自2006年以来，朝鲜共进行了六次地下核试验，爆炸震级和破坏强度逐次增大。然而，因为震中位置和埋藏深度难以准确测定，致使核试验爆炸当量的估计误差达到一个数量级或更高，从而影响对朝鲜核试验装置的合理评估。由于核试验的震源深度极浅，地下结构复杂，以及缺少近场观测资料，更兼埋藏深度与起爆时刻之间存在较强的折衷，精确测定埋藏深度是一个关键但尚未完全解决的地震学难题。
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地震学学科组的博士研究生杨庚、导师赵连锋研究员、美国加州大学圣克鲁兹分校的谢小碧研究员与其他合作者一起，开发了一种基于多种震相的地震学方法，能够有效提高对朝鲜地下核试验埋藏深度的测定精度。该方法根据区域震相Pg和Pn波的传播差异，利用它们对震源深度和震中位置的不同敏感性，通过对不同事件到达同一台站互相关时差的组合使用，获得了基于区域地震台网波形资料的高精度定位方法，测定了朝鲜六次地下核试验的埋藏深度。
图1 用于朝鲜地下核试验定位的区域地震台网（左图）和利用互相关方法由牡丹江台对不同核爆事件观测到的Pn波和Pg波的相对到时差（右图）。
相邻地震事件到达同一地震台的波形记录具有高度相关性，对其进行互相关计算，能够获得精度达0.001 s的相对走时差（图1）；因此，利用波形互相关时差对事件进行相对定位的理论精度可达到数米的量级。通常，Pn波数据对震源深度比较敏感但易受起爆时刻影响。相比之下，Pg波对深度的敏感程度较低但对震源的水平位置约束较好。因此，首先利用Pg波确定震源水平位置和起爆时间，然后加入Pn波的信息确定埋藏深度并修订水平位置和起爆时间（图2）可以对震源位置进行有效约束。结果表明，2006年朝鲜首次核试验位于试验场东南端海拔高度较低处；2009年至2017年的后续5次核试验均位于芒塔普山西侧山坡，海拔较高，其高程分别为1498 m、1418±43 m、1639±48 m、1653±47 m和1604±57 m（图2)。通过对朝鲜地下核试验的高精度定位结果，推测得到它们的埋藏模型如图3所示。
图2 （a）朝鲜6次地下核试验水平定位结果（蓝色圆点），以及与朝鲜官方公布结果的比较（白色圆圈+数字）；（b）Pn和Pg波能量离源角范围及其对深度敏感性的示意图；（c）朝鲜6次核试验的埋藏深度估计。
图3 朝鲜地下核试验的埋藏模型。
研究成果发表在国际知名地学学术期刊JGR-Solid Earth (杨庚，赵连锋*，谢小碧，张蕾，姚振兴. High-precision Relocation with the Burial Depths of the North Korean Underground Nuclear Explosions by Combining Pn and Pg Differential Traveltimes. [J] Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126, e2020JB020745. https://doi.org/10.1029/2020JB020745)。本研究受到国家重点研发计划（2017YFC0601206）、国家自然科学基金（41674060, 41630210, 41974054,41974061）和中国地震科学实验场（2019 CSES 0103, 2016 CSES 0203）的联合资助。