鄭　重

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

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中國全球地震臺網建設預研

國際數據中心(IDC)*

鄭重※

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

應中國全球地震臺網建設項目的需求， 對國際數據中心(IDC)進行了調研。 研究表明， IDC 能夠對實時數據進行自動定位、 數據歸檔， 另外該中心可以對外發(fā)布信息， 對成員國進行數據交換與數據共享服務。

IDC； 中國全球地震臺網； 數據管理； 數據歸檔； 數據服務

引言

中國全球地震臺網建設預研項目主要對全球各大臺網的分布、 組網方式、 通訊系統(tǒng)、 數據中心、 監(jiān)測能力等進行詳細調研。 為我國全球地震臺網建設項目提供重要的參考信息以及建設依據。 這里對全面禁止核試驗條約組織(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization, CTBTO)的國際數據中心(International Data Center, IDC)進行調研。 IDC下屬的臺陣臺站給地震學帶來了重要的影響， 推動了地震學的發(fā)展[1-8]。

1　國際數據中心的歷史

數據是禁止核試驗條約(CTBT)核查的核心。 IDC的分析報告提供給成員國的信息需要建立這樣的共識， 即一個疑惑的事件是否發(fā)生， 并且此事件是否是核爆炸。 IDC是CTBT核查機制最主要的部門， 它收集、 處理并分析了來自國際監(jiān)測系統(tǒng)(International Monitoring System, IMS)337個設備的數據向成員國提供事件列表、 公報和報告， 以呈現分析結果。 基于這些信息， 成員國可以判斷可疑事件。 IDC還在計算機中心存儲所有數據和數據公報。

1.1在IDC的條約談判

20世紀90年代初日內瓦裁軍會議在討論IDC功能的過程中， 達成一致， 即IMS監(jiān)測數據需要地震學家進行處理和分析。 如果數據和數據分析指出一個可能的違反條約事件， 那么成員國有責任要求進行現場調查， 這個特權被成員國保留下來。 因此， 條約同意IDC向成員國提供監(jiān)測數據和數據公報， 成員國將有能力對可疑事件進行判斷。 而且， IDC將沒有義務對可疑事件進行性質的最終判定， 而成員國保留了這項特權。

科學家進行了連續(xù)的3次試驗， 用來檢驗核試驗判別的監(jiān)測技術和分析方法。 他們在美國的佛尼吉亞州的阿林頓國家公墓建立了一個試驗數據中心PIDC。

1.2IDC原型

在CTBT被采用之前， IDC最初的雛形就已經存在了。 在日內瓦進行的裁軍會議上，成立了一個國際專家組，即科學專家組(GSE)，他們自1976年后負責判斷禁核試驗條約的履行，研究監(jiān)測技術和分析方法。

GSE執(zhí)行了3次試驗。 第一次科學專家組的技術試驗GSETT-1在1984年進行， 是在所有參加者之間的參數交換。 第二次是在1991年進行的GSETT-2試驗， 挑選的波形數據被收集在4個全球分布的數據中心并互相交換， 這4個中心分別在澳大利亞、 俄羅斯聯(lián)邦、 瑞典和美國。

1995年1月1日， 第三次試驗GSETT-3開始了， 主要為核查系統(tǒng)尋找新的技術， 一個試驗的國際地震監(jiān)測系統(tǒng)建立起來， 并由一個試驗的數據中心與之互補， 即國際數據中心原型(PIDC)。 在這個試驗的過程中， 位于美國佛尼吉亞州阿林頓國家公墓的PIDC開發(fā)了處理地震和水聲數據的最初軟件， 結果包括地震公報， 含有詳細的檢測并定位的地震列表。

IDC于1997年在維也納建立， 并于1999年向成員國發(fā)送處理與分析公報。

1.3傳遞到維也納

在1996年條約被采用、 全面禁止核試驗條約籌備委員會建立之后， 數據中心的職能部門移到奧地利的維也納。 新建立的國際數據中心于1997年開始傳送數據和軟件的處理結果， 在過渡階段， 兩個數據中心并行工作。 1998年， IDC產出了它的第一個數據產品； 一年后， 即1999年， 首個經過處理和分析的產品送到成員國手中。

