漫话地震仪与地震观测%28二%29.pdf

58城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION现代地震仪特点：数字化、低噪声、大动态范围、宽频带在前文里我们主要关注的是地震仪如何拾取地面运动过程，即传感器部分，行业上称为“地震计”，它的主要作用是将地面运动“感觉”出来直接或者换能后输出。为了把地震计的输出记录下来供后续分析研究，还需要一套“数据记录仪”，地震计和数据记录仪一起构成一套完整的地震仪。在 20 世纪 70 年代以前，数据记录主要采用纸式、光学照相和磁带记录几种方式。以电磁换能设计为例，地震计输出电流驱动机械笔头、光笔或者磁头将模拟信号输出“画”在纸或者胶卷上。在后续研究中为了读取这些数据，需要以人工方式采用机械尺等工具在记录纸或者胶卷上进行度量，人为数字化后再进行计算，整个过程非常烦琐耗时并且测量精度也受到严重影响。20 世纪 70 年代初，随着现代电子技术发展，地震观测也逐渐进入“数字化”时代。模数转换采集设备出现，使得数据采集系统能够记录的信号范围有了质的提升，同时由于现代电子计算机的广泛应用，数字化记录使得地震数据的存储、传输、交换、处理等方式发生革命性改变，工作效率大幅提高。“力平衡负反馈”以及“差分电容换能”等技术的采用使得地震计的频带宽度、动态范围等核心指标也大幅度提高，现代地震仪进入了“低噪声、大动态范围、宽频带”的数字化时代，这些技术仍是我们今天研发宽频带地震仪用到的主要技术。如图 12 所示分别是 20 世纪80 年代瑞士 Streckeisen 公司生产的 STS-1 和STS-2 型地震计，是现代高性能地震计的典型代许卫卫，中国地震局地球物理研究所研究员，主要从事流动地震台阵观测技术、地震仪器研制及测试等工作。主持过国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、中国数字地震网络工程子课题等项目。以第一作者在 BSSA、SRL、中国科学等学术刊物发表论文 11 篇。漫话地震仪与地震观测（二）许卫卫郭心59POPULARIZATION OF SCIENCE FOR DISASTER REDUCTION 减灾科普表，即使放在今天这两种地震计在性能上仍然是一流水平，在一些国家和地区的固定地震台站上有部分设备目前仍在服役。这里对现代地震计中采用的两项主要技术“力平衡负反馈”和“差分电容换能”做一简要解释。首先来看“力平衡负反馈”（图 13），仍以最简单的垂向悬垂弹簧式地震仪为例。在没有“力平衡负反馈”的传统设计中（图13 上），质量块的输出直接反映了地动量的大小，我们称为“开环”设计。在“开环”基础上，用一个机电转换把质量块输出信号经过一些电路处理后，再连接到输入端形成一个回路（图13 下），通过控制这个反馈回路的参数确保质量块一直处于静止状态，那么反馈回路提供的反馈力实际上就反映了地动量的大小，相应地我们称为“闭环”设计，通过闭环里的“负反馈”来实现质量块的“力平衡”。这么做有两个好处：首先就是由于质量块的运动会非常小，系统的线性度将提高很多，记录准确性大幅提高；其次由于反馈回路的引入，在机械部分不容易实现的性能可以通过电路部分得到补偿。加入反馈回路以后系统的性能由开环的机械部分和闭环中的电路部分共同决定，以固有周期为例，机械部分的固有周期如果比较小，通过电路部分就可以把整个系统的固有周期变大，即所谓拓频的概念。我们再来看另外一项重要技术“差分电容换能”（图14）。在这项技术出现之前地震仪主要采用的是前面提到的伽利津式电磁换能方式（图 14 左），利用质量块运动速度正比于输出电流，实现把地动量转换为电流输出。当在地震仪中采用“力平衡负反馈”技术以后，因为质量块的输出位移非常小，如果还采用电磁换能精度上就不太够，所以出现了图 14 右所示的“差分电容换能”方式。