朝鲜地下核试验的地震学观测

自2006年至2017年,朝鲜民主主义人民共和国在中朝边界地区的试验场进行了6次地下核试验.本文综合报道根据东北亚地区的宽频带数字地震资料利用地震学方法对这六次地下核爆炸的研究.结果表明,朝鲜地下核试验在区域台网产生的地震记录具有典型浅源爆炸的特征.针对上述资料发展了处理核爆数据的方法并据此得出各次朝鲜核爆的地震学参数,包括事件识别、当量测定、以及震中相对定位等.对6次核爆和4次天然地震P/S类型谱振幅比的统计分析表明,2 Hz以上台网平均谱振幅比可以正确地将朝鲜核爆从天然地震中识别出来,从而有效监测在朝鲜半岛进行的当量大于0.5 kt的地下核试验.同时也发现,建立在体波-面波震级比之上的识别方法不适用于朝鲜核试验场.通过建立中朝边界地区基于Lg波的体波震级系统,计算了各次朝鲜核试验的体波震级m_b（Lg）,并由此估计了它们的地震学当量,其值介于0.5 kt至60 kt之间.由于缺少爆炸埋藏深度的数据,上述当量有可能被低估,因而有必要对深度影响做进一步研究.以第一次爆炸的位置为参考震中,利用Pn波相对走时数据和高精度相对定位方法获得了各次核爆在试验场中的精确定位.     

核试验监测的地震学研究综述

侦察探测核爆事件,评估核爆信息等核试验监测工作,对评估核爆威力、研究核爆炸现象以及各种破坏因素的变化规律有着重要意义.地震学提供了核试验监测中关键的研究手段.核试验地震学监测研究主要包括核试验识别、定位、埋深、震级和当量的估计等内容.根据近半个世纪以来核试验方式的变化和技术的发展,介绍和总结了核试验监测中相关研究进展状况,主要包括事件定位、判别、震级测定、当量和埋深估计等地震学观测、理论和方法.     

利用区域地震波形振幅包络约束朝鲜地下核试验的埋深和当量

核爆当量和埋藏深度是地下核试验的两个重要参数.根据中国东北地区区域范围内地震台站观测记录,利用Pn,Pg,Sn和Lg波波形,计算水平分量的尾波振幅包络,调查2006年10月9日,2009年5月25日,2013年2月13日和2016年1月6日四次朝鲜地下核试验的爆炸当量和埋藏深度.以牡丹江(MDJ)台站记录为例,对两个水平分量波形进行带通滤波,计算平均波形的振幅包络.最终得到区域地震台站水平分量振幅包络,振幅稳定,包络振幅的变化清晰地显示区域震相的位置.区域震相的时间域振幅包络由震源谱函数、传播效应、台基响应和传递函数及尾波形状函数构成.通过网格搜索的方法,拟合水平分量记录的波形包络,可以获得核爆当量和埋藏深度的估计.结果表明,朝鲜四次地下核试验爆炸当量以时间为序从0.6±0.2kt到3.0±1.5kt,增加至10.0±2.0kt,再降到8.0±2.0kt.2006年核爆的埋藏深度较浅,为150±100m,2009年朝鲜核试验的埋藏深度为350±100m,2013年和2016年朝鲜核试验的深度非常一致,均为500±200m.这些结果与前人的调查结果一致性较高,说明使用单一地震台站时间域水平分量尾波振幅包络是可能同时约束地下核试验爆炸当量和埋藏深度的.     

2013、2016年两次朝鲜核试验P波和面波信号幅值比差异的观测与分析

2016年1月6日,朝鲜再次进行了地下核试验.和上次2013核试验相比,此次试验震中位置接近,不同震相的平均幅值比却表现出明显的差异：在短周期P波幅值减小的情况下,长周期Rayleigh面波幅值增强,Love面波幅值减小.这给判断两次试验当量的相对大小带来了困难.本文在给出两次试验短周期P波和长周期面波幅值比测量结果的基础上,从地下核爆炸震源机制的角度对观测现象进行分析解释.研究结果表明,虽然各种形式的构造应力源都可以很好地拟合单次试验的长周期面波资料,但只有逆断层形式的构造应力释放能够解释两次试验不同震相幅值比差异现象.这是关于朝鲜核试验震源机制的一个新的发现,对于认识其震源性质具有重要意义.     

