0 引言

1945年7月16日清晨，人类历史上第一颗原子弹“小玩意”在美国新墨西哥州阿拉莫可沙漠成功完成爆炸试验；同年8月6日，美国在日本广岛上空投下名为“小男孩”的原子弹，使这个25万人的城市转眼间变成废墟，死伤超过13.6万人；3天后，日本长崎遭受同样命运，17万人中死伤超过8.6万，2个城市的毁坏程度达60%—80%。至此，核武器出现在人类武器库名目中。

核爆炸对人类危害极大，人们为了禁止核试验做出种种努力。禁止核试验条约的谈判自20世纪50年代末开始，日内瓦裁军谈判特设的科学专家组在1958年提出建设地震台阵以监测与识别远处地下核试验的构想，主要为了给禁止核试验提供核查手段。专家建议全球地震台网的180个小地震台阵，每个台阵布设10个垂直向短周期地震仪，附加2个水平向短周期地震仪和1个长周期地震仪，分布在孔径几千米范围内。1959年美国增加几点建议，其中包括建立几个大孔径台阵来补充日内瓦型台阵（郝春月，2016）。20世纪60年代初期，英国开始在本土和国外建设几个中尺度地震台阵（孔径约25 km），包括苏格兰的EKA、加拿大的YKA、澳大利亚的WRA、印度的GBA和巴西的SAAS，并提出通过聚束估计初至信号方位和虚波速度的概念，后来建设的LASA和NORSAR台阵均用到这一概念。20世纪60年代中期和70年代，美国建立了大孔径台阵（美国蒙大拿州的LASA、挪威奥斯陆地区的NORSAR、美国阿拉斯加的ALPA）。随着国、美等国地震台阵的建立，一套地震台阵的方法也逐渐应用起来，形成了台阵地震学。

加拿大黄刀地震台阵（YKA）自1962年建设以来，经过几十年的运行和改建，现已成为加拿大地震台阵建设样板。借中国全球测震台网建设之机，调研该地震台阵，借鉴其建设经验，助力我国全球台网的建设和发展。

1 简介

1958年10月，苏、美、英三国关于停止核武器试验在日内瓦举行会谈。1963年8月美、苏、英三国在莫斯科签订《禁止在大气层、外层空间和水下进行核武器试验条约》（又称《部分禁止核试验条约》），至1989年共有129个国家参加该条约。20世纪60年代开始，美国、英国和一些国家开始了利用地震学方法探测和识别地下核爆炸的研究项目，旨在监督各国遵守全面禁核协议。1962年，英国国防部（British Ministry of Defence）和加拿大国防研究委员会（Canadian Defense Research Board）讨论了在加拿大建设地震台阵的可能性，并达成协议：英国提供并安装所有设备，加拿大提供场地，并由矿业和技术调查部（Department of Mines and Technical Surveys，现为加拿大自然资源部Natural Resources Canada）提供地震台阵所需的技术人员，共同建设台阵。

黄刀地震台阵位于加拿大西北地区的黄刀镇郊区，于1962年底完成建设，1970年起进行升级改造，至2012年建成为太阳能和热力发电的混合能源供电、计算机采集系统、无线电通信、数字地震仪以及24位数据采集等设施为主的现代化台站，监测各国对《禁核试条约》的遵守情况，至今已记录全球数以万计的地震事件，成为研究加拿大和全球地震的样板台站；并记录到大多数地下核爆炸，被加拿大列为对国际监测系统（IMS）的主要贡献。

2 台阵建设

地震台或台阵的台址若位于“地震平静”区，则对于远震事件最为灵敏。因此，台阵宜选择远离海洋、周边地质环境稳定的台址，并尽可能远离人为地震噪声，如车辆或重型设备产生噪声等。英国和加拿大按此原则，在黄刀镇郊区选择了一个理想的台址。该台址位于加拿大盾构上，相对于已知核试验点而言是良好的观测点，而且远离海岸线、市区，可以有效避开人为干扰，并拥有良好的通讯设施。

黄刀地震台阵属于中尺度地震台阵，台阵孔径25 km，由19台短周期地震仪组成，沿正南正北以“十”字形布设，并布设4台宽频带地震仪，台阵布设见图 1。

短周期地震仪和宽频带地震仪安装见图 2。其中，短周期地震仪固定在基岩上，上罩一个防风雨的钢质箱体。宽频带地震仪安装于在基岩上挖出的隧道中。台阵东南约50 km位置建有观测中心，用于记录和存储数据。短周期地震仪和宽频带地震仪记录的数据均通过无线方式传回黄刀地震观测中心大楼。