2000年2月， 成員國確定IDC目前可以開始進行常規(guī)的數據分析與產品發(fā)布。 PIDC建立CTBTO IDC的職責也已經實現， 經過5年多的時間， GSETT-3勝利結束。

2　IDC概述

IDC可以從IMS設備接收、 收集、 自動處理、 交互分析、 報告并備份數據； 向成員國提供技術支持， 并不斷地升級它的技術能力； 提供標準的IDC產品(http:∥www.ctbto.org/)。 地震數據到達IDC后首先進行臺站處理， 即自動檢測與特征抽取， 而后進行臺網處理， 也就是自動事件處理與定位， 最后進行交互分析。 IDC產品有REB(Reviewed Event Bulletin)、 SEL(Standard Event List)和SSEB(Standard Screened Event Bulletin)。 目前每天都產生REB， 平均每天記錄大約100個地震事件(圖1)。

數據產品通過訂閱、 Autodram或者特定網站獲取。 數據主要樣式如表1所示。 數據產品列表如表2所示。

表1　IMS數據(SHI， 波形數據)

表2　IDC數據產品

3　IDC 軟件

IDC提供成員國臺陣自動數據處理軟件， 并定期升級(圖2)。 自動數據處理軟件能夠實現自動檢測、 定位地震事件， 并且對地震數據進行數字信號處理等必要的分析功能。 比如IDC提供的GEOTOOL軟件， 可以對臺陣數據進行F-k分析、 頻譜分析和相關性分析等。

4　波形的數據處理與分析

每天， 數以億計的波形數據從IMS到達維也納的國際數據中心。 沒有經過處理的這部分信息對于許多國家是沒有用的， 需要盡快地解決這些緊迫的問題。 波形數據來源于地震監(jiān)測和穿過大地、 海洋和大氣層的聲波， 它們的分析解決了很重要的問題。

4個監(jiān)測技術中有3個屬于波形技術， 包括地震、 水聲、 次聲技術， 它們被用來監(jiān)測和記錄某個地震所產生和傳播的能量的運動。 當地震波或聲波穿過大地、 海洋和大氣層時， 用這3種技術記錄的監(jiān)測數據成為波形數據。通常來說， 波形數據以軌跡的形式顯示在電腦屏幕上，X軸表示時間，Y軸代表正在被監(jiān)測的介質的運動， 也就是陸地、 空氣和水。

4.1臺站處理

一旦數據被儲存在IDC中， 要在每個單臺進行單獨的分析， 以便發(fā)現源自地震或者聲音干擾的信號， 這個過程叫做臺站處理， 是完全自動化的。 一旦監(jiān)測到干擾， 相關信號的特征會被判斷出來， 并記錄在龐大的數據庫中。 這些特征包括時間、 大小以及方位角， 也就是信號到達臺站的方向。分析和處理地震數據的一個重要組成部分是確定每個參數的準確性和可靠性。在IDC中儲存之后， 數據從每個單獨的監(jiān)測臺站用自動處理獨立地分析發(fā)現相關的信號。

有幾種不同的自動處理方法分別應用于地震、 次聲和水底傳播的數據。 無論是什么方法， 都有同一個原則——為了監(jiān)測可能來源于干擾或者有可能違反條約的所有信號。

4.2網絡處理

由于記錄地震事件的不只是一個IMS監(jiān)測臺站， 因此， 下一步就是挑出源自同一事件的不同臺站記錄到的信號， 這個非常復雜的任務階段稱為網絡處理。 在這期間， 有很多事件， 典型的超過100多個地震。

