GEOSCOPE地震臺站與數(shù)據(jù)*

朱淇琳

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

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GEOSCOPE地震臺站與數(shù)據(jù)*

朱淇琳※

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

隨著對美國、 德國等國家地震臺網(wǎng)的調(diào)查研究， 本文就法國全球?qū)掝l帶地震臺網(wǎng)的臺站建設(shè)及數(shù)據(jù)資料進(jìn)行相關(guān)介紹。 吸取國外全球臺網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)驗， 致力于建設(shè)我國全球地震臺網(wǎng)， 進(jìn)一步提高地震監(jiān)測水平。

GEOSCOPE； 寬頻帶地震計； miniSEED； 歸檔數(shù)據(jù)

引言

當(dāng)代科技不斷發(fā)展， 地震監(jiān)測技術(shù)也在日益成熟。 全球地震臺網(wǎng)的臺站建設(shè)以及數(shù)字化地震儀的部署已經(jīng)成為現(xiàn)代地震學(xué)研究的主要工具之一。 法國是世界上幾個建立全球臺網(wǎng)的國家之一。 法國全球地震臺網(wǎng)(GEOSCOPE)創(chuàng)建于1982年， 由寬頻帶地震臺組成。 目前有33個仍在使用的地震臺站。 分布在世界各處， 遍及大洲、 海洋和島嶼。

臺站首次采用的儀器設(shè)備是STS-1地震計。 隨著科技的發(fā)展， STS-2地震計開始被使用。 許多臺站配置了Q330HR模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 臺站的通信連接方式是： 非對稱數(shù)字用戶線路(Asymmetrical Digital Subscriber Loop， ADSL)、 甚小口徑終端(Very Small Aperture Terminal， VSAT)以及當(dāng)?shù)卮髮W(xué)網(wǎng)絡(luò)。 防雷技術(shù)以及Nagios監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)也逐漸應(yīng)用到GEOSCOPE的各個臺站。

GEOSCOPE臺站能提供5.5～6級以上地震的地震特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)， 還有位于法國或者西歐----地中海地區(qū)的小震信息。 所有的GEOSCOPE臺站都可以記錄連續(xù)的地動， 并且大多數(shù)臺站還能記錄到臺站內(nèi)部的溫度和氣壓。 臺站記錄到的連續(xù)波形被傳輸?shù)桨屠璧厍蛭锢韺W(xué)院(Institut De Physique Du Globe De Paris， IPGP)的GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心， 或者是近實時數(shù)據(jù)或者是延遲(一段時間后得到的)數(shù)據(jù)。 現(xiàn)在， 大多數(shù)臺站記錄的是miniSEED格式的數(shù)字信號。 記錄到的其他格式的信號也在數(shù)據(jù)中心被轉(zhuǎn)換為miniSEED格式。 GEOSCOPE提供的高質(zhì)量數(shù)據(jù)， 為地震學(xué)、 地球物理學(xué)等學(xué)科做出了巨大貢獻(xiàn)[1-11]。

1 臺站

1.1 臺站分布與儀器設(shè)備

GEOSCOPE在19個國家布設(shè)了33個遍及各大洲大洋的臺站(圖1)。

圖1 2015年GEOSCOPE臺站分布

GEOSCOPE主要采用的設(shè)備有： STS-1地震計、 STS-2地震計、 Q330HR模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 氣象傳感器以及電腦軟硬件設(shè)備。

GEOSCOPE是第一個應(yīng)用全球網(wǎng)絡(luò)安裝數(shù)字地震臺站的臺網(wǎng)。 數(shù)字地震臺站采用寬頻帶力平衡地震計----STS-1地震計。 直到2009年， 新的Metrozet E300電子元件出現(xiàn)， 才為原始的Streckeisen“反饋電子”箱提供了一個可替換的先進(jìn)的電子包裹。

隨著STS-1地震計的生產(chǎn)結(jié)束， GEOSCOPE新布設(shè)的臺站開始采用STS-2地震計。 STS-2的安裝更加方便、 簡單， 但是性能不及STS-1地震計。

