核爆识别方法及地震台阵应用综述*

胡亚轩　宋尚武　刘　庚

1) 中国地震局第二监测中心， 西安710054

2) 防灾科技学院， 北京101601



综述与评述

核爆识别方法及地震台阵应用综述*

胡亚轩1)※宋尚武2)刘庚1)

1) 中国地震局第二监测中心， 西安710054

2) 防灾科技学院， 北京101601

摘要随着《全面禁止核试验条约》的签订， 应用地震学方法有效监测地下核试验成为科学研究的主要课题。 地震观测技术的发展以及地震台阵的建设和应用使得对小当量核爆的定位、 识别等成为可能。 本文主要对核爆识别方法及地震台阵应用进行综述。 首先介绍应用地震学知识进行爆炸识别的常用筛选步骤及方法； 其次介绍地震台阵数据处理常用的聚束法、 频率-波数分析法及相似系数法等方法， 并分析台阵在核爆与天然地震识别中的优势； 最后主要介绍中国地震台阵建设、 发展及其在核爆与小震识别中的应用前景。

关键词核爆； 天然地震； 地震波； 地震台阵； 识别

引言

随着朝鲜2006年以来的3次地下核试验的进行， 核监测问题再次引起人们的关注。 国际社会通过多种监测技术对事件进行定位分析研究。 地震或人为爆炸都会产生地震波。 地下核爆可看成一种特殊的地震[1]， 因此, 地震观测成为探测地下核试验的主要方法。 应用地震学监测技术可以进行事件定位、 识别和当量估计。 1996年9月10日联合国大会通过了《全面禁止核试验条约》(Comprehensive Test Ban Treaty， CTBT)， 提出通过地震波、 水声、 次声以及放射性核素等不同监测技术来监视条约执行情况。 目前， 国际监测系统(International Monitoring System， IMS)由321个地震、 水声、 次声、 放射性核素监测台站以及16个放射性核素实验室等设施组成。 其中地震和爆炸产生的信号可被当地、 区域或全球监测台网记录到， 核爆产生的放射性粒子可被核素台站监测到， 并被送至核素实验室进行分析。 最终从这些监测数据中获取事件发生的时间、 地理位置和事件特征。 地震监测是最重要的手段。 IMS中地震台站包括50个基本台站(primary station， PS)和120个辅助台站(auxiliary station， AS)， 利用地震波和地震学方法进行核试验监测历来也备受重视。 中国是CTBT签约国之一， 地震数据在缔约国内进行交换。 合作范围包括建立并运行全球地震监测基本台站网络和辅助台站网络[2]。 全面禁止核试验条约组织(Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organization， CTBTO)在我国建有海拉尔(PS12)和兰州(PS13， 图1a)两个基本地震台站[3-4]， 升级改造北京白家疃、 上海佘山、 西安和昆明4个地震台站为辅助台站。 由于地震台阵可以抑制地面噪声， 提高信噪比， 监测较远处的微震事件， 故广泛用于核监测地震台站的建设， 目前60%以上的PS台采用台阵形式[5]。 有的基本台站是在原地震台站的基础上改造完成的， 像日本的Matsushiro台站(PS22， 图1b)， 是在原台阵基础上增加监测点建成IMS台阵。 IMS地震台网监测到了来自朝鲜(DPRK)核试验场附近的清晰信号。

图1　(a) IMS基本台站(PS13， 兰州， 改自文献4)； (b) IMS基本台站(PS22， 日本)

1地震监测技术用于核爆识别方法

地震或人为的地下爆炸都会产生地震波， 但两者的震源性质不同， 产生的波的空间和时间特性均不同。 地下核爆炸空间震源机制被认为主要是球对称压缩的， 震源是一个点， 通常发生时间比较短， 激发的地震波具有极高的频率和极短的波长(图2)。 远区震源时间函数表现为单脉冲形式， 体现了能量的快速释放过程； 而绝大多数天然地震的空间机制被认为是多个不同空间取向的破裂面形成的有限剪切破裂， 通常持续时间比较长， 破裂面积大， 释放能量的断层面有几千米到几百千米。 远区震源时间函数通常表现为持续时间较长、 周期变化较大的复杂的多脉冲形式[6]。 赵连锋等[7]对朝鲜2006、 2009和2013年3次事件震级逐次增大的地下核试验进行分析， 这些爆炸在中国东北及邻近地区激发了丰富的区域地震震相， 同一台站记录到的3次核爆的地震波形非常相似。 P波初至波形尖锐， 能量强， Lg波较弱， 短周期瑞利面波发育。

