2016年9月9日朝鲜地下核试验地震学鉴别和当量估计的初步调查结果
赵连锋1 谢小碧2 王卫民3 赵旭1 郝金来1 姚振兴1
1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中科院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
3. 中国科学院青藏高原研究所，中科院大陆碰撞与高原隆升重点实验室， 北京，100085
据来自媒体和地震监测部门的报道，北京时间2016年9月9日上午8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5.0-5.3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，朝鲜政府声明这是该国进行的第五次地下核试验。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 朝鲜5次地下核试验在牡丹江地震台（MDJ）的重直分量位移记录。
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，黑色曲线为天然地震，蓝色曲线来自2016年9月9日的事件。该事件显然落入爆炸事件的群组。
图1将该次事件与之前4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，3-5s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地震数据，蓝色为2016年9月9日事件。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3（a）用于震级测量的中国国家地震台网的台站（实心圈）和全球地震台网的台站（方块），以及用于标定台网的区域地震事件（十字丝）的位置。图中还包括朝鲜核试验场（红色实心五角星）和3个已知当量的化学爆炸事件（空心五角星）。（b）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；水平虚线NKT1-4为前4次朝鲜地下核试验，红线NKT5为本次爆炸事件。
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2016年9月9日朝鲜核试验的Lg波体波震级mb为4.83。然后通过完全耦合的Bowers等人提出的震级-当量公式（Bowers et al.，2001）得到相应的地震学当量为6 kt（千吨）（图3），误差范围为3 - 12 kt。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。考虑到小型爆炸的埋藏深度通常大于比例深度，上述当量估计可能需要适当增大（Zhang and Wen，2013）。例如，如果埋藏深度是520 m，当量值将达到12 kt，如果深度为800米，当量可达16 kt。
参考文献：
Bowers, D., P. D. Marshall, and A. Douglas (2001). The level of deterrence provided by data from the SPITS seismometer array to possible violations of the comprehensive test ban in the Novaya Zemlya region, Geophys. J. Int. 146, 425–438.
Murphy, J. R. (1996). Type of seismic events and their source descriptions, in Monitoring a Comprehensive Test Ban Treaty, edited by E. S. Husebye and A. M. Dainty, pp. 225-245, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht/ Boston/ London.
Nuttli, O. W. (1986). Lg magnitudes of selected 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 the Shagan River test site, Geophys. J. Int. 109, 65–77.
Zhao, L. F., X. B. Xie, W. M. Wang, J. H. Zhang, and Z. X. Yao (2010). Seismic Lg-wave Q tomography in and around Northeast 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 nuclear test, Geophys. Res. Lett., 40, 2941-2946, doi:10.1002/Grl.50607.
