如何通过地震探测核爆

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  今年2月12日上午10时57分,朝鲜核试验场成镜北道吉州郡丰溪里发生5.1级地震。随后,各国地震部门都估计朝鲜进行了核爆试验,但对核爆的当量、性质等问题产生了分歧。那么,地震监测是如何对核爆进行分析的?
  朝鲜核武器爆炸试验情况及分歧
  目前,朝鲜已进行了3次核试验,均为地下平洞试验,没有公开任何试验情况,外界的监测结果存在着诸多分歧。
  朝鲜第一次地下核试验是在2006年10月9日进行的。按照韩国的说法,爆炸当量估计为550吨TNT,美国的估计也是几百吨TNT。但是,德国政府下属的联邦地质资源研究所(BER)实测的核爆威力为2千吨TNT当量,远高于美韩的计算值。按照前者的数据,朝鲜的试验只能是一次临界核爆炸,不能称为真正的核试验:而如按照后者的当量值,朝鲜的核试验就是成功的,是一次低水平的核爆炸。外界通过以后的核素测量,认为其核材料纯度不足是导致试验威力没有达到设计值的根本原因。
  2009年5月25日朝鲜实施第二次地下核试验,韩国测得的核爆地震级为4.5级,据此推测其爆炸当量为2.2-4千吨。美国国家情报局评估的爆炸当量为3千吨TNT当量。但俄罗斯国防部公布的这次核试验的爆炸威力相当于10-20千吨TNT当量,德国BER的测量值为13千吨TNT当量。俄德两国的数据相差不大,而且是美韩数据的3-6倍,基本达到了广岛原子弹的水平。
  2013年2月12日朝鲜进行第三次核试验,韩国测得朝鲜成境北道吉州郡发生5.0级地震,由此判断核当量约为6-7千吨TNT当量,后期修正为8~10千吨。韩国国防部宣称试验当量为6-7千吨。而德国BER第二天公布的为40千吨TNT当量。这种分歧是如何产生的?
  一是政治立场不同。从历次分析结果来看,德俄等国公布的数据均高于美韩数据。美韩等国如果据实报道朝鲜的核试验数据,就有可能引发其国民的恐慌,并引发民众指责政府对朝鲜的核试验不作为。而德国相关机构虽然地理位置距离较远,但其立场相对独立,因此其对测量结果的分析中政治考虑较少。
  二是测量条件不同。由于地震测量对测量条件较为敏感,因此各国测量条件的不同也是造成地震分析不同的重要原因。德国远离朝鲜,但其测量仪器又会较韩国精确,因此其监测数据会与韩国有一定差距。另外各国测量点与爆炸点之间的地质情况不同,例如,如果两者之间存在较多地质缝隙等复杂地质形态,其对地震波向各测量点的传播就会产生较大影响和差异。还有,虽然德国和韩国都具有监测的客观优势,但都不具备核武器试验的经验,而美俄在这方面的试验设计和监测仪器设置都经验丰富,这是其它国家不及的。由于远离核爆现场,各国即使配备先进地质监测设备和监测放射物的飞机,也只能获得有限信息,从而导致各国的判断出入很大。
  三是人为因素的干扰。此次关于震级的分歧也可能源于核试验本身采取的种种人工干扰措施,这种情况曾发生在1998年的印度核试验中。当时印度第二次试验几乎是同时爆炸了两颗核装置,这两颗装置在不同方向上引起的地震波有很大差异,而且两次地震波在一定距离产生了叠加,波形较为复杂。此外,试验者往往采取一定措施掩盖爆炸真实情况。例如,将核弹置于一个较大的地下空间中,核弹与周围岩层不接触。已知朝鲜的核试验是在地下坑道内进行的,如果放置核爆炸物的地下空间过大或者地下通道出口较多,那么核爆泄压的可能就大,这导致外部探测到的核爆炸威力有可能小于实际爆炸当量。这种空穴模式可以有效减少核弹的爆炸波向地震波的转换,使外部监测到的震级较低。例如1998年印度核试验,其核爆装置是在一个半径40±4米的空腔内爆炸的,这曾造成了各国对印度核试验当量分析的分歧。
