大地震與全球地震臺(tái)網(wǎng)＊

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

地震學(xué)家經(jīng)常開玩笑說，“阻止地震的最好辦法就是布設(shè)地震臺(tái)站。”為了記錄地震信號(hào)或開展有針對(duì)性的有關(guān)地球結(jié)構(gòu)的研究就需要布設(shè)地震儀，而地震的發(fā)生往往是變幻莫測(cè)的，在時(shí)間和空間上都絕對(duì)是非均勻的，所以安裝地震儀的辛苦有時(shí)會(huì)徒勞無功。當(dāng)然，實(shí)踐證明這只是擔(dān)心，而并非事實(shí)，絕大部分辛苦勞作——尤其是用于多年觀測(cè)的設(shè)施——都成功收獲了珍貴的地震資料。最令人欣慰的成功實(shí)例之一就是美國地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)－美國國家科學(xué)基金會(huì)－美國地質(zhì)調(diào)查局（IRIS－NSF－USGS）的全球地震臺(tái)網(wǎng)（GSN），以及美國數(shù)字寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)聯(lián)合會(huì)（FDSN）部署的多個(gè)國際寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)。約在1982至2004年之間，全球布設(shè)的高質(zhì)量寬頻帶數(shù)字地震儀數(shù)量急劇增加，取代了世界標(biāo)準(zhǔn)地震臺(tái)網(wǎng)（WWSSN）布設(shè)的已經(jīng)過時(shí)的模擬系統(tǒng)，也使各機(jī)構(gòu)部署的稀疏的觀測(cè)臺(tái)和第一代數(shù)字臺(tái)網(wǎng)得以升級(jí)。隨著重要臺(tái)站的不斷增設(shè)，到2004年，GSN已經(jīng)達(dá)到其基本設(shè)計(jì)目標(biāo)：提供約130個(gè)臺(tái)站的開放式連續(xù)寬頻帶數(shù)據(jù)，這些臺(tái)站已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全球覆蓋和大動(dòng)態(tài)范圍記錄［1］。后來就發(fā)生了2004年12月26日蘇門答臘－安達(dá)曼大地震（MW9.2），這是1964年阿拉斯加地震以來第一個(gè)震級(jí)超過9級(jí)的事件。GSN和FDSN提供了此次事件的全球地震記錄，這種記錄是前所未有的，由此可以開展比對(duì)以往任何一次類似規(guī)模的事件都更加詳盡的地震學(xué)研究［2－3］。分布在全球的類似地震臺(tái)站也收集到了許多次大地震的數(shù)據(jù)。從2001到2010年，共有18次MS≥8和13次MW≥8事件，而20世紀(jì)每10年中平均才有6次或7次M≥8事件（為簡(jiǎn)單起見，我們用“M”代表MS和MW的混合值）。在GSN建網(wǎng)期間（1986—2004），全球每10年的MW≥7.5地震事件的數(shù)量增加了一倍多，而MW≥8.0的事件數(shù)量則增加到6.5倍。所以，新的地震諺語可能應(yīng)該是“只要你建網(wǎng)，地震就會(huì)來?！备哔|(zhì)量全球數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的長(zhǎng)期維護(hù)和運(yùn)轉(zhuǎn)無疑將提供未來長(zhǎng)時(shí)期的極有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 全球地震儀的布設(shè)

