当量估计为10-20万吨！朝鲜这次真的搞大了！
研究快报:
2017年9月3日朝鲜地下核试验
地震学鉴别、深度和当量估计的初步调查结果
来源：中科院地质地球所（微信号：dizhidizqiusuo）
作者：赵连锋1 谢小碧2 何熹1 赵旭1 姚振兴1
1.中国科学院地质与地球物理研究所，地球与行星物理重点实验室，北京，100029
2.美国加州大学圣克鲁兹分校地球物理与行星物理研究所，圣克鲁兹，CA95064
授权推送，特此感谢！
根据地震监测部门的速报结果，北京时间2017年9月3日上午11时30分，在朝鲜民主主义人民共和国境内发生了一次震级为6.3的地震事件，震源深度接近0公里。由其产生的地震波在中国东北和华北的部分地区产生了强烈震感。
事件发生之后一个小时，朝鲜政府宣称这是该国进行的可装载在洲际导弹上的氢弹试验，并取得了成功。这是朝鲜进行的第六次核试验，爆炸威力远大于前。
鉴于该事件在国际政治以及中国周边安全方面的重要影响，我们根据中国国家地震台网和全球地震台网的区域波形资料，对该事件的性质进行了快速的地震学鉴别，并进行了震级和爆炸当量估计的研究。
图1将该次事件与之前5次朝鲜地下核试验在牡丹江地震台（MDJ）的地震记录进行了对比，发现波形高度相似，均具有P波能量较强，Lg波能量较弱，S波不发育，3-5 s范围内短周期Rayleigh面波能量强等特征，显示出显著的浅源爆炸特征。为了区分核爆和天然地震，我们比较了朝鲜地下核试验与邻近区域的4次天然地震和位于半岛东南端2次天然地震的振幅特征。根据大陆路径台站的垂直位移记录，计算了Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn的傅立叶频谱比，并用其台网平均值作为区分地震和核爆事件的依据。
图1 朝鲜6次地下核试验在牡丹江地震台（MDJ）的重直分量速度记录。
图2所示为核爆与地震事件所具有的频谱比特征，其中红色和黑色分别为核爆和邻近地震数据，蓝色为2017年9月3日事件，绿色是距离试验场较远但位于朝鲜半岛地体的2次地震事件。结果表明，本次发生在朝鲜的事件明显落入爆炸震源的群组，是一次人为爆炸事件。
图2 核爆与天然地震事件频谱比的比较。（a）为单一事件单台得到的Pg/Lg结果和对台网的平均值。（b）-（d）为不同事件Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn频谱比的台网平均值，红色曲线来自历史核爆，黑色和绿色曲线为天然地震，蓝色曲线来自2017年9月3日的事件。该事件显然落入爆炸事件的群组。
为了确定此次朝鲜地下核试验的地震当量，我们使用中国东北及邻近地区宽频带高分辨率的Lg波衰减模型（Zhao et al., 2010）得到2017年9月3日朝鲜核试验的Lg波体波震级mb为5.56。然后通过完全耦合的Bowers et al. (2001) 的震级-当量公式得到相应的地震学当量为56 kt (千吨)（图3），误差范围为30 - 80 kt。
图3用于估算朝鲜核试验当量的经验震级-当量关系曲线。其中实线部分为以大量数据为基础的关系曲线，虚线段为少量数据支持的延伸线；NKT1-5为5次历史朝鲜地下核试验，NKT6为本次爆炸事件。图中红色实心五角星是3个已知当量的化学爆炸事件。
由于缺乏实际的震源深度信息，这一结果是基于埋藏深度符合正常的当量-深度比例关系得到的估计值。为了防止核泄露造成环境污染，较大当量的地下核试验通常深埋。实际的核装置的地下埋藏模型包括平硐、斜硐和平硐+竖井模型，如图4所示。此次核试验的当量较大，我们推测为平硐+竖井的埋藏方式。根据卫星图片显示的朝鲜核试验场堆积的土方量，推测挖掘深度可能达到1000 –2400 m。
图4核试验地下埋藏模型。
这样，此次朝鲜核试验的当量估计范围扩展到100 - 200kt （Zhang and Wen, 2013），如图5所示。
图5朝鲜地下核试验的深度和当量估计。
参考文献：
Bowers, D., P. D. Marshall, and A.Douglas (2001). The level of deterrence provided by data from the SPITSseismometer array to possible violations of the comprehensive test ban in theNovaya Zemlya region, Geophys. J. Int. 146, 425–438.
