郝春月

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

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IMS的建設(shè)背景*

郝春月※

(中國地震局地球物理研究所， 北京100081)

應(yīng)中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預(yù)研項(xiàng)目的需求， 對全面禁止核試驗(yàn)條約組織(CTBTO)下設(shè)的國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)進(jìn)行了調(diào)查研究。 研究表明： IMS地震臺陣技術(shù)逐漸發(fā)展， 形成了一門學(xué)科， 即臺陣地震學(xué)， 地震臺陣的應(yīng)用降低了地震(爆炸)檢測下限， 使地球精細(xì)結(jié)構(gòu)研究成為可能。

IMS； CTBT； CTBTO； 核試驗(yàn)； 中國全球地震臺網(wǎng)

引言

由于中國地震監(jiān)測臺網(wǎng)針對國外地震監(jiān)測具有明顯劣勢， 中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預(yù)研項(xiàng)目， 主要針對世界已有各大臺網(wǎng)進(jìn)行調(diào)研， 從而為我國的全球地震臺網(wǎng)建設(shè)服務(wù)。 在此對國際監(jiān)測系統(tǒng)(International Monitoring System， IMS)進(jìn)行了調(diào)查研究。

1　CTBT前后的核試驗(yàn)

無論是以軍事為目的還是以和平為目的的核爆炸， 我們都稱為核試驗(yàn)。 在1945至1996年間， 世界上進(jìn)行了大約2050次核爆炸實(shí)驗(yàn)， 其中超過150次核爆炸是以和平為目的的。 最早的核爆炸實(shí)驗(yàn)是1945年7月16日清晨在美國新墨西哥州阿拉莫戈多市的荒漠中進(jìn)行的(圖1)。 作為指定的爆點(diǎn)， 首次核爆炸實(shí)驗(yàn)是針對曼哈頓計(jì)劃(第二次世界大戰(zhàn)中美國原子彈研究計(jì)劃)經(jīng)過幾年的科學(xué)研究而達(dá)到的巔峰。

1945年8月6日上午9時(shí)15分， 美國B-29巨型轟炸機(jī)將一枚名為“小男孩”的原子彈投向日本第八大城市廣島(圖2a)。 這枚彈長3.05 m， 直徑0.711 m， 重4.09 t， 核裝藥60 kg的原子彈， 在廣島上空600 m處爆炸， 其爆炸威力約2萬噸TNT當(dāng)量。 廣島市24.5萬人中有20萬人在這次核爆炸中死傷或失蹤。 整個(gè)城市一片火海， 大批建筑物被毀。 2天后的8月9日， 美國又將一枚名為“胖子”的原子彈投在日本的長崎(圖2b)。 “胖子”長3.252 m， 直徑1.525 m， 重4.9 t， 裝20 kg钚， 爆炸威力約2萬噸TNT當(dāng)量， 它的爆炸使23萬長崎人中的15萬死傷或失蹤。

而從1945年那關(guān)鍵的一天至1996年禁止核試驗(yàn)條約(CTBT)簽字伊始這50年間， 在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行了超過2000次的核爆炸試驗(yàn)(表1)。 在1996年禁止核試驗(yàn)條約簽署之后， 世界上進(jìn)行了大約7次的核試驗(yàn)(表2)。 所有核爆炸試驗(yàn)分布如圖3所示， 紅點(diǎn)表示1996年禁止核試驗(yàn)條約(CTBT)簽字之前的核爆炸， 紅色五星表示之后的核爆炸。

2　核試驗(yàn)地點(diǎn)

1945～2006年間， 世界上有60多個(gè)核爆炸地點(diǎn)被用來進(jìn)行各種目的的2000多次核試驗(yàn)。 美國、 前蘇聯(lián)和中國在他們特定的內(nèi)陸地區(qū)進(jìn)行他們的核試驗(yàn)。 法國在阿爾及利亞的西撒和位于南太平洋的法屬玻利尼西亞進(jìn)行核試驗(yàn)。 英國或與美國聯(lián)合或者在澳大利亞進(jìn)行他們的核試驗(yàn)。 圖4顯示了前法國在南太平洋穆魯羅瓦島的核試驗(yàn)點(diǎn)。

