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動態(tài)

IRIS規(guī)劃未來地球物理設(shè)施發(fā)展*

趙紀(jì)東※王艷茹編譯

(中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報中心，蘭州730000)

引言

地球物理設(shè)施按能力可以分為現(xiàn)有基礎(chǔ)能力、新興基礎(chǔ)能力和前沿能力。目前的現(xiàn)有能力對科學(xué)發(fā)展尤為重要，若被削減，會對科學(xué)研究產(chǎn)生阻礙。新興能力是指在成熟的技術(shù)條件下，能夠在重大科學(xué)挑戰(zhàn)的應(yīng)對中帶來突破的基礎(chǔ)設(shè)施。前沿設(shè)施能力是指在不同程度上新出現(xiàn)的能力，能對科學(xué)產(chǎn)生變革作用，對社會意義重大。2015年9月，美國地震學(xué)聯(lián)合研究會(Incorporated Research Institutions for Seismology，IRIS)向美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation，NSF)提交了《應(yīng)對重大地學(xué)挑戰(zhàn)的未來地球物理設(shè)施需求》(future geophysical facilities required to address grand challenges in the Earth sciences)報告，從現(xiàn)有基礎(chǔ)能力、新興基礎(chǔ)能力和前沿能力這3個主要方面分析和規(guī)劃了美國未來地球物理設(shè)施的發(fā)展，同時也考慮了教育、勞動力發(fā)展等方面的輔助因素。在此，我們對其核心內(nèi)容做一簡要介紹。

1現(xiàn)有基礎(chǔ)能力

1.1永久性地震儀、應(yīng)變儀和大地測量網(wǎng)

解決基本的地球物理問題依賴于高質(zhì)量、長期的地球物理記錄，這些數(shù)據(jù)有助于對比重要事件，并為一些設(shè)備的臨時部署提供參考框架。

(1) 全球甚寬頻帶地震臺網(wǎng)。該網(wǎng)平均站距約為20°(相當(dāng)于陸上的10°)，目前僅限于陸地，可用于地球構(gòu)造、地震以及核條約核查的研究，也可以用于監(jiān)測、快速事件鑒定，還可以用于對地震、海嘯及其他地震事件的預(yù)警。

(2) 永久和連續(xù)記錄的GPS網(wǎng)。密集穩(wěn)定的GPS網(wǎng)絡(luò)所提供的數(shù)據(jù)必須具有低延遲(<1 s)和高采樣率(≥1 Hz)的特點(diǎn)，這樣才便于解釋主斷裂附近震間、震中和震后的板塊變形。板塊邊界的高速、實(shí)時大地測量數(shù)據(jù)能約束大地震和海嘯早期預(yù)警系統(tǒng)。

(3) 鉆孔應(yīng)變網(wǎng)。鉆孔應(yīng)變計可以捕捉地震與敏感GPS儀器間的部分光譜變形，該儀器遍布活動板塊邊界斷裂帶和美國西部火山群，可以為斷裂系統(tǒng)、同震/震后變形等提供特有的無震滑動瞬變觀測。

1.2測震系統(tǒng)

它能為各類用戶收集一系列帶寬的高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)，同時還能進(jìn)行一些與數(shù)據(jù)服務(wù)相關(guān)的收集和傳播活動。

(1) 適用于本地及次大陸網(wǎng)絡(luò)和陣列的便攜式寬頻帶地震儀。設(shè)備遙測能力約為1000 km，臨時安裝的野外地震儀及配套設(shè)備可進(jìn)行專業(yè)儲存、維護(hù)和運(yùn)輸，同時儀器組件還應(yīng)支持極地/冰川環(huán)境下的部署。

(2) 可控源地震儀系統(tǒng)。對地殼尺度研究大約需要3000套獨(dú)立的地震儀系統(tǒng)，對關(guān)鍵帶和地質(zhì)工程尺度研究大約需要500條電纜系統(tǒng)的記錄信道。

(3) 震源設(shè)備。它能為陸地和海洋數(shù)據(jù)的獲取提供保障?？煽氐闹鲃釉磻?yīng)可提供從幾米到數(shù)十千米的最高分辨率的地下結(jié)構(gòu)和組成圖像。

(4) 海底地震儀。它包含約160個寬頻帶和100個短周期系統(tǒng)的淺水和深水設(shè)備，后者常用于主動源折射研究。此外，它還包含壓力計以及用于強(qiáng)地面運(yùn)動研究的加速度儀。

1.3大地測量觀測系統(tǒng)

重復(fù)的臨時部署及綜合利用合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)是多數(shù)地區(qū)獲取足夠密集觀測的唯一途徑。

