GEOSCOPE全球宽频带地震台网综述*

张 爽

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)



中国全球地震台网建设预研

GEOSCOPE全球宽频带地震台网综述*

张 爽※

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)

GEOSCOPE是由宽频带地震台组成的全球台网， 目的为法国和国际科学界提供宽频带地震数据。 基于对美国、 德国等国家全球台网的研究， 本文就GEOSCOPE法国全球宽频带地震台网的建设做简要介绍。

GEOSCOPE； 台站建设； 宽频带地震计； 数据

引言

GEOSCOPE成立于1982年， 由法国国家科学研究中心(The National Center for Scientific Research， NCRS)下属的国家宇宙科学研究所(Institut National des Sciences de l′Univers， INSU)创建， 当前归属于法国国家科学中心的巴黎地球物理学院(Institut De Physique Du Globe De Paris， IPGP)负责运行管理。

GEOSCOPE是由宽频带地震台组成的全球台网， 旨在为法国和全球地学工作者提供连续的宽频带地震观测数据。 为了给地震观测台网提供更好的监测效果， 在国际联合数字地震台网(International Federation of Digital Seismograph Networks， FDSN)的配合下精心确定了当前台网中各台站的分布点位。 这些台站记录了地面的连续运动， 数据从台站实时或延时传送到IPGP数据中心， 数据经验证或修正后进行归档， 自动从IPGP数据中心和其他5个全球地震数据中心传输共享到FDSN， 数据对全球学者开放。 GEOSCOPE不仅可以提供全球范围内震级大于5.5级的地震波形数据及相关地震目录信息， 同时还可以提供位于法国境内以及地中海地区的小地震信息。 详细信息可登录http:∥geoscope.ipgp.fr[1]。

GEOSCOPE在1988年与中国地震局合作， 在新疆建成乌什地震台(WUS)， 并在2004年10月对乌什地震台进行了二期改造， 2016年11月底将对乌什地震台进行三期改造。

GEOSCOPE的大多数台站安装有STS-1地震计， 这是当前世界上低噪声地震计中观测效果最好的一种。 Streckeisen公司研制的STS-1属于叶片弹簧地震计， 该设备传统观测范围被控制在短周期和长周期内， 它采用力平衡反馈系统将观测范围扩展到宽频带。 早在1982年， GEOSCOPE就率先将STS-1宽频带地震计安装到自身台网中。 但由于STS-1对环境背景噪声要求非常高， 因而现在已不再在台站广泛使用， 正在被逐渐更新。 新的METROZET地震计研制出来后， GEOSCOPE准备将新的METROZET地震计安装在所有台站中， 与台站旧有的STS-1地震计一起使用。

截止到2012年， GEOSCOPE在19个国家部署了31个台站， 遍及七大洲、 四大洋以及部分岛屿(图1)。 所有台站都配备了三分量甚宽频带地震计(STS-1或STS-2)和24(或26位)模数转换器(Q330HR)。 地震计安装在坚固且难以发生扭曲变形的摆墩上， 以降低长周期水平分量上至少15 dB的环境噪声。 GEOSCOPE的大多数台站都安装了压力计和温度计。 在2013年， GEOSCOPE对墨西哥的UNM、 澳大利亚的CAN、 塞内加尔的MBO、 凯尔盖朗群岛的PAF以及法国的ECH等5个台站进行了升级改造， 同年， 在新建的罗德里格斯岛ROCAM台站完成了设备安装。 当前， GEOSCOPE旗下27个台站数据可以实时或准实时传到GEOSCOPE数据中心和海啸预警中心。 GEOSCOPE在极地地区设有南极的CCD和格陵兰岛的IVI两个台站， 其中格陵兰岛的IVI台站同属于GLISN国际台网的一部分(格陵兰冰盖监测网络)。 所有台站的连续数据均被GEOSCOPE设在巴黎的数据中心实时或延迟收集， 在那里对数据进行验证后， 存档并通过不同接口(具体细节请参考http:∥geoscope.ipgp.fr)提供给全球科学家使用。

图1 GEOSCOPE台站的全球分布

2014年， GEOSCOPE数据可通过法国国家数据中心RESIF获得， 连续数据和地震噪声数据同样可以通过GEOSCOPE数据网站获得。

1 科学研究目标

GEOSCOPE的科学目标之一是通过对地球内部构造和震源机制的研究进一步深刻理解地球动力学的相关理论， 于2007年创建了科学委员会， 该科学委员会主要采取以法国地震实验室为主、 3个国外地震学研究机构为辅的组构方式。 GEOSCOPE每两年召开一次研讨会来确定GEOSCOPE未来的发展方向。 GEOSCOPE所属的天文台由法国科学研究中心、 教育与科学研究院以及欧洲相关机构等联合建立于2006年， 并开始着手研究环境问题。

