2015, Vol. 58
Because there exist obvious differences in the phase's amplitude and frequency between nuclear tests and earthquakes, we use the method of P/S mode spectral ratios to recognize the North Korean's nuclear explosions by using the data with epicentral distances from 145 to 420 km. Amplitude spectrum ratios of regional Pg phase (waveforms of stations and selected reference stations) are used to calculate the relative attenuation factor (δt*) on the ray path between the North Korean nuclear explosion and the stations.
P/S-style spectral ratios exhibit obvious disparities at frequency 3~11 Hz by comparing the North Korean underground nuclear tests with the earthquakes in Changchun and Shenyang, i.e. Pn/Lg>1 for nuclear explosions and Pn/Lg<1 for earthquakes. The Pg/Lg spectral ratio of the 2013 nuclear test is obviously larger than that of the 2009 nuclear test. In addition, the distribution of δt* shows that the larger attenuations of stations are distributed in the southeast and nearby the Changbai Shan volcano. The closest station (in Changbai County) presents low attenuation and the farthest station (in Changchun city) presents largest attenuation.
P/S-mode spectral ratios effectively discriminate North Korean underground nuclear tests at frequency above 3 Hz by comparison with earthquakes. The released energy of the 2013 nuclear test is more than that of the 2009 nuclear test by comparing the amplitude spectra of the two nuclear explosions. The distribution of attenuation which reflects the attenuation structure of crust and upper mantle is related to the locations of magma chambers and consistent with the velocity model in the study area.
根据美国地质调查局(USGS)国际地震信息中心(NEIC)提供的资料，2009年和2013年两次朝鲜地下核试验(NKTS)的震中位置分别为(41.303°N，129.037°E)和(41.308°N，129.076°E)，起爆时间分别为(2009-05-25 00 ∶ 54 ∶ 43.12 UTC)和(2013-02-12 02 ∶ 57 ∶ 51.3 UTC)，远震体波震级分别为Mb4.7和Mb5.1. 朝鲜核试验场位于朝鲜境内东北部咸镜北道的吉州郡地区，距中国边境约70 km，2013年的朝鲜核试验的震感强烈.
迄今为止，朝鲜共进行了3次地下核试验，与其相关的地震学问题引起广泛关注.Zhao等(2008)调查了2006年朝鲜核爆区域震相特征，计算Lg波体 波震级，获得基于最小埋藏深度的当量估计是0.48 kt; 另外他们还进行了P/S型谱比值研究，认为发生在朝鲜半岛地区较低当量的地下核试验，在频率高于2 Hz的P/S型谱比值方法是能够有效识别的.Zhao 等(2012)对2006年和2009年朝鲜地下核试验进行对比分析，采用相关系数法比较两次核爆区域震相的波形和频谱特征，结果表明两次核爆当量具有5倍的差距.范娜等(2013)利用一种基于区域地震台网的面波震级测量方法测得朝鲜2006年和2009年核爆Rayleigh面波震级，并通过Rayleigh面波震级估计这两次朝鲜核爆试验的当量分别为0.42~ 3.17 kt和2.06~15.53 kt.Kim和Richards(2007)采用线性区分法分析2006年朝鲜核爆信号Pg/Lg谱比值在7~15 Hz区分核爆效果最佳；Hong等(2008)通过比较不同方位角的台站测得的2006年朝鲜核爆及其附近地震震级Mb(Lg)，发现区域震相Lg受地壳结构影响较大.由于不同路径上Lg波衰减差异导致震级估计的不准确，因此得出结论，路径上的振幅改正对于准确测定震级是必要的，并且只有射线路径在陆壳上的记录才能用来测定区域地震震级.Jin等(2010)采用了Pn/Lg谱比法，在频率大于4 Hz时有效区分出2009年核爆事件和附近的两次天然地震事件，并通过分析震源全力矩张量反演中的各向同性分量同样有效的识别出2009年朝鲜核爆事件.由于传统震级估计受震级与当量经验关系式及路径校正的影响较大，Rougier等(2011)在限制埋藏深度的条件下，提出基于花岗岩介质水动力模拟方法估计2009年朝鲜核爆当量为5.7 kt，最小埋藏深度为375 m.目前对于第三次朝鲜核爆试验的研究比较少，而此次是朝鲜三次核试验中当量最大的一次，相比前两次核爆试验更具有研究意义.
