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日志

 
 

朝鲜2010年小当量核试验的地震学证据  

2016-01-27 01:20:55|  分类: 半岛风云 |  标签: |举报 |字号 订阅

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张淼 温联星
(中国科学技术大学  地球和空间科学学院  地震与地球内部物理实验室)

1 引言


朝鲜民主主义人民共和国在2006、2009和2013年进行了三次核试验,许多政府和国际机构均对这三次核试验进行了检测和确认,如:美国地质调査局(USGS)和国际禁核试组织(CTBTO)。这些核试验的位置和当量也被许多研究组进行广泛的研究(如:Richards and Kim 2007; Koper et al. 2008; Zhao et al. 2008, 2012, 2014; Wen and Long 2010; Murphy et al. 2010; Chun et al. 2011; Zhang and Wen 2013)。但是,朝鲜是否进行过更多其他小当量的核试验这个问题在众多政府机构和研究组间仍存在争议。特别是,De Geer (2012)报告称2010年5月13日至23日期间在韩国、日本和俄罗斯区域的四个大气放射性监测台站中探寻到了放射性元素氙(Xe)和氙的子核素。他指出放射性元素钡-140 (Ba-140)的存在暗示着周围区域进行过一次核试验,对应的TNT当量在50~200 t,时间大约在格林尼治时间2010年5月11日的6点(+18/-30小时)(De Geer 2012; Brumfiel 2012)。在韩国巨津(Geojin)记录到的放射性信号暗示2010年5月中旬的核试验材料为铀-235(U-235)而不是钚-239(Pu-239)(De Geer 2012, 2013),而Wright (2013)经过对观测到的放射性元素的大气传播模拟后指出这两种材料不能明显区分。其他基于放射性元素类型和比例分析的研究也得到了类似的结果(De Geer 2013; Ihantola et al. 2013; Wotawa 2013; Wright 2013)。Inantola et al. (2013)应用2小时时间切片进行更加高精度的分析,估计此次事件发生时间为格林尼治时间2010年5月12日16点,根据95%不确定性,确定的误差范围为5月11日9点至5月13日13点。Wright (2013)发现这些放射性元素最有可能来源于北朝鲜的核试验基地。巧合的是,朝鲜在2010年5月12日的官方报纸《劳动新闻》上报道称,朝鲜在“太阳日”成功进行了一次核聚变反应但是,随后此新闻受到韩国和西方媒体的嘲讽(Brumfiel 2012)。

然而没有地震波记录证据和现场调查,仍然无法证实这些放射性元素的来源(Brumfiel 2012)。De Geer (2012)的研究随后引起了很大争议,但是美国政府部门和国际禁核试组织均对此拒绝做任何评论(Brumfiel 2012; De Geer 2013)。至此,Schaff et al. (2012)首次也是唯一一次利用地震信号对可能的核试验事件进行探寻,但是他们并没有找到它。在他们的研究中,他们利用2006和2009年两次核试验作为模板,对记录在牡丹江地震台(MDJ)记录的地震波形进行三分量互相关,来试图寻找朝鲜核试验基地进行的核试验。然而他们在De Geer (2012)指出的“特别五天”中(2010年4月14至16日和5月10日至11日)没有找到任何地下核试验的存在证据。因此,至今没有任何地震学证据支持以上的放射性研究发现。

