着国际上对地球深部结构探测研究的发展，人们认识到地震科学台阵探测方式的重要性。

流动地震观测与固定地震台站观测相比最大的优势在于观测位置的灵活性，受观测成本的限制，在台站建设质量上很难达到固定地震台站的水平，也很难避开各种人为干扰。但是，通过选取适当的地理位置和采取一定的台基处理，可明显降低环境噪声的干扰水平，保证其观测数据质量。

地震科学台阵的重要优势在于，可以根据不同科学目的在某一研究区域内开展不同方式、不同规模的观测。对于密集台阵，台站的间距可以达到千米级。高分辨率台阵观测的记录资料可以得到相应的高分辨率的研究结果。利用这种高分辨率台阵的记录进行地震定位、震源机制、震源破裂过程和地震成像研究，可以大大改善研究结果的精度，并且为地震记录的动力学解释开拓新的广阔前景。

1 开展流动台阵观测和加强台阵建设的重要性

我国地震观测技术发展经历了从无到有，从单台到组网观测，从模拟到数字化、网络化的发展，地震监测能力逐步得到显著增强，但数字台网的台站密度与国际上地震科学发达的国家和地区相比仍然较低[1]。短期内，要在全国普遍提高地震固定台站的分布密度是不现实的，也是完全不必要的。借鉴美国和国际上地震学的发展途径，加强流动地震科学台阵的建设和开展大规模流动地震台阵观测是必然的选择。

地震科学台阵是由一定数量的地震仪组成，并根据具体研究目的布设成一定几何形状的地震观测系统。随着地震观测技术的发展和进步，探测能力的提高，大规模流动地震科学台阵观测将成为高分辨率深部结构成像的重要手段和发展方向。我国《地震科学技术发展规划(2006—2020年)》中提出的地震科学发展的主要任务中强调了对地震探测能力的建设:“在探测能力方面，发展对我国大陆及海域进行深浅部地质构造和地球物理探测的技术能力，有效提高我国地震部门在不同区域条件下、满足不同精度要求的深浅部构造的探测能力”，并将“深部精细结构的地震台阵观测”作为“深部结构和孕震环境探测”重大专项的研究内容。

我国地震科学技术与国际先进水平相比存在基础性工作薄弱的差距。在大陆地壳上地幔结构探查方面，“普查”不够，“地情”不清。目前，华北地区和青藏高原是开展地震体波层析成像工作最多的两个区域;大尺度的地震体波层析成像区域基本上已覆盖全国大部分(分辨尺度≥100 km)，而中等分辨率(分辨尺度≤50 km)的地震体波层析成像区域还很少;可分析地震震源区特征的高分辨率(分辨尺度≤10 km)地震体波层析成像区域更少。今后高分辨率的地震体波层析成像将成为主要开展的工作，大规模流动地震台阵观测将必然成为高分辨率深部结构成像的重要手段。

对近年来发生的唐山7.8级地震、汶川8.0级地震、玉树7.3级地震等的深部孕震环境和动力学过程的认识，需要深部孕震环境探查结果的支持。要获得强震孕育发生的构造标志或特征，从震源区细结构和孕震环境的角度深化对强震发生机制的认识，急需大规模地震科学台阵探测技术，获取分辨率≤10 km的强震危险区地壳上地幔结构图像，解剖强震发生和强震危险区的构造环境和震源区精细结构。

电子及传感器技术的发展已经使地震仪器往体积小和性能高的方向发展，并能批量生产，这使得研究人员能在感兴趣的区域密集布设数以百计的流动地震观测台站，从而达到提高成像分辨率和事件检测能力的目的。近些年来，国内中国地震局、中国科学院、国土资源部等单位陆续建立了大、中型流动地震台阵探测系统，为大型探测计划(如华北地震探测)的实施创造了条件。目前，中国地震局正在实施中国地震科学台阵探测计划，该计划拟用21年左右的时间，完成全国范围内的地震台阵探测，获得整个中国大陆地区地壳与上地幔精细结构图像和介质物性的分布特征，提高对深部孕震环境和地震发生机理的认识水平，为社会防震减灾事业服务。

