0 引言

发展于20世纪50年代末的地震台阵，是以一定几何形状和数量的地震台站（大多有9—25个子台；台阵探索期有的台阵布设500多个子台；有的台阵含多个子阵）布设的固定永久台阵，是60年代初全面禁止核试验条约组织（简称CTBTO）用以监测有核国家核试验的有力工具（Keen et al，1965；Frosch et al，1966；Whiteway，1966）。此固定永久地震台阵与三分向地震台站、次声、水声和放射性核素台站组成国际监测系统（简称IMS），为执行全面禁止核试验条约（简称CTBT）服务（https://www.ctbto.org/）（Bondár et al，1999；Wuster，2000；王海军等，2005；Murphy et al，2005；苏亚军等，2012；Gibbons et al，2012；Gibbons，2014；郝春月，2016），与美国台阵、中国地震科学探测台阵及其他临时或流动的密集台阵有着本质区别。其中：①美国台阵简称USArray，是以北美地壳上地幔地质构造、板块构造反演，从微震到大震破裂过程为研究目的的以几百套仪器组成的流动台阵（Bao et al，2016；Wu et al，2020）；②中国地震科学探测台阵简称ChinArray，是以深部地壳和地幔结构特征、区域地震活动性和地球物理场演化规律为研究目的的由几百套仪器组成的流动台阵（鲁来玉等，2009；袁松湧等，2009；李娜等，2018；）；③其他临时或流动的密集台阵是以其他地下结构和科学研究为目的的成百上千套仪器组成的台阵（王伟涛等，2015；Wang et al，2017, 2020；李敏娟等，2018；Tian et al，2018；Wei et al，2018；孙天为，2019；李俊伦等，2019；王凯明，2019；Gu et al，2019；田原等，2020；Kaiming Wang et al，2020）。

地震台阵是为某一监测目标而建设的地标，永久存在，有其历史渊源与传承，且各具特色。比如：①著名的挪威的NORSAR（Norwegian Seismic Array），建于1971年，1976年从100 km孔径的22个子阵降到50 km孔径的7个子阵（Ingate et al，1985；Der et al，1988；Gibbons et al，2008）；②加拿大的YKA（Yellow Knife Array），建于1963年，是伯克纳型（十字交叉型）台阵的代表（Rost et al，2002b, 2006；Koper et al，2009）；③德国的GERESS（German Experimental Seismic System），建于1990年，是1977—1980年间美国、英国、苏联针对CTBT鉴定协议后，由远震监测转成区域监测的区域型地震台阵的代表（Harjes，1990；Thomas et al，2002；Schlindwein，2003），还有日本的MSAS（Matsushiro Seismic Array System）；④美国的TXAR（Texas Array）、哈萨克斯坦的MKAR（Makanchi Array）等。Douglas等（1999）研究证实，地震台阵的建立降低了全球核爆炸监测下限，同时证明了地震台阵在核查监测中的重要地位。除了对核查监测的贡献，地震台阵的出现对地学研究产生了巨大影响（Birtill et al，1965；Doornbos et al，1972；Capon，1973；Kanasewich et al，1973；Berteussen，1976；Harjes，1982；Ingate et al，1985；Husebye et al，1989；Hedlin et al，1991；Goldstein et al，1992；Arlitt et al，1999；Cotte et al，2000；Hao et al，2010；Gibbons et al，2011, 2019）。

台阵具有降低噪声的有效技术手段及超强的检测能力，USArray甚至在流动台阵布设中设立机动台阵（Flexible array），即在流动台阵扫描美国大陆的阶段性进程中，如发现异常区域，则启动机动台阵，按照几何方式配合地震台阵的建设流程建设临时地震台阵，利用地震台阵技术提高异常区域的分辨率，从而获得异常区的高清数据和精细结构。与固定永久地震台阵不同，科学台阵和密集台阵是为某一科学研究所采取的技术手段，采用短期记录，随着项目的建立而建设、流动，随着项目的结束而封存，一般项目周期为2—3年，而ChinArray，计划的工作周期稍长，是在15—20年内分7个阶段完成实施。