Gibbons, S. J., F.Pabian, S. P. Näsholm, T. Kværna, and S. Mykkeltveit (2016), Accurate relativelocation estimates for the North Korean nuclear tests using empirical slownesscorrections, Geophys. J. Int.(208), 101-117, doi:10.1093/gji/ggw379.
Murphy, J. R. (1996). Type of seismicevents and their source descriptions, in Monitoring a Comprehensive Test BanTreaty, edited by E. S. Husebye and A. M. Dainty, pp. 225-245, Kluwer AcademicPublishers, Dordrecht/ Boston/ London.
Nuttli, O. W. (1986). Lg magnitudes ofselected 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 theShagan 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 aroundNortheast 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 nucleartest, 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 Koreanunderground nuclear test, Seis. Res. Lett., 85(1), 130-134,doi:10.1785/0220130103.
张成科, 张先康, 赵金仁, 刘宝峰, 张建狮, 杨卓欣, 海燕, and 孙国伟 (2002), 长白山天池火山区及邻近地区壳幔结构探测研究, 地球物理学报, 45(6), 812-820.
延伸阅读：
一、10~20万吨当量是什么概念？
这得说说核弹当量。
核弹爆炸时，释放的能量比采用化学炸药的常规弹药大得多。核武器的威力指爆炸时释放的总能量，通常用TNT当量（梯恩梯当量）度量。它表示产生同样能量所需的TNT炸药的重量；常用吨、千吨或百万吨TNT当量表示，有时简称“当量”，1吨TNT炸药爆炸释放的能量约为4183兆焦。
按当量大小，可将核弹分为千万吨级、百万吨级、十万吨级、万吨级、千吨级和百吨级。
世界上第一个核爆炸装置，代号“大男孩”的钚装药约重6.1千克。由重约2 268千克高能炸药内向爆炸将其压缩到一起，于1945年7月16日上午5时24分，在新墨西哥州阿拉莫戈夫的“三一”试验场内的一个30米高的铁塔上进行试验，当量为2.0~2.4万吨。
1945年8月6日上午8点15分投在日本广岛上空、估计爆高580米的原子弹“小男孩”，它装有60千克高浓缩铀235，核弹本身重约4吨，当量1.2～1.5万吨（有报道1.25万吨）。
也就是说，如果朝鲜这次试爆数据准确的话，我们推测它的当量达到了十万吨级。理论上，它的有效杀伤半径可达3.22公里，有效杀伤面积可达33平方千米。
二、核试验，为什么总是地震部门“第一个知道”？
这事要从1996年说起。
1996年，《全面禁止核试验条约》（CTBT）最终达成一致，规定每个缔约国承诺不进行核试验爆炸或任何其他核爆炸。
这就意味着，想进行核爆炸的国家会采取更隐秘的方式，比如在地下进行核爆炸。而监测地下核爆炸最重要的手段就是地震波监测。因为只要是核爆炸，就会产生地震波；只要爆炸达到一定当量，其地震波就会被全球的地震台网记录到。地震学家就能研究、判断这个地震是人工地震还是天然地震。
自从全球数字化地震台网和台阵技术——这些永不休息的“顺风耳”发展以后（图1），一般认为只要核试验引发的震级超过mb3.5的，就可以被地震台网监测到。
