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
国家地震台网测定：09月03日11时30分在朝鲜 (疑爆) (北纬41.3度，东经129.1度)发生6.3级地震，震源深度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。
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。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。这样，根据震级-深度-当量的经验关系（Zhang and Wen, 2013），此次朝鲜核试验的当量估计范围扩展到100 - 200 kt，如图5所示。
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 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。
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。
图4核试验地下埋藏模型。
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 SPITS seismometer array to possible violations of the comprehensive test ban in the Novaya Zemlya region, Geophys. J. Int. 146, 425–438.
Gibbons, S. J., F. Pabian, S. P. Näsholm, T. Kværna, and S. Mykkeltveit (2016), Accurate relative location estimates for the North Korean nuclear tests using empirical slowness corrections, Geophys. J. Int.(208), 101-117, doi:10.1093/gji/ggw379.
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.
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 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.
Zhao, L. F., X. B. Xie, W. M. Wang, and Z. X. Yao (2014), The 12 February 2013 North Korean underground 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.