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2020年 51卷 第6期
2020, 51(6): 591-647.
摘要
PDF 44034KB
摘要:
自然灾害（包括地震、海啸、火山喷发、滑坡、飓风、干旱、洪水、山火、地磁暴和流行病）会在灾害事件发生后的数年内给人类社区、经济和自然资源造成破坏。灾害能夺去生命，造成数十亿美元的房屋和基础设施损坏、经济活动损失以及威胁国家安全。灾害还可能对环境、社会、经济和健康造成不利影响，其影响范围远超直接作用区域，甚至波及全球。人口增长、气候和城市化的变化可能加剧灾害影响。
由于灾害事件的潜在危害性，减轻社会重要资产的灾害损失风险是包括决策者、社区成员、应急管理者、资源管理者、公用设施运营者、企业家、规划制定人员在内的所有人的当务之急。利益相关者需要获取有效的、以用户为中心的信息以支持决策，以更具适应性和成本效益的方式，规划一个能够对突发事件及时应对和具备韧弹性的未来。
为满足这一需求，需要最大限度地利用环境监测、灾害科学，以及对传播、社会压力和人类行为的研究，以决策者和公众均可理解的形式提供风险信息。为实现这一目标，科学家和利益相关者必须合作，利用技术进步来改善信息获取和传播的效果，同时利用可付诸实践的见解、研究、产品和工具来满足社区需求。
美国地质调查局风险研究与应用计划
科学界对风险研究与应用的新需求、日益增长的公众期望和技术进步的共同作用，为美国地质调查局（USGS）创造了利用科学数据与相关研究增强国家应对灾害和备灾能力上做出贡献的机会。USGS制定了有关加强能力建设的计划，以促进发布更具可操作性的减轻风险信息的能力提升。尽管该计划主要针对USGS的科研人员、管理人员和领导层，但它也确定了与外部从事减轻风险的合作伙伴的新合作机会。
USGS的风险研究与应用包括危险性评估、可操作性预测和预警、脆弱性评估、风险评估、风险沟通、决策支持系统以及灾后评估。USGS风险研究与应用的目标是提供分析基础，决策者可以在此基础上整合信息、资产、能力和优先级，以做出基于科学的决策。
开发USGS风险产品是一个反复的过程，它依赖于USGS的三个核心能力：（1）合作伙伴的参与和拓展；（2）研究；（3）工具及产品开发。USGS的物理学家、社会学家、分析师、工程师、程序员、通讯和公共事务专家以及管理者，都对以上三个核心能力做出了相应的贡献。值得注意的是，USGS注重与合作伙伴在研究、产品开发、产品评估等信息传递环节保持紧密联系，以便能够向合作伙伴提供支撑信息、制定可行的减轻风险的决策。
计划目标
该计划旨在发起和运行一个专注于风险研究与应用的实践社群，以改善整个USGS的内部沟通、协作和资源共享。实践社群将允许USGS的科学家和工作人员参与整体的风险研究与应用（跨任务区、项目和科学中心），以克服现有的地理和学科合作障碍。重要的是，该计划为确保风险研究与应用得到优先支持并纳入USGS的工作机制提供了具体的建议。建议的内容涵盖了从连接和协调USGS的专业技术和资源的新途径，到培训、指导以及定期召集科学家和利益相关者进行产品开发等多个环节。这些建议还关注了在专业技术、产品交付和扩大信息技术能力等领域中的能力提升需求。
在整个计划中，采用案例研究的方式强调了USGS的风险研究与应用是如何采用有意义的方式与利益相关者建立联系、利用现有投资、克服挑战并抓住机遇。一系列新的项目构思，设计了如何将该计划的目标体现在未来的投资中，包括在社区、区域和国家框架下评估多种灾害和风险的工具、公共土地风险评估，以及用于提高对具有多重后果事件的态势感知的产品。
该计划以《美国地质调查局自然灾害科学战略—促进国家安全、保障和经济福祉》（Holmes and others，2013）战略研究报告中所述的优先事项为基础，特别关注了灾害危险性与社会价值相互作用的风险。这项工作的目标不是让USGS从事风险研究与应用的科学家和工作人员替合作伙伴做出决策。相反，USGS的科学家和工作人员应充当听众、传达者、协助者和科学指导的角色，通过提供客观和公正的科学知识来改善灾害对动态世界的社会影响。