P/S型振幅谱比法被很多学者证明是区分爆破和地震的有效方法，Taylor等(1989)提出了利用区域震相Pn、Pg和Lg间的短周期谱比值来区分爆破和地震的方法.Walter等(1995)研究表明在地震波高频部分显示出爆破的Pn/Lg和Pg/Lg谱比值明显大于地震Pn/Lg和Pg/Lg谱比值的特点.Fisk等(1996)比较了爆破和地震的Pn/Lg、Pg/Lg和Pn/Sn谱比值，发现在频率大于3 Hz时区分效果较好，而在频率低于2 Hz不能有效的区分.Xie(2002)和Fisk(2006)采用不同的拐角频率研究爆破和地震的P、S频谱.因此，本研究分别挑选出2009年和2013年两次朝鲜核爆信号和两次天然地震信号，通过P/S型谱比法来研究两次核爆与天然地震的地震学特征，达到有效识别核爆的目的.
此外临时台站多位于长白山西侧及辽宁地区，核爆信号在穿过长白山火山地下低速区和华北地区地壳中普遍存在的低速高导层会发生较强的衰减.由于衰减因子t*是地震波非弹性衰减的重要参数，也是反演地下介质Q值的重要参数.因此本研究采用各台站记录到两次核爆信号来求取t*，并结合该地区的地震P波速度模型，研究长白山火山区地下的衰减结构，为该地区三维衰减层析成像研究提供初始Q值模型. 2 资料
在吉林大学地球探测科学与技术学院和加拿大国土资源部合作项目与国家自然基金项目的资助下，于中国—朝鲜边境的长白山地区分期布设的15个临时地震台站，观测周期为2008年1月—2014年12月，记录了2009年和2013年两次朝鲜地下核试验.核爆和地震信号均来自于在长白山地区布设的15个临时地震台站.15个台站中有8个台站接收到2013年朝鲜核爆信号，有10个台站接收到2009年朝鲜核爆信号，其中有3个台站同时接收到两次核爆的信号(图 1).所有临时台站的地震计型号均为CMG-3ESP；响应频率为0.0083~50 Hz和0.017~50 Hz.各台站接收到的波形数据除个别台站外都能清晰的分辨出两次核爆信号的Pn、Pg和Lg等震相，与以往研究使用全球地震台网(GSN)和中国国家数字地震台网(CNDSN)等台网数据相比具有更高信噪比、波形数据完整、清晰等优点.这些临时台站距两次核爆的震中距从145.7~420.9 km范围分布.为进行地震与核爆信号对比研究，本文选取两个震中距和震级与两次核爆大致相同、位于长春和沈阳附近的天然地震，核爆与地震的详细参数见表 1所示.
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表 1 两次核爆和2次地震的参数(数据来自USGS) Table 1 Parameters of two nuclear explosions and two earthquakes(from USGS) |
两次朝鲜核爆和选取的两次天然地震信号能量较强，波形振幅较大，地震台站垂直分量信号可以清晰的分辨出P、S和Lg等震相，采用的数据均为垂直分量记录.
