2019, Vol. 40
表1(Table 1)
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
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
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。
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表 1 太原台记录的核爆与地震 Table 1 Nuclear explosion and earthquake recorded by Taiyuan Seismic Station |
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。
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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 |
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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 |
由图 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。
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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 |
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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 |
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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 |
由图 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。
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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 |
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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。
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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 |
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