可以看到这个换能器主要由三块电容板构成，中间一块电容板的静态位置正好位于两边两块电容板中间，形成一个“半桥”式结构，中间电容板上下微弱的位移变化可以被这个“半桥”拾取到，检图12现代地震计“STS-1”（左）和“STS-2”（右）图13“力平衡负反馈”技术原理（来自Bormannetal.,2013,NMSOP）惯性力无反馈的地震计力平衡反馈地震计微小机械位移电流位移换能电压电信号位移或速度换能电信号大位移引起非线性惯性力反馈力60城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION测能力可达到皮米（pm）量级（1 pm=1.010-12 m）。设计的时候可以选择把中间电容板或者两边电容板和质量块连接在一起，剩下的作为仪器固定部分，这是现代宽频带地震计中采用的主要设计方式。地震仪发展到现在种类繁多，比如我们常听到的短周期、宽频带、强震仪、检波器等，每一个种类也有众多生产厂家，我们如何来区别这些设备？又如何根据需求选择合适的观测仪器？这个问题比较复杂，因为仪器的稳定性、耐候性以及功耗等指标均是需要考虑的因素。但从本质上讲，地震仪是一种测量设备，那么它能够测量的地面运动量的范围就是其最重要的一项指标。图 15 中横轴表示地面运动量的周期，纵轴表示地面运动量的幅度，每一种地震仪在这幅图上的测量范围对应一个区域，每一种地面运动信号也对应一个区域，所以仪器选择的基本准则就是根据位于图中不同区域的地面运动信号来选择测量区域较为契合的观测仪器。由于地面运动量的周期和幅度均超过 10 个数量级，用一种仪器满足所有观测需求是不现实的。宽频带仪器（Broadband）可以最高精度记录微弱的地面震动，但如果地面运动过于强烈，仪器记录将发生饱和，称为“限幅”。通过将位移或者速度记录转换为加速度记录（Accelerometer，或称强震仪），可以避免这种情况，但所谓有一利必有一弊，强震仪在强震时不会限幅，但是对于微弱地动量的检测能力却和宽频带设备相差甚远。在同一地点协同开展多种仪器的联合观测，有助于对地震引发的运动进行更为全面的描述。为了支撑区域内的地震监测以及地震学研究，很多国家都建立了以现代宽频带地震仪为主体的国家级地震监测网络。中国在 2007 年完成了中国国家数字地震台网的建设，今天我们从网页上、微博上看到何时、何地发生了多大级别的地震，背后就是基于这个台网提供的观测数据。一些发达国家除了有自己境内的国家地震台网，还建设了全球地震台网用于全球地震学研究，其中的典型代表是美国全球数字地震台网（GSN）。除了上述固定观测台网之外，最近二十年以来流动地震观测是地震学的一个新发展趋势，其中大型观测计划包括美国的图14电磁换能（左）和差分电容换能（右）（修改自Bormannetal.,2013,NMSOP）图15地震仪的“测量范围”（来自IRIS/PASSCAL网站）磁铁NSSNN相敏整流器输入信号输出信号接地等效地面峰值加速度（20logm/sec2）周期（秒）主动源区域地震远震宽频带加速度计加速度计STS-1STS-1地球潮汐动态范围M5.0M9.5中等周期短周期地球低噪声模型61POPULARIZATION OF SCIENCE FOR DISASTER REDUCTION 减灾科普USArray（美国地震科学台阵）、中国的 ChinArray（中国地震科学台阵）以及欧洲多国合作的 AlpArray（阿尔卑斯地区地震科学台阵）等。地震仪的应用地震仪是利用惯性检测原理记录地动过程的仪器，所以只要是引起地动的各种现象，理论上都可以通过地震仪记录的波形数据来研究。一直以来，地震仪都是监测地震、核爆的主要手段，近年来还被应用到滑坡、泥石流等自然灾害监测中。通过分析这些不同震源记录的波形差异，人们就可以研究不同的震源过程和机理。由于地震波在传播过程中还携带了地下介质的重要信息，所以地震仪观测数据也是推测地下介质结构信息的重要依据。当震源和介质结构搞清楚后，人们可以模拟大地震发生后产生的强地面运动过程，从而为建筑物的防震设计提供依据。篇幅所限，我们这里仅举两个应用例子。今天我们知道地球内部基本可分为地壳、地幔、地核，有着类似鸡蛋的圈层结构，那这些知识都是从何得知的呢？