在Schaff et al. (2012)的研究中,他们只用到了一个地震台站——牡丹江台(MDJ),而且此地震台站距离朝鲜核试验基地有370km。在他们研究中并没有排除非常小的核试验逃过了他们检测的这种可能性,这可能是由于震中距过大而信号太弱或者核试验发生在他们没有检查的时间窗口。在我们研究中,我们搜集距离朝鲜核试验基地200 km范围内的中国东北区域2010年4月和5月的连续地震数据,应用Zhang and Wen (2015a)新发展的微震检测方法: 匹配定位(Match and Locate,简称M&L方法)对潜在的核试验进行探寻。M&L方法是一种有效的微震检测方法,它应用多个地震台站分量记录的波形与模板波形进行互相关叠加来对微小地震事件进行检测。不像传统的波形模板匹配方法(matched-filter),假设地震发生在与模板足够近,且产生一样波形和一样走时移动,M&L方法通过对模板周围的区域位置进行扫描来探寻微小地震。在进行相关波形叠加之前,我们要计算参考模板位置与可能的地震位置在同一个地震台站上的走时差,然后对各个台站的相关波形做走时矫正(Zhang and Wen 2015a)。这让我们的检测更加有效,而且同时可以高精度的对检测事件进行定位。我们应用M&L方法在2010年5月12日检测到了一个小当量核试验。我们会详细介绍此次核试验的检测和定位过程,然后通过Pg/Lg频谱比来进一步判断检测到的事件为爆炸类型,最后计算此次核试验的当量。

表1 朝鲜历次核试验的位置、时间和当量
试验

日期
 (年/月/日)
维度
 (°N)
经度
 (°E)
时刻
(时:分:秒)
震级

当量

2006 2006/10/09 41.2874* 129.1083* 01:35:28.000+ 3.93$ 0.48 kt$
2009 2009/05/25 41.2939§ 129.0817§ 00:54:43.180§ 4.53±0.12 7.0±1.9 kt#
2010 2010/05/12 41.2863** 129.0790** 00:08:45.067** 1.44±0.13** 2.9±0.8 t**
2013 2013/02/12 41.2908# 129.0763# 02:57:51.331# 4.89±0.14# 12.2±3.8 kt#
表注: *卫星图像; +美国地质调查局(USGS); §Wen and Long (2010); $Zhao et al.(2008); Zhao et al. (2012); #Zhang and Wen (2013); **本研究。

2 朝鲜2010年小当量核试验的检测和定位

我们利用M&L方法对可能的核试验进行检测和定位,所用的地震数据是中国东北区域吉林省的7个三分量地震台站(除了MJT台的垂直分量,它的仪器摆放随时间有变化)在2010年4月1日至2010年5月31日期间记录的地震波形(图1a)。这些地震台站在朝鲜核试验基地200 km之内,同时也记录着北朝鲜2009和2013年两次核试验激发的地震波形。我们对原始地震波形去除仪器响应并转到速度场,然后带通滤波到1-6 Hz。为了提高检测能力,我们联立2009和2013年两次核试验做我们的模板(表1)。对于每个可能的位置和发生时刻,我们会基于到时差在所有分量上对互相关波形进行移动,然后把这些分量上的相关波形进行叠加,再对两个模板取平均相关系数。由于在应用M&L方法时候,使用有限的地震台站会造成震源深度和发震时刻之间的折中,我们在这里固定震源深度;在水平方向上以2009年核试验位置为中心,经度和纬度0.08°x0.08°的范围对可能的事件进行搜索,搜索间隔为0.0002°。Pg波用做参考震相,然后根据IASP91模型(Kennett & Engdahl 1991)来计算定位过程中Pg震相的参数。Pg波理论到时的前1 s和后3 s作为模板波形的时间窗口。经过检测,除了在格林尼治时间2010年5月12日0点8分45.067秒处存在一个相关系数为0.291的事件,其他时间段的平均相关系数均小于0.25 (图1b)。我们把0.291的平均相关系数作为一个事件的有效检测,因为它明显比周围背景相关系数高,满足地震检测的标准,和很多其他研究类似(如: Peng and Zhao 2009; Zhang and Wen 2015a)。根据最大平均相关系数对应的位置来确定出此次核试验位于北纬41.2863°、东经129.0790° (图2b)。检测出的2010年核试验位于2009年核试验的西227 m、南844 m处,2013年核试验的东227 m、南499 m处(图2b)。根据对此区域过去核试验的降幅再检测分析,估计定位的精度为350 m (图3)。