2 台站建设及管理

2.1 台站建设

GEOSCOPE台站在选址时一般选择乡村噪声小的地方， 按照要求将设备安装在专门挖出的地窖中， 台站的标准配备有三分向宽带地震计(STS-1或STS-2)、 数字转换器和本地存储数据系统。 为了记录地震计的工作环境， GEOSCOPE在大部分台站都装有气压和温度传感器。

表1 GEOSCOPE正在运行的台站位置

注: 2013年， MBO台实时发送数据； 2014年， HYB和ROCAM台升级为提供实时数据； CAN将升级为新型地震计(METROZET)

GEOSCOPE精心挑选的台站位置， 特别是那些位于南半球的台站， 可以为我们提供很好的震源数据。 例如： 对于2004年苏门答腊地震和2009年10月萨摩亚地震事件来说， 海啸预警GEOSCOPE的观测数据让我们看到实时数据的采集， 这显然是件非常重要、 非常具有科学意义的事情。

2.2台站管理

GEOSCOPE在台网的管理机制方面采取了与IPGP、 法国天文科学院(L′École et observatoire des sciences de la terre， EOST)、 地震与环境研究院(CEA/DASE)、 法国研究发展协会(Institut de recherche pour le développement， IRD)、 美国地质调查局(United States Geological Survey， USGS)等科研机构以及当地大学合作维护的方式， 图2为目前台站管理机构架设图。 其中， 维护分配如下：

IPGP 管理23个台站(其中2个台由IRD负责管理， 4个台由当地大学负责管理)；

图2 GEOSCOPE管理机构管理职能表

EOST管理7个台站(其中1个台由IRD 负责管理， 5个台由IPEV负责管理)；

CEA/DASE管理2个台站；

IRD 管理3个台站(其中1个台由EOST负责管理)；

USGS管理2个台站；

当地大学管理4个台站(由IPGP负责管理)。

3 台站升级改造

GEOSCOPE通过升级将所有台站的观测仪器都更换为数字化地震仪， 在其中大多数台站安装了远程控制系统， 实现了数据的实时传输。 这些台站的远程控制系统允许在当地的合作机构通过设在IPGP的节点登陆台站对其进行操作。 台站所在地的一些国家因为经济不发达， 经常发生停电事故， 给观测带来极大的不便。 针对这类现象， 改造后的台站本身都具有强大的自供电能力， 以确保地震数据观测记录的连续性， 台站有权修复通讯的一切问题， 并配备有雷电防护系统。

图3是放置在塞内加尔MBO台站的STS-1地震计和新型Metrozet E300地震计与无翘曲游离板相接的升级改造现场图， 经过改造后， 能降低地震计记录到的长周期噪声， STS-1和STS-2通过灵敏度信号检测完成标定， 零极点使用内部校准信号和Metrozet Calex-EW软件完成标定。

图4是STS-2安装在罗德里格斯岛ROCAM台站的一个洞穴中， 在2014年对个台站进行了升级改造， 改造后的台站能够实时提供数据。

图3 MBO台站使用的STS-1内部软件被安装在无翘曲的金属底座上

图4 STS-2在ROCAM的一个天然洞穴中

南极的CCD台站由康科迪亚项目(法国—意大利)建设， 在2007年完成改造， 该台站现在的数据已集成到GEOSCOPE台网。

GEOSCOPE已经对2010～2012年观测到的所有数据进行了可用性验证。

4 实时数据分析

实时数据分析是GEOSCOPE数据验证的一部分。 通过SCARDEC方法[2]， 对观测到的宽频带数据进行地震特性分析， 获得特定区域内近期地震活动信息。 这个方法主要验证台站的授时和元数据(特别是仪器的灵敏度和传感器定位)。 图5是对2013年9月24日巴基斯坦地震的分析结果， SCARDEC方法给出了这次地震的震源机制、 震源深度、 震级和发震时刻等信息。

图5 巴基斯坦地震的数据分析结果

SCARDEC方法适合对全球监测到的宽频带远震波形数据的处理， 包括GEOSCOPE和FDSN管理的台站。 图6是对巴基斯坦地震数据在33～200 s周期范围内， 信号记录的一致性进行拟合分析的结果。

从2014年开始， 5.5～6级以上的地震信息将在地震45分钟内呈现在GEOSCOPE网页上。

图6 对巴基斯坦地震数据在33～200 s周期范围内进行信号记录一致性拟合分析的结果。 对异常信号、 授时、 振幅以及波形等不同的量化指标进行监测

5 GEOSCOPE数据访问

IPGP数据中心负责对GEOSCOPE宽带地震台网数据进行收集、 验证、 归档和分发。 用户可以免费获得实时/准实时数据， 并选择相应的大地震事件来验证连续波形和元数据， 图7是GEOSCOPE 数据流程图。