大规模的地震台站观测对观测质量提出了迫切要求。地震科学台阵观测具有流动性大，使用仪器数量多，涉及环节多，技术要求高，参与人员广，涉及地域环境条件复杂等特点，其观测质量受到多个环节和多种因素的影响。目前，我国大规模的流动地震观测工作仍处在发展阶段，还没有建立起相应的技术规范，由于观测人员经验不足、野外观测条件较差、观测技术保障不过关等原因，仪器系统管理和野外观测人员往往根据经验进行操作，随意性强。流动地震观测质量受到仪器性能、台基条件和人员技术水平的影响，观测质量不能得到保证，需要开展流动观测全过程质量控制，建立起一套行之有效的流动观测质量评价与控制方法。

2 国内外现状

2.1 国外流动地震观测

1984年，美国的IRIS配合GSN计划，提出了美国大陆岩石圈流动测震台阵研究计划(PASSCAL)，耗资1.4亿美元，装备具有1000套流动宽频带数字地震仪组成的大陆岩石圈地震台阵，对大陆岩石圈进行千米级分辨率的地震成像观测研究。以美国为首的PASSCAL观测研究在美国本土、中国青藏高原和坦桑尼亚等全球40多个地区开展了各种类型的观测实验研究，取得了丰硕的研究成果。

美国PASSCAL建立了选点和布台操作指南，PASSCAL仪器中心在布台前对所有野外工作人员都要进行培训，其中包括:仪器架设、软件设置和控制操作、数据质量评价与控制、数据存档4个方面。仪器架设按照不同类型的实验，对于不同类别的仪器具有不同的要求。台站架设方案考虑了原材料来源、环境噪音、排水和安全性等。在布台过程中，对台基噪音进行快速评价，以保证记录数据的质量。

1992年，德国为保持自己在数字测震技术领域的领先地位，启动了GEOFON计划。这个计划除了建立德国自己的全球宽频带数字测震台网外，还包括建立由130个宽频带数字地震仪组成的流动测震台阵。

开展大型测震科学台阵建设的还有法国的“地球透镜计划(GEOSCOPE)”和日本的“海神计划”。

2004年，美国国家基金会投资2.19亿美元，启动了为期15年的“地球透镜计划”(EarthScope)，该计划包含4个大型工程，其中之一是以利用流动地震台阵勾画美国大陆高精度地下结构为主要目标的“美国台阵”项目(USArray)。该项目是一个由宽频带和短周期地震计组成的大陆规模的流动地震观测台阵，其目的是提供岩石圈和地球更深部的连续的三维图像。台阵的核心就是一个由400台宽带地震计组成的移动遥测台阵，其目的是从密集、均匀且台站间距约70 km的一个规则台阵中和一条约1400 km长的断裂带中获得实时观测资料。该台阵将对本地、区域及远震地震进行记录，同时提供几十千米量级的地壳和上地幔精度，并提高下地幔和核-幔边界上的构造精度。流动台阵在每个场地以1～2年的周期一直运转着，在8～10年的时间里，多重部署将涵盖整个美国大陆。部署完成时，该台阵将有约2000个台站可提供三维成像数据，其所涵盖的有效范围将是前所未有的[4-5](图1)。

国外科技发达国家在地震流动观测方面特别重视观测数据的质量，组织了强大的仪器检测与维护队伍，在台阵架设方面舍得投入，并编制有应用软件对观测数据进行质量评价，建立了较为完善的数据存储、管理、分析和共享服务系统、工作规范、配套设施完备。

2.2 国内流动地震观测基础

我国开展流动地震台阵观测较发达国家起步晚。另外，流动地震观测情况复杂，与固定台站相比，无论在台址选择、供电系统保障、工作环境等方面都存在着不确定性，而且至今在国内还没有制订相应的技术规范和开展相关研究。

图1 美国“地球透镜计划”流动地震台阵示意图[3]

“十五”期间，中国地震局结合“中国数字地震观测网络工程”，建设了由600套数字流动地震仪为核心的地震科学探测台阵系统。目前，这套仪器系统已经用于几个重要项目的野外地震观测，取得了较好的效果，发挥了很好的科学效益，已成为我国流动地震科学台阵研究的重要支撑。中国地震局在“十一五”期间，增购了500套流动地震仪(400套宽频带和100套短周期地震仪)，扩充了地震科学台阵的规模，建成了在规模和性能方面名列世界前茅的仪器系统。

与此同时，大规模流动地震台阵观测计划(如中国大陆地下精细结构的地震台阵探测研究喜马拉雅计划“南北地震带南端”，图2)正在紧锣密鼓地进行中，发展势头强劲。该计划将用21年左右的时间，完成全国范围内的流动地震台阵探测，获得整个中国的地壳上地幔精细结构图像和介质物性的分布特征，提高对深部孕震环境和地震发生机理的认识水平，为社会防震减灾事业服务。

