利用地震波监测核试验

日本地震原是核试验?
——利用地震波监测核试验

日本Mw9.0大地震后,网上开始流传“这是日本人进行海底核试验”的猜测,这个令人吃惊的消息像地震波一样迅速传播,并且越传越显得有“理”。有的说日本福岛海域前几年发生了很多次5.5~6级的地震,和原子弹试验产生的震级相当;有的说3月11日的大地震是氢弹试验造成的。

令人遗憾的是“理由”中,没有一个提到核试验监测的核心问题:地震波。

1996年,《全面禁止核试验条约》(CTBT)最终达成一致,规定每个缔约国承诺不进行核试验爆炸或任何其他核爆炸。这就意味着,想进行核爆炸的国家会采取更隐秘的方式,比如在地下进行核爆炸。而监测地下核爆炸最重要的手段就是地震波监测。因为只要是核爆炸,就会产生地震波;只要爆炸达到一定当量,其地震波就会被全球的地震台网记录到。地震学家就能研究、判断这个地震是人工地震还是天然地震。自从全球数字化地震台网和台阵技术——这些永不休息的“顺风耳”发展以后(图1),一般认为只要核试验引发的震级超过mb3.5的,就可以被台网监测到。

【图】CTBTO在全球的台站

【图1】全面禁止核试验条约组织(CTBTO)在全球,包括海洋布下天罗地网,监测任何可疑的人工爆炸特别是核试验。图上的不同符号代表了不同类型的监测台站。主要有:地震台(Seismic station),地震台阵(Seismic array),水声台(Hydroacoustic station),次声台(Infrasound station),放射性核素台(Radionuclide station)等。(图片来源:CTBTO,2003)

那么,地震学是如何监测核试验的呢?

好比我们可以通过一个人的外貌、声音、行为举止来辨识一个人,地震学家可以通过地震波震相、P波初动、震源深度等多种方法判断一个地震是天然的还是人工的。下面举例介绍些传统的方法。

1.震相

地震、爆炸,波组不同

震相指地震图上不同类型、传播路径不同的地震波组。震相判断是简单而直接的方法,是地震学的基本功,地震学家研究每一个地震时,首先会根据震相进行初步判断。天然地震的常见震相有纵波(P)、横波(S)和面波,大多数天然地震的P波振幅<S波振幅<面波振幅(图2-3)。人工爆炸的P波振幅大于S波,因为激发的地震波频率高衰减快,低频的面波振幅也小。此外,对于核爆炸,在震中距大于1000km时,通常会检测到视速度约3.5km/s的Lg波(图4)。

和振幅比法相似的是震级比较法,例如借助面波震级Ms和体波震级mb的比值来判断地震类型,这种方法普遍而直接。

地震工作者特别是在地震台站的工作人员,每天的重要任务就是把记录到的地震事件按照规定的格式做成目录,并对一些可疑地震进行研究。制作的目录里,天然地震和人工地震是分开的。这样的工作需要轮流值班,像台“机器”一样不能停止。

【图】日本大地震_英国地震记录

【图2】英国一个地震台记录到的日本Mw9.0大地震地震图。地震图由上往下,分别是垂向、南北向和东西向记录,通过这三个分量的记录,就可以完整地记录质点在空间上的运动轨迹。可以看到P波的振幅要小于S波振幅,面波的振幅最大,但尾巴很长,这是天然地震的主要特征。(图片来源:David Hawthorn

【图】日本大地震波形_USArray_美国台阵

【图3】天然地震的常见震相有纵波(P)、横波(S)和面波(图为瑞利波R),它们的速度不同。地震波传播有点像运动员赛跑,一开始所有运动员差距不大,这时还不容易区分谁是“冠军博尔特”,不久之后,跑得快的就会冲到前排,且距离越拉越大,这下就容易区分了。地震学家在分析震相的时候,不喜欢一个一个分析地震波,他们喜欢把很多地震台的数据,按照震中距排列起来,让地震波“跑起来”以区分震相。图为美国地震台阵(USArray)接收到的日本Mw9.0地震波序列,可以看出P波振幅<S波振幅<面波振幅。其中R1表示面波第一次经过地震台,R2表示反方向的面波经过地震台,R3表示R1面波绕地球一圈后经过地震台。由图可见,这是一个能量巨大的天然地震,而不是传言的“核试验”。(图片来源:IRIS

【图】北京台网记录到朝鲜核试验地震波

【图4】 北京时间2006年10月9日9点35分,朝鲜在其境内(41.294°N,129.093°E)进行当量小于1000吨的地下核试验,产生了约4级的地震。即使这些地震波到达北京时,振幅已经小到只有几十纳米,但利用地震台网技术,仍可以检测出核试验产生的~7.5km/s的P波和~3.5km/s的Lg波。

【图】天然地震和地下核爆炸的地震波区别

【图5】图中红色波形是中国在90年代进行的地下核爆炸产生的地震波,其记录特征是“大头小尾”,P波强于S波,Lg波发育。蓝色的是6.3级天然地震产生的地震波,它的特征是“小头大尾”。利用记录到的地震波的特点,基本可以区分地下核爆炸和天然地震。(图片来源:陈颙等.2007.《自然灾害》)

