核爆識(shí)別方法及地震臺(tái)陣應(yīng)用綜述*

胡亞軒　宋尚武　劉　庚

1) 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心， 西安710054

2) 防災(zāi)科技學(xué)院， 北京101601

?

綜述與評(píng)述

核爆識(shí)別方法及地震臺(tái)陣應(yīng)用綜述*

胡亞軒1)※宋尚武2)劉庚1)

1) 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心， 西安710054

2) 防災(zāi)科技學(xué)院， 北京101601

摘要隨著《全面禁止核試驗(yàn)條約》的簽訂， 應(yīng)用地震學(xué)方法有效監(jiān)測(cè)地下核試驗(yàn)成為科學(xué)研究的主要課題。 地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及地震臺(tái)陣的建設(shè)和應(yīng)用使得對(duì)小當(dāng)量核爆的定位、 識(shí)別等成為可能。 本文主要對(duì)核爆識(shí)別方法及地震臺(tái)陣應(yīng)用進(jìn)行綜述。 首先介紹應(yīng)用地震學(xué)知識(shí)進(jìn)行爆炸識(shí)別的常用篩選步驟及方法； 其次介紹地震臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理常用的聚束法、 頻率-波數(shù)分析法及相似系數(shù)法等方法， 并分析臺(tái)陣在核爆與天然地震識(shí)別中的優(yōu)勢(shì)； 最后主要介紹中國(guó)地震臺(tái)陣建設(shè)、 發(fā)展及其在核爆與小震識(shí)別中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞核爆； 天然地震； 地震波； 地震臺(tái)陣； 識(shí)別

引言

隨著朝鮮2006年以來的3次地下核試驗(yàn)的進(jìn)行， 核監(jiān)測(cè)問題再次引起人們的關(guān)注。 國(guó)際社會(huì)通過多種監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)事件進(jìn)行定位分析研究。 地震或人為爆炸都會(huì)產(chǎn)生地震波。 地下核爆可看成一種特殊的地震[1]， 因此, 地震觀測(cè)成為探測(cè)地下核試驗(yàn)的主要方法。 應(yīng)用地震學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行事件定位、 識(shí)別和當(dāng)量估計(jì)。 1996年9月10日聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過了《全面禁止核試驗(yàn)條約》(Comprehensive Test Ban Treaty， CTBT)， 提出通過地震波、 水聲、 次聲以及放射性核素等不同監(jiān)測(cè)技術(shù)來監(jiān)視條約執(zhí)行情況。 目前， 國(guó)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(International Monitoring System， IMS)由321個(gè)地震、 水聲、 次聲、 放射性核素監(jiān)測(cè)臺(tái)站以及16個(gè)放射性核素實(shí)驗(yàn)室等設(shè)施組成。 其中地震和爆炸產(chǎn)生的信號(hào)可被當(dāng)?shù)亍?區(qū)域或全球監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄到， 核爆產(chǎn)生的放射性粒子可被核素臺(tái)站監(jiān)測(cè)到， 并被送至核素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。 最終從這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中獲取事件發(fā)生的時(shí)間、 地理位置和事件特征。 地震監(jiān)測(cè)是最重要的手段。 IMS中地震臺(tái)站包括50個(gè)基本臺(tái)站(primary station， PS)和120個(gè)輔助臺(tái)站(auxiliary station， AS)， 利用地震波和地震學(xué)方法進(jìn)行核試驗(yàn)監(jiān)測(cè)歷來也備受重視。 中國(guó)是CTBT簽約國(guó)之一， 地震數(shù)據(jù)在締約國(guó)內(nèi)進(jìn)行交換。 合作范圍包括建立并運(yùn)行全球地震監(jiān)測(cè)基本臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)和輔助臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)[2]。 全面禁止核試驗(yàn)條約組織(Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty Organization， CTBTO)在我國(guó)建有海拉爾(PS12)和蘭州(PS13， 圖1a)兩個(gè)基本地震臺(tái)站[3-4]， 升級(jí)改造北京白家疃、 上海佘山、 西安和昆明4個(gè)地震臺(tái)站為輔助臺(tái)站。 由于地震臺(tái)陣可以抑制地面噪聲， 提高信噪比， 監(jiān)測(cè)較遠(yuǎn)處的微震事件， 故廣泛用于核監(jiān)測(cè)地震臺(tái)站的建設(shè)， 目前60%以上的PS臺(tái)采用臺(tái)陣形式[5]。 有的基本臺(tái)站是在原地震臺(tái)站的基礎(chǔ)上改造完成的， 像日本的Matsushiro臺(tái)站(PS22， 圖1b)， 是在原臺(tái)陣基礎(chǔ)上增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)建成IMS臺(tái)陣。 IMS地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到了來自朝鮮(DPRK)核試驗(yàn)場(chǎng)附近的清晰信號(hào)。