【图1】全面禁止核试验条约组织（CTBTO）在全球，包括海洋布下天罗地网，监测任何可疑的人工爆炸特别是核试验。图上的不同符号代表了不同类型的监测台站。主要有：地震台（Seismic station），地震台阵（Seismic array），水声台（Hydroacoustic station），次声台（Infrasound station），放射性核素台（Radionuclide station）等。（图片来源 45 33825 45 15534 0 0 1046 0 0:00:32 0:00:14 0:00:18 2935：CTBTO，2003）
三、地震学是如何监测核试验的呢？
好比我们可以通过一个人的外貌、声音、行为举止来辨识一个人，地震学家可以通过地震波震相、P波初动、震源深度等多种方法判断一个地震是天然的还是人工的。下面举例介绍些传统的方法。
1、震相
地震、爆炸，波组不同
震相指地震图上不同类型、传播路径不同的地震波组。震相判断是简单而直接的方法，是地震学的基本功，地震学家研究每一个地震时，首先会根据震相进行初步判断。天然地震的常见震相有纵波（P）、横波（S）和面波，大多数天然地震的P波振幅<S波振幅<面波振幅（图2-3）。人工爆炸的P波振幅大于S波，因为激发的地震波频率高衰减快，低频的面波振幅也小。此外，对于核爆炸，在震中距大于1000km时，通常会检测到视速度约3.5km/s的Lg波（图4）。
和振幅比法相似的是震级比较法，例如借助面波震级Ms和体波震级mb的比值来判断地震类型，这种方法普遍而直接。
地震工作者特别是在地震台站的工作人员，每天的重要任务就是把记录到的地震事件按照规定的格式做成目录，并对一些可疑地震进行研究。制作的目录里，天然地震和人工地震是分开的。这样的工作需要轮流值班，像台“机器”一样不能停止。
【图2】英国一个地震台记录到的日本Mw9.0大地震地震图。地震图由上往下，分别是垂向、南北向和东西向记录，通过这三个分量的记录，就可以完整地记录质点在空间上的运动轨迹。可以看到P波的振幅要小于S波振幅，面波的振幅最大，但尾巴很长，这是天然地震的主要特征。（图片来源：David Hawthorn）
【图3】天然地震的常见震相有纵波（P）、横波（S）和面波（图为瑞利波R），它们的速度不同。地震波传播有点像运动员赛跑，一开始所有运动员差距不大，这时还不容易区分谁是“冠军博尔特”，不久之后，跑得快的就会冲到前排，且距离越拉越大，这下就容易区分了。地震学家在分析震相的时候，不喜欢一个一个分析地震波，他们喜欢把很多地震台的数据，按照震中距排列起来，让地震波“跑起来”以区分震相。图为美国地震台阵（USArray）接收到的日本Mw9.0地震波序列，可以看出P波振幅<S波振幅<面波振幅。其中R1表示面波第一次经过地震台，R2表示反方向的面波经过地震台，R3表示R1面波绕地球一圈后经过地震台。由图可见，这是一个能量巨大的天然地震，而不是传言的“核试验”。（图片来源：IRIS）
【图4】 北京时间2006年10月9日9点35分，朝鲜在其境内（41.294°N，129.093°E）进行当量小于1000吨的地下核试验，产生了约4级的地震。即使这些地震波到达北京时，振幅已经小到只有几十纳米，但利用地震台网技术，仍可以检测出核试验产生的～7.5km/s的P波和～3.5km/s的Lg波。
【图5】图中红色波形是中国在90年代进行的地下核爆炸产生的地震波，其记录特征是“大头小尾”，P波强于S波，Lg波发育。蓝色的是6.3级天然地震产生的地震波，它的特征是“小头大尾”。利用记录到的地震波的特点，基本可以区分地下核爆炸和天然地震。（图片来源：陈颙等.2007.《自然灾害》）
2、P波初动
压缩、膨胀，方向不同
初动指的是地震波到达地震仪时，所测质点的最初的振动方向，初动分为向外的压缩（compression）和向内的膨胀（extension）两种。地下核爆炸和天然地震的本质区别在于它们的震源特性不同。大多数天然地震是地下岩石破裂、滑动所引起的，破裂面很大，持续时间较长，表现在地震波上，是不同方位的地震台接收到的P波初动不一致，有的是压缩，有的是膨胀（图6）。而地下核爆炸的震源过程要简单和短得多，球对称压缩（各个方向都向外压缩），使所有地震台接收到的地震波初动都是压缩的。利用地震波初动信息，就可以反过来求出震源机制解，推测出地震是正断层、逆断层、滑移断层还是人工爆炸引起的。