自然灾害（包括地震、海啸、火山喷发、滑坡、飓风、干旱、洪水、山火、地磁暴和流行病）会在灾害事件发生后的数年内给人类社区、经济和自然资源造成破坏。灾害能夺去生命，造成数十亿美元的房屋和基础设施损坏、经济活动损失以及威胁国家安全。灾害还可能对环境、社会、经济和健康造成不利影响，其影响范围远超直接作用区域，甚至波及全球。人口增长、气候和城市化的变化可能加剧灾害影响。
由于灾害事件的潜在危害性，减轻社会重要资产的灾害损失风险是包括决策者、社区成员、应急管理者、资源管理者、公用设施运营者、企业家、规划制定人员在内的所有人的当务之急。利益相关者需要获取有效的、以用户为中心的信息以支持决策，以更具适应性和成本效益的方式，规划一个能够对突发事件及时应对和具备韧弹性的未来。
为满足这一需求，需要最大限度地利用环境监测、灾害科学，以及对传播、社会压力和人类行为的研究，以决策者和公众均可理解的形式提供风险信息。为实现这一目标，科学家和利益相关者必须合作，利用技术进步来改善信息获取和传播的效果，同时利用可付诸实践的见解、研究、产品和工具来满足社区需求。
美国地质调查局风险研究与应用计划
科学界对风险研究与应用的新需求、日益增长的公众期望和技术进步的共同作用，为美国地质调查局（USGS）创造了利用科学数据与相关研究增强国家应对灾害和备灾能力上做出贡献的机会。USGS制定了有关加强能力建设的计划，以促进发布更具可操作性的减轻风险信息的能力提升。尽管该计划主要针对USGS的科研人员、管理人员和领导层，但它也确定了与外部从事减轻风险的合作伙伴的新合作机会。
USGS的风险研究与应用包括危险性评估、可操作性预测和预警、脆弱性评估、风险评估、风险沟通、决策支持系统以及灾后评估。USGS风险研究与应用的目标是提供分析基础，决策者可以在此基础上整合信息、资产、能力和优先级，以做出基于科学的决策。
开发USGS风险产品是一个反复的过程，它依赖于USGS的三个核心能力：（1）合作伙伴的参与和拓展；（2）研究；（3）工具及产品开发。USGS的物理学家、社会学家、分析师、工程师、程序员、通讯和公共事务专家以及管理者，都对以上三个核心能力做出了相应的贡献。值得注意的是，USGS注重与合作伙伴在研究、产品开发、产品评估等信息传递环节保持紧密联系，以便能够向合作伙伴提供支撑信息、制定可行的减轻风险的决策。
计划目标
该计划旨在发起和运行一个专注于风险研究与应用的实践社群，以改善整个USGS的内部沟通、协作和资源共享。实践社群将允许USGS的科学家和工作人员参与整体的风险研究与应用（跨任务区、项目和科学中心），以克服现有的地理和学科合作障碍。重要的是，该计划为确保风险研究与应用得到优先支持并纳入USGS的工作机制提供了具体的建议。建议的内容涵盖了从连接和协调USGS的专业技术和资源的新途径，到培训、指导以及定期召集科学家和利益相关者进行产品开发等多个环节。这些建议还关注了在专业技术、产品交付和扩大信息技术能力等领域中的能力提升需求。
在整个计划中，采用案例研究的方式强调了USGS的风险研究与应用是如何采用有意义的方式与利益相关者建立联系、利用现有投资、克服挑战并抓住机遇。一系列新的项目构思，设计了如何将该计划的目标体现在未来的投资中，包括在社区、区域和国家框架下评估多种灾害和风险的工具、公共土地风险评估，以及用于提高对具有多重后果事件的态势感知的产品。
该计划以《美国地质调查局自然灾害科学战略—促进国家安全、保障和经济福祉》（Holmes and others，2013）战略研究报告中所述的优先事项为基础，特别关注了灾害危险性与社会价值相互作用的风险。这项工作的目标不是让USGS从事风险研究与应用的科学家和工作人员替合作伙伴做出决策。相反，USGS的科学家和工作人员应充当听众、传达者、协助者和科学指导的角色，通过提供客观和公正的科学知识来改善灾害对动态世界的社会影响。
2020, 51(6): 648-669.