图2　地震和爆炸短周期和长周期记录比较

一些经典实用的地震学方法可用来识别地震与爆炸。 20世纪70年代， 依据当时的地震学发展水平， 吴忠良等[8]曾经提出利用以下(1)～(4)种基本的普遍公认的地震学判据来进行核爆识别。 韩绍卿等[9]还总结了(5)～(7)等其他多种识别方法。 Hiroshi Ueno①和Yasuhiro Yoshida②等给出核爆识别的基本流程图(图3)， 通过初步识别和进一步分析区分核爆和天然地震。 对主要方法简要叙述如下：

① Hiroshi Ueno. Discrimination by short-period seismogram. Global seismological observation， 2015.

② Yasuhiro Yoshida， Takayuki Ostu. General discrimination technique. Global seismological observation， 2015.

图3　爆炸与天然地震识别流程图

(1) 事件定位。 核爆很少在靠近大城市或深海中进行， 更易在一些核试验场发生。 通过位置可以进行初步识别。

(2) 震源深度。 地下核爆炸的深度很少超过2 km。 通过源深进一步识别是否为核爆。

(3) P波初动。 一般情况下, 爆炸产生的地震波初动向上， 可由短周期台阵清晰记录到。 通过波形记录可以进行初步的直接识别。 但对于倾滑断层和爆炸源其解释并非唯一， 另外， 噪声的干扰有时也会影响对初动方向的判定。 哈萨克斯坦地震台网每年记录超过5000个爆炸事件， 通常情况下， 爆炸产生的地震波初动向上， 但大约有0.2%的爆炸事件地震波初动向下[10]。

(4) 震级比。 体波震级mb与面波震级MS之比是远区核爆地震识别有效的判别量之一。 爆炸与天然地震具有相同的体波震级mb时(相同P波)， 爆炸的面波震级MS较小(较小的面波)。 在mb-MS图(图4)中公式MS=mb-0.86给出区分地震与爆炸的界线，MS=mb-0.64是推荐筛选线。 可以看出， 对于爆炸， 事件落在筛选线的下方， 而对于地震， 则落在区分线以上， 但对于区分线附近的事件分类需慎重。

图4　爆炸与地震的mb-MS分布图

(5) 持续时间。 一般情况下， 地震持续时间比爆炸持续时间长(表1)。 爆炸时间往往小于1 s。 Davies和Smith[11]在有限移动源方法的基础上， 将爆炸与同样震级大小且实际上具有相同路径的地震P波波谱进行了对比， 发现爆炸持续时间仅是等效地震震源持续时间的1/10～1/2。

表1　地震和爆炸持续时间

(6) 波形复杂度(complexity， C)。 用远震P波与P波尾波能量的比值来度量。 爆炸与地震间P波地震图的差异仍然是很多重要判据中识别异常地震的基础。 当人们对台阵得到的P波信号进行检查时， 发现地震的P波信号一般比较复杂， 直达P的尾波衰减很慢， 并且有时尾波的振幅与直达P波的振幅相当甚至更大， 这样的高振幅尾波可持续长达30 s。 而爆炸的P波信号则相对简单。 在一项研究中发现， 此方法在仅使用一个台阵时， 可以使样本中90% 以上的地震事件被识别出来。 波形复杂度的计算公式为:

一般情况下，t1-t0为2～5 s，t2-t1为25～35 s。S(t)为波形数据。 从图5可以看出， 二者分区性明显。 对于爆炸， 深度D=0(图中取为100)，C<1； 对于地震，D>0， 一般情况下，C>1。

图5　不同事件震源深度与波形复杂度分布

但有时依靠在时域内改变积分限的值也不能将事件正确归类。 韩绍卿等[12]将传统的时域波形复杂度推广到时频联合域， 给出了一种基于短时傅里叶变换的波形复杂度计算框架。