地震儀器都置于保溫罩中， 用橡膠墊密封， 固定在花崗巖的底座上。 這種放置方法能顯著地減少由于氣壓變化而導(dǎo)致垂直方向上長周期的噪聲干擾。 考慮到地震計放置時的獨特位置要求， 在花崗巖底板上安置了一個動態(tài)機械調(diào)整裝置。 這個底座由回轉(zhuǎn)羅盤來確定方向， 因此， 地震計可以適當(dāng)?shù)馗鼡Q并保持方向不變(圖2～圖4)。

圖2 STS-2地震計保護(hù)罩

GEOSCOPE臺站升級更新后， 改用Q330HR模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 該轉(zhuǎn)換器有26位信道， 滿量程范圍在-20 V～+20 V之間。

為了完善地震傳感器， 大多數(shù)臺站也安裝了壓力和溫度傳感器。 一些文章也指出， 壓力與溫度的變化所帶來的影響會校正記錄到的地震信號。

圖3 地震計底座

圖4 STS-1地震計(垂直分量)

GEOSCOPE臺站一般在本地的Baler硬盤驅(qū)動上進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄與儲存， 在迷你電腦上運行SeisComP軟件。

1.2 臺站運行(圖5)

地震信號從3個STS-1傳感器傳送到Q330HR模數(shù)轉(zhuǎn)換器并完成信號轉(zhuǎn)換， 再用SeisComP軟件打包記錄到本地的數(shù)據(jù)， 最后實時的傳輸給IPDP數(shù)據(jù)中心。

臺站在運行中， 也涉及到通信系統(tǒng)、 防雷技術(shù)、 監(jiān)測系統(tǒng)以及監(jiān)控程序。

(1) 通信系統(tǒng)

大多數(shù)GEOSCOPE臺站都是實時聯(lián)網(wǎng)的。 網(wǎng)絡(luò)連接的方式取決于臺站的環(huán)境， 有3種常用方式： 非對稱數(shù)字用戶線路、 甚小口徑終端以及當(dāng)?shù)卮髮W(xué)網(wǎng)絡(luò)。

(2) 防雷技術(shù)

雷電是地震臺站出現(xiàn)故障的主要風(fēng)險因素之一。 因此， 在臺站的電網(wǎng)與當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)之間， 安裝了一種名為DIREL的雷電保護(hù)裝置。 DIREL系統(tǒng)檢測雷電擊中后的電場， 并把臺站方面的電觸點與電網(wǎng)方面的電觸點物理性地隔開10 cm。 當(dāng)有雷電傳播或者過電壓時， 系統(tǒng)會自動停止工作。 為了防止系統(tǒng)檢測失靈， 臺站也會選擇安裝氣體防雷裝置。

圖5 臺站運行概要圖

(3) 監(jiān)測系統(tǒng)以及監(jiān)控程序

在臺站安裝先進(jìn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(Advanced Data Base System， ADBS)應(yīng)用程序， 然后從其ADAM組件中檢索數(shù)據(jù)(圖6)。 這些組件把不同的電壓與電流數(shù)字化。 例如： 電池組電壓、 充電電流、 臺站消耗量、 交流電源的可用性和雷電保護(hù)狀態(tài)。

圖6 組件ADAM 6017全局視圖

在巴黎可以實時監(jiān)測到臺站的運行狀態(tài)， 以便于臺站出現(xiàn)問題時可以立刻被檢查出來。 這個系統(tǒng)也可以幫助我們與當(dāng)?shù)厝〉寐?lián)系， 讓當(dāng)?shù)氐穆?lián)系人協(xié)助解決問題。我們可以在網(wǎng)頁上瀏覽到儲存1年以上的測量數(shù)據(jù)。

在Nagios應(yīng)用程序(圖7)可以監(jiān)控臺站中每一個元素的網(wǎng)絡(luò)路徑的可達(dá)性。

1.3 臺站質(zhì)量控制

1.3.1 校正

儀器響應(yīng)測量是非常重要的。 它不僅能有效地檢測出精確的地面震動， 而且還可以檢查出傳感器的故障。

圖7 Nagios 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分布圖

1.3.1.1 絕對校正

允許得到儀器的絕對靈敏度的量綱為V/m·s-1。 Lennartz公司為儀器制作CT-EW1的標(biāo)定表。 這個表規(guī)定地震計可垂直移動900μm。 利用延伸橋使儀器傾斜來校正水平方向分量(圖8)。