擁有標(biāo)準(zhǔn)化地震儀設(shè)計(jì)的全球地震觀測(cè)臺(tái)于20世紀(jì)初開始布設(shè)。數(shù)十年間，在英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)支持的米爾恩（Milne）臺(tái)網(wǎng)［4］和耶穌會(huì)士（Jesuit）觀象臺(tái)［5］布設(shè)了由20～30個(gè)臺(tái)站組成的規(guī)模不大的“全球”臺(tái)網(wǎng)，另外還有少數(shù)幾個(gè)由各個(gè)國家自己建設(shè)的臺(tái)網(wǎng)，這些臺(tái)網(wǎng)主要建在大學(xué)和其他科研中心的觀測(cè)臺(tái)（圖1）。地下核試驗(yàn)開始于1957年，在此推動(dòng)下，隨著1960—1966年WWSSN的布設(shè)，全球地震臺(tái)站的規(guī)模急劇擴(kuò)大［6］。除了布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)儀和記錄儀外，WWSSN還通過將地震記錄轉(zhuǎn)換成縮微膠片創(chuàng)建了一個(gè)全球數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。在美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、Lamont－Doherty地球觀象臺(tái)和加州理工學(xué)院（Caltech）建立了全部或部分的WWSSN數(shù)據(jù)檔案。雖然按照現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)來看這些數(shù)據(jù)還很原始，但當(dāng)時(shí)對(duì)來自WWSSN網(wǎng)絡(luò)的模擬數(shù)據(jù)的訪問相對(duì)來說還算方便，這就為20世紀(jì)60年代板塊構(gòu)造學(xué)說（如文獻(xiàn)［7］）的興起以及始于20世紀(jì)70年代的地面運(yùn)動(dòng)定量模擬的到來提供了關(guān)鍵性的觀測(cè)結(jié)果。

圖1 1900—2010年布設(shè)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的全球地震臺(tái)網(wǎng)。這些臺(tái)網(wǎng)為地震和地球結(jié)構(gòu)研究提供了地震記錄［8］

隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字地震記錄和寬頻帶傳感器也成為全球地震設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)。巴黎地球物理學(xué)院的法國地球透鏡計(jì)劃（GEOSCOPE）于1982年開始布設(shè)寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)站［9］，以早期數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)為基礎(chǔ)的IRIS－NSF－USGS全球地震臺(tái)網(wǎng)（GSN）自1986年開始建立，這些早期臺(tái)網(wǎng)包括地震研究觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)（SRO）、輔助地震研究觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)（ASRO）、數(shù)字WWSSN轉(zhuǎn)換臺(tái)網(wǎng)和國際加速度儀部署臺(tái)網(wǎng)（IDA）［10］。在大家的共同努力下，許多用于全球地震觀測(cè)的數(shù)字寬頻帶固定地震臺(tái)站布設(shè)項(xiàng)目于1986年聯(lián)手成立了美國數(shù)字寬頻帶地震臺(tái)網(wǎng)聯(lián)合會(huì)（FDSN）；http：∥www.fdsn.org/historical/）。尤其是在地震危險(xiǎn)性很高的地區(qū)，區(qū)域地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的現(xiàn)代數(shù)字寬頻帶系統(tǒng)的合并工作迅速展開。將全球地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的大幅度增加與相應(yīng)的全球110年大地震活動(dòng)擱在一起審視，我們便會(huì)得到一些非常有意思的結(jié)果。