随着我国社会经济发展与科学研究的进展，各种地震台阵建设不断展开，为了区分我国的地震台阵，业界曾经把地震台阵称为“小孔径台阵”，孔径小是地震台阵的一种特点，却不能描述其固定永久台阵、核查监测、台阵特有技术的本质，与科学台阵的流动性、多仪器、大面积、地学反演技术特点中的大面积布设对比，经常混淆。随着人们对地震台阵认识的增加，现在的固定台阵或“小孔径台阵”还名为“地震台阵”，科学台阵和密集台阵被称为“科学台阵”。根据2种台阵各自的特点，即核查与科研、固定与流动、永久与临时，还可用“核查台阵”与“科研台阵”、“固定台阵”与“流动台阵”或者“永久台阵”与“临时台阵”加以区分。

1 NEIC与GSN地震监测能力分析

国家地震信息中心（简称NEIC）于1973年成为美国地质调查局的一部分，1974年从科罗拉多州的博尔德市迁移至戈尔德市，其数据来源为美国国家地震台网（简称NSN）和全球地震台网（简称GSN）。NEIC尽可能快而准确地对外提供世界范围内所有重大地震的大小和规模，并且每月出版《地震数据报告》（EDR），提供详细的地震信息，主要供地震学家使用。

国际地震中心（简称ISC）的公告（Bulletin）是其主要输出，被视为地球地震活动的权威记录。ISC公告包含1900年至今的地震目录数据。已审核的ISC公告（若有足够数据，由ISC分析师手动检查并重新定位）通常比实时时间晚24个月，目前发布时间截至2017年12月1日。ISC公告依赖于世界各地地震机构提供的数据，其中包括IDC提供的地震目录。这些数据（可能包括震中、震相到达时间、震源机制等）会自动分组为事件，构成ISC公告的基础。自动阈值处理过程决定是否应由ISC分析人员/编辑者手动审核每个事件，取决于可用数据，ISC分析人员/编辑者也将对其进行重新定位。

NEIC与IDC提供的2016年日本俯冲带（37°—48.5°N，127°—144°E）地震目录分别包含352条和1 049条地震（已审核地震目录），最低震级分别为3.8和2.5（图 1）。该区有5个所属GSN的地震台站，分别为日本的MAJO和ERM、韩国的INCN、中国的MDJ和俄罗斯的YSS[图 2(a)]；3个所属IDC的地震台阵，分别为韩国的KSRS、日本的MJAR和俄罗斯的USK[图 2(b)]。由图 2可知，NEIC的台站分布和台站数均优于IDC，但IDC检测的地震数是NEIC的3倍，最低震级比NEIC小1.3。

2 IDC与CENC对中国地震事件的监测能力分析

为了给CTBTO的核查监测提供技术手段，科学专家组提出地震台阵的概念，利用台阵技术压制噪声，检测远处微弱的信号。IMS作为CTBTO的主要监测系统，要建设37个地震台阵，其中30个主要地震台阵，7个辅助地震台阵（图 3）。IMS台阵要求最少配备9个短周期地震计（单分向）、1个长周期三分向地震计（或宽频带三分向地震计）。IDC是CTBT核查机制的数据处理系统，收集、处理并分析来自IMS系统的337个设施的数据，并向成员国提供事件列表、公报（REB：Reviewed Event Bulletin）和报告。根据Kvaerna等（2013）的分析，IMS/IDC对中国大部分地区地震事件的监测能力可达3.2级，一些优质台阵，如MKAR、KSRS、ZALV，可监测到震中距20°左右3.3—3.5级地震（图 4）。