  四是分析模型不成熟。将震级转换为对应的爆炸当量,不是简单的数学公式可以计算分析的,这与爆炸方式、爆炸地点的地质情况以及地震波传播的地质结构有关,分析模型需要加入经验修正值。这些经验需要累计多次核试验测量结果,经验和修正值的不同是各国对朝鲜核试验当量分析不同的重要原因。
  核爆地震监测的主要原理
  地震波与电磁辐射波有类似之处,可从很远的地方以波的形式传输能量,在其传播路径上经受物质的散射和吸收而衰减,最后被仪器探测到,所记录的信息是:到达的时间、频谱、振幅和位置。
  地震波的形式及传播通过地球内的固体物质传播的波被称为体波,而沿地球表面传播的地震波被称为面波。体波按照震动方向分为纵波和横波,面波按照震动方向分为瑞利波和勒夫波,是瑞利波还是勒夫波取决于地震波是压缩粒子运动还是横向粒子运动占主导。例如下图所示,瑞利波和勒夫波的震动方向都是和传播方向垂直的,这似乎和横波类似,但瑞利波的震动方向不但和传播方向垂直,还与地面垂直,而勒夫波的震动方向虽然与传播方向垂直,但平行于地面,也就是说,瑞利波和勒夫波两者相互也垂直。两者震动都只是在地面传播,通常不会扰动地下深层。
  由于地球表面不同的地质结构,导致不同频率的地震波束以不同速度传播。由于地表压力小,无论是体波(纵波、横波)还是面波(瑞利波、勒夫波),其激发通常是在地球表面或接近表面处最大,随深度增加而急剧减少。浅地震激发大量的面波,深层地震的面波就很小了,由此容易区分深层和浅层地震。
  地球结构复杂,地核、地幔和地壳三部分交界面结构,复杂的地壳层与山谷对地震波都会起到折射和反射的作用,引起地震波振幅的变化。高频部分更容易受复杂地层的影响,因此对同一震源,在不同距离上记录的频率会有所不同。
  地震探测器原理 由于地震波方向多样和频谱宽泛,因此地震台必须有6种仪器:3个短周期地震检波器,3个长周期地震检波器。每组检波器分别指向3个相互垂直的方向。地震波包含很宽的频谱范围,前面谈过地震波体波有纵波和横波,纵波是压缩运动型的波形(P波),横波为剪切运动的波形(S波)。纵波速度是横波速度的2.7倍。同一地震的纵波和横波产生的时间和震源是相同的,而两者到达监测台站的时间不同,只要知道时间差和其中一个速度就不难算出震源与监测点的距离,这个方法对天然地震和爆炸地震都适用。   地球本身的复杂性导致地震信号的复杂性,呈现在我们面前的是模糊不清和畸变了的图像。图像变坏的因素之一是地震噪声。一般将地震仪深埋于固体岩石结构中并用各类电子过滤器使地震噪声减到最小,还可利用地震仪阵列将数千千米之外传来的地震波在阵列探测器上进行耦合,使随机的无关联噪声信号被过滤掉,而真实信号得到加强。计算结果表明,加强的程度正比于阵列探测器单元数目的平方根。例如25个阵列探测器单元可使信号增加5倍。基于这一考虑,美国在阿拉斯加、蒙特那、挪威建了3个大的阵列台站,阵列分布直径在100~200千米。将阵列台站与适当的数据传播、处理能力相结合,用类似阵列雷达操作的方式进行操纵,可使其对特殊方向、特殊速度的地震波最为敏感。不同频率的波在地球内部传播时以不同速率衰减,而地震仪对不同频率的信号响应也不同。对此,原则上可用数学模型进行“图像畸变”处理,但困难是缺乏地震波在地球内传播的参数。各国对其国土地质构造的参数都是保密的,即使不保密,一个国家要想测量另一个国家的地质结构详细数据也是不可能的,而这却是地震精确探测必需的,因为每个断层都可能对地震波产生折射或反射,使体波或面波的强度和方向产生误差,这是地震探测的困难所在。要解读的数据非常大,必须用大型计算机。
  那么,在测得了地震数据后,如何判断其是自然地震还是核爆地震呢?