圖1世界上最早的核試驗(yàn)： 1945年7月16日清晨， 美國新墨西哥州阿拉莫戈多市荒漠

表1　1945～1996年間的核爆炸試驗(yàn)

表2　1996年禁核試條約簽署后的核爆炸試驗(yàn)

平和美麗的南太平洋環(huán)狀珊瑚島是美國、 英國和法國的試驗(yàn)地點(diǎn)。 遠(yuǎn)離此地的新地島， 是前蘇聯(lián)的核試驗(yàn)地點(diǎn)， 這是一個(gè)遙遠(yuǎn)的冰封群島， 位于歐洲東北部的北冰洋。

圖2　二戰(zhàn)期間美國在廣島(a)和長崎(b)投放的原子彈爆炸產(chǎn)生的蘑菇云(2萬噸)(引自CTBTO網(wǎng)站)

中國的羅布泊試驗(yàn)點(diǎn)是一個(gè)內(nèi)陸的鹽湖沼澤——是冰封后期的塔里木湖最后的殘余。 全球核試驗(yàn)地點(diǎn)如圖5所示。

3　地震臺陣概念的提出

禁止核試驗(yàn)條約的談判自20世紀(jì)50年代末開始， 日內(nèi)瓦裁軍談判特設(shè)的科學(xué)專家組在1958年提出了建設(shè)地震臺陣以監(jiān)測與識別遠(yuǎn)處地下核試驗(yàn)的構(gòu)想， 主要是為了給禁止核試驗(yàn)提供核查手段。 專家建議全球地震臺網(wǎng)包括180個(gè)小地震臺陣， 每個(gè)臺陣包括10個(gè)垂直向短周期地震儀附加兩個(gè)水平向短周期地震儀和一個(gè)長周期地震儀， 分布在孔徑為幾公里的地方(日內(nèi)瓦型臺陣， 圖6a)。 1959年美國增加了幾點(diǎn)建議， 其中包括建立幾個(gè)大孔徑臺陣(Berkner型臺陣)來補(bǔ)充日內(nèi)瓦型臺陣。 1960年初， 英國也開始在本土和國外建設(shè)了幾個(gè)中尺度地震臺陣(孔徑約25 km)， 包括蘇格蘭的EKA、 加拿大的YKA、 澳大利亞的WRA(圖6b)、 印度的GBA和巴西的SAAS， 并提出了通過聚束估計(jì)初至信號方位和虛波速度的概念， 后來的LASA和NORSAR臺陣都用到了這一概念。

圖3　全球核爆炸實(shí)驗(yàn)分布， 紅點(diǎn)表示1996年禁核試前核爆， 紅五星表示之后的核爆炸

圖4　前法國在南太平洋穆魯羅瓦島的核試驗(yàn)點(diǎn)

60年代中期和70年代， 美國建立了大孔徑臺陣(美國蒙大拿州的LASA、 挪威奧斯陸地區(qū)的NORSAR、 美國阿拉斯加的ALPA)。 隨著英國、 美國等地震臺陣的建立， 一套專門用于地震臺陣的方法也逐漸應(yīng)用起來， 形成了臺陣地震學(xué)。

圖5　全球核試驗(yàn)點(diǎn)分布

圖6　(a) 德國GERESS臺陣分布； (b) 澳大利亞WRA臺陣分布

4　全面禁止核試驗(yàn)條約(CTBT)與條約組織(CTBTO)