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图 1 研究所用台站、朝鲜核试验与区域地震事件分布图Fig. 1 Distribution of stations，nuclear explosions and regional earthquakes used in this study |
地下核试验通常在地下掩体中秘密进行，因此从地震信号中识别核爆事件至关重要.区分核爆和天然地震事件的方法很多.例如，基于小波变换理论的小波包分量比法；利用区域内小当量的地下核爆试验作为经验格林函数识别法；采用研究地下核爆和天然地震瞬态频谱特征的识别方法；基于面波震级测定的MS-Mb识别法；基于Lg波的P/S型谱比识别法等.比较常用的方法是MS-Mb识别法和P/S型谱比法，由于MS-Mb识别法在中小型地震和核爆的区分中仍有争议，而且Jin等(2010)对2009年朝 鲜核爆与地震区分中效果并不明显.Zhao等(2008)，Kim和Richards(2007)，Koper等(2008)和Jin等(2010)分别在识别朝鲜2006年和2009年两次核爆取得较好的效果，因此本研究选用P/S型(Pn/Lg、Pn/Sn和Pg/Lg)振幅谱比法来区分核爆和地震事件.
核爆事件的P波能量较强，S波信号较弱.核爆能量的释放是瞬间的而地震能量的释放需要持续一段时间，因此核爆信号的高频成分比天然地震多，所以核爆与地震信号P/S型振幅谱比值在一定频率范围内会有明显的区别.本研究共挑选15个临时台站接收到的2009年和2013年两次朝鲜地下核试验 的观测记录与震中距相近的地震事件进行对比，检测P/S型振幅谱比值方法的核爆识别能力. 3.1 2009年朝鲜核爆与2009年长春地震P/S型振幅谱比值
本研究挑选了8个临时地震台站的垂直分量地震图，震中距在150~400 km之间，而且能够同时记录2009年朝鲜核爆和2009年长春地震.为保证计算振幅谱时截取相同震相，采用不同的群速度窗口截取震相.图 2a显示了核爆地震记录：Pn，6.9~6.0 km·s-1；Lg，3.5~3.1 km·s-1；图 2b展示了 长春地震地震记录：Pn，7.0~5.9 km·s-1；Lg，3.4~3.1 km·s-1.
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图 2(a)为接收到2009年朝鲜核爆各台站的垂直分量地震记录，(b)为接收到2009年长春地震各台站的垂直分量地震记录，图中实与虚竖线表示划分各震相的群速度值Fig. 2(a)Vertical-component seismograms from 2009 nuclear explosion.(b)Vertical-component seismograms from 2009 earthquake of Changchun. Arrivals of the phase with group velocities are plotted as vertical ticks |
地震记录中Pn震相和Lg震相相对清晰，比较容易识别，因此采用Pn/Lg振幅谱比法.Pn与Lg震相选取该震相初动后10 s时窗的波形，噪声选择Pn波初动前10 s时窗的波形. 影响核爆与地震信号振幅谱的因素主要有震源性质，几何扩散、非弹性衰减和台站场地响应等.台站到2009年核爆的震中距在158~339 km，距2009年地震震中距在185~362 km，两者差距不大，因此认为几何扩散对谱比值的影响不大.由于各临时台站都有水泥底座，所以台站场地响应近似相同.由于没有该研究区的非常详细的衰减资料，因此在计算振幅谱时也忽略非弹性衰减，认为振幅谱主要反应了震源的性质.图 3为部分台站Pn、Lg和噪声的双对数振幅谱.这里采用的快速傅里叶变换均加入10%的余弦瓣.从图 3中可以看出本次选用的核爆信号和地震信号具有很高的信噪比.核爆信号(图 3a，c，e)的Pn振幅谱在频率大于3 Hz范围要明显高于Lg振幅谱，而地震信号(图 3b，d，f)Pn振幅谱要明显小于Lg振幅谱.对8个台站的核爆和地震信号在0.5~15 Hz频带范 围内做Pn/Lg谱比曲线，从0.5~15 Hz每隔0.5 Hz 的振幅谱做平均并用5阶二项式拟合得到各个台站核爆和地震的谱比曲线如图 4所示.从谱比曲线中可以看出在3~11 Hz频率范围内有显著的区别，即核爆信号Pn/Lg>1，而地震信号Pn/Lg<1.