中国科学院地质与地球物理研究所和北京大学、南京大学等科研院所和高校，充分意识到流动地震台阵观测在地震学的创新性研究中的重要性，近年来分别购置了200套和数十套流动地震仪，以进行针对性的流动地震台阵观测研究。

2.3 国内外差距

我国的地震灾害分布广，地质构造复杂，研究的热点地区多，探测任务重，开展地震流动观测较发达国家起步晚。许多地震科学工作者对仪器的布设、流动地震台站的勘选、数据的归档等还缺乏足够的经验。还没有建立起相应的技术规范，野外观测人员往往根据经验进行操作，随意性强。台阵仪器的管理、维护和检测也在逐步总结完善过程中。因此，要在较短时间内追赶国际先进水平，需要完成大量的台阵探测工作。

(1)在地震流动观测的质量上与先进国家存在着差距。美国的流动台网系统根据观测实践，强调必须对观测台站进行实时监控和通讯，以加强对流动台站观测质量的控制，同时也可对台网地区发生的地震进行实时处理，极大地增强了对区域地震的监测能力。我们的仪器系统在这方面还在逐步完善过程中，由于中国卫星通讯价格的昂贵和无线网络的覆盖范围问题，部分山区或无人区等观测区域还无法实现流动台网的实时监控及实时数据传输。

图2 中国大陆地下精细结构的地震台阵探测研究喜马拉雅计划规划图(丁志峰研究员，私人通讯)

(2)数据服务的差距。美国、日本等国际上地震科学研究先进的国家，都建立了完善的数据存储、管理、分析和共享服务系统。与这些国家相比，我国的流动地震台阵数据中心数据自动分析处理软件系统还不健全，存储能力有限、共享服务系统亟待进一步改善。

(3)仪器维护的差距。和美国、日本等国家相比，我们在仪器维护的水平、经验、规范性、配套设施、技术人员等方面有明显的差距，急需提高。

(4)培训服务的差距。流动地震观测是地震科学研究的重要发展趋势，我国大规模的流动地震观测工作仍处在起步阶段，许多地震科学研究工作者对仪器的布设、流动地震台站的勘选、数据的预处理等还缺乏足够的经验，美国IRIS的PASSCAL仪器中心将流动地震仪器的观测使用等培训工作作为其维护工作的重要内容，我国目前还没有建立有关流动地震台阵观测的培训基地。

3 结束语

我国开展流动地震台阵观测较发达国家起步较晚，目前大规模的流动地震观测工作仍处在发展阶段，结合美国、日本等发达国家流动台阵观测技术水平，我们还需在以下几个方面进一步加强和完善。

(1)加强地震台阵观测平台建设:观测平台的建设要向国际先进化、规模化和多元化方向发展，要能同时满足不同规模和不同观测目的、各种类型的流动台阵观测;

(2)加强人才队伍建设:野外工作人员是开展和实施野外流动观测顺利进行的保障，因而需培养一批具有仪器设备操作、设置、检测和维修，台阵架设，台基评价及提供技术培训等各方面能力的野外工作人员;

(3)建立一套相应的规范:包括踏勘与站点的选择、台基评价、台站架设、仪器管理与检测维护、运行监控和数据汇交等;

(4)加强数据共享服务:数据汇交格式和产出要与国际接轨，野外观测完成后要提交统一的数据格式和实验数据报告，监督和评价每次实验数据采集的质量，实验数据应在2～3年的保密期后向所有的科研人员和团体公开。

[1]宋彦云.中国地震观测简要回顾与展望.地震地磁观测与研究，2009，30(9):1-5

[2]陈颙，周华伟，葛洪魁.华北地震台阵探测计划.大地测量与地球动力学，2006，25(4):1-5

[3]http:∥anf.ucsd.edu/stations.php

[4]Burdick S，Li Chang，Martynov V，et al.Upper mantle heterogeneity beneath North America from travel time tomography with global and US Array Transportable Array data.Seism.Res.Lett.，2008，79(3):384-392

[5]Yang Y，Ritzwoller MH，Lin FC，etal.Structure of the crust and upper most mantle beneath the western United States revealed by ambient noise and earthquake tomography.J.Geophys.Res.，2008，130，doi:10.1029/2008JB005833