据认为,朝鲜进行了一次氢弹试验。这次地下试验产生的地震冲击波在中国也有震感,韩国和日本则迅速探测到震动,并分别确认这是一次核试验。那么,地震科学能告诉我们这类试验的哪些信息?
利用地震技术监测核试验的历史是怎样的?
利用所谓的“法证地震学”探测并识别核试验,几乎与核武器本身的诞生一样历史悠久。1946年,美国在太平洋的比基尼环礁进行了首次水下核弹试验。巨大爆炸产生的冲击波被世界各地的地震仪记录下来,科学家由此认识到,地震学可以用于监测这类试验。
1963年,冷战正值高潮,核试验转入地下。地下试验产生的地震波更难探测,因为震动传到很远的地方时极其微弱,只有约一百万分之一厘米。
为了测量地下试验产生的波,科学家研发了灵敏度更高的地震仪,并开始部署地震台阵,即在彼此相距数公里的范围内设置多台地震仪。与单台地震仪相比,地震台阵更善于从特定震源中辨识微小振动,也能更准确地判断地震波最初来自何处。
1996年,《全面禁止核试验条约》(CTBT)开放签署,旨在禁止所有核爆炸。为落实该条约,设在维也纳的《全面禁止核试验条约》组织正在建立国际监测系统,配备50多个地震监测站,以探测地球任何地方的核试验。
该系统使用的不只是地震仪。次声仪器监听由大气中可能发生的核爆炸产生、人耳听不见的超低频声波;水声仪器监听由水下爆炸产生、在海洋中远距离传播的声波;而放射性核素探测器则会“嗅探”核试验地点释放出的放射性气体。
地震监测设备会寻找哪些信号?
任何类型的地震或爆炸,无论是自然还是人为造成,都会产生不同类型的冲击波。这些波在地球内部传播,可由能够测量极微小地面运动的地震仪探测到。最先到达的是初至波(P波),随后是次波(S波),它们在地球深处传播。接着到达的是速度较慢的面波;由于面波只在近地表传播,它们会造成地面上感受到的最大震动。
地震仪利用不同类型地震波的到达时间差,判断地震或爆炸发生地点的距离,以及震源的地下深度。地震仪还可以测量地震的强度(震级)。
地震学家如何区分爆炸和地震?
有多种方法可以做到这一点。其中一种是测量地震发生的深度。即使采用现代钻探技术,核装置也只能放置在地下几公里处;如果地震发生在超过10km的深度,我们就可以确定它不是核爆炸。
对冷战期间大量核试验的研究表明,与地震相比,爆炸产生的P波比S波更大。爆炸产生的面波相对于P波也较小。因此,地震学家可以比较不同类型地震波的大小,尝试判断这些波来自爆炸还是自然地震。
对于朝鲜这样的案例——该国自2006年以来进行过一系列核试验——我们可以直接比较每次试验记录到的地震波形状。由于这些试验都在彼此相距数公里的地点进行,波形相似,区别仅在于震级。
地震学能告诉我们最近一次试验的哪些信息?
地震学数据可以告诉我们是否发生了爆炸,但无法判断爆炸是由核弹头还是常规炸药引起的。要最终确认爆炸是否为核爆炸,我们必须依靠放射性核素监测,或在试验地点进行实验。
同样,我们无法明确区分核裂变弹和热核氢弹,也无法判断炸弹是否小到足以装载在导弹上,正如朝鲜政府所声称的那样。
我们可以从数据中大致了解爆炸的规模。这并不简单,因为地震波的震级及其与炸弹爆炸威力之间的关系,很大程度上取决于试验的具体地点和地下深度。不过,对于最近这次试验,我们可以直接将其震级与朝鲜此前的试验进行比较。
这次爆炸的威力远超朝鲜上一次试验(2016年9月进行);挪威地震监测中心NORSAR估计,爆炸当量相当于12万吨TNT。作为对比,1945年投向广岛和长崎的炸弹当量分别为1.5万吨和2万吨。
这项技术有多可靠?
尽管存在上述限制,现有仪器的灵敏度有所提高,监测站数量也有所增加,如今已经建立起一个非常可靠的网络,可以探测地球任何地方的核试验。
尽管《全面禁止核试验条约》尚未生效,调查此类事件的科学专业能力仍在不断提升。日本和韩国的监测机构在数小时内就确认了最近这次试验,这充分体现了该系统的卓越能力。