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图 3 部分台站接收的核爆和地震的Pn、Lg及噪声振幅谱 (a)(c)(e)为3个台站接收的2009年朝鲜核爆Pn、Lg和噪声振幅谱，(b)(d)(f)为3个台站接收的长春地震Pn、Lg和噪声振幅谱.Fig. 3 Pn，Lg and noise amplitude spectra of nuclear explosion and earthquake from the selected station (a)(c)(e)are for 2009 nuclear explosion.(b)(d)(f)are for Changchun earthquake. |
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图 4 2009年核爆与长春地震Pn/Lg谱比曲线 实线代表各台站接收到的2009年核爆Pn/Lg谱比曲线，虚线线代表各台站接收到的长春地震Pn/Lg谱比曲线，不同形状符号的曲线代表不同台站的谱比曲线.Fig. 4 Pn/Lg spectral ratio curves of 2009 nuclear explosion and Changchun earthquake Solid curves are Pn/Lg spectral ratios of 2009 nuclear explosion recorded by each station; Dashed curves are Pn/Lg spectral ratios of the Changchun earthquake recorded by each station. Curves with different symbols show spectral ratios of different stations. |
共有6个临时地震台站同时接收到2013年朝鲜核爆和2013年沈阳地震震相.由于部分台站与核爆的震中距较近，Pn波不发育，因此采用Pg/Lg振幅谱比法.震相选取如图 5所示，核爆地震记录：Pg，6.1~4.1 km·s-1；Lg，3.5~3.1 km·s-1；沈阳地震地震记录：Pg，6.3~4.1 km·s-1；Lg，3.3~3.1 km·s-1.同样Pg与Lg震相选取该震相初动 后10 s的时窗，噪声的时窗选择Pg震相初动前10 s. 得到Pg、Lg和噪声的双对数振幅谱(图 6).与2009年核爆研究结果类似，从图中可以看出核爆信号(图 6a，c，e)的Pg振幅谱在频率大于3 Hz左右要明显高于Lg振幅谱，且谱比曲线在大于3 Hz频率范围内具有明显的特征(图 7)，即核爆信号Pg/Lg>1，而地震信号Pg/Lg<1. 3.3 2013年与2009年朝鲜核爆的P/S型振幅谱比值
本次选取了3个同时接收到2009年和2013年两次核爆信号的地震台站进行研究.为了对比两次核爆的谱比曲线，这里采用接收到2009年核爆3个台站Pg/Lg谱比值的平均值得到平均Pg/Lg谱比曲线，同理得到2013年平均谱比曲线(如图 8)，图 8中带三角形符号的实线为2013年核爆的平均Pg/Lg谱比曲线，带星号符号的实线为2009年核爆的平均Pg/Lg谱比曲线，相应的虚线为地震信号的平均Pg/Lg谱比曲线.从谱比曲线中可以看出2013年核爆Pg/Lg平均振幅谱比在2~12 Hz频率内高于2009年核爆Pg/Lg平均振幅谱比值，结合其他人的研究成果，表明2013年核爆的能量比2009年核爆能量大，并且与地震信号区别明显.