圖8 利用延伸橋使儀器傾斜來校正甚寬頻帶地震計的水平分量

1.3.1.2 電定標(biāo)

使用Step table的絕對標(biāo)定來測量儀器的頻率響應(yīng)是很困難的。 為了測量出儀器的頻率響應(yīng)， 必須要進(jìn)行電定標(biāo)。 STS-1， STS-2地震計上都配有校準(zhǔn)線圈， 給這些線圈注入電流可以用來模擬地面運動。 給STS-1加入一個頻率掃描信號就可以檢測兩個拐角頻率(高頻拐角在10～15 Hz之間， 低頻拐角在360 s)。 極點與零點可以用Metrozet公司的Calex-Ew工具來計算。

1.3.1.3 jSeisCal軟件

為了進(jìn)行上述的這些校正， 一種用Java語言做出的軟件----jSeisCal被研制出來。

jSeisCal軟件的特點：

(1) 適合STS-1地震計安裝使用；

(2) 按照標(biāo)定表遠(yuǎn)程控制；

(3) 采用Q330數(shù)采進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、 記錄以及文件格式化；

(4) 采用絕對靈敏度的計算方法；

(5) 使用E300電子遙控。

1.3.2 地震噪聲

PQLX軟件能計算周期為2小時的地震噪聲干擾并允許質(zhì)量控制檢測。 垂直分量的噪聲有所改善， 而且低噪聲模型的周期幾乎每天都在20～1000 s內(nèi)。

2 數(shù)據(jù)

2.1 地震數(shù)據(jù)概述

GEOSCOPE臺網(wǎng)提供5.5～6級以上地震的地震特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)， 以及位于法國或者西歐----地中海地區(qū)的小震信息。

有關(guān)一個地震的首要信息一般在地震發(fā)生45分鐘后發(fā)出， 稍后會有一個信息的升級， 目的是為了提供自地震發(fā)震時刻開始、 超過5時30分窗長的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)(地震波形)是原始數(shù)據(jù)(未經(jīng)驗證處理)， 主要來自于實時協(xié)議。 發(fā)震時間來源于世界協(xié)調(diào)時間(Universal Time Coordinated， UTC)， 震中位置來自于美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey， USGS)。

一次地震的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息包含：

(1) 從2014年1月1日起， 地震特征開始由SCARDEC(一種可以快速測出矩震級的技術(shù))來確定， 包括震級、 震源深度、 震源機制以及震源時間函數(shù)。 真實和模擬數(shù)據(jù)之間的一致性也會顯示出來。 2011～2013年間， 在實驗室網(wǎng)站可以使用SCARDEC方法， 分析近實時地震；