3 数据传输

黄刀地震台阵由英国提供仪器设备，加拿大提供场地和技术人员，是目前IMS（国际监测系统）的最灵敏台阵。观测数据被准实时传输到位于加拿大渥太华的地震实验室，并最终传输到位于维也纳的国际数据中心（IDC）。黄刀地震台阵数据传输链路示意见图 3。

黄刀地震台阵的19台短周期地震仪和4台宽频带地震仪记录到大频带范围的地震波形，由24位数据采集器进行采集，经无线链路传输到黄刀地震台阵附近的地震观测中心（图 4），并被刻录成光盘，建立永久数据档案保存。随后，地震数据经ANIK卫星（ANIK卫星是加拿大电视卫星公司的一组地球静态通讯卫星）链路，由地震观测中心发送到渥太华地震实验室进行处理。首先，计算机实时监测接收数据，甄别远震信号。若发现远震记录，将处理对应时间内整个台阵的数据，计算该远震事件的发震时间、震级大小以及位置。以上处理过程由计算机自动完成。数据传输和计算花费时间少，在几分钟之内，即可得到核爆炸监测结果。之后，黄刀地震台阵（台阵代号为PS09或#09）、ULM地震台和SCHQ地震台的记录数据一并传输到维也纳国际数据中心（IDC）。

4 经验借鉴

1962年底，黄刀地震台阵建设完成，自20世纪70年代，黄刀地震台阵开始对观测仪器、辅助设备、通信系统、监测系统等进行重要的系统升级改造。1995年1月，专家组评测认为黄刀地震台阵是当时全球115个核监测地震台阵中最为灵敏的一个。黄刀地震台阵从最初的堪址建设到后期的升级改造，所遇到和解决的问题具有普适性，其建设经验值得借鉴。

（1）台址选择。黄刀地震台阵位加拿大西北地区，大奴湖北岸西侧。这里气候条件恶劣，属于半干旱的副北极地区，气温-50℃—20℃。此地道路崎岖难行，需乘坐特殊车辆，有时只能乘坐越长飞机、全地形车或雪地摩托才能到达台站。黄刀地震台阵所有检波器均架设在前寒武纪花岗岩上，海洋远在1 000 km之外，背景噪声低，且远离市区和人为干扰，观测环境优良。

（2）线缆维护。进入黄刀地震台阵交通不便，建台之初的主要问题便是线缆维护。造成电缆损坏主要原因是雷击和老鼠等啮齿动物咬断线缆。线缆一旦损坏，台阵往往好几天不能观测。在随后的改造中，使用甚高频无线电传输线路（VHF radio links）替换原数据传输线缆，将地震检波器记录信息实时传输至观测中心。此外，发电机使用丙烷为燃料，为每套仪器提供电力。采取以上措施后，有效保障了数据的连续性。

（3）数据管理。起初，每个检波器记录的数据通过悬挂在地震检波器上木制三角架下的调制解调器传输至监测中心，并记录到24通道调频磁带上，且每盘磁带数据保存3天。改造后，用甚高频无线电传输模式替代调制解调器有线传输模式，通过小型计算机实时监测并自动检测和处理地震信号，并将地震信息及处理结果记录在数字磁带上。

（4）仪器升级。在20世纪80年代，黄刀地震台阵在全球核监测中发挥了重要作用，但其模拟系统可靠性出现了越来越多的问题。1986年1月，加拿大内阁批准对黄刀地震台阵进行数字化升级，更换较旧的模拟地震仪和高频通信系统，使用最新的短周期地震仪和宽频带地震仪以及16位数据采集器，从而减少仪器对地面信号的失真。2010年下半年，黄刀地震台阵再次进行升级，用24位数采集器替换16位数据采集器。

（5）电源升级。黄刀地震台阵每个站点的能源由观测中心通过线缆供给，后因面临线缆维护问题，均安装以丙烷为燃料的热力发电机供电。在2010年改造中，保留了热力发电，增加了太阳能发电。

5 结束语

作为IMS地震监测系统的一部分，黄刀地震台阵（代号PS09或#09）记录是最早纳入IMS的数据之一，其良好的观测质量得益于良好的观测环境、地理位置以及仪器设备。国内外学者通过F—K谱的分辨率、波数响应等方法，从地震台阵形状、测点数量、孔径大小、台站间距等方面评估台阵布局的合理性，指出了黄刀地震台阵在特定观测目的上存在的某些布局弱势（佟玉霞等2001；Schweitzer et al，2002；王芳等，2017）。比如，Schweitzer等（2002）比较了十字形布设的YKA与小孔径ARCES台阵的响应函数，发现ARCES台阵的几何形状比较完美，而YKA由于其十字形布设几何形状的原因，在不同方位角具有不同的分辨率。因此，在地震台阵建设中应根据自身建设需求选择性借鉴。