论文摘要
地震台阵作为研究地震学的一个有力工具,采用被动源和主动源相结合的地震台阵探测技术,可以提供不同深度范围和不同尺度分辨率的地壳岩石圈结构,具有重要的理论和实际意义。对特定区域进行高精度、较大范围、随时间变化的深部探测以及对震源体结构进行高分辨的三维探测可查明地震发生的深部构造环境和深、浅部构造关系,还可根据地震波信息对孕震区介质的物理特性及其变化进行4D观测、成像与研究。利用地震台阵较强的获取信号能力可以为我们研究地球内部介质的各向异性以及地球动力学提供有效的数据质量保证,为大陆动力学和地震监测预报提供基础资料和新的研究途径。目前地震台阵已成为全球地震监测网的重要部分,是一种先进的地震观测技术,在地震监测预报和防震减灾方面具有重要意义。宽频带流动地震台阵观测技术对于揭示地震形成的环境条件可以发挥重要作用,配合相应的数值模拟研究,宽频带流动地震台阵观测研究的结果将对研究地震形成的机理及其预测发挥重要的不可替代的作用,宽频带流动地震台阵日益成为地球动力学和构造物理学研究的重要手段之一。根据高精度远震观测数据,可以确定地球内部的精细结构、横向不均一性、各向异性和深部构造特征,揭示地球深部动力学过程和机制,为板块构造理论、大陆动力学理论提供基础依据,并可进一步探索地震和地质灾害与地球动力学过程的关系。地震台阵探测研究逐渐显示出特有的优势,世界各国相关研究机构纷纷加强了地震台阵观测系统的建设,并开始加大对大规模流动台阵的观测研究。随着地震观测能力和计算机技术的异常迅速发展,用高新技术构成的新一代宽频带数字地震观测系统也不断发展,国际上用于多种科学目的以及经济和军事需求的、不同类型和空间尺度的现代化地震观测台网(阵)不断涌现(如GDSN、IRIS的GSN和PASSCAL、ISMS、GEOSCOPE、日本的POSEIDON、欧洲的ORFEUS、德国的GEOFON、台湾的BATS等),一些重大的区域性或全球性的地震科学发展计划已经推出和执行,有的已取得明显效果。研究大陆岩石圈的由1000套地震仪组成的流动地震台阵(PASSCAL)计划正在执行中,现已开展了多方面的科学研究。随着中国科学探测台阵观测系统的建成,大规模流动地震台阵观测项目不断开展。其中,在川滇地区安装进行的由约300套宽频带地震仪组成的“活动地块边界带动力过程与强震预测”项目观测和中国地震局地球物理研究所在首都圈地区进行的约250台地震仪台阵实验探测项目最具代表性。在川滇地区安装架设的由约300套宽频带地震仪组成的大规模流动地震台阵探测,其仪器规模相当于目前国家测震台网的两倍,超过全国区域测震台网台站总数的三分之一,台阵观测一年的原始数据产出量超过4TB。大规模流动地震观测采集数量还会随着时间不断膨胀,地震台阵数据的传输汇集、海量存储和高效管理便成为台阵研究面临的首要问题,这对流动数字地震台阵数据的有效管理和自动处理提出了前所未有的迫切要求。流动数字地震仪器采集的数据分散存储在众多存储介质中,为了开展研究的便利,需要对数据进行进一步集中保管、处理和利用,即需要把所有数据按照统一的适合科研需要的格式进行统一归档。目前数字测震台网的数据管理和处理已经比较成熟。其中以美国IRIS的NetDC、欧洲测震台网的SeisComP和中国国家测震台网的数据管理系统为代表,已经实现了测震台网数据的汇集管理、存储共享和一定程度上的自动处理。地震台阵有其流动性、密集性和数据关联性的独特特点,数据管理上既要保证高效管理众多台阵仪器的相关参数,又要保证方便地修正、转换观测记录的数据并汇集数据中心,地震台网的数据管理方案不能完全满足实际需要。在流动地震台阵观测数据管理方面,美国PASSCAL数据中心采用了价格昂贵的Antelop软件包,欧洲则以仅限数据归档和汇集功能的NetDC为主,并不包含地震数据处理功能。SeisComP是为适应台网管理的需要开发的,在管理台阵方面有不少地方满足不了实际需要,但其中的数据通讯、归档结构和处理模块等部分对台阵管理是通用的,在SeisComP基础上可以加以修改以适应台阵的处理要求。本文详细介绍了可用于流动地震数据管理和自动预处理的SeisComp软件及其数据的归档结构,针对台阵仪器众多、参数配置繁琐和数据处理环节复杂的特点给出了基于SeisComP部分软件包台阵数据的一种高效管理方案,整合了数据格式转换和参数修正等处理环节,实现了台阵数据的自动归档和地震信息的自动提取,可以提高数据的管理效率,并方便台阵数据信息的及时发布和共享。随着地震台阵数据的积累,数据量会非常巨大,所有数据不可能全部放在一个大的数据中心,这时可以考虑把台阵若干部分的台站组合为多个虚拟台网,这样数据分散存储各个虚拟台网数据中心,各个分散的数据中心的交换和共享问题便成为数据查询和使用的关键问题。基于SeiComP的台阵数据管理方案中,可以使用ArcLink软件包实现地震数据的交换和发布,数据的查询和获取只需在同一个网页上交互进行。