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  地震地磁观测与研究  2019, Vol. 40 Issue (4): 59-64  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.04.009
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引用本文  

靳玉贞, 刘炜, 何佳, 等. 太原基准地震台核爆震相识别[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(4): 59-64. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.04.009.
Jin Yuzhen, Liu Wei, He Jia, et al. Identification of nuclear explosion waveform recorded by Taiyuan Fundamental Seismic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2019, 40(4): 59-64. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.04.009.

基金项目

山西省地震局科研项目(项目编号:SBK-1305)

作者简介

靳玉贞(1971-), 女, 1992年毕业于防灾技术高等专科学校应用地球物理专业, 高级工程师, 从事地震监测工作。E-mail:jyz7104@163.com

文章历史

本文收到日期:2017-07-05
太原基准地震台核爆震相识别
靳玉贞 1,2, 刘炜 2,3, 何佳 1,2, 杨世英 1,2, 孟彩菊 1,2, 刘晓萍 2,4     
1. 中国山西 030025 太原基准地震台;
2. 中国山西 030025 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站;
3. 中国山西 037006 大同中心地震台;
4. 中国山西0370900 祁县地震台
摘要:对太原基准地震台记录的核爆及天然地震波形进行对比分析,结果显示:①与天然地震相比,核爆震相特征相对独特;②地震优势频率较窄,而核爆优势频率则较宽,即对于震中距相近、当量不同的核爆波形,太原台记录的时频变化特征相似;③对于震中距相近的天然地震与核爆波形,太原台记录的时频特征差异明显。
关键词核爆    地震    频谱    
Identification of nuclear explosion waveform recorded by Taiyuan Fundamental Seismic Station
Jin Yuzhen 1,2, Liu Wei 2,3, He Jia 1,2, Yang Shiying 1,2, Meng Caiju 1,2, Liu xiaoping 2,4     
1. Taiyuan Seismic Station, Shanxi Province 030025, China;
2. National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan, Shanxi Province 030025, China;
3. Datong Central Seismic Station, Shanxi Province 037006, China;
4. Qixian Earthquake Agency, Shanxi Province 030900, China
Abstract: Comparing the waveform of nuclear explosions with that of the natural earthquakes recorded by Taiyuan Fundamental Seismic Station,the paper obtains the results as follows:①The phase characteristics of nuclear explosion are unique compared with that of natural earthquakes; ②The dominant frequency band of natural earthquakes is narrow and that of nuclear explosions is relatively wider. Waveform from nuclear explosions with similar distance but different TNT equivalent has similar time-frequency features; ③Waveform from natural earthquakes and nuclear explosions with similar distances has quite different time-frequency features.
Key words: nuclear explosion    earthquake    spectrum    
0 引言

1996年9月联合国通过《全面禁止核试验条约》,各国核爆试验由地上转为地下。核爆引起的地面振动与地震相同,均以波的形式传播,形态相似。由于各地地形和地质构造的差异,波在传播路径中的介质不同,使得记录图形和波形衰减快慢迥然不同(刘贤伦,1995)。基于地震学方法,地下核爆破识别通常通过若干判据联合实现,如:何永锋等(2006)利用经验格林函数,识别地下核爆炸与天然地震;谢小碧等(2018)对于朝鲜6次地下核爆破,应用平均P/S谱振幅比,将核爆事件从天然地震中识别出来。利用地震台阵,通过波形记录判定核爆,尤其小当量核爆的技术得到发展(Wang et al,2018)。本文在前人资料收集基础上,对太原基准地震台(下文简称太原台)记录的核爆与震中位置相近的天然地震波形进行频谱分析,为进一步识别核爆提供参考依据。

1 台站概况与资料选取

太原台位于太原盆地西界断裂交城断裂带上。交城断裂为全新世活动断裂,北起上兰村,南至汾阳,总长约130 km。北段(晋祠断裂)走向近NS向、南段走向NE、倾向NW的正断层,台基岩性为奥陶纪灰岩。

