趙連鋒1 謝小碧2 何熹1 趙旭1 姚振興1
1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球與行星物理重點實驗室，北京，100029
2.美國加州大學(xué)圣克魯茲分校地球物理與行星物理研究所，圣克魯茲，CA95064
國家地震臺網(wǎng)測定：09月03日11時30分在朝鮮 (疑爆) (北緯41.3度，東經(jīng)129.1度)發(fā)生6.3級地震，震源深度0公里。由其產(chǎn)生的地震波在中國東北和華北的部分地區(qū)產(chǎn)生了強烈震感。事件發(fā)生之后一個小時，朝鮮政府宣稱這是該國進(jìn)行的可裝載在洲際導(dǎo)彈上的氫彈試驗，并取得了成功。這是朝鮮進(jìn)行的第六次核試驗，爆炸威力遠(yuǎn)大于前。鑒于該事件在國際政治以及中國周邊安全方面的重要影響，我們根據(jù)中國國家地震臺網(wǎng)和全球地震臺網(wǎng)的區(qū)域波形資料，對該事件的性質(zhì)進(jìn)行了快速的地震學(xué)鑒別，并進(jìn)行了震級和爆炸當(dāng)量估計的研究。
圖1將該次事件與之前5次朝鮮地下核試驗在牡丹江地震臺（MDJ）的地震記錄進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)波形高度相似，均具有P波能量較強，Lg波能量較弱，S波不發(fā)育，3-5 s范圍內(nèi)短周期Rayleigh面波能量強等特征，顯示出顯著的淺源爆炸特征。為了區(qū)分核爆和天然地震，我們比較了朝鮮地下核試驗與鄰近區(qū)域的4次天然地震和位于半島東南端2次天然地震的振幅特征。根據(jù)大陸路徑臺站的垂直位移記錄，計算了Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn的傅立葉頻譜比，并用其臺網(wǎng)平均值作為區(qū)分地震和核爆事件的依據(jù)。圖2所示為核爆與地震事件所具有的頻譜比特征，其中紅色和黑色分別為核爆和鄰近地震數(shù)據(jù)，藍(lán)色為2017年9月3日事件，綠色是距離試驗場較遠(yuǎn)但位于朝鮮半島地體的2次地震事件。結(jié)果表明，本次發(fā)生在朝鮮的事件明顯落入爆炸震源的群組，是一次人為爆炸事件。
為了確定此次朝鮮地下核試驗的地震當(dāng)量，我們使用中國東北及鄰近地區(qū)寬頻帶高分辨率的Lg波衰減模型（Zhao et al., 2010）得到2017年9月3日朝鮮核試驗的Lg波體波震級mb為5.56。 然后通過完全耦合的Bowers, et al. (2001) 的震級-當(dāng)量公式得到相應(yīng)的地震學(xué)當(dāng)量為56 kt (千噸)（圖3），誤差范圍為30 - 80 kt。由于缺乏實際的震源深度信息，這一結(jié)果是基于埋藏深度符合正常的當(dāng)量-深度比例關(guān)系得到的估計值。為了防止核泄露造成環(huán)境污染，較大當(dāng)量的地下核試驗通常深埋。實際的核裝置的地下埋藏模型包括平硐、斜硐和平硐+豎井模型，如圖4所示。此次核試驗的當(dāng)量較大，我們推測為平硐+豎井的埋藏方式。根據(jù)衛(wèi)星圖片顯示的朝鮮核試驗場堆積的土方量，推測挖掘深度可能達(dá)到1000 – 2400 m。這樣，根據(jù)震級-深度-當(dāng)量的經(jīng)驗關(guān)系（Zhang and Wen, 2013），此次朝鮮核試驗的當(dāng)量估計范圍擴展到100 - 200 kt，如圖5所示。
圖1 朝鮮6次地下核試驗在牡丹江地震臺（MDJ）的重直分量速度記錄。
圖2 核爆與天然地震事件頻譜比的比較。（a）為單一事件單臺得到的Pg/Lg結(jié)果和對臺網(wǎng)的平均值。（b）-（d）為不同事件Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn頻譜比的臺網(wǎng)平均值，紅色曲線來自歷史核爆，黑色和綠色曲線為天然地震，藍(lán)色曲線來自2017年9月3日的事件。該事件顯然落入爆炸事件的群組。
圖3用于估算朝鮮核試驗當(dāng)量的經(jīng)驗震級-當(dāng)量關(guān)系曲線。其中實線部分為以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的關(guān)系曲線，虛線段為少量數(shù)據(jù)支持的延伸線；NKT1-5為5次歷史朝鮮地下核試驗，NKT6為本次爆炸事件。圖中紅色實心五角星是3個已知當(dāng)量的化學(xué)爆炸事件。
圖4核試驗地下埋藏模型。
圖5朝鮮地下核試驗的深度和當(dāng)量估計。
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