朝鲜核试验相关地震学研究进展及其文献计量学分析

朝鲜自2006年10月9日第一次开展地下核试验以来,分别于2009年5月25日、2013年2月12日、2016年1月6日、2016年9月9日和2017年9月3日相继进行了5次规模较大的核试验.由于核爆炸和天然地震的震源机制不同,可以通过核爆炸产生的地震波来进行核试验的监测,核试验相关地震学研究一直是国内外专家关注的焦点.本文分别从事件定位、性质识别、当量和埋藏深度等几个方面总结了近些年来朝鲜核试验相关地震学的研究进展,并基于文献计量学方法对朝鲜核试验相关地震学研究现状进行分析,综合结果表明,近些年基于朝鲜核试验的相关地震学研究的主要研究方向为核试验定位、当量估算以及震源深度等.     

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.

     

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.     

福建顺昌地震的波形分析

2007年3月13日,福建省顺昌县郑坊乡连续发生了4.7级和4.6级两次地震,这是福建数字台网建成以来记录到的省内最大地震.这两次地震为开展福建地区的地震研究提供了极其宝贵的第一手观测资料.本文就两次地震的记录波形进行了分析,试图从中提取更多信息.结果表明:①地震记录波形中观测到首波临界距离,并据此估算出的震区附近的地壳厚度约为40km;②这两次地震的S波最大振幅比存在明显差异;③波形中分析出了清晰的sPn深度震相,并据此估算出4.7级地震的震源深度为8.4km,与其它方法测定结果一致,为正确测定震源深度提供了依据.     

一种地方与区域地震震源机制反演技术:广义极性振幅技术(二)——对实际震例的应用

为了检验广义极性振幅技术(GPAT)的实用性,我们利用GPAT反演确定了49次实际地震的震源机制、矩震级和震源深度.为了检验GPAT对地方地震、区域地震以及远震的实用性,我们选用了震级范围约为ML0.2~MS7.0之间的地震与震中距范围约在5~8000km之间的观测资料.对反演结果的分析表明,利用GPAT获取的震源机制结果在合理误差范围内是正确的,利用GPAT获取的矩震级结果是可靠的,而利用GPAT获取的震源深度总体上似乎比常规定位深度深约0.6km.总体而言,GPAT在震源机制、矩震级和震源深度的反演方面表现出良好的实用性.     

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.

     

利用小波变换分析朝鲜核爆波形特征

基于小波变换方法,对2009-2017年黑龙江省牡丹江地震台（MDJ）记录的5次朝鲜核爆信号进行Daubechies小波8层多尺度分解,通过对比分析近似和细节部分信息,发现核爆信号进行小波分解后,在不同层存在相同特征,且有别于地震信号分解后在相应各层的特征。可见,利用该方法可有效识别朝鲜核爆。     

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.     

Tracking the North Korean nuclear explosion of 2006, using seismic data from Japan and satellite data from Taiwan

The location of the 2006 nuclear explosion in North Korea has been accurately imaged by back-projected regional Pn waves recorded by the Japanese Hi-net array. Based on the determined location, the nuclear explosion site can be identified from geo-referenced FORMOSAT-2 satellite images. The seismically determined epicenter is about 2.5 km northeast of the original estimate of its absolute location. Results indicate that a remote suspect event had been unambiguously detected and accurately located by a dense array within a regional distance. Employing ground truth correction, the satellite images can be referenced for shifting the array-determined epicenter to its absolute position. After correction, this event can be treated as a reference event for accurately locating future nuclear explosions. Our study utilizes public information from a dense seismic network and further demonstrates that commercial observation satellites can accurately monitor compliance with the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, as well as earthquake and tsunami hazards almost in real time.