由于核爆炸對人類危害極大， 人們?yōu)榱私购嗽囼?yàn)做出了種種努力。 1996年9月10日， 全面禁止核試驗(yàn)條約 (CTBT) 在聯(lián)合國大會上通過。 為了監(jiān)視此條約的遵守情況， 國際上成立了全面禁止核試驗(yàn)條約組織(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization， CTBTO)， CTBTO的總部在維也納。 在簽署了CTBT之后， 簽約國家自動(dòng)成為籌備委員會(Preparatory Commission)的一員。 委員會包括兩個(gè)主要機(jī)構(gòu)， 一個(gè)是包括所有簽署國的實(shí)體， 也叫做籌備委員會； 另一個(gè)為臨時(shí)技術(shù)秘書處(Provisional Technical Secretariat， PTS)， 幫助籌備委員會執(zhí)行它的一些活動(dòng)。 PTS分為技術(shù)部， 即為國際監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)部、 國際數(shù)據(jù)中心(International Data Center， IDC)技術(shù)部和現(xiàn)場調(diào)查(on-site inspection， OSI)技術(shù)部。 IMS是為了給禁止核試驗(yàn)提供核查手段， 由日內(nèi)瓦裁軍談判特設(shè)的科學(xué)專家組在CTBT的檢查制度下用來檢測任何發(fā)生在地下、 水下和空中的核爆炸。 這個(gè)檢查機(jī)制的目的是為了檢查各國在這個(gè)星球上對CTBT條約的遵守情況。 除了促進(jìn)CTBT， 全面禁止核試驗(yàn)條約籌備委員會(CTBTO)的主要任務(wù)是建立這個(gè)機(jī)制并且確保在條約能夠執(zhí)行之前的可操作性。

5　核查機(jī)制

檢查機(jī)制包括以下元素： 國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)、 國際數(shù)據(jù)中心(IDC)、 全球通信基礎(chǔ)設(shè)施(Global Communications Infrastructure ， GCI)、 咨詢和澄清、 現(xiàn)場調(diào)查(OSI)、 信任建立措施。

5.1IMS

IMS的地震監(jiān)測系統(tǒng)包括全球范圍內(nèi)的321個(gè)臺站和16個(gè)實(shí)驗(yàn)室。 這337個(gè)設(shè)施監(jiān)測發(fā)生在該星球上任何核爆炸所發(fā)出的信號。 建設(shè)這些分布在89個(gè)國家的臺站， 在軍備控制歷史上提出了前所未有的工程挑戰(zhàn)。 許多臺站位于遙遠(yuǎn)的、 不可到達(dá)的地區(qū)。 監(jiān)測臺站和放射性核素實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、 升級、 鑒定是否符合技術(shù)要求等， 都是在與CTBTO的合同下由當(dāng)?shù)卣?fù)責(zé)管理。 這些建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用(輔助臺站除外)由CTBTO承擔(dān)。

IMS由IDC支持， IDC位于奧地利維也納的CTBTO總部。 IDC處理和分析監(jiān)測臺站數(shù)據(jù)， 產(chǎn)出數(shù)據(jù)公報(bào)， 并提供給成員國以供他們評價(jià)和判斷。

輸入的數(shù)據(jù)用來進(jìn)行定位和分析地震事件， 著重于檢測核爆炸。 數(shù)據(jù)立即被處理， 利用第一時(shí)間的自動(dòng)分析結(jié)果——一個(gè)所謂的數(shù)據(jù)公報(bào)——將在2 h內(nèi)發(fā)布。

數(shù)據(jù)公報(bào)包括監(jiān)測臺站自動(dòng)檢測并自動(dòng)分析地震事件和放射性核素的清單。 分析員隨后檢查這些清單并為成員國準(zhǔn)備具有質(zhì)量控制的公報(bào)。

5.2IDC

IDC自2000年2月21日開始向成員國提供IMS的原始數(shù)據(jù)和IDC的數(shù)據(jù)公報(bào)。 IDC已經(jīng)建立起安全的注冊賬戶， 使成員國能夠訪問這些數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

IDC通過提供標(biāo)準(zhǔn)軟件包、 開展培訓(xùn)課程和技術(shù)支持， 給予成員國指定用戶更廣泛的支持。

5.3GCI(全球通訊基礎(chǔ)設(shè)施)