太原台为国家基准台,始建于1953年,1970年建成并投入观测,囊括测震、形变、电磁、流体4大学科。由建台开始的11个模拟测项发展到现在的25个数字化监测项目,其中测震手段先后安装多种地震仪,到1985年实现长、中、短周期测震仪器配套观测,2007年1月开始数字记录,为地震研究提供了大量高质量、高精度模拟及数字化资料。

太原台在多年观测中记录到多次国内外核爆事件。选取2次模拟记录和2次数字记录的核爆事件与1次天然地震(表 1),对比分析2种事件波形特征异同点。其中:1987年6月5日中国新疆M 5.2核爆、1975年10月21日前苏联新地岛M 5.7核爆为模拟记录,2016年1月6日10时54分朝鲜M 5.1核爆和2016年9月9日08时30分朝鲜M 5.3核爆为数字记录。

表 1 太原台记录的核爆与地震 Table 1 Nuclear explosion and earthquake recorded by Taiyuan Seismic Station
2 核爆震相特征

对1975年苏联新地岛、1987年新疆2次模拟记录的核爆识别,主要从核爆P波初动方向、爆炸震源深度、爆炸持续时间、爆炸波传播路径等方面进行震相特征分析,对2016年2次记录到的朝鲜核爆和距离相近的2013年吉林前郭天然地震的数字化波形进行了传统的波形特性识别,又利用地下核爆与天然地震2种震源机制和震源线度的不同作频谱分析,寻找两者之间频率上的差异,更进一步提高地下核爆事件的识别率。

2.1 核爆震相模拟记录特征

在太原台模拟记录时期,记录到1975年前苏联新地岛M 5.7核爆及中国新疆M 5.2核爆(震中距18.6°),以以上2次核爆为例,分析震相特征,波形曲线见图 1图 2

图 1 1987年6月5日新疆M 5.2核爆波形 Fig.1 The waveform of the Xinjiang M 5.2 nuclear explosion on June 5, 1987
图 2 1975年10月21日前苏联新地岛M 5.7核爆波形 Fig.2 The waveform of the former Soviet Union Novaya Zemlya M 5.7 nuclear explosion on October 21, 1975

图 1图 2可见:中国新疆M 5.2核爆波形特征为P波初始尖锐,初动向上,S波初始微弱,Lg波形特征明显,呈短周期出现,与同震级浅源地震相比,面波振幅小;前苏联新地岛M 5.7核爆P波初动向上,单个周期出现,S波初始微弱,不易分辨;2次核爆P波到达后1 min可见短周期核面反射波PCP,水平向在S波到达前1 min可见PCS核面反射转换,易将PCS误判为S震相,面波不发育。

2.2 核爆震相数字记录特征

朝鲜核试验始于2006年10月9日,至2017年9月3日,证实共进行6次地下核试验,试验场地均位于咸镜北道核试验场。选取太原台2016年记录的2次震中距相近、震级相差不大的朝鲜核爆(起爆地点及震级接近),与2013年吉林前郭天然地震信号进行对比分析,结果见图 3图 4图 5

图 3 2016年1月6日朝鲜M 5.1核爆波形 Fig.3 The waveform of DPRK M 5.1 nuclear explosion on January 6, 2016
图 4 2016年9月9日朝鲜M 5.3核爆波形 Fig.4 The waveform of DPRK M 5.3 nuclear explosion on September 9, 2016
图 5 2013年11月23日吉林前郭M 5.7地震波形 Fig.5 The waveform of Jilin Qiaguo M 5.7 earthquake on November 23, 2013

图 3-图 5可见:①地震发生过程缓慢,波形延续时间较长,而核爆瞬间发生,波形延续时间较短;②核爆以胀缩应力为主,P波较发育,波形尖锐(能量较大),而S波不发育,但仍可在核爆波形中观察到。分析认为,S波来源于P波和面波的转换,即转换S波;或在核爆过程中,上层岩石破裂,基于线性偶极补偿源模型产生S波。地震波形则S波振幅较大,能量较强(柳云龙,2014);③与天然地震相比,核爆震源深度(埋藏深度)较浅,导致核爆信号面波发育。