(7) P/S判别量。 包括频谱比 (spectrum ratio， SR)和振幅比。 体波震级相同的核爆与地震， 同类波谱进行对比， 核爆较地震有着较高的优势频率或峰值频率。 计算公式如下， 公式中各量取值如图6所示。

图6　频谱比识别事件示例

振幅比包括长周期S波与瑞利面波的振幅比， 短周期S波与短周期P波振幅比等。 同一频段归一化的勒夫波(Love)和瑞利波(Rayleigh)振幅比提供了有用的识别标志。 Lambert等[13]发现爆炸面波L/R接近于1且与周期无关， 而对于天然地震而言， L/R接近于2～3或更大， 并且随周期增大[14]。 对朝鲜核试验场及其邻近地区3次核爆事件和4个天然地震在中国东北和朝鲜半岛11个地震台站所记录的垂直分量波形资料进行分析， 纵横波振幅谱比值Pn/Lg、 Pn/Sn和Pg/Lg在高于2 Hz的频带， 这些谱比值能够清晰地区分地震与爆炸事件群组。 P/S判别量的识别性能依赖于频率， 一般来说， 在低频段(～1 Hz)识别效果差， 高频段(>～3 Hz)识别效果好[15-16](图7)。

对于大的爆炸事件， 地震波反演、 拐角频率和勒夫波等方法可用来进行识别。 Wyss[17]将阿留申群岛的一些爆炸和新地岛的一个地下核爆P波波谱与地震P波位移谱的峰值频率和频谱陡度进行对比， 发现核爆炸的周期小于1.5 s时， 谱频率以ω-2形式下降， 表现为高拐角频率。

以上介绍的只是一些简单的识别方法。 有时应用一种方法会出现识别失效现象。 像朝鲜核爆的面波震级相对较大， 使MS-mb识别方法失效[18]。 为了防止识别失效， 科学家们一方面研究了许多更为有效的方法， 另一面在一个站采取多种方法的组合来提高识别能力。 譬如， 把高频段和低频段上的P/S振幅比综合在一起的多元分析方法比单一的P/S比值识别能力强。 应用mb-TMF， SR-TMF进行识别(图8)等。 其中TMF是频率三次矩 (the third moment of frequency， TMF)。 计算公式为:

式中,A(f)为振幅谱，f0为积分上限。 另外， 还有许多改进的方法， 限于篇幅， 这里将不做详细介绍。

图7　爆炸与天然地震P/S比

图8　核爆与天然地震识别方法的综合利用(mb-TMF； SR-TMF)

2地震台阵数据处理

IMS中的地震基本台站多布设成台阵形式。 地震台阵可以检测、 定位低震级事件及提高信号检测的能力。 在台阵信号处理中， 一个基本的理论基础是假设通过台阵的信号是相干的， 而台阵传感器之间的噪声是非相干的。 台阵数据处理主要是利用这一原理， 使得处理后的信噪比提高很多。 处理方法主要包括聚束(beam)法、 频率-波数(frenquency-wave number， F-K)分析法和相似系数(semblance analysis)分析法； 另外， 还有速度谱(vespa)分析、 加权震相叠加、 双聚束、 同相法等方法， 以下主要介绍前3种方法。

图9　2006年朝鲜核爆的聚束处理①Vera Miljanovic， Remmy Phiri. Geotool software user tutorial， 2013.

(2) F-K分析法。 它是地震台阵数据处理最基本的方法之一， 可以从高背景噪声中提取有用的地震信号， 提高事件定位精度； 可以对不同慢度和不同频率的波进行识别和分离； 同时也可以用于上地幔地区差异和确定地震噪声波场特性等地球物理研究。 台阵记录的全部能量由功率谱密度和台阵响应函数定义。 其中功率谱密度在一个极坐标系中表示， 即F-K图(图10)， 方位角轴表示后方位角， 径向表示慢度[20]。 频域中F-K分析的实质是用假定的信号慢度矢量对各子台上的信号谱进行相位校正[21]， 以去除因信号在各子台上的到时差而引起的相位差； 然后将校正后的信号谱进行叠加； 将叠加后的谱振幅最大时的慢度矢量作为信号实际慢度矢量的估计值。 时域波数分析原理是直接在时间域内对信号进行延时对齐并叠加， 而不对信号做傅里叶变换和频率抽取。