检测到的2010年核试验对应的平均相关系数在叠加后的互相关波形中对应着一个很明显的峰,这说明此时刻在各个台站分量上的地震信号是相关的(图2a)。最大相关系数被限制在空间中的一个很小区域,这说明检测到的事件是稳定的而且拥有着很高的位置分辨率(图3a)。被检测事件波形与两个核试验的模板波形模板也配也非常好、而且很一致。在两个模板的所有台站分量上,几乎所有的相关系数都是正的(图2c)。

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图1
朝鲜核试验基地位置、所用地震台站和检测结果
图注: (a)红色五角星表示朝鲜核试验基地(NKTS),距离核试验基地200 km的7个地震台站用红色二角形表示,另外二个临近地震(蓝色五角星)用来做震源类型对比。右下角为东亚的区域地图,黑色方框为研究区域。(b) 2010年4月1日到2010年5月31日时间段,M&L方法检测对应的相关系数(只显示相关系数大于0.2部分)。此次核试验起爆时刻位于2010年5月12日0点8分45.067秒处(标注发震时刻的红色点)。灰色虚线表示平均相关系数的阈值(0.25)。灰色区域代表缺少地震数据的时间窗L1 (从2010年5月15日16点到2010年5月16日16点)。这里所有时间均为格林尼治时间。


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图2 2010年核试验与2009年核试验模板的对比图
图注: (a)在2010年5月12日0点8分45.067秒时刻检测到事件的相关波形叠加图,(b)确定的核试验2010/05/12 (黑色五角星)和两个核试验模板2009/05/25 (红点)和2013/02/12 (灰点)位置空间分布,(c) 2009/05/25核试验模板波形(红色波形)与检测到的2010/05/12核试验的连续波形(黑色波形)对比图。(a)中的灰色虚线代表检测过程中0.25的平均相关系数阈值。每个地震台站分量的名字和相关系数标记在(c)中每对波形的最左端和最右端。总的平均相关系数显示在(c)标题。


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图3 2010年核试验检测过程的相关系数空间分布和二次核试验的位置
图注: (a)确定的2010年核试验的最优位置(标记2010/05/12的五角星,即M&L检测过程中对应的最大相关系数位置处)相对于2009和2013年两次核试验的位置(标记2009/05/25和2013/02/12的五角星),它们均以2006年核试验的位置(标记为2006/10/09的五角星)为中心。在检测2010年核试验过程中,用不同颜色来表示其相关系数在临近空间的分布(这里仅画出相关系数大于0.24区域)。黒色椭圆代表2010年核试验定位的置信区间,对应于检测过程中最大相关系数的94.3%。(b)2006,2009,2010和2013四次核试验的位置(红圈),起爆时刻(红色标记)和当量(蓝色标记)显示在谷歌地图(图像日期为2013年1月23日)上,它们位置均以2006年核试验的位置为中心(由卫星图像确定)且与左图位置相对应。2009和2013两次核试验位置处圆圈的大小与它们的当量成正比。这四次核试验的参数请见表1。


对于2009年和2013年两次核试验,它们的Pg和Lg震相在这所有的7个台站上记录的都很清晰(图4a和4b)。在大多数台站记录中,2010年核试验对应的这两个震相也是清晰可见的(图4c)。2010年事件的Lg波,在相对较宽的频段范围1-20 Hz,清晰地记录在台站SMT和CBS上面(图4c);在频段1-5 Hz,台站MJT、ZXT、FST和YNB上也能看到。2010年核试验的Pg震相在台站CBT和SMT中5 Hz以上频段能清晰观测到,而在台站YNB和ZXT中则要更高频段才能看到(如: 对于YNB台站,在5-10 Hz和15-20 Hz;对于ZXT台站,在5-15 Hz)。对于井下台SMT地震波记录的进一步研究表明,Pg和Lg波相对振幅在2009和2013年核试验的不同频段是相似的,但是与两者对比显示2010年核试验的Lg波在10 Hz以下存在着相对较大的振幅(图4d)。这些波形特征或许由于以下几个原因造成: 1)区域性的背景噪音或许会在不同频段对波形产生不同的影响;2)对于更小的爆炸源,以Pg/Lg为依据的爆炸特征会向高频转移;3) 2010年核试验或许是一个非耦合爆炸事件。在下面内容中,我们会针对后面两种可能性进行进一步探讨。