2 大地震與致命地震的歷史

今天從事地震研究工作的多數(shù)學(xué)者并非在1964年就活躍于此領(lǐng)域（許多甚至還未出生），從1970年到2000年，沒有多少次地震可供地震學(xué)家研究（圖2）。而過去的10年間，隨著GSN逐步趨近其設(shè)計(jì)目標(biāo)，情況也發(fā)生了變化。眾多地震的發(fā)生及其產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)使現(xiàn)代記錄系統(tǒng)的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍真正發(fā)揮了作用。從圖2中可以看出整個(gè)地震儀監(jiān)測(cè)時(shí)代強(qiáng)地震活動(dòng)的起伏很大，但那些留意大地震發(fā)生情況的地震學(xué)家肯定會(huì)注意到，過去的10年期與前邊幾個(gè)10年期相比，其速率顯著增大。從1964年阿拉斯加地震到2004年蘇門答臘－安達(dá)曼地震這段時(shí)間內(nèi)大地震相對(duì)較少，這一時(shí)期正好是WWSSN已經(jīng)建成而GSN正在建網(wǎng)的間隙（圖3）。在WWSSN走向衰退，而GSN和FDSN臺(tái)站數(shù)量還很少的情況下，地震活動(dòng)性相對(duì)也較低。2004年蘇門答臘－安達(dá)曼地震發(fā)生時(shí)，只有數(shù)百個(gè)寬頻帶數(shù)字臺(tái)站在運(yùn)行，而到最近的2010年2月27日智利（MW8.8）大地震時(shí)，我們?cè)跀?shù)小時(shí)之內(nèi)就可以通過IRIS數(shù)據(jù)管理中心（http：∥www.iris.edu/data/）和其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心門戶網(wǎng)站很容易地訪問超過1 200個(gè)全球?qū)掝l帶臺(tái)站的數(shù)據(jù)。如此大量數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)共享比WWSSN首創(chuàng)的膠片交換前進(jìn)了一大步，這也是全球地震監(jiān)測(cè)和國際科學(xué)界的一筆重要財(cái)富。圖4示出過去幾年間記錄的部分大地震的數(shù)據(jù)質(zhì)量；如果是WWSSN模擬記錄的話，其相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的振幅會(huì)有好幾米以至超出標(biāo)度。此外，WWSSN響應(yīng)在帶寬上也受到嚴(yán)格限制，尤其是在超長(zhǎng)周期范圍，而這一周期范圍對(duì)于充分描繪大地震特征而言又非常重要。因此，與20世紀(jì)大地震觀測(cè)的數(shù)據(jù)獲取方式相比，這種近實(shí)時(shí)寬頻帶數(shù)據(jù)共享確實(shí)是一個(gè)巨大進(jìn)步。

圖2 利用哈佛和全球矩心矩張量目錄（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）時(shí)間線。請(qǐng)注意1970—2000年間大地震相對(duì)稀少

圖3 相對(duì)于1900—2010年全球最大地震的最近部署的全球主要地震臺(tái)網(wǎng)時(shí)間線。Milne/Jesuit全球臺(tái)網(wǎng)信息只是大概情況。請(qǐng)注意這里最近10年M≥8.0大地震明顯增多

圖4 POHA和ABPO臺(tái)站STS－2地震儀記錄的過去10年中4次大地震的寬頻帶垂直地面位移。上邊3道是2004、2005、2007年沿蘇門答臘島地震事件的記錄道，下邊1道是2010年智利地震的記錄道。每一次事件的MW標(biāo)于日期之后的括弧內(nèi)。振幅按照相同的震源深度和360 s周期Rayleigh波輻射圖效應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整。所有信號(hào)都是在距震源約100°記錄到的。如果用較早幾代模擬記錄系統(tǒng)進(jìn)行記錄，這些信號(hào)幾乎全部都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)度范圍

過去幾十年中全球大震級(jí)地震活動(dòng)的增多非常令人好奇。每當(dāng)值得媒體報(bào)道的地震事件集中發(fā)生后，人們不可避免地會(huì)問及地震頻率增大的問題。在回答這種問題時(shí)，地震學(xué)家傳統(tǒng)上一般會(huì)堅(jiān)持說，如果考慮足夠的時(shí)間和空間，全球地震活動(dòng)的平均水平總是保持穩(wěn)定的。任何對(duì)長(zhǎng)期地震活動(dòng)習(xí)性的研究都會(huì)被各個(gè)時(shí)段目錄、震級(jí)測(cè)定和正在運(yùn)行的臺(tái)站數(shù)量的不均勻性搞得復(fù)雜化。話雖如此，但2001—2010年間全球總共發(fā)生了18次MS≥8.0淺源地震，這是20世紀(jì)每10年平均數(shù)（6±3）的3倍（如文獻(xiàn)［12］目錄中所列）。雖然在可能的情況下最好使用矩震級(jí)（MW），但對(duì)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來直接測(cè)定地震矩。有幾位研究人員試圖根據(jù)事件規(guī)模的各種估算值概略估算早期事件的地震矩（如文獻(xiàn)［12－13］），這樣就可以與利用MS震級(jí)測(cè)定中發(fā)現(xiàn)的趨勢(shì)進(jìn)行比較。