圖1　(a) IMS基本臺(tái)站(PS13， 蘭州， 改自文獻(xiàn)4)； (b) IMS基本臺(tái)站(PS22， 日本)

1地震監(jiān)測(cè)技術(shù)用于核爆識(shí)別方法

地震或人為的地下爆炸都會(huì)產(chǎn)生地震波， 但兩者的震源性質(zhì)不同， 產(chǎn)生的波的空間和時(shí)間特性均不同。 地下核爆炸空間震源機(jī)制被認(rèn)為主要是球?qū)ΨQ壓縮的， 震源是一個(gè)點(diǎn)， 通常發(fā)生時(shí)間比較短， 激發(fā)的地震波具有極高的頻率和極短的波長(zhǎng)(圖2)。 遠(yuǎn)區(qū)震源時(shí)間函數(shù)表現(xiàn)為單脈沖形式， 體現(xiàn)了能量的快速釋放過程； 而絕大多數(shù)天然地震的空間機(jī)制被認(rèn)為是多個(gè)不同空間取向的破裂面形成的有限剪切破裂， 通常持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)， 破裂面積大， 釋放能量的斷層面有幾千米到幾百千米。 遠(yuǎn)區(qū)震源時(shí)間函數(shù)通常表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、 周期變化較大的復(fù)雜的多脈沖形式[6]。 趙連鋒等[7]對(duì)朝鮮2006、 2009和2013年3次事件震級(jí)逐次增大的地下核試驗(yàn)進(jìn)行分析， 這些爆炸在中國(guó)東北及鄰近地區(qū)激發(fā)了豐富的區(qū)域地震震相， 同一臺(tái)站記錄到的3次核爆的地震波形非常相似。 P波初至波形尖銳， 能量強(qiáng)， Lg波較弱， 短周期瑞利面波發(fā)育。

圖2　地震和爆炸短周期和長(zhǎng)周期記錄比較

一些經(jīng)典實(shí)用的地震學(xué)方法可用來識(shí)別地震與爆炸。 20世紀(jì)70年代， 依據(jù)當(dāng)時(shí)的地震學(xué)發(fā)展水平， 吳忠良等[8]曾經(jīng)提出利用以下(1)～(4)種基本的普遍公認(rèn)的地震學(xué)判據(jù)來進(jìn)行核爆識(shí)別。 韓紹卿等[9]還總結(jié)了(5)～(7)等其他多種識(shí)別方法。 Hiroshi Ueno①和Yasuhiro Yoshida②等給出核爆識(shí)別的基本流程圖(圖3)， 通過初步識(shí)別和進(jìn)一步分析區(qū)分核爆和天然地震。 對(duì)主要方法簡(jiǎn)要敘述如下：

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

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

圖3　爆炸與天然地震識(shí)別流程圖

(1) 事件定位。 核爆很少在靠近大城市或深海中進(jìn)行， 更易在一些核試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)生。 通過位置可以進(jìn)行初步識(shí)別。

(2) 震源深度。 地下核爆炸的深度很少超過2 km。 通過源深進(jìn)一步識(shí)別是否為核爆。

(3) P波初動(dòng)。 一般情況下, 爆炸產(chǎn)生的地震波初動(dòng)向上， 可由短周期臺(tái)陣清晰記錄到。 通過波形記錄可以進(jìn)行初步的直接識(shí)別。 但對(duì)于傾滑斷層和爆炸源其解釋并非唯一， 另外， 噪聲的干擾有時(shí)也會(huì)影響對(duì)初動(dòng)方向的判定。 哈薩克斯坦地震臺(tái)網(wǎng)每年記錄超過5000個(gè)爆炸事件， 通常情況下， 爆炸產(chǎn)生的地震波初動(dòng)向上， 但大約有0.2%的爆炸事件地震波初動(dòng)向下[10]。