2.3 地震、核爆频谱特征

数字记录为速度信号,频谱宽,动态范围大,信息含量丰富,分析方法先进灵活,可直接进行频谱分析(万永革,2007)。将截取数据导出为文本格式,调用Matlab函数,对2次2016年朝鲜核爆与2013年吉林前郭M 5.7天然地震事件波形进行快速傅里叶变换(FFT),求取频率特征,结果见图 6图 7

图 6 2013年11月23日吉林前郭M 5.7地震波形频谱特征 Fig.6 Frequency spectrum of M 5.7 earthquake in Qianguo, Jilin on Nov. 23, 2013
图 7 2次朝鲜核爆波形频谱特征 (a)2016年1月6日M 5.1核爆;(b)2016年9月9日M 5.3核爆 Fig.7 Frequency spectra of two nuclear explosions occurred in North Korea

地下核爆炸与天然地震两者由于震源性质不同,产生的波在空间和时间特性上存在差异。相对而言,天然地震震源激发的波频率较低和波长较长,优势频率集中在0-1.5 Hz(图 6);地下核爆炸的力学机制是简单的球对称压缩,仅以振动而言,震源时间函数表现为单脉冲形式,震源激发出各种频率的波,有的具有极高频率和极短波长(安镇文等,2008)。由图 7可见,朝鲜2次核爆优势频率相对较宽,且均表现为2个频段,其中高幅值低频段为0-1 Hz,低幅值高频段为1-6 Hz,均高于天然地震波频率。

3 结论

通过对核爆与天然地震波形进行对比分析,可知识别2种事件波形需综合考虑以下因素:①核爆波形垂直分量初动向上,地震则有上有下;②核爆波形S震相弱;③对于能量、震级相当的地震与核爆,核爆记录的持续时间较短;④核爆事件爆破源浅,无深震相出现,核面反射震相有时可见,续至震相较少;⑤核爆波形比地震波形简单,每个震相只有简单的几次振动;⑥对于同一台站记录的不同当量的核爆,若震中距范围相近,则时频变化规律相似,而同一台站记录的震中距范围相当的天然地震与核爆,时频变化规律具有较明显的差异,即地震波形优势频率较窄,而核爆波形优势频率较宽(孙甲宁等,2005)。

本研究仅为核爆波形识别的粗浅讨论,鉴于核爆监测识别的复杂性,有待于今后工作中继续深入研究。

参考文献
安镇文, 郭祥云, 边银菊, 等. 2008. 核爆炸与地震识别研究进展[J]. 国际地震动态, (8): 22-31. DOI:10.3969/j.issn.0253-4975.2008.08.003
何永锋, 陈晓非. 2006. 利用经验格林函数识别地下核爆炸与天然地震[J]. 中国科学:地球科学, 36(2): 177-181.
刘贤伦. 1995. 单台识别核爆的方法初探[J]. 地震地磁观测与研究, 16(3): 8-14.
柳云龙.朝鲜核试验地震学特征与长白山火山区上地幔三维衰减结构研究[M].长春: 吉林大学, 2014.
孙甲宁, 夏爱国, 苏乃秦. 2005. 地震和爆破时频域能量分布特征的对比分析[J]. 华南地震, 25(2): 68-74. DOI:10.3969/j.issn.1001-8662.2005.02.009
万永革. 2007. 数字信号处理的Matlab实现[M]. 北京: 科学出版社, 92-96.
谢小碧, 赵连锋. 2018. 朝鲜地下核试验的地震学观测[J]. 地球物理学报, 61(3): 889-904.
Wang D, Hutko A R. 2018. Relative relocations of the North Korean nuclear tests from 2006 to 2017 using the Hi-net array in Japan[J]. Geophysical Research Letters, 45(15): 7481-7487. DOI:10.1029/2018GL078653