幾位書生是如何檢測到朝鮮地下核試驗的？
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瀏覽朝鮮核試驗新聞時，我一直有這樣一個疑問：核試驗算是國家機密吧，那我們究竟是怎么知道朝鮮核試驗的具體位置，甚至威力呢？
南洋理工大學新加坡對地觀測中心的研究者，通過地震波波形和地表形變兩個獨立的信號源，推算出了有關朝鮮核試驗的重要信息，并將研究成果發(fā)表在今年5月10日出版的《科學》雜志?！吨R分子》有幸邀請到其中兩位研究者，王騰、韋生吉教授，為大家詳細講解他們?nèi)绾巫龅降摹?/span>
撰文 | 王 騰 韋生吉（南洋理工大學新加坡對地觀測中心）
責編 | 蔣海宇
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1地動山搖：朝鮮第六次核試驗
2017年9月3日，朝鮮官媒宣布成功進行地下氫彈試驗，震驚了全世界。中國地震臺網(wǎng)中心和美國地質(zhì)調(diào)查局初步的分析均顯示，這次核爆位于朝鮮北部豐溪里試驗場萬塔山（Mt. Mantap）下，爆炸產(chǎn)生的能量相當于一次矩震級（Mw）5.2級地震，遠遠大于朝鮮之前進行的五次核試驗。
?朝鮮六次核試驗產(chǎn)生的地震波（來源：NORSAR/Jan Petter Hansen）
作為一群和地球物理打交道的人，我們平時就用地震波、衛(wèi)星影像和各種地球物理模型來研究地震、火山等地學現(xiàn)象。于是，核爆發(fā)生后我們想知道：這樣一個埋在山體中的爆炸源會產(chǎn)生怎樣的地震波和地表形變？它們和地震、火山噴發(fā)時觀測到的地震波和地表形變又有何區(qū)別？豐溪里地區(qū)陡峭的地形又會如何影響我們的模型？
我們用德國航天局（DLR）TerraSAR-X衛(wèi)星，獲取了核爆前后雷達影像，計算出了核爆造成的地表三維形變場。我們發(fā)現(xiàn)，爆炸將萬塔山山體較為陡峭的西坡和南坡向外推了3-4米。同時，山頂?shù)母叨葏s降低了約半米。
?豐溪里核試驗場位置
利用彈性位錯模型，我們確定了爆炸的位置和深度。同時，通過中韓多臺地震儀記錄的地震波，我們得到了爆炸產(chǎn)生的地震波能量。
結(jié)合深度、能量與核爆當量之間關系的經(jīng)驗公式，我們計算出此次核試驗的當量為12-30萬噸TNT，約為廣島原子彈（1.5萬噸TNT當量）威力的十倍。
這一研究首次展現(xiàn)了地下核試驗造成的三維地表形變場，并開創(chuàng)性地將地震波波形和地表形變兩個獨立信源結(jié)合起來，對核爆這一人造地震的震源物理過程進行分析和解譯。相關成果于5月10號在線發(fā)表在《科學》雜志。
2核爆時發(fā)生了什么？
通過對地震波和地表形變的分析、建模和解譯，我們還原了核爆發(fā)生時和爆炸后約一周的場景。
?核爆過程，來源：Wang, et al. Science, 2018
這次核試驗起爆點位于朝鮮北部，具體在豐溪里實驗場，萬塔山頂正下方，約450-600米深度的坑道內(nèi)。爆炸產(chǎn)生的熱量氣化了山體內(nèi)部的部分巖石，形成一個直徑約為100米的空洞，大小裝得下一個標準足球場。
爆炸產(chǎn)生的沖擊波碎化了周邊大約300米內(nèi)的巖石。對地表形變的彈性模型反演顯示：核爆在初始階段將山體像吹氣球一樣，向外推動了大約3-4米，并將山頂頂高了約2米。
爆炸結(jié)束后不久，空洞內(nèi)被氣化的巖石逐漸凝固，洞內(nèi)壓力不斷降低，山體內(nèi)由于核爆形成的空洞上方巖石失去支撐，受重力作用不斷向下垮塌。核爆后八分半鐘左右，又發(fā)生了一次矩震級（Mw）4.5級地震。我們將其定位于核爆位置以南約700米處，在起爆點和坑道入口之間。
我們分析認為，兩次地震的震源機理正好相反——核爆的震源機理類似于氣球的突然膨脹，而8分半鐘后的地震震源機理與之相反，就像氣球破裂后的突然收縮。我們推測第二次地震的原因，是試驗場部分坑道的垮塌，以及該區(qū)域多次核試驗形成的空洞的收縮。