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图 5(a)为接收到2013年核爆各台站的垂直分量地震记录，(b)为接收到沈阳地震各台站核爆的垂直分量地震记录，图中竖线表示划分震相的不同群速度值Fig. 5(a)Vertical-component seismograms of 2013 nuclear explosion.(b)Vertical-component seismograms of Shenyang earthquake. Arrivals of the phase with group velocities are plotted as vertical ticks |
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图 6 选定台站接收的核爆和地震的Pg、Lg及噪声振幅谱 (a)(c)(e)为3个台站接收的2013年核爆Pg、Lg和噪声振幅谱，(b)(d)(f)为3个台站接收的沈阳地震Pg、Lg和噪声振幅谱.Fig. 6 Pg，Lg and noise amplitude spectra of nuclear explosion and earthquake from the selected station (a)(c)(e)are for 2013 nuclear explosion.(b)(d)(f)are for Shenyang earthquake. |
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图 7 2013核爆与沈阳地震Pg/Lg谱比曲线 实线代表各台站接收到的2013年核爆Pg/Lg谱比曲线，虚色线代表各台站接收到的沈阳地震Pg/Lg谱比曲线，不同形状符号的曲线代表不同台站的谱比曲线.Fig. 7 Pg/Lg spectral ratios curve of 2013 nuclear explosion and Shenyang earthquake Solid curves are Pg/Lg spectral ratios of 2013 nuclear explosion recorded by stations. Dashed curves are Pg/Lg spectral ratios of Shenyang earthquake recorded by stations. Curves with the different marks show spectral ratios of different stations. |
地震层析成像研究认为长白山火山是板块内部火山，地震层析成像证据表明长白山地区一定深度范围内有岩浆囊的存在.该区布设的流动地震台站多位于长白山以西，核爆信号在传播过程中穿过长白山地区会表现为不同程度的衰减特征，因此可以通过两次核爆的信号研究长白山地区的衰减结构.本研究采用谱比法来求取地震波衰减因子，从而进一步探讨该区域的衰减结构，该方法是计算体波传播路径上平均衰减因子非常有效的方法.其包括给定台站接收到同一地震信号的S波和P波振幅谱比法(S-P型)和同一个地震每个台站接收到P波振幅谱与参考振幅谱比法(P-R型)两种谱比法.S-P谱比法需要高信噪比的S波震相.因为核爆信号的S波不发育，本研究选用P-R型谱比法.
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图 8 2013年和2009年两次核爆与两次地震的Pg/Lg振幅谱比曲线 带三角形符号实线代表 2013年核爆Pg/Lg平均谱比曲线，带星号符号实线代表2009年核爆Pg/Lg平均谱比曲线，相 应的虚线代表两次地震平均Pg/Lg谱比曲线.Fig. 8 Amplitude spectrum ratios curves of 2013 and 2009 nuclear explosions and two earthquakes Solid curves with triangles are Pg/Lg average spectral ratios of 2013 nuclear explosion. Solid curves with stars are Pg/Lg average spectral ratios of 2009 nuclear explosion. Dashed curves are average spectral ratios of the two earthquakes. |
为了利用P-R型谱比法计算2009年与2013年核爆到各地震台站路径上衰减因子，选取同时接收两次核爆的台站CBN3作为参考台站，对于同一个核爆第i个台站接收到的信号振幅谱和参考振幅谱分别表示为：
求得各个台站相对于衰减因子然后求平均在用每个台的相对衰减因子减去平均值得到各个台站间的相对衰减因子，公式为
选取记录到2013年核爆信号的8个台站的Pg波信号和记录到2009年核爆信号的10个台站的Pg波信号.在时间域截取Pg波初动后5 s窗长，并加入10%的余弦瓣的信号，经过带通(1~9 Hz)滤波后的波形进行fft变换得到振幅谱.为了提高谱拟合精度，本研究采用多重窗技术对原波形的振幅谱进行处理.分别选取CBN3接收到两次核爆Pg信号的振幅谱作为参考谱.各台站的振幅谱与参考谱的对数比，其最小二乘拟合直线的斜率与1/－π的乘积即为衰减因子δt*，最后如(7)式计算相对衰减因子δTi*(见表 2和表 3).