在網絡處理過程中， 對來自同一事件但是不同臺站的數據進行預估定位， 檢查一切可用的數據， 把他們結合在一個事件中， 一個更加清晰的實際發(fā)生事件的波形圖開始呈現出來。 目前， 預估定位可以挖掘一個潛在的事件。 一個事件進行一次出色的預估定位對于測量這個事件的大小是很重要的， 因為信號的大小通常隨著與事件的距離而變化。

4.2.1標準事件列表

(1) SEL1。 這個自動處理過程把積累的事件列表顯示出來， 使成員國能夠使用。 這些列表的第一個表——標準事件列表1(SEL1)， 包括在主要地震臺站和聲吶站記錄的事件。 次聲數據還不可用于這個程序， 因為信號通過大氣層的傳播更慢， 在記錄過程中會產生額外的延時。

(2) SEL2。 有SEL1作為基礎， 需要來自輔助地震臺站的數據來改善已經在表中列出事件的位置。 這個需求會自動發(fā)送到選出的輔助地震臺站， 有了這個輔助臺站的數據和剛接收到的次聲數據， 就產生了更全面、 更高質量的事件列表， 也就是標準事件列表2(SEL2)。

(3) SEL3。 自動處理程序引出3個連續(xù)的事件表， 即標準事件列表1、 2和3。 每一個都包括了在觀測的額外的信息。最后一個事件列表就是標準事件列表3(SEL3， 如圖3a所示)， 包含了從遲來的記錄信號數據中的附加信息結果。 SEL3是IDC發(fā)行的最精確的自動化事件列表。 這個程序是完全自動化的， 由特殊的電腦程序設計執(zhí)行， 直到現在， 在數據程序中也沒有發(fā)生過人為干涉情況。

4.2.2交互分析和復查事件公告(REB)

盡管這個自動處理程序十分復雜， 分析員仍需要重新檢查結果， 以確保給成員國提供可靠的信息。

從原始數據波形中用自動處理編譯標準事件列表十分困難。 但這仍然是必需要做的， 因為為了提供給成員國可靠全面的信息， 分析員要復查自動處理程序的結果。 有時候， 信號與錯誤的事件相關聯(lián)， 偶爾被列出來的事件不是真實的， 甚至有的時候事件有缺失， 因此， 在IDC工作的分析員要復查SEL3中列出的每一個事件。 在2010年， 每天平均有161個事件， 分析員反復檢查SEL3中列出的每一個信號事件。 在2007年， 平均每天有126個事件， 分析員的工作就是舍棄不真實的事件， 增加那些還沒有與事件相關聯(lián)的信號， 并且修改和完善那些真實事件的預估定位(圖4)。 另外，分析員也必須要分清以下情況， 自動處理來自兩個同時事件的相關信號(所謂的混合事件)或者來自一個事件的信號被解讀為兩個事件(所謂的分裂事件)。 他們也仔細查看可能已經完全丟失的事件數據。

圖1　IDC 數據處理流程與數據產品

圖2　成員國可從IDC獲取的軟件

分析員在全部分析過程中扮演著至關重要的角色。 篩選所有自動生成的事件列表的分析員擔負著重要責任。

圖3地震列表: (a) SEL3; (b) REB

圖4　波形交互分析

交互分析之后， 事件的數目大約減少一半。 確認和修正的事件被列在復查事件公告(REB， 如圖3b所示)中。 相互評論的結果是REB比先前的事件列表質量更高。 從2000年2月到2009年10月， REB共記錄了245981個事件(圖5)。

4.3波形事件的性質判斷

這個過程的目的是鑒定在REB中的事件是否是自然發(fā)生的。 在這個過程中有幾個應用準則， 為區(qū)別他們是天然地震還是人為事件提供參考。大多數列入REB中的事件是地震事件， 對于多種多樣的地震波的價值衡量是特別有趣的。 有很多不同種類的地震波： 穿過地球內部的體波和在地表經過的面波。

事件的自動篩選引發(fā)了對天然地震和人為事件的判斷識別。 條約中列出了這個篩選程序的準則。每個類型的地震事件用一種不同的、 可辨認的模式創(chuàng)造出這些地震波。 這些模式可以提供事件性質的信息， 無論它是天然的還是人為的地震。