PAGER①PAGER指全球地震響應(yīng)快速評(píng)估系統(tǒng)（Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response）——譯者注。－CAT目錄［11］提供了地震事件的綜合列表，其“首選震級(jí)”取自根據(jù)MS或MB或有關(guān)歷史破裂規(guī)模的資料（主要根據(jù)文獻(xiàn)［12－13］）換算的早期事件的MW估算值，以及根據(jù)哈佛和全球矩心矩張量（CMT）反演直接測(cè)定的近期地震的MW結(jié)果。圖5表明，從PAGER－CAT首選震級(jí)（M）來看，過去100年間大地震的發(fā)生確實(shí)每10年都有變化。雖然趨勢(shì)不如MS的那樣明顯，但過去10年內(nèi)M≥8.0事件的數(shù)量（13）大概比前邊幾個(gè)10年期間每10年的平均數(shù)（6.8±2.3）高出1倍。

圖5 PAGER－CAT中［11］1901—2010年每10年間M≥8.0事件的數(shù)量（CMT MW值更新至2010年）。最近10年中MW≥8.0事件有13次，而之前的幾十年中每10年的平均數(shù)為6.8±2.3。圖6示出各震級(jí)閾值和年采樣率每10年的地震事件的滑動(dòng)平均值，這里只是其單一實(shí)現(xiàn)值

圖6示出1900—2010年M≥7.5事件的M 隨時(shí)間變化曲線，以及每10年間M≥7.5、M≥7.7、M≥8.0地震數(shù)量的連續(xù)估算值。最近10年的地震活動(dòng)所包含的各震級(jí)閾值每10年的事件總數(shù)比整個(gè)20世紀(jì)任何一個(gè)10年期所經(jīng)歷的都要多。如果將震級(jí)閾值從7.5增大到8.0，則最近的事件總量增大更為明顯，但如果我們按M≥7.0這樣的低閾值來計(jì)算，則事件總量增大趨勢(shì)消失。

圖6 上圖：根據(jù)USGS PAGER－CAT［11］繪制的1900—2010年M≥7.5事件的時(shí)間線（事件更新至2010年初）。下邊3個(gè)圖：PAGER目錄首選震級(jí)M≥7.5（上）、M≥7.7（中）、M≥8.0（下）（以各點(diǎn)為中心）每10年間的事件滑動(dòng)平均值。地震記錄中，最近10年發(fā)生的大地震和特大地震數(shù)量超過了之前每10年的數(shù)量。請(qǐng)注意地震活動(dòng)從20世紀(jì)80年代中葉的平靜期到最近10年的活躍期經(jīng)歷了劇烈變化

與1970年以前相比，最近的活動(dòng)水平高可能受與地震目錄中多種震級(jí)測(cè)定模式相關(guān)的不確定因素影響，但GSN運(yùn)行期間（1986—2004）全球地震活動(dòng)的增多卻是不爭(zhēng)的事實(shí)，而GSN只使用嚴(yán)格的MW測(cè)定模式和完整的全球目錄。20世紀(jì)沒有發(fā)生一次巨大地震事件，相對(duì)于其中任何一個(gè)類似的時(shí)間段而言，過去6年間數(shù)目眾多的大地震形成了累積地震矩的整體高斜率（圖7）。

圖7 利用PAGER－CAT中M≥7事件（在此類圖中占多數(shù)）建立的全球地震活動(dòng)累積地震矩。各時(shí)間段穩(wěn)健直線擬合的斜率列于左上表中，線性擬合用虛線表示（為明顯起見稍有延長(zhǎng)）。1952—1965年群發(fā)事件前后的累積矩增長(zhǎng)率幾乎相同。2004年以來的矩累積幾乎是從前大致均勻矩率時(shí)期的兩倍

至于最近大地震活動(dòng)性增強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［14］以及隨之而來的震級(jí)閾值和地震事件叢集效應(yīng)的相關(guān)分析，我們留給其他項(xiàng)目去研究。本文討論的重點(diǎn)是，廣泛搭建的全球數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)（許多臺(tái)網(wǎng)提供開放式數(shù)據(jù)訪問）及時(shí)捕捉到了最近急劇增多的大地震事件（當(dāng)然還有成千上萬的小事件）的大量記錄資料。