(1) 部署全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)儀器。未來應(yīng)在全球范圍內(nèi)臨時部署約150套最新GPS接收器。GNSS儀器庫可用于捕捉大地震后的瞬時變形，同時還需適用于極地或其他極端環(huán)境。

(2) 海底大地測量。該設(shè)備有利于測量海底活動與半連續(xù)觀測，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開發(fā)能降低成本和增加時空采樣的基礎(chǔ)技術(shù)，來進(jìn)行大型事件的基線測量和抗震瞬變的研究。

(3) 陸地激光雷達(dá)。該設(shè)備的共享需要整合硬件、現(xiàn)場工程師和軟件技術(shù)，支持地質(zhì)、地貌和極地科學(xué)的各項(xiàng)研究。

1.4陸地和海洋大地電磁(MT)

未來設(shè)備應(yīng)包括對100多個長周期和寬頻電磁系統(tǒng)訪問的集中和維護(hù)，以支持由首席科學(xué)家引領(lǐng)的活動，同時還應(yīng)具備支持2～4個同步活動的能力。

1.5數(shù)據(jù)歸檔、質(zhì)量控制和分配

提供現(xiàn)代的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，對大容量的地震、MT、InSAR、GPS/GNSS、應(yīng)變計和TLS數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和專業(yè)支持，并開放存取這些數(shù)據(jù)，同時還應(yīng)包含原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式處理及其相關(guān)元數(shù)據(jù)的歸檔和有效分配。

1.6社會產(chǎn)品和服務(wù)的托管

未來設(shè)備應(yīng)涵蓋地震、干涉、大地測量時間序列的社會產(chǎn)品和服務(wù)，以及社會模型、軟件、教學(xué)和研討會等。

1.7高級計算機(jī)模擬工具

為社會提供創(chuàng)新的計算方法、資源和技術(shù)，促進(jìn)對地球和地球系統(tǒng)的了解。

1.8其他

(1) 專業(yè)人員支持。工作人員應(yīng)具備各種專業(yè)知識，實(shí)現(xiàn)最佳實(shí)踐。

(2) 勞動力發(fā)展。發(fā)揮設(shè)備及管理人員在與學(xué)術(shù)伙伴合作、下一代地球科學(xué)家培訓(xùn)方面的教育、指導(dǎo)作用。

(3) 專業(yè)人員組成的全國教育和公眾宣傳計劃。提供一系列能夠影響非正式教育、K-16教育和非正式學(xué)習(xí)的資源，以直達(dá)年輕觀眾，吸引新成員。

2新興基礎(chǔ)能力(2018—2023年優(yōu)先方向)

2.1高頻陣列

在首席科學(xué)家或團(tuán)隊(duì)行動中，應(yīng)當(dāng)為團(tuán)隊(duì)提供10000個三分量的、可快速部署的、穩(wěn)定的中短期地震系統(tǒng)，以便其能夠?qū)Φ卣?、火山、冰川或其他事件做出快速響?yīng)。并且系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)實(shí)現(xiàn)從稀疏地震波記錄到全波場地震波記錄的轉(zhuǎn)變。

2.2快速響應(yīng)設(shè)備

在應(yīng)對數(shù)小時至數(shù)天的重要地球物理事件，如火山爆發(fā)、震群或余震序列、冰川、滑坡時，該類設(shè)備應(yīng)可支持或部署為小型到大型的儀器網(wǎng)，增強(qiáng)實(shí)時監(jiān)測和響應(yīng)能力。

2.3對大容量合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的訪問

該設(shè)備應(yīng)該能提供對大容量衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)產(chǎn)品的常規(guī)、自動和快速訪問，包括美國和印度即將開展的美國宇航局空間研究合成孔徑雷達(dá)(The Nasa-Isro Synthetic Aperture Radar，NISAR)計劃。理想狀態(tài)下，它還應(yīng)提供對具體項(xiàng)目再處理的訪問。

2.3GNSS操作處理

操作處理應(yīng)完成從單一的GPS信號到完整的GNSS信號的轉(zhuǎn)變，以支持新方法、模型和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的持續(xù)創(chuàng)新。

2.4增強(qiáng)探索、開發(fā)、應(yīng)用新一代和新興儀器的能力

為團(tuán)隊(duì)提供關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和資源，使新技術(shù)能夠得到較快應(yīng)用。同時，相關(guān)設(shè)備應(yīng)不斷研究和整合這些可用的新技術(shù)。