(2) 有著歷史地震活動性背景下的地震定位圖；

(3) 記錄可運行臺站的連續(xù)數(shù)據(jù)----SEED文件(以及描述它的文件內(nèi)容)；

(4) GEOSCOPE臺站的理論到時(P， PP， PcP， PKP， S， ScS和SKS)；

(5) 每個臺站的GB和LH通道的波形；

(6) 震源機制示意圖(從2014年1月1日開始)；

(7) 對于一些地震， 其附加的信息由其他的協(xié)會或組織提供。

2006年可以獲得地震目錄， 但在2006～2013年這個階段， 則沒有SCARDEC信息的訪問權(quán)限。

當(dāng)一個新的地震被分析處理過之后， 就會看見幾個警報郵件：

(1) 對于所有的地震；

(2) 對于MW≥6.5的地震；

(3) 對于MW≥7的地震。

只要聯(lián)系Martin Vallée (vallee@ipgp.fr)就可以添加這些郵件列表。

2.2 連續(xù)數(shù)據(jù)描述

2.2.1 數(shù)據(jù)描述

所有的GEOSCOPE臺站都可以記錄到連續(xù)的地面運動， 并且大多數(shù)臺站還能記錄到臺站內(nèi)部的溫度和氣壓。

表1 GEOSCOPE臺站2016年1月1日～5月21日6.5級以上的地震目錄

臺站記錄到的連續(xù)數(shù)據(jù)波形被傳輸?shù)絀PGP的GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心， 數(shù)據(jù)有些是(近)實時的、 有些是延遲一段時間的。 現(xiàn)在， 大多數(shù)臺站記錄到的數(shù)據(jù)是miniSEED格式的數(shù)字信號。 記錄到的其他格式的信號也在數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)換成miniSEED格式。

與地震波形圖相關(guān)的元數(shù)據(jù)作為臺站信息和通道響應(yīng)， 是由GEOSCOPE網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生和驗證的。 所有的元數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)站界面獲得SEED格式的參數(shù)表。

實時從臺站發(fā)送到GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心的原始數(shù)據(jù)(沒有經(jīng)過質(zhì)量管理)， 我們可以立刻通過Seedlink協(xié)議使用SeisComP軟件獲得。

這個權(quán)威協(xié)議允許委托方從IPGP的GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心， 通過打開Seedlink服務(wù)器， 訪問實時的自動處理過的數(shù)據(jù)：

主機名稱： rtserver.ipgp.fr

端口： 18000

為了使服務(wù)器的連接數(shù)目最小， 強烈推薦安裝Seedlink協(xié)議在多個模式獲得數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流通過Seedlink軟件寄出512字節(jié)的miniSEED數(shù)據(jù)包。

從GEOSCOPE網(wǎng)絡(luò)獲得的地震數(shù)據(jù)有助于地震定位以及全球海嘯警報系統(tǒng)。

2.2.2 驗證以及歸檔數(shù)據(jù)

從臺站采集的波形數(shù)據(jù)剛到達(dá)數(shù)據(jù)中心就立刻被驗證。

驗證過程包括：

檢查臺站數(shù)據(jù)的差異、 重疊以及填補的空白(通常是自動的)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成miniSEED格式(如果需要格式轉(zhuǎn)換的)， 重新編碼的數(shù)據(jù)用Steim2方法壓縮到4096字節(jié)塊。

如果臺站或者采集系統(tǒng)故障， 添加有關(guān)SEED的最新說明(有關(guān)臺站和通道)。

同時， 元數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與驗證是為了新臺站的建設(shè)或者臺站升級后的信息歸檔。

圖表數(shù)據(jù)的連續(xù)性給出了一個驗證以及歸檔數(shù)據(jù)狀態(tài)的概述。

在質(zhì)量控制過程之后， 數(shù)據(jù)(元數(shù)據(jù)以及miniSEED文件)儲存在由GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心支持的信息系統(tǒng)中： 元數(shù)據(jù)歸檔在關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 波形被存在一個高效可用的存儲系統(tǒng)中。

被驗證過的數(shù)據(jù)能立刻向科學(xué)界開放， 科研人員可從不同的端口獲得數(shù)據(jù)。

2.2.3 驗證數(shù)據(jù)的訪問

國際聯(lián)合數(shù)字地震臺網(wǎng)( International Federation of Digital Seismograph Networks， FDSN)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)有權(quán)使用連續(xù)的被驗證過的數(shù)據(jù)。 可以通過FDSN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 在IPDP數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)訪問GEOSCOPE被驗證的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的網(wǎng)址： http:∥eida.ipgp.fr/fdsnws/。

FDSN數(shù)據(jù)選擇： http:∥eida.ipgp.fr/fdsnws/dataselect/1/。

FDSN臺站： http:∥eida.ipgp.fr/fdsnws/station/1。

在FDSN網(wǎng)站上， 有更多關(guān)于FDSN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息(http:∥www.fdsn.org/webservices/)。

來自GEOSCOPE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)， FDSN的代碼， 可用不同的方法在幾個數(shù)據(jù)中心均可獲得。

