趙連鋒1 謝小碧2 何熹1 趙旭1 姚振興1
1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100029
2.美國(guó)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(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定：09月03日11時(shí)30分在朝鮮 (疑爆) (北緯41.3度，東經(jīng)129.1度)發(fā)生6.3級(jí)地震，震源深度0公里。由其產(chǎn)生的地震波在中國(guó)東北和華北的部分地區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)烈震感。事件發(fā)生之后一個(gè)小時(shí)，朝鮮政府宣稱這是該國(guó)進(jìn)行的可裝載在洲際導(dǎo)彈上的氫彈試驗(yàn)，并取得了成功。這是朝鮮進(jìn)行的第六次核試驗(yàn)，爆炸威力遠(yuǎn)大于前。鑒于該事件在國(guó)際政治以及中國(guó)周邊安全方面的重要影響，我們根據(jù)中國(guó)國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)和全球地震臺(tái)網(wǎng)的區(qū)域波形資料，對(duì)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(jí)和爆炸當(dāng)量估計(jì)的研究。
圖1將該次事件與之前5次朝鮮地下核試驗(yàn)在牡丹江地震臺(tái)（MDJ）的地震記錄進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)波形高度相似，均具有P波能量較強(qiáng)，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(qiáng)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(yàn)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(tái)站的垂直位移記錄，計(jì)算了Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn的傅立葉頻譜比，并用其臺(tái)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(yàn)場(chǎng)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(yàn)的地震當(dāng)量，我們使用中國(guó)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(yàn)的Lg波體波震級(jí)mb為5.56。 然后通過(guò)完全耦合的Bowers, et al. (2001) 的震級(jí)-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(shí)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(jì)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(yàn)通常深埋。實(shí)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(yàn)的當(dāng)量較大，我們推測(cè)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(yàn)場(chǎng)堆積的土方量，推測(cè)挖掘深度可能達(dá)到1000 – 2400 m。這樣，根據(jù)震級(jí)-深度-當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（Zhang and Wen, 2013），此次朝鮮核試驗(yàn)的當(dāng)量估計(jì)范圍擴(kuò)展到100 - 200 kt，如圖5所示。
圖1 朝鮮6次地下核試驗(yàn)在牡丹江地震臺(tái)（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(tái)得到的Pg/Lg結(jié)果和對(duì)臺(tái)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(tái)網(wǎng)平均值，紅色曲線來(lái)自歷史核爆，黑色和綠色曲線為天然地震，藍(lán)色曲線來(lái)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(yàn)當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)震級(jí)-當(dāng)量關(guān)系曲線。其中實(shí)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(yàn)，NKT6為本次爆炸事件。圖中紅色實(shí)心五角星是3個(gè)已知當(dāng)量的化學(xué)爆炸事件。
圖4核試驗(yàn)地下埋藏模型。
圖5朝鮮地下核試驗(yàn)的深度和當(dāng)量估計(jì)。
參考文獻(xiàn)
Bowers, D., P. D. Marshall, and A. Douglas (2001). The level of deterrence provided by data from the SPITS seismometer array to possible violations of the comprehensive test ban in the Novaya Zemlya region, Geophys. J. Int. 146, 425–438.
Gibbons, S. J., F. Pabian, S. P. Näsholm, T. Kværna, and S. Mykkeltveit (2016), Accurate relative location estimates for the North Korean nuclear tests using empirical slowness corrections, Geophys. J. Int.(208), 101-117, doi:10.1093/gji/ggw379.
Murphy, J. R. (1996). Type of seismic events and their source descriptions, in Monitoring a Comprehensive Test Ban Treaty, edited by E. S. Husebye and A. M. Dainty, pp. 225-245, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/ Boston/ London.
Nuttli, O. W. (1986). Lg magnitudes of selected East Kazakhstan underground explosions, Bull. Seism. Soc. Am. 76, 1241-1251.
Ringdal, F., P. D. Marshall, and R. W. Alewine (1992). Seismic yield determination of Soviet underground explosions at the Shagan River test site, Geophys. J. Int. 109, 65–77.
Wen, L. X., and H. Long (2010), High-precision location of North Korea's 2009 nuclear test, Seis. Res. Lett., 81(1), 26-29, doi:10.1785/gssrl.81.1.26.
Zhao, L. F., X. B. Xie, W. M. Wang, J. H. Zhang, and Z. X. Yao (2010). Seismic Lg-wave Q tomography in and around Northeast China, J. Geophys. Res. 115, B08307, doi: 10.1029/2009JB007157.
Zhang, M. and Wen, L.X. (2013). High-precision location and yield of North Korea's 2013 nuclear test, Geophys. Res. Lett., 40, 2941-2946, doi:10.1002/Grl.50607.
Zhao, L. F., X. B. Xie, W. M. Wang, and Z. X. Yao (2014), The 12 February 2013 North Korean underground nuclear test, Seis. Res. Lett., 85(1), 130-134, doi:10.1785/0220130103.
張成科, 張先康, 趙金仁, 劉寶峰, 張建獅, 楊卓欣, 海燕, and 孫國(guó)偉(2002), 長(zhǎng)白山天池火山區(qū)及鄰近地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)探測(cè)研究, 地球物理學(xué)報(bào), 45(6), 812-820.