在爆炸發(fā)生一周內(nèi)，在重力的作用下，起爆點周圍約1-2公里分布的巖石緩慢收縮。這使得萬塔山山體在核爆后，高度反而下降了約半米，周邊區(qū)域的地面高程也與核爆前略有變化。根據(jù)美國內(nèi)華達州核試驗場在地下核試驗后的地表形變規(guī)律看，這種收縮會持續(xù)數(shù)年之久。
3如何監(jiān)測核爆？
地下核爆與一次地震、一次火山噴發(fā)并無本質(zhì)區(qū)別。我們研究它是為了更好地理解震源的物理過程。
與研究許多地學現(xiàn)象一樣，我們沒辦法到核爆現(xiàn)場去實地考察，更沒辦法鉆到地下去記錄山體內(nèi)部的變化。那我們又是如何得到上述的詳盡過程呢？這就得靠研究地球圈層眾多技術手段中的兩大工具：地震儀和合成孔徑雷達（SAR）。
地殼的劇烈運動會產(chǎn)生地震波和地表形變。地震波在地球內(nèi)部傳播，并被分布在全球的地震儀記錄到。而沿數(shù)百公里高空軌道運行的多個SAR衛(wèi)星，則使我們精確地量測地殼運動造成的地面形變。通過對地震波波形和地表形變的觀察、量測、建模和解譯，我們便能發(fā)現(xiàn)并理解地球內(nèi)部的各種物理過程和屬性。
?TerraSAR-X衛(wèi)星 來源：German Aerospace Center
SAR是一種主動型微波遙感傳感器，工作原理與光學傳感器（例如，數(shù)碼相機）完全不同。
通過發(fā)射電磁波，并記錄地面反射回衛(wèi)星的信號，SAR便得到影像。微波信號的接收不依賴陽光，還可以穿透云層，所以不受光照和氣象條件的約束。自1991年歐空局ERS-1衛(wèi)星升空以來，SAR影像獲取地表形變信息已成為新興的測地學手段。
我們利用影像互相關技術，得到這次核爆造成的地表形變場。影像互相關技術和人臉掃描類似，只不過我們的算法可以識別并追蹤地面上的“臉”（即特征），看它在核爆前后的移動，從而得到形變。綜合多個軌道的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們可以重構(gòu)地表的三維形變場。
得到地表形變場的空間分布后，我們建立彈性形變模型，通過反演的方式確定震源的位置和深度。我們將震源模型置于不同的位置和深度，計算理論上的地表形變場。然后，我們將各模型的理論地表形變場，和SAR影像得到的形變場進行比對。與SAR影像觀測差異最小的模型，便被當作反演結(jié)果。
在計算時，我們發(fā)現(xiàn)，萬塔山陡峭的南坡和西坡，會吸收更多的核爆能量，從而產(chǎn)生更大的地表形變。因此，我們考慮了地形對理論地表形變場計算的影響，使得模型反演更為真實，得到的位置更為可靠。
要使用SAR衛(wèi)星影像來獲取地面形變，我們需要核爆之后的影像。不過，影像的獲取依賴衛(wèi)星當時所處的位置與軌道，通常在事后幾天才能獲取。地震儀通常卻可以在幾秒至幾十秒內(nèi)（取決于距離），監(jiān)測到核爆產(chǎn)生的地面震動。
核爆和一般地震的機理很不一樣。地震是由于斷層上的位錯導致的，可以想象成在地殼內(nèi)部長期被擠壓、扭曲或拉伸的巖石的突然斷裂。這類地震源所產(chǎn)生的形變，以及地震波能量輻射，都具有一定的方向性。
而核爆則是一個各向同性的源，像一個在地殼中突然鼓起來的氣泡，其產(chǎn)生的形變和地震波是向四周均勻擴散，沒有方向性的。知道了這些特征來，我們就能區(qū)分自然地震產(chǎn)生的地震波，和爆炸產(chǎn)生的地震波。
科學家通過爆炸產(chǎn)生的地震波來研究地下核試驗，可以追溯到上世紀60年代。從那以來，隨著地震儀和各種地震技術的發(fā)展，特別是高靈敏度地震儀的發(fā)明，地震波核爆監(jiān)測和研究擴展到了全球尺度。