中国地震台网中心（简称CENC）收集汇总我国各省级地震台网目录，并给出正式地震目录。我国西部地区地震台站分布稀疏，地震监测能力较弱。根据西藏地区2019年地震目录，可知西藏地震台网监测的具有最小纬度、最大纬度、最小经度、最大经度的4个地震分别发生在印度、安多、克什米尔和芒康，最小震级为2.5，监测到他国的最低震级为3.1（表 1）。根据新疆地震台网2019年地震目录，可知该台网监测的具有最小纬度、最大纬度、最小经度、最大经度的4个地震分别发生在克什米尔、俄罗斯、塔吉克斯坦和蒙古，最小震级为2.2，监测到他国的最低震级为2.2（表 2）。把代表中国西部地区地震监测极限的8个地震震级进行平均，可得平均震级为3.1，表明我国西部地区对边境地震的监测下限平均在3.1级左右，与Kvaerna等（2013）给出的IMS对我国大部分地区的监测能力相当[图 4(a)]。我国西藏地震台网和新疆地震台网共下辖75个地震台（地震台阵未参与地震目录产出），国际机构在我国西部地区能够获取数据的台站有3个，分别为西藏的LSA台、新疆的WMQ台和WUS台，其中LSA和WMQ台同属CDSN/GSN（中美合作台站），而WUS台（中法合作台站）属于GEOSCOPE（法国全球宽频带地震台网）。这意味着，地震台阵对远距离小弱地震的监测能力远高于当地区域地震台网的监测能力。

3 我国地震台阵监测能力研究

由于各方面原因，我国地震台阵未参与地震目录的产出工作，这无疑是一个巨大损失。随着研究的深入，以地震台网产出目录为基础的科学研究，逐渐不能满足工作需要，形成难以突破的壁垒，这也是流动台阵和临时密集台网/阵建设的原因。自2001年上海地震台阵、海拉尔地震台阵、兰州地震台阵相继建成以后，我国又陆续建设了那曲台阵、和田台阵、漳州台阵、福清台阵、格尔木台阵、曲松台阵（图 5），台阵孔径（台阵子台间最远距离）均在3 km左右。为了探知我国地震台阵的实际监测能力，中国地震局地球物理研究所地震台阵技术学科组进行了以下研究，即台阵加入地震台网的监测能力和台阵监测能力的分析与研究。

3.1 台阵加入地震台网后监测能力分析

郝春月等（2006）计算了CDSN和CDSN/IMS台阵的监测能力，结果表明，加入IMS/PS台阵的CDSN台网，其定位能力明显提升，各震级上定位能力范围大幅度扩展。对于MS 7.0地震，由于2个台阵的加入，从不可全球定位变为可以全球定位。而且，其定位能力分布图也发生有趣的变化，就像以两台阵连线方向为长轴的椭圆，表明在两台阵的连线方向，其定位能力优于其他方向（图 6）。

3.2 HILR台阵记录的地震实例分析

郝春月等（2017）对HILR台阵与HIA台站记录的2个爆炸事件进行了分析，得出以下结论：在同等震中距条件下，HILR台阵可以记录到普通台站（HIA）记录不到的信号，而且信噪比更高（信噪比是普通台站信号的16.8倍），普通台站仅记录到微弱信号（图 7）。

对海拉尔地震台阵（HILR台阵）记录波形进行分析，发现该台阵可记录东北深震区较低震级的地震。文中给出2003年4月1日3时56分3.1级（震源深度421 km）和2003年7月29日12时30分3.5级（震源深度500 km）2次深震波形，见图 8，2次深震目录取自ISC（图 9）。根据3.1级地震记录信噪比可以推断，海拉尔台阵可将我国东北深震记录下限降低到400 km深度2.5级地震。HILR台阵与2次深震的震中距分别是1 523 km和1 500 km，震源距分别是1 600 km和1 581 km，由图 4(b)可知，HILR台阵的监测能力与MKAR和KSRS相当，属于优质地震台阵，比距离1 500 km的NEIC地震台网的监测下限（约为4.0级，https://www.usgs.gov/natural-hazards/earthquake-hazards/connect）约小1.5级。

3.3 和田台阵与新疆地震台网的监测能力分析

周玲（2017）对和田台阵波形数据进行分析，结果表明，在（35°—39°N，77°—81°E）范围内，2015年6月，新疆地震台网记录地震31个，最小震级为1.0，而和田台阵记录地震875个（图 10），大部分是小弱地震，监测下限可达-0.95级。

由图 10可见，在一定范围内，和田台阵填补了新疆地震台网的监测空区，大幅度提高了新疆西南部地区的地震监测能力。

4 日益密集的地震台网和流动台阵能否取代地震台阵

随着我国经济地飞速发展，地震事业得到空前发展，大型流动台阵、临时密集台网/台阵、科研型临时地震台网/台阵布设频繁。这些地震台网/台阵能否取代地震台阵呢？如果建立更加密集的地震台网，是否能够取代地震台阵？

