自2006年以來，朝鮮共進行了六次地下核試驗，爆炸震級和破壞強度逐次增大。然而，因為震中位置和埋藏深度難以準確測定，致使核試驗爆炸當量的估計誤差達到一個數(shù)量級或更高，從而影響對朝鮮核試驗裝置的合理評估。由于核試驗的震源深度極淺，地下結構復雜，以及缺少近場觀測資料，更兼埋藏深度與起爆時刻之間存在較強的折衷，精確測定埋藏深度是一個關鍵但尚未完全解決的地震學難題。
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室地震學學科組的博士研究生楊庚、導師趙連鋒研究員、美國加州大學圣克魯茲分校的謝小碧研究員與其他合作者一起，開發(fā)了一種基于多種震相的地震學方法，能夠有效提高對朝鮮地下核試驗埋藏深度的測定精度。該方法根據(jù)區(qū)域震相Pg和Pn波的傳播差異，利用它們對震源深度和震中位置的不同敏感性，通過對不同事件到達同一臺站互相關時差的組合使用，獲得了基于區(qū)域地震臺網(wǎng)波形資料的高精度定位方法，測定了朝鮮六次地下核試驗的埋藏深度。
圖1 用于朝鮮地下核試驗定位的區(qū)域地震臺網(wǎng)（左圖）和利用互相關方法由牡丹江臺對不同核爆事件觀測到的Pn波和Pg波的相對到時差（右圖）。
相鄰地震事件到達同一地震臺的波形記錄具有高度相關性，對其進行互相關計算，能夠獲得精度達0.001 s的相對走時差（圖1）；因此，利用波形互相關時差對事件進行相對定位的理論精度可達到數(shù)米的量級。通常，Pn波數(shù)據(jù)對震源深度比較敏感但易受起爆時刻影響。相比之下，Pg波對深度的敏感程度較低但對震源的水平位置約束較好。因此，首先利用Pg波確定震源水平位置和起爆時間，然后加入Pn波的信息確定埋藏深度并修訂水平位置和起爆時間（圖2）可以對震源位置進行有效約束。結果表明，2006年朝鮮首次核試驗位于試驗場東南端海拔高度較低處；2009年至2017年的后續(xù)5次核試驗均位于芒塔普山西側山坡，海拔較高，其高程分別為1498 m、1418±43 m、1639±48 m、1653±47 m和1604±57 m（圖2)。通過對朝鮮地下核試驗的高精度定位結果，推測得到它們的埋藏模型如圖3所示。
圖2 （a）朝鮮6次地下核試驗水平定位結果（藍色圓點），以及與朝鮮官方公布結果的比較（白色圓圈+數(shù)字）；（b）Pn和Pg波能量離源角范圍及其對深度敏感性的示意圖；（c）朝鮮6次核試驗的埋藏深度估計。
圖3 朝鮮地下核試驗的埋藏模型。
研究成果發(fā)表在國際知名地學學術期刊JGR-Solid Earth (楊庚，趙連鋒*，謝小碧，張蕾，姚振興. High-precision Relocation with the Burial Depths of the North Korean Underground Nuclear Explosions by Combining Pn and Pg Differential Traveltimes. [J] Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126, e2020JB020745. https://doi.org/10.1029/2020JB020745)。本研究受到國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0601206）、國家自然科學基金（41674060, 41630210, 41974054,41974061）和中國地震科學實驗場（2019 CSES 0103, 2016 CSES 0203）的聯(lián)合資助。