GCI傳送IMS臺站記錄的數(shù)據(jù)到IDC， 它還從IDC傳送原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)公報(bào)到成員國。 GCI保證全球覆蓋。 數(shù)據(jù)是通過一個(gè)由6個(gè)衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行收集與發(fā)布的。 衛(wèi)星把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厣系?個(gè)集線器， 而后數(shù)據(jù)通過地面鏈接傳送到IDC。

5.4磋商與澄清

如果成員國認(rèn)為收集的數(shù)據(jù)有可能是一個(gè)核爆炸， 則啟動(dòng)一個(gè)磋商與澄清的過程來解決并澄清這個(gè)事件。 在條約執(zhí)行之后， 成員國可以實(shí)行這個(gè)過程， 一個(gè)國家可以直接請求另一個(gè)國家， 或通過執(zhí)行委員會澄清。 成員國還可以向CTBTO的總部請求信息。 接到如此請求的國家有48小時(shí)來澄清這個(gè)事件。

5.5現(xiàn)場勘查(OSI)

成員國有權(quán)請求現(xiàn)場勘查， 而不用考慮磋商與澄清過程的結(jié)果。 勘查將被執(zhí)行， 用以確認(rèn)核爆炸是否真的發(fā)生。 他們還可以收集證據(jù)用來確認(rèn)那些可能的違反者。 現(xiàn)場勘查被認(rèn)為是條約的最后監(jiān)察手段， 一旦條約生效， 現(xiàn)場勘查只能被請求(be invoked)。

5.6信任建立措施

在自愿的基礎(chǔ)上， 成員國在國內(nèi)如果有任何300噸或者超過300噸的化學(xué)爆炸， 應(yīng)該通知CTBTO技術(shù)秘書處。 這些通知有兩個(gè)目的， 第一， 它們對于甄別數(shù)據(jù)的性質(zhì)具有重要作用， 因此， 一個(gè)大的礦塌在第一時(shí)間不會被認(rèn)為是一個(gè)核爆炸； 第二， 可以用它們檢測和調(diào)整IMS臺網(wǎng)的精度。

6　IMS現(xiàn)狀

6.1利用4種手段觀測

國際監(jiān)測系統(tǒng)包括89個(gè)國家的321個(gè)監(jiān)測臺站和16個(gè)放射性核素實(shí)驗(yàn)室來監(jiān)測在各種環(huán)境下核爆炸的跡象(圖7)。

IMS使用4種監(jiān)測方法來監(jiān)測核試驗(yàn)， 它們是：

(1) 地震監(jiān)測： 探測全球發(fā)生的地震；

(2) 水聲監(jiān)測： 探測海洋中由自然和人為事件所引起的聲波；

(3) 次聲監(jiān)測： 探測大氣中由自然和人為事件所引起的低頻聲波；

(4) 放射性核素臺站： 探測來自大氣爆炸、 水下爆炸、 地表泄露的放射性粒子。

圖7　IMS臺站分布， 黃三角表示基本地震臺站、 橘色三角表示輔助地震臺站， 其余表示其他監(jiān)測手段

6.2地震監(jiān)測

在IMS的4種監(jiān)測手段中， 地震監(jiān)測是最成熟并且最有效的手段。 IMS地震臺網(wǎng)是由分布在89個(gè)國家的50個(gè)主要臺站/臺陣和120個(gè)輔助臺站組成的(圖7)。 IMS主要臺站/臺陣將把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至位于奧地利維也納的IDC， 輔助臺站是根據(jù)需求提供地震數(shù)據(jù)的。 目前， 50個(gè)主要臺站/臺陣中已有42個(gè)獲得認(rèn)證， 2個(gè)在建、 3個(gè)計(jì)劃中、 3個(gè)剛剛安裝完畢。 120個(gè)輔助臺站/臺陣中， 有106個(gè)已經(jīng)認(rèn)證， 剩下的臺站有9個(gè)剛安裝完畢、 2個(gè)在建、 3個(gè)在計(jì)劃中(表3)。

