IMS的建设背景*

郝春月

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)



IMS的建设背景*

郝春月※

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)

应中国全球地震台网建设预研项目的需求， 对全面禁止核试验条约组织(CTBTO)下设的国际监测系统(IMS)进行了调查研究。 研究表明： IMS地震台阵技术逐渐发展， 形成了一门学科， 即台阵地震学， 地震台阵的应用降低了地震(爆炸)检测下限， 使地球精细结构研究成为可能。

IMS； CTBT； CTBTO； 核试验； 中国全球地震台网

引言

由于中国地震监测台网针对国外地震监测具有明显劣势， 中国全球地震台网建设预研项目， 主要针对世界已有各大台网进行调研， 从而为我国的全球地震台网建设服务。 在此对国际监测系统(International Monitoring System， IMS)进行了调查研究。

1　CTBT前后的核试验

无论是以军事为目的还是以和平为目的的核爆炸， 我们都称为核试验。 在1945至1996年间， 世界上进行了大约2050次核爆炸实验， 其中超过150次核爆炸是以和平为目的的。 最早的核爆炸实验是1945年7月16日清晨在美国新墨西哥州阿拉莫戈多市的荒漠中进行的(图1)。 作为指定的爆点， 首次核爆炸实验是针对曼哈顿计划(第二次世界大战中美国原子弹研究计划)经过几年的科学研究而达到的巅峰。

1945年8月6日上午9时15分， 美国B-29巨型轰炸机将一枚名为“小男孩”的原子弹投向日本第八大城市广岛(图2a)。 这枚弹长3.05 m， 直径0.711 m， 重4.09 t， 核装药60 kg的原子弹， 在广岛上空600 m处爆炸， 其爆炸威力约2万吨TNT当量。 广岛市24.5万人中有20万人在这次核爆炸中死伤或失踪。 整个城市一片火海， 大批建筑物被毁。 2天后的8月9日， 美国又将一枚名为“胖子”的原子弹投在日本的长崎(图2b)。 “胖子”长3.252 m， 直径1.525 m， 重4.9 t， 装20 kg钚， 爆炸威力约2万吨TNT当量， 它的爆炸使23万长崎人中的15万死伤或失踪。

而从1945年那关键的一天至1996年禁止核试验条约(CTBT)签字伊始这50年间， 在全世界范围内进行了超过2000次的核爆炸试验(表1)。 在1996年禁止核试验条约签署之后， 世界上进行了大约7次的核试验(表2)。 所有核爆炸试验分布如图3所示， 红点表示1996年禁止核试验条约(CTBT)签字之前的核爆炸， 红色五星表示之后的核爆炸。

2　核试验地点

1945～2006年间， 世界上有60多个核爆炸地点被用来进行各种目的的2000多次核试验。 美国、 前苏联和中国在他们特定的内陆地区进行他们的核试验。 法国在阿尔及利亚的西撒和位于南太平洋的法属玻利尼西亚进行核试验。 英国或与美国联合或者在澳大利亚进行他们的核试验。 图4显示了前法国在南太平洋穆鲁罗瓦岛的核试验点。

图1世界上最早的核试验： 1945年7月16日清晨， 美国新墨西哥州阿拉莫戈多市荒漠

表1　1945～1996年间的核爆炸试验

表2　1996年禁核试条约签署后的核爆炸试验

平和美丽的南太平洋环状珊瑚岛是美国、 英国和法国的试验地点。 远离此地的新地岛， 是前苏联的核试验地点， 这是一个遥远的冰封群岛， 位于欧洲东北部的北冰洋。

图2　二战期间美国在广岛(a)和长崎(b)投放的原子弹爆炸产生的蘑菇云(2万吨)(引自CTBTO网站)

中国的罗布泊试验点是一个内陆的盐湖沼泽——是冰封后期的塔里木湖最后的残余。 全球核试验地点如图5所示。

3　地震台阵概念的提出

禁止核试验条约的谈判自20世纪50年代末开始， 日内瓦裁军谈判特设的科学专家组在1958年提出了建设地震台阵以监测与识别远处地下核试验的构想， 主要是为了给禁止核试验提供核查手段。 专家建议全球地震台网包括180个小地震台阵， 每个台阵包括10个垂直向短周期地震仪附加两个水平向短周期地震仪和一个长周期地震仪， 分布在孔径为几公里的地方(日内瓦型台阵， 图6a)。 1959年美国增加了几点建议， 其中包括建立几个大孔径台阵(Berkner型台阵)来补充日内瓦型台阵。 1960年初， 英国也开始在本土和国外建设了几个中尺度地震台阵(孔径约25 km)， 包括苏格兰的EKA、 加拿大的YKA、 澳大利亚的WRA(图6b)、 印度的GBA和巴西的SAAS， 并提出了通过聚束估计初至信号方位和虚波速度的概念， 后来的LASA和NORSAR台阵都用到了这一概念。