地震台阵的本质是，一定数量、装备相同的子台，利用相应技术手段，联合压低当地背景噪声，将普通台站波形中肉眼不可见或微弱信号凸显出来。台站与台阵的关系相当于肉眼与放大镜的关系，放大镜的倍数（N1/2）取决于子台个数。对于密集放置、具有“肉眼目力”的多个台站组成的密集台网/台阵，不会因为密集放置而提高每个台站或整个台网/台阵的“目力”，对于微弱信号则判定为无用信号，因为信噪比低的信号会造成较大误差，影响研究结果；而对于肉眼不可见的信号，则当作背景噪声处理。相反，对于微弱信号，具有放大3倍（9子台地震台阵）或5倍（25子台台阵）效果的地震台阵，则可以提高其信噪比3倍或5倍，并且进行精确定位；台阵记录中没入背景噪声而不可见的信号，也会在提高信噪比后变得肉眼可见，并能进行定位。这就是地震台阵监测能力优于密集台网/台阵监测能力的原因。

地震台阵的建设，必须经过室内作业、室外勘查、精心设计等步骤，对孔径也有一定要求。野外踏勘一般持续1—2个月，有时为了获得计划中台阵的监测能力，必须确定短期或根据季节变化的噪声/信号的可靠相关性估计，从而导致勘址观测周期延长（约半年），测量区域覆盖计划台阵的整个孔径（Harjes，1990）。因此，在一般情况下，地震台阵的监测能力优于流动密集地震台网/台阵，对于特定的国外目标地区的监测需求，地震台阵仍无可替代。

4.1 机动台阵——USArray的放大镜

进入21世纪，美国国家科学基金会（NSF）为地球科学研究设立了规模空前的第2轮开创性科学研究计划“EarthScope”（也称地球透镜计划）。USArray由NSF子项目资助，有4种观测模式，即流动台阵（Transportable Array）、机动台阵（Flexible Array）、参考台网（Refence Network）、大地电磁台阵（Magnetotelluric Array）。以固定台网为参考台网，大地电磁台阵用于对特别感兴趣地区的地壳和岩石圈电性结构的研究。因此，地质构造、板块构造的反演和地震破裂过程等研究主要由流动台阵完成，如果有更高分辨率需求以及精细结构研究，机动台阵就可以布设灵活的几何形状，利用天然或人工震源，为流动台阵提供高密度的短周期观测。可以说，机动台阵就是临时的地震台阵，是流动台阵的补充与延伸，根据具体情况临时布设，采用天然地震或人工震源获得高质量数据（http://www.usarray.org/）。由此可见，地震台阵和地震台网、科学/密集台阵不在一个应用需求区间，是互补关系。

4.2 地震台阵是为监测某目标精心设计的与环境高度统一的监测系统

地震台阵是带有监测目的，与当地地质条件高度契合的监测系统。有别于地震台网和密集流动台网/台阵，其设计需求主要包括以下方面：①地质需求：台阵要建设在远离断层及地质构造复杂的区域；②几何形状需求：根据不同目的设计不同形状，有交叉型、L型、环形、子阵组合型；③台间距需求：子台间信号相关系数随子台间距的加大而减小，交叉型台阵的子台间距与环形台阵半径的选取要达到信号的最大相关与噪声的最低相关；④子阵组合需求：针对不同方向、不同震中距的地震，台阵一般有优选子台组合，以达到最精确的定位。

密集流动台网/阵的台站布设密度要大于现有固定台网，且应用仪器一致，以地壳上地幔地质构造、板块构造的反演、区域地震活动性等为研究目的，而地震台阵的目的是监测某一地区弱小地震。由于2种台阵的研究目的和数据处理方法不同，其台站布设方式也不同。密集流动台网/台阵的台站布设，除考虑台间距以保证数据分辨率外，并未考虑上述条件。因此，目前针对某地区的弱小地震，与环境高度契合的地震台阵的监测能力最强。