【图6】 地震学通常利用“沙滩球”来表示地震的震源机制。图上的“沙滩球”表示有的地震台的初动是压缩，有的是膨胀，其震源是一条逆冲断层。USGS测出断层面的走向约为195度，倾角约为14度，和俯冲的板块性质相一致（见图7）。中国科学院青藏高原研究所的王卫民等测出断层的地震矩为3.6×10**22，最大滑移为5450cm。（图片来源：AGU）
【图7-1】把大大小小的地震按照经纬度和深度投影到一个横截面上，可以描绘出太平洋板块和北美板块的俯冲带形态。（图片来源：USGS）
【图7-2】这次日本大地震的破裂带长度不算很长，仅为300～400km，远远地小于2004年底9.1级苏门答腊大地震的破裂带长度1200km。但为什么震级如此之大？因为Mw震级除了和破裂带面积有关外，还与滑移量有关，图中红色部分表示滑移量为40m（这个数值还待更多的数据加入后修正）的区域，而40m的量在大地震中算很大的。8.0级汶川地震的最大滑移量仅为7.3m。作为比较数据：1976年唐山地震的破裂带长度～100km，2001年昆仑山地震的破裂带长度～440km，2006年汶川地震的破裂带长度为300km。（图片来源：Guangfu Shao/UCSB/NewScientist）
3、震源深度
超过10KM无需考虑
地震波的快速定位已经不是难题，美国地质调查局测定这次日本大地震的震源深度为地下32km，中国地震台网测定的震源深度为20km，这就意味着，如果是核爆炸，就要将核装置埋在地下几十千米处，那是不可能的。要知道，在大陆上最深的钻井也不过12km，何况是在海底？《全面禁止核试验条约》议定书在筛选核试验数据时，一般也认为：震源深度大于10km的将不予考虑。
4、地震能量
几十亿吨TNT
1万吨当量TNT的核爆炸，能量相当于5级地震；100万吨当量TNT的核爆炸，能量相当于6点几级地震。1974年之后进行的地下核试验当量都不超过15万吨。这次日本大地震震级为Mw9.0，根据能量公式LgE=4.8+1.5Mw，估算地震释放的能量约为2×1018焦耳，相当于几十亿吨当量的TNT。原子弹的威力通常为几百至几万吨TNT当量，氢弹的威力可大至几千万吨TNT当量。但要制造几十亿吨TNT当量的核弹，目前还是很难的。
除了以上4种方法外，《全面禁止核试验条约》议定书列出了用于筛选核试验事件的参数：事件位置、事件深度、面波震级与体波震级的比值，信号频率成分、震相间的谱比、频谱涨落、P波的初动、震源机制、震相、与其他事件及事件组的对比等。此外，还可以结合次声、水声、放射性核素监测等其他领域的方法，综合判断一个地震是否核试验引起的。
【图8】1945～2009年世界各国进行核试验的时间、类型和次数。（图片来源：CTBTO）
那么，有没有可能是有人制造了一次地下核试验，然后很不巧的，这次核试验引发了一场小规模地震，并进而诱发了超级强震呢？
我们前面已经说过，监测爆炸事件特别是核试验是地震台网的重要职责，只要地下核试验达到一定当量，就能被监测到。但迄今为止，联合国全面禁止核试验条约组织（CTBTO），包括中国地震台网在内的各大监测机构都未见发布日本地下核试验消息。
和水库诱发天然地震一样，核试验可以诱发小地震，但至于利用核试验诱发大地震的可能性，因为研究样本太少，研究也少，地震学界还没有统一的认识。不过，可以肯定的是，日本Mw9.0级地震绝不是核试验。
综上所述，地震观测台网由于能够记录到天然地震和人为的地震事件所引起的地面运动，因而在地下核试验的地震监测、人工爆炸的检测和识别方面具有重要的应用价值。但是，遇到核试验也不是万能的。比如现在很难找到一个可信的地震学判据，来判断一次爆炸试验究竟是核爆炸，还是当量很大的化学爆炸。解决这个问题，只能靠放射性核素测量等其他的手段。
以上延伸阅读内容来自空错志《利用地震波监测核试验》,
作者：空错。
原文地址：http://www.kongcuo.com/archives/author/kongcuo
致谢作者！
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