图3　全球核爆炸实验分布， 红点表示1996年禁核试前核爆， 红五星表示之后的核爆炸

图4　前法国在南太平洋穆鲁罗瓦岛的核试验点

60年代中期和70年代， 美国建立了大孔径台阵(美国蒙大拿州的LASA、 挪威奥斯陆地区的NORSAR、 美国阿拉斯加的ALPA)。 随着英国、 美国等地震台阵的建立， 一套专门用于地震台阵的方法也逐渐应用起来， 形成了台阵地震学。

图5　全球核试验点分布

图6　(a) 德国GERESS台阵分布； (b) 澳大利亚WRA台阵分布

4　全面禁止核试验条约(CTBT)与条约组织(CTBTO)

由于核爆炸对人类危害极大， 人们为了禁止核试验做出了种种努力。 1996年9月10日， 全面禁止核试验条约 (CTBT) 在联合国大会上通过。 为了监视此条约的遵守情况， 国际上成立了全面禁止核试验条约组织(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization， CTBTO)， CTBTO的总部在维也纳。 在签署了CTBT之后， 签约国家自动成为筹备委员会(Preparatory Commission)的一员。 委员会包括两个主要机构， 一个是包括所有签署国的实体， 也叫做筹备委员会； 另一个为临时技术秘书处(Provisional Technical Secretariat， PTS)， 帮助筹备委员会执行它的一些活动。 PTS分为技术部， 即为国际监测系统技术部、 国际数据中心(International Data Center， IDC)技术部和现场调查(on-site inspection， OSI)技术部。 IMS是为了给禁止核试验提供核查手段， 由日内瓦裁军谈判特设的科学专家组在CTBT的检查制度下用来检测任何发生在地下、 水下和空中的核爆炸。 这个检查机制的目的是为了检查各国在这个星球上对CTBT条约的遵守情况。 除了促进CTBT， 全面禁止核试验条约筹备委员会(CTBTO)的主要任务是建立这个机制并且确保在条约能够执行之前的可操作性。

5　核查机制

检查机制包括以下元素： 国际监测系统(IMS)、 国际数据中心(IDC)、 全球通信基础设施(Global Communications Infrastructure ， GCI)、 咨询和澄清、 现场调查(OSI)、 信任建立措施。

5.1IMS

IMS的地震监测系统包括全球范围内的321个台站和16个实验室。 这337个设施监测发生在该星球上任何核爆炸所发出的信号。 建设这些分布在89个国家的台站， 在军备控制历史上提出了前所未有的工程挑战。 许多台站位于遥远的、 不可到达的地区。 监测台站和放射性核素实验室的建设、 升级、 鉴定是否符合技术要求等， 都是在与CTBTO的合同下由当地政府负责管理。 这些建设和运行费用(辅助台站除外)由CTBTO承担。

IMS由IDC支持， IDC位于奥地利维也纳的CTBTO总部。 IDC处理和分析监测台站数据， 产出数据公报， 并提供给成员国以供他们评价和判断。

输入的数据用来进行定位和分析地震事件， 着重于检测核爆炸。 数据立即被处理， 利用第一时间的自动分析结果——一个所谓的数据公报——将在2 h内发布。

数据公报包括监测台站自动检测并自动分析地震事件和放射性核素的清单。 分析员随后检查这些清单并为成员国准备具有质量控制的公报。

5.2IDC

IDC自2000年2月21日开始向成员国提供IMS的原始数据和IDC的数据公报。 IDC已经建立起安全的注册账户， 使成员国能够访问这些数据和产品。

IDC通过提供标准软件包、 开展培训课程和技术支持， 给予成员国指定用户更广泛的支持。

5.3GCI(全球通讯基础设施)

GCI传送IMS台站记录的数据到IDC， 它还从IDC传送原始数据和数据公报到成员国。 GCI保证全球覆盖。 数据是通过一个由6个卫星组成的网络进行收集与发布的。 卫星把数据传输到地上的3个集线器， 而后数据通过地面链接传送到IDC。

5.4磋商与澄清

如果成员国认为收集的数据有可能是一个核爆炸， 则启动一个磋商与澄清的过程来解决并澄清这个事件。 在条约执行之后， 成员国可以实行这个过程， 一个国家可以直接请求另一个国家， 或通过执行委员会澄清。 成员国还可以向CTBTO的总部请求信息。 接到如此请求的国家有48小时来澄清这个事件。

5.5现场勘查(OSI)

成员国有权请求现场勘查， 而不用考虑磋商与澄清过程的结果。 勘查将被执行， 用以确认核爆炸是否真的发生。 他们还可以收集证据用来确认那些可能的违反者。 现场勘查被认为是条约的最后监察手段， 一旦条约生效， 现场勘查只能被请求(be invoked)。

5.6信任建立措施

在自愿的基础上， 成员国在国内如果有任何300吨或者超过300吨的化学爆炸， 应该通知CTBTO技术秘书处。 这些通知有两个目的， 第一， 它们对于甄别数据的性质具有重要作用， 因此， 一个大的矿塌在第一时间不会被认为是一个核爆炸； 第二， 可以用它们检测和调整IMS台网的精度。