4.3.1地震數據

例如， 事件發(fā)生在鄰近監(jiān)測臺站的地方， 檢測出來兩類體波： P波和S波。 一次地震通常會產生一個小的P波和大的S波。 爆炸的比例通常與之相反， P波遠遠地大于S波。 同樣地， 這些波到達的速度也是不同的， P波的傳播速度大于S波， 很容易區(qū)分它們各自的震動圖。 對比2006年朝鮮核爆炸的震動圖和2002年在同一地區(qū)的地震波形圖， 提供了一個很好的研究案例。 在朝鮮地震臺站記錄的爆炸震動圖(圖6， 紅色波形圖)中顯示出很強的P波， 隨后是十分弱的S波。 與之相反的， 地震產生了較小的P波和較大的S波(圖6， 藍色波形圖)。地震與爆炸產生的地震波顯示出明顯的特征， 這個觀察有助于辨認事件的性質是天然的還是人為的。

圖5從2000年2月到2009年10月， REB共記錄到245981個事件

圖6地震記錄資料顯示的2006年朝鮮的核爆和2002年在附近發(fā)生的地震

另外一個非常重要的判斷標準是體波與面波的震級比。 震中距超過2000 km的遠震事件以體波震級的計算為基礎。 在體波與面波震級比之間相對較大的是人為事件， 例如爆炸的體波與面波震級比天然事件大。

與事件有關的深度信息也作為一個標準去分辨自然地震和人為爆炸。 由于技術限制， 人類還不能在大深度引爆一次爆炸， 因此， 大深度明確地否定了人為事件。

4.3.2水聲數據

一些事件可能與水聲的數據有聯(lián)系。 檢查水聲波的特別屬性可以幫助判斷事件是天然發(fā)生的還是人為的。

在海洋中的聲波是3類信號中的一類，包括： H相位， T相位, 還有N相位。 H相位信號是由人為設備或者是水下火山噴發(fā)的水中爆炸產生的； 當遠震引起的海床震動把聲波傳到水中便形成了T相位。 N相位是噪聲信號， 有很廣泛的來源， 例如冰山產生的噪音、 氣槍的調查以及鯨魚的歌聲。

隨著進一步對它們頻率的分析， 在事件判別過程中， 關聯(lián)T相位有助于排除水中的爆炸事件， 因為這些波形被認為是只有在地下活動中才能產生。

如果判別結果表示事件是天然的， 它就會被挑選出來。 只有確定是人為產生的， 或者篩選的時候沒有清楚答案的事件， 會以潛在的可疑事件保存并列在SSEB中。

4.4IDC服務和技術支持

IDC的主要服務是向成員國分享IMS數據以及IDC產品。 IDC向成員國提供賬戶和獲取數據的方法， 以及特殊數據請求有關規(guī)定， 并提供執(zhí)行情況報告。 IDC向成員國提供的技術支持主要針對成員國的能力建設， 包括對成員國技術人員的培訓、 場地專家的幫助、 專用設備的支持等。

支持成員國的主要形式有： 區(qū)域 NDC發(fā)展的專題研討會； 區(qū)域性的高級培訓； 臺站操作員培訓； IDC 分析員培訓課程和知識交流； 以及其他活動如設備支持、 場地技術支持等。

4.5數據處理與分析的時間軸

在尋找明確的可疑事件時， 它的發(fā)生到檢查與分析過程中流逝這段時間是很重要的， 條約沒有對分析處理過程以及結果公告進行時間限制。 在條約生效之后， 這些細節(jié)都被收到與IDC運作相關的文檔以及涉及到的時間軸中。在上述解釋中， 波形數據自動處理的結果， 也就是所謂的水聲與次聲數據， 在SEL中列出連續(xù)事件列表。 這些事件表所設想的時間線是在事件發(fā)生一個小時后能生成SEL1， 4個小時后生成SEL2， 6個小時后生成SEL3。

