自2006年以來，朝鮮共進(jìn)行了六次地下核試驗(yàn)，爆炸震級(jí)和破壞強(qiáng)度逐次增大。然而，因?yàn)檎鹬形恢煤吐癫厣疃入y以準(zhǔn)確測定，致使核試驗(yàn)爆炸當(dāng)量的估計(jì)誤差達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)或更高，從而影響對(duì)朝鮮核試驗(yàn)裝置的合理評(píng)估。由于核試驗(yàn)的震源深度極淺，地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及缺少近場觀測資料，更兼埋藏深度與起爆時(shí)刻之間存在較強(qiáng)的折衷，精確測定埋藏深度是一個(gè)關(guān)鍵但尚未完全解決的地震學(xué)難題。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地震學(xué)學(xué)科組的博士研究生楊庚、導(dǎo)師趙連鋒研究員、美國加州大學(xué)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(xué)方法，能夠有效提高對(duì)朝鮮地下核試驗(yàn)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(duì)震源深度和震中位置的不同敏感性，通過對(duì)不同事件到達(dá)同一臺(tái)站互相關(guān)時(shí)差的組合使用，獲得了基于區(qū)域地震臺(tái)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(yàn)的埋藏深度。
圖1 用于朝鮮地下核試驗(yàn)定位的區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)（左）和利用互相關(guān)方法由牡丹江臺(tái)對(duì)不同核爆事件觀測到的Pn波和Pg波的相對(duì)到時(shí)差（右）
相鄰地震事件到達(dá)同一地震臺(tái)的波形記錄具有高度相關(guān)性，對(duì)其進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，能夠獲得精度達(dá)0.001 s的相對(duì)走時(shí)差（圖1）；因此，利用波形互相關(guān)時(shí)差對(duì)事件進(jìn)行相對(duì)定位的理論精度可達(dá)到數(shù)米的量級(jí)。通常，Pn波數(shù)據(jù)對(duì)震源深度比較敏感但易受起爆時(shí)刻影響。相比之下，Pg波對(duì)深度的敏感程度較低但對(duì)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(shí)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(shí)間（圖2）可以對(duì)震源位置進(jìn)行有效約束。結(jié)果表明，2006年朝鮮首次核試驗(yàn)位于試驗(yàn)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(yàn)均位于芒塔普山西側(cè)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(duì)朝鮮地下核試驗(yàn)的高精度定位結(jié)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(yàn)水平定位結(jié)果（藍(lán)色圓點(diǎn)），以及與朝鮮官方公布結(jié)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(duì)深度敏感性的示意圖；（c）朝鮮6次核試驗(yàn)的埋藏深度估計(jì)
圖3 朝鮮地下核試驗(yàn)的埋藏模型
研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)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. DOI: 10.1029/2020JB020745）。本研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0601206）、國家自然科學(xué)基金（41674060, 41630210, 41974054,41974061）和中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場（2019 CSES 0103, 2016 CSES 0203）的聯(lián)合資助。