利用相对静力学强度测定1998年5月11日印度核爆的当量

核爆当量是核试验的重要参数之一. 许多地震学家对1998年5月11日在印度Pokhran地区的核试验(POK2)进行研究,给出了(12～60)kt的当量估计,近5倍的估计偏差引起了较为广泛的关注. 基于全球数字地震台网宽频带体波资料,我们通过波形反演计算等效震源模型参数,包括静力学强度ψ∞、特征频率k、以及震源深度h和P波在自由表面的反射系数rpp,并利用相对的静力学强度估算了POK2事件的当量. 我们发现Lay［1］在美国Nevada试验场(NTS)获得的相对静力学强度与当量的经验公式更适合印度核试验当量估计,并据此计算了这次试验的当量约36kt. 这一结果支持1998年5月11日印度核试验的总当量低于60kt的观点.     

地形起伏对基于地震波形的浅源地震深度反演影响——以2017年9月3日朝鲜M6.3事件为例

震源深度是核试验以及塌陷等浅源地震研究中的关键参数,可以为事件成因分析提供关键信息.然而朝鲜核试验区域地形起伏较大,地形效应可能对震源深度反演的结果造成影响.本文基于理论地震图进行测试,研究了地形起伏对震源深度反演的影响.发现震源深度小于2km时,不考虑地形影响,反演得到的震源深度会系统偏浅0.2km左右.然后利用MDJ2速度结构模型,我们反演了2017年9月3日朝鲜M6.3事件的震源参数,结果显示震源深度约为0.8km.进一步基于带地形的格林函数重新反演了该事件的震源深度,发现在1km处波形拟合结果较好.不同速度模型测试结果显示该事件的震源深度反演误差约为1km.案例研究表明,基于层状均匀速度模型,利用区域地震波形资料反演的震源深度可以为浅源事件成因分析提供关键约束.     

对朝鲜2006年、2009年和2013年3次地下核试验的相对定位

采用双差定位方法, 对朝鲜2006年、2009年和2013年的3次核试验进行相对定位.根据19个区域地震台和8个远震台的垂直分量波形资料, 计算了多种震相(P波、S波和LR波等)的互相关时差, 并由测量时差反演两两核爆的相对空间位置, 通过随机生成部分台站组合进行扰动实验以估算定位的不确定度.结果表明, 相对于朝鲜2009年核试验, 2013年核试验位于其南257 m、西385 m, 2006年核试验位于其南503 m、东2589 m.当扰动实验中随机选取的台站数目为20个时, 在95%置信度下, 朝鲜2013年和2006年核试验相对于2009年核试验的地表定位结果的不确定度约为150 m.      

核爆、化爆、地震识别研究综述

地震学方法是监测地下核试验最为重要的方法.为准确鉴别地下核试验,不仅包括识别核爆炸与天然地震,还包括对化学爆炸震源类型的识别.论文从核爆炸与天然地震的识别、化学爆炸与地震的识别、核爆炸与化学爆炸的识别三个方面对国内外的研究状况分别进行了综述,较为详尽地阐述了从统计分析和信号处理的角度进行研究的进展状况,并对目前的研究进展进行了分析总结,最后对未来的核爆监测识别研究的发展趋势进行了展望,提出了一些建议.     