6　IMS现状

6.1利用4种手段观测

国际监测系统包括89个国家的321个监测台站和16个放射性核素实验室来监测在各种环境下核爆炸的迹象(图7)。

IMS使用4种监测方法来监测核试验， 它们是：

(1) 地震监测： 探测全球发生的地震；

(2) 水声监测： 探测海洋中由自然和人为事件所引起的声波；

(3) 次声监测： 探测大气中由自然和人为事件所引起的低频声波；

(4) 放射性核素台站： 探测来自大气爆炸、 水下爆炸、 地表泄露的放射性粒子。

图7　IMS台站分布， 黄三角表示基本地震台站、 橘色三角表示辅助地震台站， 其余表示其他监测手段

6.2地震监测

在IMS的4种监测手段中， 地震监测是最成熟并且最有效的手段。 IMS地震台网是由分布在89个国家的50个主要台站/台阵和120个辅助台站组成的(图7)。 IMS主要台站/台阵将把数据实时传输至位于奥地利维也纳的IDC， 辅助台站是根据需求提供地震数据的。 目前， 50个主要台站/台阵中已有42个获得认证， 2个在建、 3个计划中、 3个刚刚安装完毕。 120个辅助台站/台阵中， 有106个已经认证， 剩下的台站有9个刚安装完毕、 2个在建、 3个在计划中(表3)。

其中50个主要地震台站中， 22个为台阵台站、 27个为三分向台站， 一个为待定台站。 辅助台站中， 有7个台阵台站、 102个三分向台站、 1个待定台站。

表3　各种台站建设现状

6.3IMS的地震台阵给地震学带来新气象

地震台阵自20世纪60年代开始发展以来， 促进了地震学的发展。 它可以降低全球地震与核爆的检测下限(它们把地下核爆的全球检测下限降低至1 kt(千吨)甚至更低[1]。 并为解决地球内部的精细结构提供了方法 (举例来说， 如文献[2]和[3])。 一个由许多相同地震仪组成的、 设计精良、 空间分布紧密的台阵所产生的地震记录可提供高质量的相似的数据集， 可以研究地球精细结构。 研究表明地震台阵致使地球内部的速度模型得到了改进[4]， 区域尺度上的层析成像分辨率得到了提高[5]。 近年来有关台阵的工作有Gibbons[6]于2014年针对IMS地震台阵非相关台阵处理的试用性进行了分析与研究， Tormod Kvrna[7]于2013年对IMS检测能力的研究等。

7　讨论与结论

为了给CTBTO提供核查手段， 成立了IMS， IMS可监测全球范围内地下、 水中、 空中的核爆炸事件。 在321个总监测台站中， 地震台站占了170个， 是最主要的监测手段。

专家提出了地震台阵的概念， 随着地震台阵的发展， 形成了台阵地震学。 而IMS是由分布于89个国家的29个地震台阵和129个三分向台站(剩下两个地震台站， 类型待定)组成的全球地震监测系统。

台阵概念的提出与台阵地震学的发展推动并促进了地震学和地球物理学的发展， 高质量相似数据集使得地震学家可以降低监测下限并对地球精细结构进行研究。

[1] Douglas A， Bowers D， Marshall P D， et al. Putting nuclear-test monitoring to the test. Nature， 1999, 398(6727): 474-475

[2] Doornbos D J， Husebye S. Array analysis of PKP phases and their precursors. Phys. Earth Planet. Inter.， 1972(5): 387-399

[3] Kvarna T. On exploitation of small-aperture NORESS type arrays for enhanced P-wave detectability. Bull.Seismol.Soc.Am.， 1989, 79(3): 888-900

[4] Karason H， van der Hilst R D. Tomographic imaging of the lowermost mantle with differential times of refracted and diffracted core phases (PKP，Pdiff). J. Geophys. Res.， 2001, 106(B4): 6569-6587

[5] Ritter J R R， Jordan M， Christensen U， et al. A mantle plume below the Eifel volcanic fields， Germany. Earth Planet. Sci. Lett.， 2001, 186(1): 7-14

[6] Gibbons S J. The applicability of incoherent array processing to IMS seismic arrays. Pure Appl. Geophys., 2012, 171(3-5): 377-394

Building background of IMS

Hao Chunyue

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

The preparatory research was made on International Monitoring System (IMS) to implement the project of China global seismic network successfully. The research told us that the technique of seismic array developed gradually and became a subject that is array seismology. The use of seismic array reduced the lower limit of earthquake (explosion) detection， and made the fine structure research possible.

IMS; CTBT; CTBTO; nuclear explosion; China global seismic network

2016-08-16； 采用日期： 2016-08-26。

郝春月， e-mail: haovanilla@sina.com。

地震行业科研专项： 中国全球地震台网建设预研(201508007)资助。

P315；

A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2016.09.007