大地震与全球地震台网＊

大地震与全球地震台网＊

Charles J Ammon1），Thorne Lay2），David W Simpson3）
1）Department of Geosciences，Pennsylvania State University，University Park，Pennsylvania 16802U.S.A.
2）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz
3）Incorporated Research Institutions for Seismology，Washington，DC

引言

地震学家经常开玩笑说，“阻止地震的最好办法就是布设地震台站。”为了记录地震信号或开展有针对性的有关地球结构的研究就需要布设地震仪，而地震的发生往往是变幻莫测的，在时间和空间上都绝对是非均匀的，所以安装地震仪的辛苦有时会徒劳无功。当然，实践证明这只是担心，而并非事实，绝大部分辛苦劳作——尤其是用于多年观测的设施——都成功收获了珍贵的地震资料。最令人欣慰的成功实例之一就是美国地震学研究联合会－美国国家科学基金会－美国地质调查局（IRIS－NSF－USGS）的全球地震台网（GSN），以及美国数字宽频带地震台网联合会（FDSN）部署的多个国际宽频带地震台网。约在1982至2004年之间，全球布设的高质量宽频带数字地震仪数量急剧增加，取代了世界标准地震台网（WWSSN）布设的已经过时的模拟系统，也使各机构部署的稀疏的观测台和第一代数字台网得以升级。随着重要台站的不断增设，到2004年，GSN已经达到其基本设计目标：提供约130个台站的开放式连续宽频带数据，这些台站已实现实时全球覆盖和大动态范围记录［1］。后来就发生了2004年12月26日苏门答腊－安达曼大地震（MW9.2），这是1964年阿拉斯加地震以来第一个震级超过9级的事件。GSN和FDSN提供了此次事件的全球地震记录，这种记录是前所未有的，由此可以开展比对以往任何一次类似规模的事件都更加详尽的地震学研究［2－3］。分布在全球的类似地震台站也收集到了许多次大地震的数据。从2001到2010年，共有18次MS≥8和13次MW≥8事件，而20世纪每10年中平均才有6次或7次M≥8事件（为简单起见，我们用“M”代表MS和MW的混合值）。在GSN建网期间（1986—2004），全球每10年的MW≥7.5地震事件的数量增加了一倍多，而MW≥8.0的事件数量则增加到6.5倍。所以，新的地震谚语可能应该是“只要你建网，地震就会来。”高质量全球数字地震台网的长期维护和运转无疑将提供未来长时期的极有价值的科学数据。

1 全球地震仪的布设

拥有标准化地震仪设计的全球地震观测台于20世纪初开始布设。数十年间，在英国科学促进协会支持的米尔恩（Milne）台网［4］和耶稣会士（Jesuit）观象台［5］布设了由20～30个台站组成的规模不大的“全球”台网，另外还有少数几个由各个国家自己建设的台网，这些台网主要建在大学和其他科研中心的观测台（图1）。地下核试验开始于1957年，在此推动下，随着1960—1966年WWSSN的布设，全球地震台站的规模急剧扩大［6］。除了布设标准观测仪和记录仪外，WWSSN还通过将地震记录转换成缩微胶片创建了一个全球数据交换系统。在美国地质调查局（USGS）、Lamont－Doherty地球观象台和加州理工学院（Caltech）建立了全部或部分的WWSSN数据档案。虽然按照现代数据中心的标准来看这些数据还很原始，但当时对来自WWSSN网络的模拟数据的访问相对来说还算方便，这就为20世纪60年代板块构造学说（如文献［7］）的兴起以及始于20世纪70年代的地面运动定量模拟的到来提供了关键性的观测结果。

图1 1900—2010年布设的相对标准化的全球地震台网。这些台网为地震和地球结构研究提供了地震记录［8］

随着技术的进步，数字地震记录和宽频带传感器也成为全球地震设施的标准。巴黎地球物理学院的法国地球透镜计划（GEOSCOPE）于1982年开始布设宽频带数字地震台站［9］，以早期数字地震台网为基础的IRIS－NSF－USGS全球地震台网（GSN）自1986年开始建立，这些早期台网包括地震研究观测台网（SRO）、辅助地震研究观测台网（ASRO）、数字WWSSN转换台网和国际加速度仪部署台网（IDA）［10］。在大家的共同努力下，许多用于全球地震观测的数字宽频带固定地震台站布设项目于1986年联手成立了美国数字宽频带地震台网联合会（FDSN）；http：∥www.fdsn.org/historical/）。尤其是在地震危险性很高的地区，区域地震监测网络内的现代数字宽频带系统的合并工作迅速展开。将全球地震观测台网的大幅度增加与相应的全球110年大地震活动搁在一起审视，我们便会得到一些非常有意思的结果。