(3) 相似系数分析法。 基于反射波形振幅和相位不随偏移距变化的假设， 可以很好地处理噪音的影响。 相似系数(SEM)表示叠加的好坏， 计算公式为：

图10海拉尔台阵记录的2004年哥伦比亚西岸近海MS7.2地震PP震相的F-K分析结果[20]

式中，N为台阵地震计个数，L为地震波数。μi, j表示第i个地震计第j个记录。

相似系数分析法是基于相似系数的速度分析方法， 将能量叠加改成了相似计算来提高叠加速度的精度。 变化范围为 1/N～1。 如果台站间地震波不相关， SEM=1/N； 如果相关， 则SEM=1。 图11为日本IMS基本台站PS22对2009年朝鲜核爆的相似系数分析结果。

台阵数据处理是台阵技术的一个方面， 包括数据处理方法及最优化数据处理机制等方面的研究。 先进技术和方法的应用可以提高自动化程度。 秦浩文等[22]介绍了上海网阵处理软件在聚束定位、 波阵面法定位及F-K分析等方法中的应用。 全面禁止核试验条约组织研发的Geotool软件， 可在Linux， Solaris和Mac OS X下安装。 该软件可实现数据格式转换、 地震定位、 聚束和F-K分析等十多项功能， 对台阵数据处理尤为方便。

图11　 相似系数分析法①Matsushiro Seismology Oberservatory. CTBT and monitoring nuclear-test in Matsushiro. Global seismological observation， 2015.

3地震台阵的建设、 发展及应用

台阵应用的最初目的是为了探测远处地下核试验。 为了提高对地下核爆炸的探测能力， 地震学家应用地震台站组成“地震台阵”， 来探测那些距离台阵比较远的事件。 地震台阵有大孔径(100～200 km)、 有中等尺度孔径(约20 km)， 也有小尺度孔径(3～5 km)， 还有微型(小于1 km)， 超大孔径台阵孔径约为上百千米甚至上千千米[23]。 世界上第1个实验地震台阵由英国原子能机构的UKAEA于1961年2月建立， 是中等尺度地震台阵。 全球最大的台阵是美国1965年建立的LASA台阵， 由525个地震检波器组成， 孔径达到200 km。 国际上大多数地震台阵建于20世纪80年代之后， 截止到2002年底， 遍布全球各大陆正在运行的和已计划的地震台阵59个[24]。 目前， 世界上正在运行的几十个台阵中有挪威东南部的NORSAR台阵、 加拿大的Yellow Knife台阵等。

地震台阵可用来监测核爆， 又由于其可以压低干扰背景， 提高信噪比， 突出和加强地震信号， 可获取比现有地震台网更多的有关震源和地球内部结构的信息； 可以通过不同的方法对地球内部结构的精密尺度进行研究。 在多种地球内部结构的研究中， 如火山、 大陆地壳和岩石圈的内部、 地幔中地震速度的全球性变化、 核幔边界与内核的结构方面等， 地震台阵都很有帮助[25]。 另外， 应用地震台阵可监测较远处的微震事件， 有利于对那些不宜在当地架设台站的地区进行地震监测， 特别是， 对近海海域地区的地震监测。 地震台网由于地震台阵的加入， 可以明显提高定位能力[26-28]。 目前， 地震台阵已成为全球地震监测网的重要组成部分， 如美国的PDAR、 TXAR， 澳大利亚的ASAR， 日本的MJAR等台阵被纳入国际地震监测系统(International Seismic Monitoring System， ISMS)。