ArcLink可以用来请求归档的非实时波形数据及相关的元数据,适合分布归档数据的存取,ArcLink请求处理模块支持不同的数据归档结构作为独立的数据源,支持SDS(Seiscomp Data Structure)归档结构。ArcLink请求处理状态可以实时查核,当被请求的数据准备好后就可以下载了。请求提交、状态检查、数据下载都是通过ArcLink TCP/IP连接。所有的数据并不需要保留在RAM,所以数据产品可以非常大。数据产品会一直保存在服务器端,直到被客户端请求删除。当发生网络错误时可以重新下载指定段的数据。ArcLink具有路由能力,用户并不需预先知道需要从哪个服务器请求数据。TCP连接传输时间不会影响处理时间,获取台站元数据跟FTP/HTTP下下载一个压缩的XML文件类似,这通常比基于CORBA的协议要快得多。大地震的数据交换和信息快速产出及发布对抗震救灾有着极端重要性,实时地交换和共享各个区域地震台网的速报结果,特别有利于快速判断大地震发生的情况,从而尽可能地改善对破坏性地震及海啸等的快速评估能力和有效应急反应。地震观测信息系统建设需要立足在大地震的快速响应上。地震监测系统和地震信息系统在大地震时应该产出和快速发布的信息应该包括地震速报、海啸警报、主地震的波形、余震情况、地震的发震背景(构造背景和历史地震)、地震的能量、地震灾害和烈度评估、地震模拟等。当一个有感地震发生时自动广播地震消息和评估该地震的可能影响,对于离震中一段距离的地区,可能的话在强震到达几秒钟前给出警告将减少降低地震的损失。我国在大地震速报快速统一震级方面的工作和技术是卓有成效的,近年推广的EQIM网络大地震速报数据共享系统可以快速有效地统一震级并提供相关地震信息。其他国家地震台网在大震速报方面也开展着很多研究工作。EIDS(Earthquake Information Distribution System)是USGS数据中心与ANSS(Advanced National Seismic System)地震台网实现信息同步的框架,QWIDS(QuakeWatch Information Distribution System)是EIDS系统的一部分,用来实现端对端的XML报文发送地震速报发布。对一个破坏性的地震事件信息必须尽可能快速地发送到终端用户来即时应对灾难,目前很多数据实时交换系统是基于email形式的,这种交换性能取决于email服务器负载,emails交换可能延迟至数分钟。QWIDS/EIDS基于CORBA协议的机.机直接连接,交换事件所用时间在数秒左右。在SeisComP台阵数据管理系统中,可以从seisComp软件中自动快速定位的结果可以得出地震事件信息,对于得出的大震事件可以通过QWIDS进行地震信息及时地发布和报警。但快速定位结果精度及地震可能的破坏范围和程度的快速评估是复杂困难的,而且报警机制的协调也是复杂的,真正做好大震报警任重道远,还需要做更深入更细致更多的研究工作,本文只是讨论了一个大震速报的软件技术实现框架。论文主要内容包括以下五个部分:第一部分交代了论文研究问题的背景,简要概述了地震台阵的概念及研究现状,回顾了地震台阵数据管理的相关研究状况,分析了目前地震台阵数据管理面临的问题,阐明了本论文研究的目的、意义和基本思路。第二部分介绍了数字地震记录的要求,总结了目前常用的多种地震数据格式,并比较了各种数据格式的应用优缺点。介绍了论文研究项目的地震台阵观测系统及仪器采集数据格式,针对台站所处环境的特点讨论了地震台阵的数据传输方式。第三部分简要概述了台阵地震数据的震相拾取和地震定位等的处理过程,介绍了地震定位Geiger法及LocSAT软件定位原理,给出了根据走时表计算地震走时的步骤。第四部分概述了SeisComP软件包的结构和功能,给出了基于SeisComP地震台阵的数据管理完整方案,详细介绍了SeisComP软件参数的配置及数据通讯的细节,并针对台阵数据的特点讨论了数据的存储备份模式。第五部分介绍了Web Services在地震台阵信息服务框架中的应用,给出了基于Web Services集成地震信息服务的组建框架。详细介绍了WebDC框架下ArcLink分布式数据的发布共享机制,结合SeedLink给出了用SeedLink给ArcLink提供数据源的数据发布方案,针对目前ArcLink页面查询的不便,提出了加入WebGIS查询页面的设计。介绍了目前在地震机构使用的地震数据管理与服务的其它系统及特点,以供相互比较参考。针对地震大震报警系统需求进行了探讨,给出了QWIDS地震信息报警系统的介绍,结合SeiComP中给出的地震自动快速定位结果,提出了台阵大震速报和报警设计方案。第六部分总结了论文的研究内容,概述了基于SeisComP台阵数据管理系统设计的运行性能以及结合QWIDS实现地震信息交换和速报的设计可行性。对目前数据管理仍面临的问题做了分析总结,为台阵数据管理的进一步的改进进行了探讨和展望。