摘要:
世界各地经常发生破坏性地震。自20世纪初叶以来，数百次地震造成了重大的生命损失和（或）数百万美元或更大的经济损失。虽然大多数地震并未使美国及其领土直接受灾，但是通过研究世界范围内的地震活动性，我们可以更好地理解如何减小美国境内所发生地震的影响。在美国政府内部，这一职责落在了美国地质调查局（USGS）国家地震信息中心（NEIC）的肩上，该中心对国内外地震的监测和报告负有法定责任。
NEIC自1966年开始运行，在整个历史进程中，它一直都被认为是世界上地震信息方面的领军者。大部分时间，NEIC都与在美国地震活动性较高地区运行着的许多区域地震台网（RSN）合作。2000年，美国国家现代地震监测系统（ANSS）建立，作为与地震相关的数据收集、分析和传播的合作协调机构，促进了NEIC和区域地震台网合作伙伴之间相互协作。此外，NEIC还与数十个全球的地震台网合作与协调。目前（2019年），NEIC从世界范围内130余个地震台网的2 000多个地震台站获取实时波形数据。
自2006年以来，NEIC每个星期7天、每天24小时运行，每年报出地震约3万次。在全球重大地震发生后不久，通过地震通知服务（ENS）、电子信息馈给以及USGS地震危险性项目（EHP）网站，向政府代表、援助机构、新闻媒体和公众人士发布通知。特定事件网页提供了详细的震源参数信息，对地震的位置和震级等信息加以概述，还包括如矩震级、震源机制以及有限断层解等在内的更详细的震源特性。此外，NEIC还产出了一套实时态势感知产品，包括震动图（ShakeMap）、ShakeCast、你有感么？（DYFI？）和全球地震响应即时评估系统PAGER，以描述地震造成的震动及其对附近人口和基础设施可能造成的影响。所有这些产品最终都归档于ANSS综合地震目录ComCat中，并由NEIC负责提供服务。
NEIC还积极开展研究项目，以提高地震特征描述能力和地震危险性理解能力。这些工作的目的都是为了减小地震给人类带来的风险。
为了保持其在地震监测方面的突出地位，NEIC必须改进运行和24小时×7天工作模式的稳健性，实现服务和基础设施的现代化，跟进地震学领域研究和创新的步伐，诸事并举，方可持续推陈出新。本文件通过描述未来五年（2019~2023）发展的具体途径和机遇，对NEIC如何能够最好地实现这样的目标进行了概述。
本规划确定了几个最为重要的业务和研究的重点领域。首先，NEIC必须最终完成对其区域监测能力的提升，包括实现各种改进的地震检测和关联算法。最近在地震监测研究进展当中最振奋人心的方法之一涉及到机器学习的使用。NEIC必须探索机器学习在改进了的地震检测和震源特征描述方面的益处。NEIC还需要探索信息在可用时，而不是在满足某些质量标准时，发布信息的益处，从而解决与地震信息及时性相关的问题。为此，将全球定位系统（GPS）实时数据纳入NEIC业务工作流程，会有助于提高中强地震信息产出的速度和准确性。最后，NEIC应探索如何进一步扩展和提高服务于地震响应工作期间产品的质量和内容，包括生成新的特定地震序列产品，在地震信息中增加演变成分，以及继续改进震后影响方面的产品。