CTBTO监测台站发展及其对朝鲜6次核试验的监测与分析

概述CTBTO监测系统及发展过程中对朝鲜6次核试验的爆炸记录、分析、判断、声明和应对措施。地震台阵/站是CTBTO监测系统的重要组成部分,随着核证地震台阵/站的不断增加,国际监测系统IMS对朝鲜核试验的定位误差椭圆面积逐渐缩小,从2006年的880 km²降低到2017年的110 km²。通过对朝鲜核爆炸事件的记录、分析和判断,证明了该系统的可靠性、技术能力及其设计价值,即接收和审查特定事件数据,并向禁核试签署国提供高质量数据信息,使其能够做出正确判断。     

全面禁止核试验条约（CTBT）科学技术大会（SnT）的科学议程和地震事件性质识别研究进展

全面禁止核试验条约组织（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization,CTBTO）科学技术大会（Science and Technology Conference,SnT）致力于推进禁核试的科技进步,依靠科技创新来加强《全面禁止核试验条约》（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty,CTBT）的条约核查制度能力,加快条约生效进程。鉴于地震学是禁核试监测的重要手段以及SnT大会的科学进展有助于检视地震科技的发展,本文系统分析了SnT大会的科学议题设置以及SnT大会中地震事件性质识别等研究进展。分析表明,SnT大会主题中的 “地球复杂系统” 和 “传感器与网络技术” ,以及禁核试监测手段中的地震学手段更受关注。事件性质识别研究始终是与CTBT相关的地震学的核心问题,其在朝鲜系列核试验事件的应用研究也同样是关注的焦点问题,而深度学习和机器学习等新技术在事件性质识别研究中展示了较快的发展趋势。      

爆破当量研究综述

利用地震学方法估算爆破当量,一直以来都是地震学研究的难点之一。影响当量估算的因素很多,如震源特征、事件埋深、传播路径、能量衰减、地壳结构的不均匀性,等等。想要精确估算特定事件的当量,除了要克服以上各种困难外,还需选择合适的当量经验公式。当量与事件所释放的能量直接相关,震级在一定程度上可以反映能量的大小。目前使用的当量估算公式主要是震级-当量关系公式,其中,有利用体波震级、面波震级以及尾波估算当量的,各有利弊。本文的主要目的是总结目前存在的当量估算公式,并对其影响因素做简单分析。重点描述地下核试验当量估算,汇总了历次朝鲜核试验的信息。      

朝鲜2009年和2013年两次核爆的地震学特征对比研究

利用布设在长白山地区临时地震台站接收到的朝鲜核爆的波形资料,对2009年5月25日和2013年2月12日两次朝鲜核试验的地震学特征进行比较.震中距范围从145km到420km.采用P/S型谱比值方法识别朝鲜核爆,通过与2009年3月20日长春地震和2013年1月23日沈阳地震事件的比较,表明在频率大于3 Hz时P/S型谱比值能够有效识别发生在中朝边境地区的地下核试验.选定参考台站,利用区域震相Pg波的振幅谱比值计算朝鲜核爆至各台站路径上的相对衰减.结合介质速度模型,在一定程度上反映了长白山地区衰减情况,为进一步研究长白山地区衰减层析成像提供初始模型.     

A Multidisciplinary Study of the DPRK Nuclear Tests

The Democratic People Republic of Korea announced two underground nuclear tests carried out in their territory respectively on October 9th, 2006 and May 25th, 2009. The scarce information on the precise location and the size of those explosions has stimulated various kinds of studies, mostly based on seismological observations, by several national agencies concerned with the Nuclear Test Ban Treaty verification. We analysed the available seismological data collected through a global high-quality network for the two tests. After picking up the arrival times at the various stations, a standard location program has been applied to the observed data. If we use all the available data for each single event, due to the different magnitude and different number of available stations, the locations appear quite different. On the contrary, if we use only the common stations, they happen to be only few km apart from each other and within their respective error ellipses. A more accurate relative location has been carried out by the application of algorithms such as double difference joint hypocenter determination (DDJHD) and waveform alignment. The epicentral distance between the two events obtained by these methods is 2 km, with the 2006 event shifted to the ESE with respect to that of 2009. We then used a dataset of VHR TerraSAR-X satellite images to detect possible surface effects of the underground tests. This is the first ever case where these highly performing SAR data have been used to such aim. We applied InSAR processing technique to fully exploit the capabilities of SAR data to measure very short displacements over large areas. Two interferograms have been computed, one co-event and one post-event, to remove possible residual topographic signals. A clear displacement pattern has been highlighted over a mountainous area within the investigated region, measuring a maximum displacement of about 45 mm overall the relief. Hypothesizing that the 2009 nuclear test had been carried out close to the area where the displacement has been observed through the DInSAR technique, its relation with the epicenter location obtained through seismological processing has been discussed as a possible alternative hypothesis with respect to the preferred solutions reported by the nuclear explosion database (NEDB). The distance of about 10 km between the two places can be considered acceptable in light of the possible systematic location shifts commonly observed in the seismological practice over a global scale. The difference between the m _b magnitudes of the two tests could reflect differences in geological conditions of the two test sites, even if the yield of the two explosions had been the same.     