4.3 需要建设地震台阵的几种情况

20世纪50年代末，为了给CTBT提供技术手段，科学专家组提出了地震台阵的概念。这是在不允许布设台站的情况下，在远处监测微弱信号的方法。地震台网中的台站分布在各个方向，能够较好地监测网内发生的地震。在不允许建设台站的地区，要想监测该区地震事件，尤其是针对以逃避监测为目的的微弱信号，不建设地震台阵是无法实现的。在某些边境地区，虽然我国地震台站距离监测目标较近，但由于地理原因，边境台站不能较好地组成地震台网，绝对定位能力弱，此时需要建设地震台阵。在另一些地区，由于地理原因，人迹罕至，无法建设或维护地震台站，为了完成监测任务，也需要建设地震台阵。对于以科学研究为目的流动台阵和密集台阵，若在复杂区域，所布设的流动台阵无法满足分辨率要求，也可以建设临时地震台阵，采集高清数据，揭秘地下精细结构。在海洋或油田、水库等的监测中，无法靠近监测区，又需要监测微弱地震信号，可以根据具体情况建设地震台阵。

5 结论与讨论

由以上统计结果可知，国内外地震台阵的监测能力均远超地震台网，对某一地区，一个高质量地震台阵的监测能力远高于当地区域地震台网。一般情况下，对于同一地区，地震台阵可监测地震数是地震台网的3—10倍，震级下限可下降1.2—2.0。

由于经济、政治、地理、民生等原因，诸多地区不适宜或不允许建设地震台站，但又有监测需求，这时可以在稍远处地区建设地震台阵以达到监测目的。根据监测需求和目的，可以设计并建设适宜的地震台阵。地震台阵的选址除了要达到一般台站要求外，还要求所选地区地下结构均匀，保证在3—5 km的台阵孔径范围内，子台记录信号具有高度相关性，从而达到最大的信号相关和最小的噪声相关。因此，台阵勘址时间比一般台站勘址时间长，时间长短根据监测需求不同，有时为达到监测目的，需要考虑季节对噪声的影响，勘址时间可达半年之久（Harjes，1990）。

根据郝春月等（2017）的研究结果，在震中距约10°范围内，我国HILR台阵的监测下限是2.8级地震，而标准国际合作台站HIA的监测下限是4级地震。地震台阵相对于普通台站/台网的放大镜效用不仅体现在同等震中距的小震检测，还体现在深震检测上。研究表明，HILR台阵在日本俯冲带地区（37°—48.5°N，127°—144°E）的监测极限可达400 km深度的2.5级地震，从而达到IDC对该地区的监测能力（http://www.isc.ac.uk/），超过JMA（日本气象厅）对此地区的监测能力（2016年JMA为ISC提供的日本俯冲带地区400 km深度以上地震目录的最低震级为3.2，http://www.isc.ac.uk/）。如果国内台阵参与地震目录的产出，无疑会提高我国对东北深震带、印巴地区、青藏高原西北缘等位于台阵区域距离（震中距10°—30°）内的小弱地震的监测能力，产出的小震目录可弥补当地地震台网监测能力的不足，填补部分关键地区（尤其是边境地区）小、弱地震目录的空白，增加我国地震监测实力；在科学研究上，对地震活动性、断层带分布、地震预测模型建立、破裂过程和地下结构的研究等均具有重要意义。

地震台阵与密集台网/台阵和科学台阵是目的、性质、孔径、形状、台间距、技术手段、研究方法都不同的监测系统。密集台网/台阵和流动台阵在布设过程中考虑的因素与地震台阵完全不同，一般情况下，以微弱信号检测为目的的地震台阵的监测能力优于以结构研究为目的的密集台网/台阵。它们有着不同的应用与研究方向，但是又可以根据具体需求组合使用。比如，流动台阵在某地区需要更高分辨率的监测数据，可组建临时地震台阵进行观测，或者利用已有地震台阵数据；地震台阵在监测某目标时需要更多证据，可结合某些特定位置的密集/科学台阵数据加以判断。

地震台阵发展多年，已经形成台阵地震学。随着我国对地震台阵的建设和重视，地震台阵与现有地震台网联合进行地震定位或多台阵地震定位，将成为地震应用的发展趋势。随着地震台阵技术在国内的应用研究以及相关软件的开发，将搭建地学研究与核查应用的桥梁，实现我国ChinaArray或密集台阵建立机动台阵的梦想。