2 大地震与致命地震的历史

今天从事地震研究工作的多数学者并非在1964年就活跃于此领域（许多甚至还未出生），从1970年到2000年，没有多少次地震可供地震学家研究（图2）。而过去的10年间，随着GSN逐步趋近其设计目标，情况也发生了变化。众多地震的发生及其产生的地面运动使现代记录系统的带宽和动态范围真正发挥了作用。从图2中可以看出整个地震仪监测时代强地震活动的起伏很大，但那些留意大地震发生情况的地震学家肯定会注意到，过去的10年期与前边几个10年期相比，其速率显著增大。从1964年阿拉斯加地震到2004年苏门答腊－安达曼地震这段时间内大地震相对较少，这一时期正好是WWSSN已经建成而GSN正在建网的间隙（图3）。在WWSSN走向衰退，而GSN和FDSN台站数量还很少的情况下，地震活动性相对也较低。2004年苏门答腊－安达曼地震发生时，只有数百个宽频带数字台站在运行，而到最近的2010年2月27日智利（MW8.8）大地震时，我们在数小时之内就可以通过IRIS数据管理中心（http：∥www.iris.edu/data/）和其他网络数据中心门户网站很容易地访问超过1 200个全球宽频带台站的数据。如此大量数据的近实时共享比WWSSN首创的胶片交换前进了一大步，这也是全球地震监测和国际科学界的一笔重要财富。图4示出过去几年间记录的部分大地震的数据质量；如果是WWSSN模拟记录的话，其相应运动的振幅会有好几米以至超出标度。此外，WWSSN响应在带宽上也受到严格限制，尤其是在超长周期范围，而这一周期范围对于充分描绘大地震特征而言又非常重要。因此，与20世纪大地震观测的数据获取方式相比，这种近实时宽频带数据共享确实是一个巨大进步。

图2 利用哈佛和全球矩心矩张量目录（截至2010智利MW8.8事件）更新的取自PAGER－CAT［11］的1900—2010年大地震（M≥8.0）时间线。请注意1970—2000年间大地震相对稀少

图3 相对于1900—2010年全球最大地震的最近部署的全球主要地震台网时间线。Milne/Jesuit全球台网信息只是大概情况。请注意这里最近10年M≥8.0大地震明显增多

图4 POHA和ABPO台站STS－2地震仪记录的过去10年中4次大地震的宽频带垂直地面位移。上边3道是2004、2005、2007年沿苏门答腊岛地震事件的记录道，下边1道是2010年智利地震的记录道。每一次事件的MW标于日期之后的括弧内。振幅按照相同的震源深度和360 s周期Rayleigh波辐射图效应进行了调整。所有信号都是在距震源约100°记录到的。如果用较早几代模拟记录系统进行记录，这些信号几乎全部都会远远超出标度范围

过去几十年中全球大震级地震活动的增多非常令人好奇。每当值得媒体报道的地震事件集中发生后，人们不可避免地会问及地震频率增大的问题。在回答这种问题时，地震学家传统上一般会坚持说，如果考虑足够的时间和空间，全球地震活动的平均水平总是保持稳定的。任何对长期地震活动习性的研究都会被各个时段目录、震级测定和正在运行的台站数量的不均匀性搞得复杂化。话虽如此，但2001—2010年间全球总共发生了18次MS≥8.0浅源地震，这是20世纪每10年平均数（6±3）的3倍（如文献［12］目录中所列）。虽然在可能的情况下最好使用矩震级（MW），但对于1970年以前的地震事件很少可以利用堪比近期事件所用的方法来直接测定地震矩。有几位研究人员试图根据事件规模的各种估算值概略估算早期事件的地震矩（如文献［12－13］），这样就可以与利用MS震级测定中发现的趋势进行比较。

PAGER①PAGER指全球地震响应快速评估系统（Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response）——译者注。－CAT目录［11］提供了地震事件的综合列表，其“首选震级”取自根据MS或MB或有关历史破裂规模的资料（主要根据文献［12－13］）换算的早期事件的MW估算值，以及根据哈佛和全球矩心矩张量（CMT）反演直接测定的近期地震的MW结果。图5表明，从PAGER－CAT首选震级（M）来看，过去100年间大地震的发生确实每10年都有变化。虽然趋势不如MS的那样明显，但过去10年内M≥8.0事件的数量（13）大概比前边几个10年期间每10年的平均数（6.8±2.3）高出1倍。

图5 PAGER－CAT中［11］1901—2010年每10年间M≥8.0事件的数量（CMT MW值更新至2010年）。最近10年中MW≥8.0事件有13次，而之前的几十年中每10年的平均数为6.8±2.3。图6示出各震级阈值和年采样率每10年的地震事件的滑动平均值，这里只是其单一实现值