世界各地经常发生破坏性地震。自20世纪初叶以来，数百次地震造成了重大的生命损失和（或）数百万美元或更大的经济损失。虽然大多数地震并未使美国及其领土直接受灾，但是通过研究世界范围内的地震活动性，我们可以更好地理解如何减小美国境内所发生地震的影响。在美国政府内部，这一职责落在了美国地质调查局（USGS）国家地震信息中心（NEIC）的肩上，该中心对国内外地震的监测和报告负有法定责任。
NEIC自1966年开始运行，在整个历史进程中，它一直都被认为是世界上地震信息方面的领军者。大部分时间，NEIC都与在美国地震活动性较高地区运行着的许多区域地震台网（RSN）合作。2000年，美国国家现代地震监测系统（ANSS）建立，作为与地震相关的数据收集、分析和传播的合作协调机构，促进了NEIC和区域地震台网合作伙伴之间相互协作。此外，NEIC还与数十个全球的地震台网合作与协调。目前（2019年），NEIC从世界范围内130余个地震台网的2 000多个地震台站获取实时波形数据。
自2006年以来，NEIC每个星期7天、每天24小时运行，每年报出地震约3万次。在全球重大地震发生后不久，通过地震通知服务（ENS）、电子信息馈给以及USGS地震危险性项目（EHP）网站，向政府代表、援助机构、新闻媒体和公众人士发布通知。特定事件网页提供了详细的震源参数信息，对地震的位置和震级等信息加以概述，还包括如矩震级、震源机制以及有限断层解等在内的更详细的震源特性。此外，NEIC还产出了一套实时态势感知产品，包括震动图（ShakeMap）、ShakeCast、你有感么？（DYFI？）和全球地震响应即时评估系统PAGER，以描述地震造成的震动及其对附近人口和基础设施可能造成的影响。所有这些产品最终都归档于ANSS综合地震目录ComCat中，并由NEIC负责提供服务。
NEIC还积极开展研究项目，以提高地震特征描述能力和地震危险性理解能力。这些工作的目的都是为了减小地震给人类带来的风险。
为了保持其在地震监测方面的突出地位，NEIC必须改进运行和24小时×7天工作模式的稳健性，实现服务和基础设施的现代化，跟进地震学领域研究和创新的步伐，诸事并举，方可持续推陈出新。本文件通过描述未来五年（2019~2023）发展的具体途径和机遇，对NEIC如何能够最好地实现这样的目标进行了概述。
本规划确定了几个最为重要的业务和研究的重点领域。首先，NEIC必须最终完成对其区域监测能力的提升，包括实现各种改进的地震检测和关联算法。最近在地震监测研究进展当中最振奋人心的方法之一涉及到机器学习的使用。NEIC必须探索机器学习在改进了的地震检测和震源特征描述方面的益处。NEIC还需要探索信息在可用时，而不是在满足某些质量标准时，发布信息的益处，从而解决与地震信息及时性相关的问题。为此，将全球定位系统（GPS）实时数据纳入NEIC业务工作流程，会有助于提高中强地震信息产出的速度和准确性。最后，NEIC应探索如何进一步扩展和提高服务于地震响应工作期间产品的质量和内容，包括生成新的特定地震序列产品，在地震信息中增加演变成分，以及继续改进震后影响方面的产品。
2020, 51(6): 670-689.