在SEL3中列出的事件互動評論會在隨后的兩天之后完成， 出來結果的事件將被列在REB中。 自動處理程序判別出在REB的天然事件差不多需要一個小時， 結果也會被發(fā)布到SSEB中。

隨著CTBT的生效， 所有可疑事件的相關信息在事件發(fā)生的兩天后可以被成員國使用(圖7)。 因此， 在可疑事件發(fā)生的兩天后， 成員國可以安排處理綜合信息， 包括處理和分析基于IMS波形網絡中的數據結果。

對于條約還沒有生效的成員國， 監(jiān)測、 處理以及分析的數據不會根據設想的時間期限開始進行。 目前， SEL1、 SEL2、 SEL3分別可以在事件發(fā)生的2小時、 6小時以及12小時后各自傳輸。 數據波形的交互評論和最初的自動分析大概占用10天， 接下來的自動處理判別事件性質的程序將在幾個小時后完成。

圖7　在條約生效之后， 時間互動評論需要兩天

在2006年10月朝鮮宣布核試驗之后， CTBTO僅兩天就能提供給成員國相關的波形處理與分析結果。 CTBTO努力發(fā)展自動處理程序和交互分析程序， 以便可以滿足條約的需求。 在2006年10月朝鮮發(fā)布進行核試驗的公告后， IDC按照條約中預想的時間期限， 在事件剛發(fā)生的兩天后就發(fā)布了REB。

4.6數據分布以及對成員國的數據公告

監(jiān)測數據并其分析對CTBT/CTBTO的查證結果是至關重要的。 它總是強調數據是屬于成員國的。 簽約國的一方有權利訪問所有的監(jiān)測信息以及數據公告， 幫助國家行使特權， 在有可疑事件的情況下可以幫助做出最后的決斷。

為了確保成員國能夠對可疑事件有準確的判斷， 他們需要用可靠的、 平等的、 及時的方式處理原始數據以及數據分析的結果。 IDC通過GCI努力確保這些需求能被看到和支持。 目前， 在120個國家超過1 200個使用者被授權接收CTBTO的數據以及數據公告， 這個數據還在增長(圖8)。

成員國想要行使自己的權利去訪問監(jiān)測數據以及分析報告， 必須要與CTBTO建立一個安全簽約賬戶。 這是一種授權用戶可以與IDC進行交流并安全傳輸數據的機制。 負責監(jiān)督和管理這個賬戶的人是主要聯(lián)系人。通過主要聯(lián)系人任命3個不同級別的用戶， 主要用戶、 普通用戶以及臺站的操作人員。 每種級別用戶的數量是根據他們訪問數據及數據公告的級別而規(guī)定的。 每個成員國最多只能任命18個主要用戶以及10個普通用戶。 臺站的操作人員的數目取決于不同國家的IMS臺站。

圖8　CTBT全球監(jiān)測系統(tǒng)

成員國指定的使用者可以通過自動數據請求、 訂閱等方法接收監(jiān)測數據和數據報告， 也有權使用IDC的安全網站或者數據庫。

5　數據應用與研究

5.1提供實時海嘯預警數據

全面禁止核試驗條約組織(CTBTO)的全球警報系統(tǒng)被設計用來檢測所有的核爆炸， 還可以檢測能產生海嘯的地震。 信息分別由檢測地下、 海洋核爆炸的地震臺站、 水聲臺站拾取。 由CTBTO準實時提供給海嘯預警中心， 尤其是那些覆蓋太平洋和印度洋的臺站， 可以幫助他們發(fā)布更及時、 更準確地預警。 目前具有海嘯高風險的14個國家的預警中心從CTBTO大約100個臺站接收數據(圖9)。 圖10顯示了海嘯(圖10a)、 伴隨海嘯的大地震分布(圖10b)、 以及海嘯走時圖像(圖10c)。CTBTO的次聲臺站在地球上的任何地方記錄任何大的次聲源。 次聲是在頻率特別低的頻段波動的聲音， 聲音低到人耳聽不見。 臺站可記錄到火山噴發(fā)或者冰架破裂(圖11)。 CTBTO的成員國和國際、 國內研究所負責航空、 航海(對于海底火山來說)的安全， 因此他們接收到信息， 就可以給國民示警。