值得一提的是，對核爆的地震學監(jiān)測在很大程度上，還促進了全球地震臺網(wǎng)的建設和數(shù)據(jù)共享。在這些傳統(tǒng)研究中，地震學家使用位于不同震中距的臺站，深入分析波形記錄，獲取各種震相的到時、振幅、頻譜等信息。他們最大限度地，從這些數(shù)據(jù)中，提取如位置、埋深、當量、爆破類型、能量轉(zhuǎn)化、觸發(fā)地震等信息。
4無處可藏的地下核試驗
在這次研究中，我們不僅使用了傳統(tǒng)的地震學手段，還通過分析衛(wèi)星影像，得到了核爆區(qū)域完整的三維形變場。這相當于從兩種獨立的觀測手段中，得到了核爆事件的完整過程，解決了地震波無法精確確定震源絕對位置和深度的問題。
地震學和影像測地學這兩種互相獨立的觀測，一種相當于我們的耳朵，可以聽到地殼劇烈震動產(chǎn)生的波動；另一種相當于我們的眼睛，可以看到這些事件產(chǎn)生的地表變形。一個能捕捉地殼破裂的動態(tài)過程，一個能將地表形變以影像的形式展現(xiàn)，讓全球任何地點的地下核試驗，都能被我們捕捉，并全面地理解。
5不僅僅是核爆
當然，從地震波和SAR影像中可以分析的事件遠遠不止核試驗。
例如，地震波可以反演地震時斷層上的破裂過程，還能反演地球深部的結(jié)構(gòu)。通過多個地震的震源機制解，我們還可以確定隱藏在地下的斷層幾何構(gòu)型、朝向等信息。這些信息可以幫助我們探測火山噴發(fā)前熔巖不斷上升的過程，了解大地震可能發(fā)生的位置，甚至找到深埋地下的礦藏。
從SAR影像中，我們能夠追蹤幅度特征，了解火山噴發(fā)前，地面如何裂開，地震撕裂地表時又能造成多大的位移。
我們還可以利用影像中的相位信息，及干涉測量（InSAR）技術，以毫米/每年的精度，量測地下水開采造成的地面下沉。我們還能量測滑坡在垮塌前每月幾厘米的蠕動，以及大壩隨水位幾毫米的擺動。這些信息對政府的決策和管理非常重要，也因此影響著我們的生活。
人類最深的鉆井也不過約10km深，只有地殼厚度的幾分之一，而地殼又是組成地球的三個圈層——地殼、地幔和地核里面最薄的一層。用雞蛋來比喻就是我們僅僅能在蛋殼上打一個小坑，而這個小坑距離穿破蛋殼還有很遠的一段距離。
可見，想了解更多發(fā)生在地殼內(nèi)部的物理過程和規(guī)律，地震波和測地學是不可或缺的手段。這次關于地下核試驗的研究，只是這兩種技術手段的一個應用，它們真正的強大之處還在于能夠探索地球內(nèi)部的未知領域。
在可見的未來，我們也許無法像凡爾納地心游記里那樣，到達地球的深部，也很難在這些地方設置傳感器。但是，就像人類利用星空中的射線和無處不在的引力波來研究宇宙一樣，我們也可以結(jié)合多個獨立的信使來間接的研究地球。
比起浪漫的天文學，地球科學，尤其是地球物理學，受到的關注還遠遠不夠。希望大家通過我們這次對核爆的研究，了解到人類不但需要仰望星空，也需要俯視大地，地球內(nèi)部還有一個神奇的未知世界等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和理解。
參考文獻
1.Wang, T., Shi, Q., Nikkhoo, M, Wei, S., Barbot, S., Dreger, D., Bürgmann, R., Motagh, M. & Chen, Q-F. (2018), The rise, collapse, and compaction of Mt. Mantap from the 3 September 2017, North Korean nuclear test, Science, 10.1126/science.aar7230.
2.王騰，Perissin, D., Rocca, F，廖明生 (2011)，基于時間序列SAR影像分析方法的三峽大壩穩(wěn)定性監(jiān)測. 中國科學，地球科學。
3.泰伯網(wǎng)，InSAR專家：中國InSAR應用正邁入商業(yè)化階段。http://t.cj.sina.com.cn/articles/view/1877503207/6fe86ce7027008ujl
制版編輯：黃玉瑩 |