摘要:
活动断层系统中的孔隙流体超压会驱动流体流动，并最终导致断层强度降低和地震活动。由不同破裂模式（例如，脆性与韧性）引起的变形会影响断层带的渗透率，从而影响流体流动和孔隙流体压力分布。当前的数值模拟技术主要针对流体流动对断层再活化以及相关地震活动的控制作用。然而在地震起始阶段，对于孔隙流体压力是否影响从慢速无震断层滑动到快速地震断层滑动过渡的过程，仍然知之甚少。本文中，我们对天然断层中的超压状态下超临界CO2流体的流动进行模拟，断层中的流体流动、流体压力和岩体变形之间复杂的非线性关系控制着地震起始的长度和地震间隔周期的持续时间。我们的模型基于意大利北部亚平宁山脉最近的地震活动（Colfiorito）MW6.0地震和2016年诺尔恰MW6.5地震]进行设置。我们对达西（Darcy）流体流动模拟的结果表明，在将实际复杂断层带构造、孔隙压力和岩石变形相关渗透率三个因素同时考虑在内时，起始阶段的持续时间可以减少几个数量级。特别地，起始阶段的持续时间可以从10年以上减少到几天，甚至是几分钟，而地震矩可减少6倍。值得注意的是，在本研究中，通过地震起始模拟获得的无震滑移地震矩（M0=109N·m），与使用应变计进行局部应变测量的检测极限数量级相同。这些发现对于地震早期预警系统具有重要意义，因为地震起始阶段的持续时间和力矩将影响地震前兆信号探测的可能性。有趣的是，在最近的一些大地震之前的几个月，已经测量到了无震滑移，尽管这些地震的构造背景与本文所构建的模型有所不同，但这也重新引起了我们对地震起始的兴趣。此外，我们的结果对于短期和长期地震预报也具有重要意义，因为在地震间隔期间地壳流体的迁移可能会控制断层强度和地震重现期。
活动断层系统中的孔隙流体超压会驱动流体流动，并最终导致断层强度降低和地震活动。由不同破裂模式（例如，脆性与韧性）引起的变形会影响断层带的渗透率，从而影响流体流动和孔隙流体压力分布。当前的数值模拟技术主要针对流体流动对断层再活化以及相关地震活动的控制作用。然而在地震起始阶段，对于孔隙流体压力是否影响从慢速无震断层滑动到快速地震断层滑动过渡的过程，仍然知之甚少。本文中，我们对天然断层中的超压状态下超临界CO2流体的流动进行模拟，断层中的流体流动、流体压力和岩体变形之间复杂的非线性关系控制着地震起始的长度和地震间隔周期的持续时间。我们的模型基于意大利北部亚平宁山脉最近的地震活动（Colfiorito）MW6.0地震和2016年诺尔恰MW6.5地震]进行设置。我们对达西（Darcy）流体流动模拟的结果表明，在将实际复杂断层带构造、孔隙压力和岩石变形相关渗透率三个因素同时考虑在内时，起始阶段的持续时间可以减少几个数量级。特别地，起始阶段的持续时间可以从10年以上减少到几天，甚至是几分钟，而地震矩可减少6倍。值得注意的是，在本研究中，通过地震起始模拟获得的无震滑移地震矩（M0=109N·m），与使用应变计进行局部应变测量的检测极限数量级相同。这些发现对于地震早期预警系统具有重要意义，因为地震起始阶段的持续时间和力矩将影响地震前兆信号探测的可能性。有趣的是，在最近的一些大地震之前的几个月，已经测量到了无震滑移，尽管这些地震的构造背景与本文所构建的模型有所不同，但这也重新引起了我们对地震起始的兴趣。此外，我们的结果对于短期和长期地震预报也具有重要意义，因为在地震间隔期间地壳流体的迁移可能会控制断层强度和地震重现期。
2020, 51(6): 690-698.
摘要:
在许多情况下，地震发生后通常需要几分钟时间才能在线发布地震位置。通过监视众多网站、应用程序（App）或推特（Twitter），可以使用众包检测地震波形数据中的地震，并降低误检风险，从而加快有感地震的信息发布。我们展示了这种低成本的方法可以在全球范围内发布快速可靠的地震信息。我们利用2016~2017年期间发生的地震对该系统进行了回溯性测试，发现在103s以内成功地确定了50~的地震，比GEOFON快了76s，比欧洲—地中海地震中心的发布时间快了271s，90~的地震位置与最终震中相差在54km以内。
在许多情况下，地震发生后通常需要几分钟时间才能在线发布地震位置。通过监视众多网站、应用程序（App）或推特（Twitter），可以使用众包检测地震波形数据中的地震，并降低误检风险，从而加快有感地震的信息发布。我们展示了这种低成本的方法可以在全球范围内发布快速可靠的地震信息。我们利用2016~2017年期间发生的地震对该系统进行了回溯性测试，发现在103s以内成功地确定了50~的地震，比GEOFON快了76s，比欧洲—地中海地震中心的发布时间快了271s，90~的地震位置与最终震中相差在54km以内。
2020, 51(6): 699-715.