答案就来自我们的主题地震仪。作为第一个例子，让我们回到 20 世纪初，了解一下关于地球内部结构的第一个重大发现莫霍面，即地壳地幔边界的发现过程（图 16）。1909年 10 月 8 日，在克罗地亚首都萨格勒布附近发生了一次震级大约 6 级的地震（当时还没有震级量化的概念，后人估算），当时在欧洲已经建立了一定数量的地震台站，而且台站之间会经常交换地震记录。地震发生后，萨格勒布台的台长莫霍洛维奇（AndrijaMohorovicic）教授收集了附近地震台的资料，并把所有台站地震波到时信息按对应的震源距离绘制成如图 16 所示图形，图中横轴表示地震台和地震震中之间的距离，纵轴表示地震波记录初至波到达的时间。假设地下介质是一个均匀状态（当我们对地下一无所知时，这是最简单也是最合理的假设），那么随着地震台距离震源越远，初至波到达时间图16壳幔边界莫霍面的发现（修改自Prodehletal.,2013,Tectonophysics）就越长，然而莫霍洛维奇实际统计发现，如图中红线所示，在大约 300km 震中距附近初至波出现了两支，一支遵循原有的时距关系但很快消失，另一支出现了突然增速现象（图中斜率偏小的红色实线），如何理解这些观测结果？莫霍洛维奇给出了他的解释，如图 16 下所示，他猜测在地下 50km左右存在一个速度间断面，在此界面之下地震波速度出现跳变，当震中距超过 300km 左右地震波在这个速度间断面发生折射现象，这样一来就完美解释了观测数据，但这仍然只是一个猜想。随着观测数据积累，之后在地球上其他不同地区，不同的研究人员也发现类似情况，证明了这个界面是一个在全球范围内存在的界面，为了纪念莫霍洛维奇教授的贡献，人们把壳幔边界以他的名字命名为莫霍面（Moho）。如今通过地震波探测方法人们已经获得莫霍面在全球的地幔地壳MP,S（Pn，Sn）P,S（Pg，Sg）T100 13133 49MHE720kmh54km300km解释：地下存在速度间断面定义：莫霍面（壳幔边界）震源距离（km）时间（分钟）62城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION深度分布，地壳最厚的地方位于我国青藏高原，超过 70km，最薄的地方位于大洋中部，只有几公里。要说明的是莫霍面到目前为止只是基于地震仪观测数据发现的一个地震波速度间断面，这种地震波波速差异背后的原因是什么，壳幔之间物质的物理性质和化学成分到底是怎样的，在过去的半个多世纪里，人类一直在努力尝试通过大陆、大洋深钻等方式直接打穿莫霍面，但直到现在也没有成功。发现莫霍面之后，基于地震波观测人们又发现了核幔边界、内核和外核边界，近些年有学者基于新的观测资料又提出，在内核内部可能还存在一个“内内核”。第二个例子让我们将目光移向远方。到目前为止人类已经成功将地震仪带到了月球、火星上，它们摇身一变就成了“月震仪”“火震仪”。这些仪器的观测数据是我们了解星体内部结构以及演化历史重要的信息来源，通过“比较行星学”重新来审视我们的地球有助于更好地理解地球的过去、现在和未来。20 世纪 60 年代末 70 年代初，美国“阿波罗”计划先后六次登月成功，宇航员们除了进行月面环境科学考察图17“月震仪”和“火震仪”（修改自Nunnetal.,2020,SpaceSciRev及NASA网站）月震仪火震仪外，另一项重要科学任务就是布设“月震仪”（图 17），基于这些仪器的观测数据，科学家们推断了月球的内部结构，揭示了月震时空分布规律等重大发现。2018 年 5 月 5 日，美国“洞察”号火星无人着陆探测器升空，经过半年多的飞行后于 11 月 26 日在火星成功着陆，探测器中搭载着目前最为先进的行星地震仪，基于前期观测数据目前已获得关于火星内部结构的多项重要认识。最近中国探月工程中嫦娥七号任务已经批准立项，月震仪作为重要载荷将登陆月球南极，借此利器，中国人有望率先对月球未解之谜中一些重大问题给出答案和证据，从而在行星探测领域占据重要一席。2021 年11 月，行星科学经国务院学位委员会批准成为一级