2.5地貌、冰川、地表、近地表和關(guān)鍵帶地球物理研究所需的地球物理儀器

包括可進(jìn)行運(yùn)動式(campaign-style)部署的便攜式硬件、井下地球物理測井儀和可深入地下50～100 m的小型鉆孔/取芯機(jī)。

2.6陸地震源

可控活動震源是高分辨率地殼成像的關(guān)鍵。目前，學(xué)界和業(yè)界已經(jīng)認(rèn)可了三維及四維反射地震，認(rèn)為其具有持續(xù)性價值。

2.7陸地和海洋電磁(EM)

應(yīng)擴(kuò)展和調(diào)整地殼尺度(周期為1000 s)的寬頻帶電磁系統(tǒng)，使其能實(shí)現(xiàn)6～10臺儀器的同時部署，支持近地表和關(guān)鍵帶的研究。

2.8增強(qiáng)海底地震和大地測量能力

要有長期在淺水中部署數(shù)十臺或更多儀器的能力，以便定期記錄寬頻帶地面運(yùn)動，同時還要部署海底大地測量儀，在研究區(qū)開發(fā)和運(yùn)行海底大地測量陣列。

2.9高帶寬、實(shí)時全球遙測

對經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、高帶寬的實(shí)時地震遙測技術(shù)和部署周期不定、數(shù)量不定的大地測量儀提供全球訪問。

2.10支持多學(xué)科環(huán)境觀測儀器和遙測系統(tǒng)的開發(fā)

能量、數(shù)據(jù)和通信系統(tǒng)應(yīng)支持更廣泛的地球物理觀測，該觀測通過不同的模擬和數(shù)字傳感器進(jìn)行各種輔助地球觀測。

2.11隨時隨地訪問高性能計算(HPC)資源

能提供可大規(guī)模簡化數(shù)據(jù)、正演模擬、可視化和模型推理的軟件及工具。

2.12在全國范圍內(nèi)開展K-12教育

提供對科學(xué)方法的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識，以顯著改善美國學(xué)生的教育。目前，急需相應(yīng)的教師、課程開發(fā)者和教科書生產(chǎn)商。

3前沿能力

3.1海底地球物理網(wǎng)和浮動地球物理網(wǎng)

它應(yīng)該具備安裝、維護(hù)和開發(fā)密集的海底地球物理觀測的能力和資源，在某些情況下，需提供實(shí)時的連續(xù)記錄。目標(biāo)區(qū)域的具體設(shè)備應(yīng)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)洋盆地的長期地震觀測，為全球地震網(wǎng)絡(luò)(Global Seismic Network，GSN)和寬頻帶大地測量觀測制定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.2新一代大地電磁和可控源電磁系統(tǒng)

寬頻帶和可控源的電磁設(shè)備應(yīng)適用于四維成像的長期部署。未來應(yīng)支持和開發(fā)廉價且更有效的儀器，改良廉價電磁成像儀，為密集采樣制定新策略。目前的當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)真正的多用戶的海上電磁設(shè)備，類似于海底地震儀組(OBSIP)。

3.3深部鉆探及相關(guān)儀器

它支持大陸和海洋深部(>1 km)的鉆探，以進(jìn)行活動斷層的原位研究，關(guān)鍵儀器包括溫度、水文、地震、應(yīng)變和地球化學(xué)傳感器。

3.4高風(fēng)險/高收益的實(shí)驗(yàn)儀器

它適用于無法進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測的地區(qū)，一般搭載無人機(jī)或其他具有運(yùn)動攝影、傳感器等功能的儀器系統(tǒng)，包括在極端地形區(qū)及其他危險區(qū)域開展與人類安全有關(guān)的高風(fēng)險科學(xué)研究時，可瞬時、快速或自動部署的、可能為一次性的遙測儀器。

3.5其他

(1) 推動對地球系統(tǒng)科學(xué)的廣泛理解。探索新的溝通方式，提高數(shù)據(jù)和概念的可視化，增加科學(xué)家、教育工作者和新聞工作者的交流機(jī)會，為學(xué)生制定能使研究經(jīng)驗(yàn)最大化的計劃和清晰的職業(yè)生涯規(guī)劃。

(2) 勞動力多元化。招收不同種族的學(xué)生來確保美國在地球科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，同時還需制定通用的多層面的專業(yè)管理方案。

文獻(xiàn)來源： Aster R，Simons M，Burgmann R，et al. Future geophysical facilities required to address grand challenges in the Earth sciences. (2015-09-15)[2015-11-20]. http:∥www.iris.edu/hq/files/workshops/2015/05/fusg/reports/futures_report.pdf： 33-41

中圖分類號：P315；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：D；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.01.001

通訊作者：※趙紀(jì)東，e-mail: zhaojd@llas.ac.cn。

* 收稿日期：2015-12-03； 采用日期： 2016-01-08。