摘要:
本文提出了一种联合提取勒夫波和瑞利波的群速度与相速度频散的方法。该方法以谱元的形式表示路径平均地球模型，地球模型以密度、横波速度、径向各向异性和VP/VS比等参数表征。为防止误判相位，首先使用启发式方法自动估计一个初步的频散曲线；然后，在频率域对台站对之间的噪声相关函数（NCF）进行更准确的拟合。对于信噪比较好的高质量互相关，该方法可以非常准确地拟合噪声相关函数的频谱，同时获得勒夫波和瑞利波相速度与群速度的可靠估计。另外，本文还介绍了如何利用雅可比矩阵的线性化近似来估计不确定性及其在层析成像反演中的应用。
本文提出了一种联合提取勒夫波和瑞利波的群速度与相速度频散的方法。该方法以谱元的形式表示路径平均地球模型，地球模型以密度、横波速度、径向各向异性和VP/VS比等参数表征。为防止误判相位，首先使用启发式方法自动估计一个初步的频散曲线；然后，在频率域对台站对之间的噪声相关函数（NCF）进行更准确的拟合。对于信噪比较好的高质量互相关，该方法可以非常准确地拟合噪声相关函数的频谱，同时获得勒夫波和瑞利波相速度与群速度的可靠估计。另外，本文还介绍了如何利用雅可比矩阵的线性化近似来估计不确定性及其在层析成像反演中的应用。
2020, 51(6): 716-730.
摘要:
微震监测技术被广泛应用于衡量水力压裂作用。由于微震释放机制的复杂性，很难获得对其统一的理论认识。基于地震学原理，本文采用物理模拟实验和数值分析方法对页岩水力压裂扩展造成微震的机制进行研究。理论上，岩石破裂过程取决于水力裂纹尖端的应力分布。通过反演得到矩张量的特征方程及其特征值，从而确定震源点的破裂机制。通过真三轴水力压裂物理试验和声发射实验获得岩石破裂过程的基本规律。利用声发射信号的主频特性和初始运动来确定震源处的拉剪损伤比。震源点微震地震波采用水平井压裂数值模拟方法进行研究，得到不同位置、不同平面、不同方向上的微震波的频率和能量特性。通过数值分析验证了微地震波的分布，并揭示了在水力压裂作用下释放的震源机制。研究成果对页岩特性、页岩气储层评价和重构、优化压裂参数、提高采收率等方面具有重要的现实意义。
微震监测技术被广泛应用于衡量水力压裂作用。由于微震释放机制的复杂性，很难获得对其统一的理论认识。基于地震学原理，本文采用物理模拟实验和数值分析方法对页岩水力压裂扩展造成微震的机制进行研究。理论上，岩石破裂过程取决于水力裂纹尖端的应力分布。通过反演得到矩张量的特征方程及其特征值，从而确定震源点的破裂机制。通过真三轴水力压裂物理试验和声发射实验获得岩石破裂过程的基本规律。利用声发射信号的主频特性和初始运动来确定震源处的拉剪损伤比。震源点微震地震波采用水平井压裂数值模拟方法进行研究，得到不同位置、不同平面、不同方向上的微震波的频率和能量特性。通过数值分析验证了微地震波的分布，并揭示了在水力压裂作用下释放的震源机制。研究成果对页岩特性、页岩气储层评价和重构、优化压裂参数、提高采收率等方面具有重要的现实意义。