我们可以从GEOSCOPE台网获取包括实时和验证数据在内的连续数据， 也可以从IPGP、 欧洲综合数据中心(European Integrated Data Archive， EIDA)和IRIS数据中心等机构获取这类数据。 数据中心提供的访问协议包括SEEDLINK和ARCLINK(GFZ， 德国)等方式。

目前， GEOSCOPE台站采用的连续波形记录方式， 记录状态缓慢。 因此， 1982～1987年期间， GEOSCOPE台站只记录了长周期(每10秒采样)地面传播速度， 1988年起， 其他地震信道也能记录到信息。 当前， GEOSCOPE台站地震仪的采样率有：

·长周期每秒采1个样；

·宽频段每秒采5个样；

·甚宽频段每秒采20～30个样。

2000年末， 台站开始安装气压传感器。 由于Streckeisen公司已经停止生产STS-1地震计， 有的台站只能安装STS-2地震计。 由于STS-1的设计高端， 受环境影响很大， 在长时间记录过程中记录到的波形数据效果很不理想， 使得它只能安装在特定的环境下。

目前， 台站逐渐改造， 通过卫星链路或ADSL实时向GEOSCOPE数据中心传输数据。 GEOSCOPE地震台网的实时数据不仅可用于实时监测震情， 同时允许海啸预警中心使用这些观测数据。

图7 GEOSCOPE 数据流程图

6 数据格式以及归档

直到2000年， 大多数台站数据记录的格式是按照仪器厂家规定的格式生成， 传到数据中心后才转换成为系统文件要求的格式， 最后以SEED格式(地震数据交换标准格式)被FDSN接收。

这些数据的格式转换过程缓慢， 使得数据访问的时间过长。 因此， GEOSCOPE不得不重新考虑数据采集系统， 数据归档、 数据分发系统等一系列问题。

目前， 台站安装的数字地震仪提供的数据为miniSEED格式， 这也是GEOSCOPE数据中心数据归档格式。

元数据(台站信息和台站数据采集系统)被记录在一个关系型数据库中， 并且可以在SEED格式参数表下进行分发。 在这个数据采集系统中， GEOSCOPE台网数据以FDSN规范的SEED数据格式(参数表+miniseed)迅速地进行数据分发， 图8为GEOSCOPE自1982年创建到2016年5月数据归档情况。

图8 GEOSCOPE自1982年创建到2016年5月数据归档情况

7 结论

GEOSCOPE的目标是建立一个安装有31个宽频带三分向数字地震仪的全球地震台网， 这个项目是由IPGP、 EOST和 IRD三个机构负责。 台站管理和安装是由IPEV、 加利福尼亚、 墨西哥、 智利、 巴西、 CNES、 CEA/ DASE、 USGS/ IRIS及一些高校负责。 自1982年以来， GEOSCOPE参与其他国家的一些项目中(涉及到的国家有： 美国、 日本、 意大利、 中国和德国等)， 并使这些国家成为合作联盟， 即FDSN， 以便于为各国科学家尽可能快地提供高质量的地震数据。 据统计， 1982～2009年使用GEOSCOPE数据发表的论文超过1000篇， GEOSCOPE已经对地震学、 地球构造、 海啸预警等领域做出了巨大贡献[3-7]。

致谢 感谢对此文提供资料查询的工作人员以及给予审阅的专家。

[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

[3] Boudin F， Bernard P， Longuevergne L， et al. A silica long base tiltmeter with high stability and resolution. Rev. Sci. Instrum.， 2008， 79(3)： 034502-034502-11. doi:10.1063/1.2829989

[4] Hansen S E， Nyblade A A， Julia J. Estimates of crustal and lithospheric thickness in sub-Saharan Sfrica from S-wave receiver functions. South African Journal of Geology， 2009， 112(3-4)： 229-240

[5] Yong K H， Ritsema J， Goes S. Spatial variations of P wave attenuation in the mantle beneath North America. J. Geophys. Res.， 2009， 114(B6)： 258-266

[6] Isse T， Shiobara H，Tamura Y， et al. Seismic structure of the upper mantle beneath the Philippine Sea from seafloor and land observation: Implications for mantle convection and magma genesis in the Izu-Bonin-Mariana subduction zone. Earth Planet. Sci. Lett.， 2009， 278(1)： 107-119

[7] Ritsema J， Deuss A， Heijst H J V， et al. S40RTS： A degree-40 shear-velocity model for the mantle from new Rayleigh wave dispersion， teleseismic traveltime and normal-mode splitting function measurements. Geophys. J. Inter.， 2011， 184(3)： 1223-1236

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。

地震行业科研专项： 中国全球地震台网建设预研(201508007)资助。

P315.78；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.10.007

※通讯作者： 张爽， e-mail: zshuang75@126.com。