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图4 2009、2010和2013年三次核试验的波形图
图注: (a) - (c)图1a中距离核试验基地200 km内最近7个地震台站记录到的朝鲜2009年(a)、2013年(b)和2010年(c)位移波形(1-20 Hz)。台站的名字标注在每个波形的左边。(d)井下台SMT记录到的2009、2013和2010三次核试验在不同频段(标注在左侧)垂直分量的波形对比。理论Pg震相到时标注为红线,理论Lg波窗||用两条蓝色标注(分别对应群速度为3.50 km/s和2.60 km/s)。


3 利用Pg/Lg频谱比区分震源类型

人们通常用区域震相P/S类型地震波的频谱比把爆炸类型事件与地震区别开来(Walter et al. 1995; Xie 2002; Richards and Kim 2007; Zhao et al. 2008, 2014)。比如,Richards and Kim (2007)的研究中发现朝鲜2006年核试验中的Pg/Lg的频谱比与地震有很大区别。我们分析短周期(0.5-50 Hz)井下台SMT记录到垂直分量上的Pg/Lg的频谱比。SMT台也是在1 Hz以上拥有最高信噪比的地震台站(图4d)。我们还搜集了三个临近地震的波形作频谱对比(图1a)。理论Pg波到时的前2 S和后5 S构成的7 s时窗用来分析Pg波。我们根据3.50-2.60 km/s的群速度来选择Lg波(Chun et al. 2009)(图4)。对于Pg和Lg震相均进行20%的余弦频谱平滑(cosine taper)。经过去除仪器响应,计算这六个事件的位移傅里叶谱。按照Zhao et al. (2008)的处理流程,在平滑后的谱比中,仅保留那些信噪比大于2的谱值。这里的谱信噪比定义为Pg或Lg震相的谱能量密度与P波到达前噪音的谱能量密度之比(Xie 2002)。这里我们忽略了距离矫正,因为这些事件之间的距离差很小,而且此研究区域的衰减又很低(Richards and Kim 2007; Kim and Richards 2007; Zhao et al 2013 )。从此6个事件平滑后的频谱比可以看出,在2 Hz以上可以把2009和2013年两个爆炸事件从地震中区别开来;在5 Hz以上可以把2010年核试验从地震中区分开来(图5)。2010年核试验与地震的区别发生在更高频这种现象,与爆炸越小频谱比在越高频段与地震分开的结论是一致的(Xie 2002; Fisk 2006)。除此之外,Pg/Lg频谱比也会受到爆炸过程与洞穴周围的耦合程度和埋藏深度的影响(Murphy et al. 1997; Fisk 2006)。

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图5 井下台SMT记录到的三个核试验(红色符号)和三个临近天然地震(黑色符号,图1a中蓝色五角星)Pg/Lg频谱比。


4 2010年核试验的当量

我们按照Zhang and Wen (2013)中的方法和流程来对2010年核试验的当量进行评估。首先,我们用2009和2010年两个核爆激发的Lg波振幅比来计算Lg波震级。然后,根据Lg波震级和由卫星图像推算的埋藏深度,利用修改过的Lg波震级-当量-埋藏深度的经验关系对2010年核试验进行当量计算。在2009年核试验的Lg震级计算中进行了地震波路径和台站影响的矫正(Zhao et al. 2012)。由于2009和2010年两次核试验间距只有873 m,对于同一个地震台站记录到两次核试验波形的路径影响和台站矫正近似是一样的。记录在井下台SMT上的Lg波被用来进行Lg震级和当量的计算,这是因为它每个频段均拥有着很高的信噪比。

我们首先对SMT地震台站的垂直分量波形去仪器响应,然后再卷积短周期全球标准地震台网仪器响应(WWSP)。三种不同的方法用来估算Lg波的振幅比:能量积分法(integrated envelope),第三大振幅法(third-peak amplitude,简称TP)和均方根法(root mean square amplitude,简称 rms)(Zhang and Wen 2013)。基于Lg波的振幅比,我们推算朝鲜2010年核试验的Lg波震级为1.44±0.13,其中包含从Zhao et al. (2012)结果中继承过来的误差±0.12和计算Lg波振幅比过程中引入的误差±0.04。