早在20世纪70年代初， 中国科学院地球物理研究所就开展了地震台阵试验， 在河北省怀来县布设了由12个子台组成的临时台阵， 相邻台站间距约1 km， 布成反L型， 信号通过有线传输到台阵中心， 用模拟磁带进行记录[29]。 中国的数字化地震台阵建设始于2001年， 建成由16个子台、 孔径为3 km的上海佘山永久性宽带地震台阵， 是中国大陆第1个自行设计的三分量、 宽频带、 永久性地震观测系统， 能较好地监测上海和邻近地区以及东海、 南黄海海域的地震活动。 之后， 2002年CTBTO在中国兰州、 海拉尔两地分别建成了孔径约为3 km的地震台阵。 这两个台阵都是NORESS型(与挪威NORESS台阵具有类似的布局， 环形分布， 最少2个环， 9个子台)小孔径台阵。 台阵垂直向地震计为英国Guralp公司生产的CMG-3 ESPV， 带宽0.03～50 Hz， 三分向甚宽频带地震计为瑞士STS-2， 带宽0.008～50 Hz。 数据采样率为每秒40个采样点[30]。 为了增强西部地区的地震监测能力， 中国历时3年在青藏铁路沿线海拔4500 m处建成了那曲地震台阵， 是继上海地震台阵后中国第2个用于地震监测的地震台阵， 可进一步提高青藏铁路沿线的地震监测能力。 台阵由1个宽频带(50 Hz～120 s)地震计， 9个短周期地震计(频带宽度2 s～50 Hz)构成同心圆环的小孔径地震台阵， 基建工作于2006年9月完成。 2007年建成的新疆和田地震台阵[31]， 也采用圆形阵列方式设计技术方案。 孔径约3 km、 包括9个子台， 每个子台都安装了相同型号的短周期三分向地震仪， 同时还在中心台安装了1台甚宽频带地震仪[32]。 郝春月等[33]曾利用那曲、 和田台阵对汶川地震序列定位进行校正， 大幅提高精度。 2001年以来， 中国地震局地质研究所等单位还多次进行流动地震台阵布设， 其主要任务是对某些区域的地下结构进行研究， 譬如， 布设在大别造山带西段[34]、 天山[35]、 张渤地震带[36-37]以及川滇地区[38]等。

随着地震台阵的建设和技术应用， 在核监测问题以及在有关地球深部精细结构和状态等科学问题上显示出独特的优势。 台阵能够提取微弱地震信号， 可大幅度降低地下核爆的全球检测下限。 另外， 更多台阵的建设及与IMS地震台站的联合应用及分析， 可以提高台网的监测和检测能力。

4 结论

中国地震观测技术发展先后经历了从无到有， 从单台到组网观测， 从模拟到数字化、 网络化[39]， 直至今天台阵的广泛建设和应用研究， 地震监测能力一步步地得到增强。 IMS台站数据和国内台站、 台网及台阵数据的结合， 为开展高分辨率地球深部结构探测、 大陆动力学和地震监测预报提供基础资料和新的研究途径。 可以给出更好的地震定位结果和地震参数测定结果， 这些结果反过来对地震危险性评估具有重要的基础意义。 海拉尔和兰州台阵的建成不仅履行了中国政府在CTBT中承担的义务， 也进一步改善了该地区的微震活动监测能力。 随着台阵的不断建设、 应用及优化， 数据处理软件等技术的改进和发展， 为研究地下速度结构， 实现对地震和核爆的快速准确定位， 提高边远地区小事件监测能力和推动地震学的进一步发展等都将有很大帮助。

致谢： 文中图表主要改自于global seismological observation课件， 感谢日本国际协力机构(Japan International Cooperation Agency， JICA)各位老师的指导和帮助。

参 考 文 献

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The general discrimination technique of nuclear explosion

and application of seismic array

Hu Yaxuan1)， Song Shangwu2)， Liu Geng1)

1) Second Crust Monitoring and Application Center， CEA, Xi’an 710054， China

2) Institute of Disaster Prevention， Beijing 101601， China

AbstractWith the signing of “Comprehensive Test Ban Treaty (CTBT)”, it becomes one of the main topics of scientific research that using seismological methods monitor underground nuclear test effectively. The development of earthquake observation technology and application of seismic array make the identification and location of the low-yield nuclear test is possible. This paper mainly summarizes the general discrimination technique of nuclear explosion and application of seismic array. Firstly, we introduce how to screening and identify the explosion using seismological knowledge. Secondly, we introduce the general data processing methods and emphasizes the advantages of seismic array. At last, we introduce further the array construction and development of the technology and its prospect in discrimination between nuclear explosions and small earthquakes.

Keywordsnuclear explosion； natural earthquake； seismic wave； seismic array； discrimination

中图分类号：P315.3；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.010

基金项目：国家自然科学基金项目(41372345)资助。

* 收稿日期：2015-11-23； 采用日期： 2016-02-03。

※通讯作者： 胡亚轩， e-mail: happy_hu6921@sina.com。