朝鲜核爆的Rayleigh波震级测量

利用1995年至2009年中国东北及邻近地区11个宽频带台站记录到的77个地震事件、3个化学爆炸和2次朝鲜核爆的区域地震资料,标定该区域台网的Rayleigh波震级.通过对8~25 s 周期的垂直分量Rayleigh波形进行分析,获取基于最大振幅的面波震级.计算82个区域事件不同周期的台基响应,经过台基校正后取最大振幅的面波震级为事件震级.2006年和2009年两次朝鲜核爆的面波震级分别为2.93±0.19和3.62±0.21.将地震和核爆事件的面波震级M_s与体波震级m_b(Lg)进行比较,发现根据该区域台网的数据利用M_s-m_b识别方法无法鉴别朝鲜地区的核爆与地震.朝鲜核爆的面波震级相对较大,使M_s-m_b识别方法失效,其原因可能是源区介质的不均匀性、由核爆炸冲击引发的深部的拉伸破坏被抑制,或者是近爆源区存在张性的构造预应力.假定核爆可能的埋藏深度范围是0.01~1.0 km,用Rayleigh波震级估计朝鲜核爆的当量,对2006年和2009年核爆当量的估值范围分别为0.42~3.17 kt和2.06~15.53 kt.     

Yield Estimation for Semipalatinsk Underground Nuclear Explosions Using Seismic Surface-wave Observations at Near-regional Distances

—?A statistical procedure is described for estimating the yields of underground nuclear tests at the former Soviet Semipalatinsk test site using the peak amplitudes of short-period surface waves observed at near-regional distances (Δ < 150 km) from these explosions. This methodology is then applied to data recorded from a large sample of the Semipalatinsk explosions, including the Soviet JVE explosion of September 14, 1988, and it is demonstrated that it provides seismic estimates of explosion yield which are typically within 20% of the yields determined for these same explosions using more accurate, non-seismic techniques based on near-source observations.     

Seismic Source Characteristics of Soviet Peaceful Nuclear Explosions

—?During the period 1965 to 1988, the former Soviet Union (FSU) conducted over 120 peaceful nuclear explosions (PNE) at locations widely dispersed throughout the territories of the FSU. These explosions sample a much wider range of source conditions than do the historical explosions at the known nuclear test sites and, therefore, seismic data recorded from these PNE tests provide a unique resource for use in deriving improved quantitative bounds on the ranges of seismic signal characteristics which may require consideration in global monitoring of the Comprehensive Test-Ban Treaty (CTBT). In this paper we summarize the results of a detailed statistical analysis of broadband seismic data recorded at the Borovoye Geophysical Observatory from 21 of these PNE tests at regional distances extending from about 7 to 19 degrees, as well as the results of theoretical waveform simulation analyses of near-regional (Δ?相似文献   

Mikhnevo: from seismic station no. 1 to a modern geophysical observatory

The Mikhnevo seismic station was founded in accordance with directive no. 1134 RS of the Council of Ministers of the Soviet Union of February 6, 1954. The station, installed south of Moscow, began its operations on monitoring nuclear tests in the United States and England in 1954. For dozens of years this station was the leading experimental base for elaborating new technical solutions and methods for monitoring nuclear explosions, equipped with modern seismological instruments. At present, the focus of activities has been moved from military applications to fundamental geophysical research. The station preserves its leading position in seismological observations due to the development of national high-performance digital instruments and creation of the small-aperture seismic array, the only one in the central part of European Russia, which is capable of recording weak seismic events with M_L ≥ 1.5 within a distance of 100 km.