  核武器地下爆炸的地震波分析
  震源的位置和深度天然地震是地壳运动的结果,因此其通常发生在底层深处。例如,大多数天然地震的震中都在比地下10千米更深的位置。而核爆多在地表或浅地层,由于开掘地下核试验深井的难度较大,目前人类最深的核试验也只有地下2.5千米,所以通过精确测量震源深度就可判断地震性质。此外还可根据地震位置的地理环境来判断。例如,如果判断地震事件发生在深海、人口密集区,则基本排除地下核爆,因为人类不大可能将核试验安排在人口稠密区或人类难以到达和测量的深海中。
  余震发生情况天然地震往往伴有余震,有的还有预震(发生在主震之前)、群震。而核爆往往是瞬间一次性实施,因此其引起的地震没有伴随的多次小型地震特征。地下核试验也能产生余震,但空间模式有所不同。对于无法用位置、深度、地理环境、地震特征区分的地震事件,可以用天然地震、核爆地震的物理特征来区分不同形式的地震源。
  地震波成分和方向性核爆是瞬时发生的,它激发的震波强度各个方向大致相等,而天然地震向各个方向扩散的能量不尽相同。两者震波的成分也不相同。核爆地震比天然地震有更高的纵波成分以及较快的能量释放和较高的频率范围。天然地震有较强的表面波和横波,因为天然地震剪切错位源占优势。因此分析地震波成分和方向性可以较好地判断地震性质。此外,经验显示,核爆炸引起的纵波一般沿地球内部以8~12千米/秒的速度传播,频率为1Hz左右,核爆炸引起的表面波(包括瑞利型和勒夫型)以3-4千米/秒的速度传播,频率在0.05Hz左右。因此一旦符合上述频率和速度特征首先判断为核爆炸,然后按照其它条件予以排除,如果不能排除就可以判断是核爆炸。
  地震的初始运动由于核爆炸能将地层向外挤压,导致压缩的纵向波动,因此如果观测到地震波信号中初始位移与地震波的传播方向一致则可能是核爆地震,而如果不一致则基本排除核爆地震。
  面波与体波的震级比较核爆地震与天然地震的面波震级与体波震级不同。核爆炸是在微秒级时间内释放出大量能量,所形成的高温、高压物质急剧膨胀,挤压周围介质,介质在高压作用下产生形变和震动。它是一个很强的各向同性的压缩波。而地震是较慢发生的,通常由于地层断裂或挤压造成,其断裂面或挤压面不是一个点,而是一个面或线,而且通常是在地层深处,其向各个方向传播的震动由于断裂方向不同而不同,为一种不对称的辐射模式。这与核爆有较大区别。核爆通常是点状爆炸,而且在地球表面发生。其震动波向各个方向基本是均匀辐射,而且从观测经验看,自然地震分给表面波的能量大于核爆地震分给表面波的能量。实践中通常将体波中的纵波和面波中的瑞利波进行震级对比,比值大于经验值的为核爆地震。
  还有类似的其它识别方法,但都不是完全的,因为地质情况非常复杂。除地震监测外,要确定是否为核爆地震以及核爆的性质等信息,需要长期和细致的放射性核素分析,如地震点附近的稀有气体的探测及尘土分析等。此次,朝鲜核试验前,美军即向日本冲绳的嘉手纳空军基地部署了WC-135“不死鸟”侦察机,用来收集朝鲜丰溪里核试验过后的空气和颗粒物样本。据称,核爆后仅1天,俄罗斯即派出2架图-95抵近位于朝鲜下风向的美太平洋关岛方向,外界分析其实施爆区空气采样的可能性很大。而且外电报道,在朝鲜核试后,日韩等国情报机构派出了人员到中朝边境采集爆区附近的泥土作为分析素材。
  核武器爆炸探测的意义
  可以看出,无论何种核爆探测方法都十分复杂,投入人力物力巨大。那么,各国为什么会不遗余力地发展呢?
  一是用于战时核侦察,为核打击效果提供评估。未来核战争爆发后,国家通信和媒体将全面陷入瘫痪,而判断核武器突袭来自何方、爆炸威力、己方的可能损失,成为国家救灾抢险以及组织反击的重要依据。而同样在我对敌实施核反击后,我方核武器在敌方爆炸的时间、位置、威力等数据可以指导后续行动。
  二是用于核军控监测。由于全球反核形势,一国在核试验时往往隐蔽进行,试验后也不会发布敏感信息,有时会轻描淡写,有时会夸大事实。核爆探测手段发挥了重要作用。例如1998年的印度核试验中,国际组织发现印度可能用了反应堆级钚。这种核装置设计只有美国尝试过,如果事实如此,印度就可以利用民用核工业成果制造核武器,从而越过核材料监督环节,危险巨大。此后各国加强了对印度民用核材料的监管。
  三是为判断核能力提供依据。根据朝鲜发布消息看,此次的第三次核试验实现了小型化。这究竟是核讹诈还是核威胁,需要深入评估,因此爆炸当量、引爆方式、核材料组成都成为重要依据。例如,依据地震波反应情况和前期侦察结果,韩国联合参谋本部议长郑承兆判断,此次试验威力明显高于前两次,可能是一种助爆型裂变武器,这次试验力求改善性能和增强威力,可能是高浓缩铀或铀钚混合型核弹。随着核武器试验监测数据的丰富,对朝鲜核试验的判断与评估将会更加全面。
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