图6示出1900—2010年M≥7.5事件的M 随时间变化曲线，以及每10年间M≥7.5、M≥7.7、M≥8.0地震数量的连续估算值。最近10年的地震活动所包含的各震级阈值每10年的事件总数比整个20世纪任何一个10年期所经历的都要多。如果将震级阈值从7.5增大到8.0，则最近的事件总量增大更为明显，但如果我们按M≥7.0这样的低阈值来计算，则事件总量增大趋势消失。

图6 上图：根据USGS PAGER－CAT［11］绘制的1900—2010年M≥7.5事件的时间线（事件更新至2010年初）。下边3个图：PAGER目录首选震级M≥7.5（上）、M≥7.7（中）、M≥8.0（下）（以各点为中心）每10年间的事件滑动平均值。地震记录中，最近10年发生的大地震和特大地震数量超过了之前每10年的数量。请注意地震活动从20世纪80年代中叶的平静期到最近10年的活跃期经历了剧烈变化

与1970年以前相比，最近的活动水平高可能受与地震目录中多种震级测定模式相关的不确定因素影响，但GSN运行期间（1986—2004）全球地震活动的增多却是不争的事实，而GSN只使用严格的MW测定模式和完整的全球目录。20世纪没有发生一次巨大地震事件，相对于其中任何一个类似的时间段而言，过去6年间数目众多的大地震形成了累积地震矩的整体高斜率（图7）。

图7 利用PAGER－CAT中M≥7事件（在此类图中占多数）建立的全球地震活动累积地震矩。各时间段稳健直线拟合的斜率列于左上表中，线性拟合用虚线表示（为明显起见稍有延长）。1952—1965年群发事件前后的累积矩增长率几乎相同。2004年以来的矩累积几乎是从前大致均匀矩率时期的两倍

至于最近大地震活动性增强的统计学意义［14］以及随之而来的震级阈值和地震事件丛集效应的相关分析，我们留给其他项目去研究。本文讨论的重点是，广泛搭建的全球数字地震台网（许多台网提供开放式数据访问）及时捕捉到了最近急剧增多的大地震事件（当然还有成千上万的小事件）的大量记录资料。

3 科学机遇与长期承诺

过去10年间的大地震数量比其前两个10年间的数量明显增多，大动态范围宽频带地震台站的数量已增至1 000多个，而且可提供开放式访问的地震记录，所有这些都为地震学家研究大地震破裂过程和地球结构提供了大量的地面运动资料。全球地震台网为地球过程监测构建了一条多功能化途径，这对于应对地球科学方面的重大科学挑战至关重要［15］。

假使国际地震学界没有布设全球宽频带数字地震台网，也没有建立为开放式数据分配提供便利条件的一套程序，那么情况就会截然不同。这些台网收集到的观测结果对于地震过程基础研究的重要性是不言而喻的。图8概括了PAGER－CAT［11］所列1900年以来地震造成的生命损失情况。审视该图，我们会更加深刻地认识到对未来毁灭性地震信号进行记录并归档具有重要的社会意义。伴随着易震区人口的增长，我们也会明显感觉到致命地震的数量越来越多［16］。可实时访问的开放式全球地震观测结果能够大大提高海啸预警系统水平（如文献［17－18］），以及断裂作用和人员受灾情况的震后评估水平（如［19，11］）。

图8 1900—2010年单个致命地震事件引起的生命损失估算值。资料来自PAGER－CAT［11］及其所用的许多参考文献。此外还有许多未标出的死亡人数小于1 000的事件

地震学家经常被人问及的一个问题是，“为什么还要一直坚持运转全球地震台网？难道你们看到的一次又一次的信号不都是差不多的吗？”对此问题的最好回答可能就是，“假使我们对未来大地震的量化和认知水平还没有对现在发生的事件的认知度高，难道不可以说这是不可思议的事情吗？”联邦项目和国际项目都需要恪守其运转和维护这些至关重要的地球监测设施的承诺，地震学家必须从他们所记录的信号中解读出我们所能解读的一切。地震台网在地震和火山监测中发挥着核心作用，为地下核爆炸的探测做出了重要贡献，并且提供了有关冰川和冰盖动力学特征的珍贵资料。岩石圈中交互作用（如俯冲作用）的许多有趣的方面以及相应的地震过程都要求我们能够长期地收集地震学（和大地测量学）观测资料（如文献［20－26］）。我们对未来地球科学家和社会应负的责任是，尽最大可能提供最高质量的观测资料，以便未来的科研人员对这些过程的认识能比我们今天的认识更加深刻，因为我们到目前为止的观测时间还很有限。

译自：Seismological Research Letters，November/December 2010，81（6）：965－971

原题：Great earthquakes and global seismic networks

（中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

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2011－09－29。