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表 2 各台站2009年核爆振幅谱比计算的δTi*Table 2 2009 nuclear explosion amplitude spectrum ratios calculated δTi* of each station |
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表 3 各台站2013年核爆振幅谱比计算的δTi*Table 3 2013 nuclear explosion amplitude spectrum ratios calculated δTi* of each station |
图 9a与图 9c分别为台站CBN5和CBN10两个地震台站经过1~9 Hz带通滤波后的垂直分量波形.图 9b和图 9d为台站CBN5和CBN10分别与台站CBN3频谱比曲线，图中虚线为最小二乘线性拟合结果，δt*为CBN5、CBN10相对参考台站CBN3的相对衰减因子.图 10a为2013年核爆信号各台站衰减因子分布，图 10b为2009年核爆信号各台站衰减因子分布.背景模型取自地震层析成像获得的长白山地区地下20 km深度速度模型.从图 10可以看出衰减最大的台站主要集中在西南区域和长白山火山附近，这一结果与速度模型低速区域相对应.图 10b中距离核爆点最近的台站(位于长白县)的衰减最小，这与地震波没有穿过强衰减的地区有关.西北方距核爆地点最远的台站(位于长春)衰减较大，是由于其射线刚好穿过长白山火山下方的岩浆囊，且震中距较大(420 km)射线穿过地下介质更深，射线 路径也更长，衰减也就越大.各台站的衰减因子分布 与长白山地区的速度模型和衰减模型总体上一致.在一 定程度上反应了该地区地壳及上地幔顶部衰减结构.
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图 9(a)和(c)为任选两个地震台站记录的核爆波形，窗口长度为5 s并经过1~9 Hz带通滤波.(a)和(c)中实线表示CBN5与CBN10台记录到2013年与2009年核爆的垂直分量波形，虚线代表参考台站CBN3的记录到相应核爆波 形；(b)和(d)分别为两个台站的P-R型谱比图，虚线为谱拟合曲线Fig. 9(a) and (c)Waveforms recorded by two stations with window length 5s and b and -pass filtered over 1~9 Hz. Solid curves denote vertical-component seismograms from 2013 nuclear explosion recorded by CBN5 and CBN10，respectively. Dashed curves are relevant nuclear explosion recorded by CBN3 station.(b) and (d)P-R spectral ratios of two stations. Dashed lines are fitted spectra |
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图 10(a)和(b)分别为记录2009年和2013年核爆的各地震台站衰减因子分布图 黑色三角形代表长白山火山，其他颜色的三角形代表地震台站.Fig. 10(a) and (b)Distribution of attenuation factors of each station recording the 2009 and 2013 nuclear explosions，respectively. Black triangle is Changbai Shan volcano. Triangles of other colors are seismic stations. |
利用长白山地区的15个临时地震台站记录到的2009年和2013年朝鲜核爆和两次天然地震的区域地震记录，采用P/S型谱比法在频率3~15 Hz范围内对朝鲜核爆和天然地震进行了详细的研究，结果表明在频率大于3 Hz时P/S型谱比值能够有效识别发生在中朝边境地区的地下核试验.对比2009年与2013年核爆Pg/Lg曲线，在2~12 Hz频率范围内，具有2013年核爆信号Pg/Lg值大于2009年核爆信号Pg/Lg值的显著特征，说明2013年核爆能量相比2009年的核爆能量要更大.由于选取的地震事件，不在核爆地点附近，在假定路径衰减的影响相同情况下可以有效的区分两次核爆和天然地震的事件.
另外，本文通过计算各台站的平均衰减因子研究了核爆到台站射线路径上的介质衰减的综合效应.研究表明位于研究区西南部的台站衰减因子最大，结合速度模型来看这一区域的强衰减可能与该地区地壳中15~25 km深度区域的高导低速层有关；长白山火山附近及其西北邻区内的台站也表现 为高衰减，可能是与这些台站接收的核爆信号穿过 长白山火山下方的低速岩浆房有关；而东北部的台站衰减较小.这与前人研究得到的长白山地区地壳Q值结构一致，表明长白山火山区地壳强衰减区主要分布在长白山天池西北地区，而天池东部表现为高速弱衰减.结合该区P波速度模型进一步解释了长白山火山区的地下衰减结构，长白山地区存在两个高衰减的区域，一个位于长白山脚下及其西北邻区深度在20~40 km深度范围内，另一个区域位于丹东地区深度在20 km左右. 致谢 感谢迟唤昭、张宗宝等同学在数据采集与处理方面给予的帮助，感谢加拿大国土资源局协助进行野外地震台布设，特别感谢中国科学院地质与地球物理研究所赵连锋博士和一名匿名评审专家提出的非常宝贵的修改意见.
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