其中50個(gè)主要地震臺站中， 22個(gè)為臺陣臺站、 27個(gè)為三分向臺站， 一個(gè)為待定臺站。 輔助臺站中， 有7個(gè)臺陣臺站、 102個(gè)三分向臺站、 1個(gè)待定臺站。

表3　各種臺站建設(shè)現(xiàn)狀

6.3IMS的地震臺陣給地震學(xué)帶來新氣象

地震臺陣自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展以來， 促進(jìn)了地震學(xué)的發(fā)展。 它可以降低全球地震與核爆的檢測下限(它們把地下核爆的全球檢測下限降低至1 kt(千噸)甚至更低[1]。 并為解決地球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了方法 (舉例來說， 如文獻(xiàn)[2]和[3])。 一個(gè)由許多相同地震儀組成的、 設(shè)計(jì)精良、 空間分布緊密的臺陣所產(chǎn)生的地震記錄可提供高質(zhì)量的相似的數(shù)據(jù)集， 可以研究地球精細(xì)結(jié)構(gòu)。 研究表明地震臺陣致使地球內(nèi)部的速度模型得到了改進(jìn)[4]， 區(qū)域尺度上的層析成像分辨率得到了提高[5]。 近年來有關(guān)臺陣的工作有Gibbons[6]于2014年針對IMS地震臺陣非相關(guān)臺陣處理的試用性進(jìn)行了分析與研究， Tormod Kvrna[7]于2013年對IMS檢測能力的研究等。

7　討論與結(jié)論

為了給CTBTO提供核查手段， 成立了IMS， IMS可監(jiān)測全球范圍內(nèi)地下、 水中、 空中的核爆炸事件。 在321個(gè)總監(jiān)測臺站中， 地震臺站占了170個(gè)， 是最主要的監(jiān)測手段。

專家提出了地震臺陣的概念， 隨著地震臺陣的發(fā)展， 形成了臺陣地震學(xué)。 而IMS是由分布于89個(gè)國家的29個(gè)地震臺陣和129個(gè)三分向臺站(剩下兩個(gè)地震臺站， 類型待定)組成的全球地震監(jiān)測系統(tǒng)。

臺陣概念的提出與臺陣地震學(xué)的發(fā)展推動(dòng)并促進(jìn)了地震學(xué)和地球物理學(xué)的發(fā)展， 高質(zhì)量相似數(shù)據(jù)集使得地震學(xué)家可以降低監(jiān)測下限并對地球精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

[1] Douglas A， Bowers D， Marshall P D， et al. Putting nuclear-test monitoring to the test. Nature， 1999, 398(6727): 474-475

[2] Doornbos D J， Husebye S. Array analysis of PKP phases and their precursors. Phys. Earth Planet. Inter.， 1972(5): 387-399

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[4] Karason H， van der Hilst R D. Tomographic imaging of the lowermost mantle with differential times of refracted and diffracted core phases (PKP，Pdiff). J. Geophys. Res.， 2001, 106(B4): 6569-6587

[5] Ritter J R R， Jordan M， Christensen U， et al. A mantle plume below the Eifel volcanic fields， Germany. Earth Planet. Sci. Lett.， 2001, 186(1): 7-14

[6] Gibbons S J. The applicability of incoherent array processing to IMS seismic arrays. Pure Appl. Geophys., 2012, 171(3-5): 377-394

Building background of IMS

Hao Chunyue

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

The preparatory research was made on International Monitoring System (IMS) to implement the project of China global seismic network successfully. The research told us that the technique of seismic array developed gradually and became a subject that is array seismology. The use of seismic array reduced the lower limit of earthquake (explosion) detection， and made the fine structure research possible.

IMS; CTBT; CTBTO; nuclear explosion; China global seismic network

2016-08-16； 采用日期： 2016-08-26。

郝春月， e-mail: haovanilla@sina.com。

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

P315；

A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2016.09.007