CTBTO有80個極端靈敏的傳感器來探測次聲。 除了檢測核爆炸信號， 這些臺站還將檢測從世界任何一個源頭發(fā)出的次聲波， 尤其是從核電站事件發(fā)出的次聲波。 CTBTO的所有成員國都可以得到這個信息， 各國家的核保護和健康部門可以用來通知給公眾。 在2011年日本福島核電站事件期間， 就是屬于這種情況， 當日本外部檢測到的輻射能水平是安全的時候， 就利用CTBTO發(fā)出了安全信息通知公眾。

圖914個國家的海嘯預警中心， 目前參與并接收100個IMS臺站的數據， 綠色部分包括了14個國家， 紅色原點表示參與并接收的IMS臺站

圖10　(a) 海嘯； (b) 大地震與伴隨海嘯的大地震分布； (c) 8.5海嘯的走時

5.2記錄的鯨魚的歌聲

當你坐上一個捕鯨船開始你的旅程后， 你會喜歡你的假期。 你的向導向你解釋雄性座頭鯨的歌聲可以在很遠的海域聽到， 并且被CTBTO的水聲站記錄到， 這是CTBTO數據應用于科學的一個方面。 利用次聲站數據， 還可以監(jiān)控到鯨魚遷移模式(圖12a)。

5.3其他應用

圖11　(a) 火山噴發(fā)， 可引起噴氣式飛機引擎的故障或者完全熄火; (b) 水下火山定位

圖12　(a) 鯨魚遷移路線監(jiān)控; (b) 法國大西洋海岸的海洋膨脹

其他應用主要包括： 地核[9-19]、 地球內部結構研究、 天氣變化、 氣象學、 流星爆炸、 冰架破裂和冰山形成、 世界范圍內的背景輻射、 海洋膨脹研究(圖12b)、 檢測與定位隕石沖擊、 對航班進行火山灰煙雨預警等。

2013年2月在美國波士頓召開的科學的進展美國聯(lián)合會的年會上， 討論了核查機制對災害預警和科學多方面的應用。 CTBTO數據的非核查應用在CTBT科技會議上屬于重要的議題。 這個科學團體每兩年一次會議。

6　結論

IDC從IMS設備接收、 收集、 自動處理、 交互分析、 報告、 并備份數據， 向成員國提供技術支持， 并不斷地升級它的技術能力， 提供標準的IDC產品。 地震數據到達IDC后首先進行臺站處理， 即自動檢測與特征抽取， 而后進行臺網處理， 也就是自動事件處理與定位， 最后進行交互分析。 IDC產品有REB(Reviewed Event Bulletin)、 SEL(Standard Event List)和SSEB(Standard Screened Event Bulletin)。 目前每天都產生REB， REB平均每天記錄大約100個地震。

數據產品通過訂閱、 Autodram或者特定網站獲取。 數據主要樣式有連續(xù)波形數據、 截取波形數據等。 數據產品主要包括SEL1、 SEL2、 SEL3、 REB、 SSEB等。

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International Data Center

Zheng Zhong

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

The preparatory research was made on International Data Center (IDC) to implement the project of China global seismic network successfully. The research told us that the processing system of IDC can locate the real-time data automatically and can archive the data， what′s more， IDC can release the news， exchange and share data with signature states.

IDC; China global seismic network; data management; data archive; data service

2016-08-16； 采用日期： 2016-08-26。

鄭重， e-mail: zheng.z@126.com。

地震行業(yè)科研專項： 中國全球地震臺網建設預研(201508007)資助。

P315；

A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2016.09.006