3 科學(xué)機(jī)遇與長(zhǎng)期承諾

過去10年間的大地震數(shù)量比其前兩個(gè)10年間的數(shù)量明顯增多，大動(dòng)態(tài)范圍寬頻帶地震臺(tái)站的數(shù)量已增至1 000多個(gè)，而且可提供開放式訪問的地震記錄，所有這些都為地震學(xué)家研究大地震破裂過程和地球結(jié)構(gòu)提供了大量的地面運(yùn)動(dòng)資料。全球地震臺(tái)網(wǎng)為地球過程監(jiān)測(cè)構(gòu)建了一條多功能化途徑，這對(duì)于應(yīng)對(duì)地球科學(xué)方面的重大科學(xué)挑戰(zhàn)至關(guān)重要［15］。

假使國際地震學(xué)界沒有布設(shè)全球?qū)掝l帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)，也沒有建立為開放式數(shù)據(jù)分配提供便利條件的一套程序，那么情況就會(huì)截然不同。這些臺(tái)網(wǎng)收集到的觀測(cè)結(jié)果對(duì)于地震過程基礎(chǔ)研究的重要性是不言而喻的。圖8概括了PAGER－CAT［11］所列1900年以來地震造成的生命損失情況。審視該圖，我們會(huì)更加深刻地認(rèn)識(shí)到對(duì)未來毀滅性地震信號(hào)進(jìn)行記錄并歸檔具有重要的社會(huì)意義。伴隨著易震區(qū)人口的增長(zhǎng)，我們也會(huì)明顯感覺到致命地震的數(shù)量越來越多［16］。可實(shí)時(shí)訪問的開放式全球地震觀測(cè)結(jié)果能夠大大提高海嘯預(yù)警系統(tǒng)水平（如文獻(xiàn)［17－18］），以及斷裂作用和人員受災(zāi)情況的震后評(píng)估水平（如［19，11］）。

圖8 1900—2010年單個(gè)致命地震事件引起的生命損失估算值。資料來自PAGER－CAT［11］及其所用的許多參考文獻(xiàn)。此外還有許多未標(biāo)出的死亡人數(shù)小于1 000的事件

地震學(xué)家經(jīng)常被人問及的一個(gè)問題是，“為什么還要一直堅(jiān)持運(yùn)轉(zhuǎn)全球地震臺(tái)網(wǎng)？難道你們看到的一次又一次的信號(hào)不都是差不多的嗎？”對(duì)此問題的最好回答可能就是，“假使我們對(duì)未來大地震的量化和認(rèn)知水平還沒有對(duì)現(xiàn)在發(fā)生的事件的認(rèn)知度高，難道不可以說這是不可思議的事情嗎？”聯(lián)邦項(xiàng)目和國際項(xiàng)目都需要恪守其運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)這些至關(guān)重要的地球監(jiān)測(cè)設(shè)施的承諾，地震學(xué)家必須從他們所記錄的信號(hào)中解讀出我們所能解讀的一切。地震臺(tái)網(wǎng)在地震和火山監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著核心作用，為地下核爆炸的探測(cè)做出了重要貢獻(xiàn)，并且提供了有關(guān)冰川和冰蓋動(dòng)力學(xué)特征的珍貴資料。巖石圈中交互作用（如俯沖作用）的許多有趣的方面以及相應(yīng)的地震過程都要求我們能夠長(zhǎng)期地收集地震學(xué)（和大地測(cè)量學(xué)）觀測(cè)資料（如文獻(xiàn)［20－26］）。我們對(duì)未來地球科學(xué)家和社會(huì)應(yīng)負(fù)的責(zé)任是，盡最大可能提供最高質(zhì)量的觀測(cè)資料，以便未來的科研人員對(duì)這些過程的認(rèn)識(shí)能比我們今天的認(rèn)識(shí)更加深刻，因?yàn)槲覀兊侥壳盀橹沟挠^測(cè)時(shí)間還很有限。

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

原題：Great earthquakes and global seismic networks

（中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯；鄭需要 校）

（譯者電子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

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2011－09－29。