你可以檢查來自GEOSCOPE網(wǎng)絡(luò)的一年或者一個月的歸檔數(shù)據(jù)的狀態(tài)。 年度歸檔數(shù)據(jù)圖表， 地震通道是用垂直向(Z)的組成部分表示。 原則上來說， 北南向(N/S)和東西向(E/W)的組成部分在歸檔方面是等價的。

2.3 元數(shù)據(jù)

GEOSCOPE臺網(wǎng)可提供SEED格式的元數(shù)據(jù)。

元數(shù)據(jù)包括： 臺站基本信息、 儀器響應(yīng)、 儀器坐標(biāo)、 臺站或通道說明、 壓縮類型和網(wǎng)絡(luò)描述等。

元數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與驗證都來自于GEOSCOPE網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)參數(shù)表(dataless)只包含元數(shù)據(jù)(沒有波形)。 GEOSCOPE臺網(wǎng)的建設(shè)加強了所有臺站對 SEED 頭文件的描述并增強了數(shù)據(jù)采集能力。 SEED卷可以用reseed來讀取。 數(shù)據(jù)參數(shù)表可以結(jié)合miniSEED卷以reseed來讀取。

可以在dataless.G.seed.gz網(wǎng)站上下載全部的SEED文件的參數(shù)表。 在GEOSCOPE臺網(wǎng)的主頁可以申請下載每個臺站的參數(shù)表。

2.4 GEOSCOPE網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計資料

我們可以在GEOSCOPE與IPGP獲取到從1982年至今， 連續(xù)被驗證過的數(shù)據(jù)。 大多數(shù)臺站通過Seeklink協(xié)議， 使用SeisComP軟件(由德國全球臺網(wǎng)與德國地球科學(xué)研究中心共同研發(fā))傳輸實時或近實時的數(shù)據(jù)。 我們可以自動從Seedlink公共服務(wù)器獲取到實時數(shù)據(jù)(圖9～14)。

圖9 PQLX軟件對于噪聲2010年垂直分向的噪聲分析

圖10 2016年前5個月部分臺站的歸檔數(shù)據(jù)

圖11 2016年前5個月部分臺站的歸檔數(shù)據(jù)

圖12 GEOSCOPE每年的歸檔數(shù)據(jù)(來自IPGP數(shù)據(jù)中心)

圖13 GEOSCOPE歸檔數(shù)據(jù)的累積(來自IPGP數(shù)據(jù)中心)

圖14 GEOSCOPE的數(shù)據(jù)分布(2000年以前的數(shù)據(jù)由CDROM發(fā)布)

GEOSCOPE數(shù)據(jù)中心是歐洲綜合數(shù)據(jù)中心(European Integrated waveform Data Archive， EIDA)的4個主要的歸檔數(shù)據(jù)節(jié)點之一。 EIDA是針對所有在歐洲的連續(xù)的寬頻帶地震數(shù)據(jù)， 由單獨的分布式數(shù)據(jù)庫組成。 所有的數(shù)據(jù)都可以通過地震數(shù)據(jù)庫獲得。

3 結(jié)論

GEOSCOPE是主要針對法國、 中歐和地中海國家的全球臺網(wǎng)， 使用全球各大廠家的寬頻帶地震計、 使用SeedLink傳輸協(xié)議、 開發(fā)自己的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控， 它向廣大用戶、 數(shù)據(jù)中心和海嘯預(yù)警中心提供數(shù)據(jù)。

致謝 感謝中國地震局地球物理研究所鄭重研究員與郝春月副研究員以及周公威研究員對本文的支持與幫助。

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The seismic station and data of GEOSCOPE

Zhu Qilin

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

Following the investigation on the seismic network in the United States, Germany and other countries with high level quality on the seismic network construction that we should learn, this paper introduces the French global broadband seismic network construction of stations and seismic data. It could give us the experience on the construction of the global seismic network in China, and improve the level of earthquake monitoring.

GEOSCOPE; broadband seismometers; miniSEED; retrieves data

2016-09-06； 采用日期： 2016-09-21。

地震行業(yè)科研專項： 中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預(yù)研(201508007)資助。

P315.6；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.10.008

※通訊作者： 朱淇琳， e-mail: tonglin207@163.com。