我们使用Zhang and Wen (2013)修改过的Lg震级-当量-埋藏深度的经验关系式:
mb=1.0125log(Y/kt)-0.7875(h/m)+5.887,
这里mb是Lg震级,h是埋藏深度,Y是当量。此经验关系式中既包含了朝鲜核试验区域传统的震级当量关系(Bowers et al. 2001; Zhao et al. 2008, 2012, 2014; Schaff et al. 2012),又包含了Patton and Taylor (2011)提出的埋藏深度修正项。我们根据核试验的定位位置和与之联系的核试验隧道口之间的高程差来推算埋藏深度。根据2010年核试验的位置,我们认为Pabian and Hecker (2012)鉴定的“西隧道入口”最有可能是本次核试验的隧道入口。西隧道入口和2010年核试验的位置的高程分别为1400 m和1630m。因此我们根据两者的高程差推算出此次2010年核试验的埋藏深度为230m。通过应用以上修改后的Lg震级-当量-埋藏深度经验关系,我们估算出在230 m的埋藏深度下,2010年核试验的当量为2.9±0.8 t。

5 讨论

De Geer (2012)指出在2010年4月中旬可能存在着另外一个小当量的核试验,并且和5月中旬那次核试验在同一个起爆空间(chamber)。我们在4月中旬地震记录中并没有检测到此事件(图1b)。但我们不能排除这个假设事件的震级太小我们检测不到这种可能性,或许它根本就不存在。实际上4月中旬那个核试验是为了解释De Geer (2012)的模型与观测数据不一致而提出的。在后来的研究中,在2010年4月不存在核试验的情况下,只用2010年5月中旬一个核试验也可以解释氙元素数据(Wright 2013; De Geer 2013)。

我们确定的发生时刻位于放射性同位素比例分析得到的时间窗口之内(Ihantola et al. 2013)。从地震数据中估算出2010年核试验的当量为2.9±0.8 t,远小于从放射性数据中推算的当量50~200 t (De Geer 2012)或其他研究从放射性核素活动性推算的几百吨(Wright 2013)。如果放射性同位素的推算正确的话,那么这么大的当量差暗示着2010年核试验爆炸过程至少是部分非耦合的,这也和De Geer (2013)从惰性气体中分析的结果是一致。我们的研究表明通过联合地震数据和放射性同位素数据,可以对小当量的核试验实现科学检测。

6 小结

我们检测并定位了朝鲜进行的2010年5月12日一次小当量核试验。我们应用M&L方法和朝鲜2009和2013年核试验作为模板,对距离朝鲜核试验基地200 km之内的7个地震台站在2010年4月1日到2010年5月31日时间段的地震波形进行搜索。我们在格林尼治时间2010年5月12日0点8分45.067秒发现了此次核试验,位置确定在北纬41.2863°、东经129.0790°,定位地理精度为350 m。检测到的2010年核试验位于2009年核试验的西227 m、南844 m,2013年核试验的西227 m、南499 m处。此事件的Pg/Lg频谱比进一步确认为其为爆炸类型。根据2009和2010年两次核试验的Lg波振幅比和由卫星推算的埋藏深度,我们估算此次核试验当量为2.9±0.8 t。我们的研究为朝鲜2010年5月12日小当量核试验的存在提供了地震学证据,同时支持了放射性同位素的观测,也展示了我们通过联立地震数据和放射性数据对小当量核试验进行科学监测的能力。

摘自:张淼,中国科学技术大学博士论文,《地震定位和检测》,第五章。

英文版:Miao Zhang and Lianxing Wen, "Seismological Evidence for a Low-Yield Nuclear Test on 12 May 2010 in North Korea," Seismological Research Letters, vol 86, no.1 (January/February 2015): 138-145
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