2.P波初动

压缩、膨胀,方向不同

初动指的是地震波到达地震仪时,所测质点的最初的振动方向,初动分为向外的压缩(compression)和向内的膨胀(extension)两种。地下核爆炸和天然地震的本质区别在于它们的震源特性不同。大多数天然地震是地下岩石破裂、滑动所引起的,破裂面很大,持续时间较长,表现在地震波上,是不同方位的地震台接收到的P波初动不一致,有的是压缩,有的是膨胀(图6)。而地下核爆炸的震源过程要简单和短得多,球对称压缩(各个方向都向外压缩),使所有地震台接收到的地震波初动都是压缩的。利用地震波初动信息,就可以反过来求出震源机制解,推测出地震是正断层、逆断层、滑移断层还是人工爆炸引起的。

【图】日本大地震的震源机制解_沙滩球_断层

【图6】 地震学通常利用“沙滩球”来表示地震的震源机制。图上的“沙滩球”表示有的地震台的初动是压缩,有的是膨胀,其震源是一条逆冲断层。USGS测出断层面的走向约为195度,倾角约为14度,和俯冲的板块性质相一致(见图7)。中国科学院青藏高原研究所的王卫民等测出断层的地震矩为3.6×10**22,最大滑移为5450cm。(图片来源:AGU)

【图】震源深度分布特征与发震断层特征(USGS)

【图7-1】把大大小小的地震按照经纬度和深度投影到一个横截面上,可以描绘出太平洋板块和北美板块的俯冲带形态。(图片来源:USGS

【图7-2】这次日本大地震的破裂带长度不算很长,仅为300~400km,远远地小于2004年底9.1级苏门答腊大地震的破裂带长度1200km。但为什么震级如此之大?因为Mw震级除了和破裂带面积有关外,还与滑移量有关,图中红色部分表示滑移量为40m(这个数值还待更多的数据加入后修正)的区域,而40m的量在大地震中算很大的。8.0级汶川地震的最大滑移量仅为7.3m。作为比较数据:1976年唐山地震的破裂带长度~100km,2001年昆仑山地震的破裂带长度~440km,2006年汶川地震的破裂带长度为300km。(图片来源:Guangfu Shao/UCSB/NewScientist

3.震源深度

超过10KM无需考虑

地震波的快速定位已经不是难题,美国地质调查局测定这次日本大地震的震源深度为地下32km,中国地震台网测定的震源深度为20km,这就意味着,如果是核爆炸,就要将核装置埋在地下几十千米处,那是不可能的。要知道,在大陆上最深的钻井也不过12km,何况是在海底?《全面禁止核试验条约》议定书在筛选核试验数据时,一般也认为:震源深度大于10km的将不予考虑。

4.地震能量

几十亿吨TNT

1万吨当量TNT的核爆炸,能量相当于5级地震;100万吨当量TNT的核爆炸,能量相当于6点几级地震。1974年之后进行的地下核试验当量都不超过15万吨。这次日本大地震震级为Mw9.0,根据能量公式LgE=4.8+1.5Mw,估算地震释放的能量约为2×1018焦耳,相当于几十亿吨当量的TNT。原子弹的威力通常为几百至几万吨TNT当量,氢弹的威力可大至几千万吨TNT当量。但要制造几十亿吨TNT当量的核弹,目前还是很难的。

除了以上4种方法外,《全面禁止核试验条约》议定书列出了用于筛选核试验事件的参数:事件位置、事件深度、面波震级与体波震级的比值,信号频率成分、震相间的谱比、频谱涨落、P波的初动、震源机制、震相、与其他事件及事件组的对比等。此外,还可以结合次声、水声、放射性核素监测等其他领域的方法,综合判断一个地震是否核试验引起的。

【图】1945~2009年世界各国进行核试验的时间、类型和次数

【图8】1945~2009年世界各国进行核试验的时间、类型和次数。(图片来源:CTBTO)

那么,有没有可能是有人制造了一次地下核试验,然后很不巧的,这次核试验引发了一场小规模地震,并进而诱发了超级强震呢?

我们前面已经说过,监测爆炸事件特别是核试验是地震台网的重要职责,只要地下核试验达到一定当量,就能被监测到。但迄今为止,联合国全面禁止核试验条约组织(CTBTO),包括中国地震台网在内的各大监测机构都未见发布日本地下核试验消息。

和水库诱发天然地震一样,核试验可以诱发小地震,但至于利用核试验诱发大地震的可能性,因为研究样本太少,研究也少,地震学界还没有统一的认识。不过,可以肯定的是,日本Mw9.0级地震绝不是核试验。

(本文的精简版发表于果壳网

利用地震波监测核试验》上有3条评论

  1. 真是专业的文章,一如既往,不是精品不发,空错志好久不更新了,我在自然笔记找到你的。
    地震真的不懂,我们这去年有一场地震,里氏4.2级,我没什么感觉,临县的。还是看见你对汶川地震的文章才知道空错志的。

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