(4) 震級(jí)比。 體波震級(jí)mb與面波震級(jí)MS之比是遠(yuǎn)區(qū)核爆地震識(shí)別有效的判別量之一。 爆炸與天然地震具有相同的體波震級(jí)mb時(shí)(相同P波)， 爆炸的面波震級(jí)MS較小(較小的面波)。 在mb-MS圖(圖4)中公式MS=mb-0.86給出區(qū)分地震與爆炸的界線，MS=mb-0.64是推薦篩選線。 可以看出， 對(duì)于爆炸， 事件落在篩選線的下方， 而對(duì)于地震， 則落在區(qū)分線以上， 但對(duì)于區(qū)分線附近的事件分類需慎重。

圖4　爆炸與地震的mb-MS分布圖

(5) 持續(xù)時(shí)間。 一般情況下， 地震持續(xù)時(shí)間比爆炸持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(表1)。 爆炸時(shí)間往往小于1 s。 Davies和Smith[11]在有限移動(dòng)源方法的基礎(chǔ)上， 將爆炸與同樣震級(jí)大小且實(shí)際上具有相同路徑的地震P波波譜進(jìn)行了對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)爆炸持續(xù)時(shí)間僅是等效地震震源持續(xù)時(shí)間的1/10～1/2。

表1　地震和爆炸持續(xù)時(shí)間

(6) 波形復(fù)雜度(complexity， C)。 用遠(yuǎn)震P波與P波尾波能量的比值來度量。 爆炸與地震間P波地震圖的差異仍然是很多重要判據(jù)中識(shí)別異常地震的基礎(chǔ)。 當(dāng)人們對(duì)臺(tái)陣得到的P波信號(hào)進(jìn)行檢查時(shí)， 發(fā)現(xiàn)地震的P波信號(hào)一般比較復(fù)雜， 直達(dá)P的尾波衰減很慢， 并且有時(shí)尾波的振幅與直達(dá)P波的振幅相當(dāng)甚至更大， 這樣的高振幅尾波可持續(xù)長(zhǎng)達(dá)30 s。 而爆炸的P波信號(hào)則相對(duì)簡(jiǎn)單。 在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)， 此方法在僅使用一個(gè)臺(tái)陣時(shí)， 可以使樣本中90% 以上的地震事件被識(shí)別出來。 波形復(fù)雜度的計(jì)算公式為:

一般情況下，t1-t0為2～5 s，t2-t1為25～35 s。S(t)為波形數(shù)據(jù)。 從圖5可以看出， 二者分區(qū)性明顯。 對(duì)于爆炸， 深度D=0(圖中取為100)，C<1； 對(duì)于地震，D>0， 一般情況下，C>1。

圖5　不同事件震源深度與波形復(fù)雜度分布

但有時(shí)依靠在時(shí)域內(nèi)改變積分限的值也不能將事件正確歸類。 韓紹卿等[12]將傳統(tǒng)的時(shí)域波形復(fù)雜度推廣到時(shí)頻聯(lián)合域， 給出了一種基于短時(shí)傅里葉變換的波形復(fù)雜度計(jì)算框架。

(7) P/S判別量。 包括頻譜比 (spectrum ratio， SR)和振幅比。 體波震級(jí)相同的核爆與地震， 同類波譜進(jìn)行對(duì)比， 核爆較地震有著較高的優(yōu)勢(shì)頻率或峰值頻率。 計(jì)算公式如下， 公式中各量取值如圖6所示。

圖6　頻譜比識(shí)別事件示例

振幅比包括長(zhǎng)周期S波與瑞利面波的振幅比， 短周期S波與短周期P波振幅比等。 同一頻段歸一化的勒夫波(Love)和瑞利波(Rayleigh)振幅比提供了有用的識(shí)別標(biāo)志。 Lambert等[13]發(fā)現(xiàn)爆炸面波L/R接近于1且與周期無關(guān)， 而對(duì)于天然地震而言， L/R接近于2～3或更大， 并且隨周期增大[14]。 對(duì)朝鮮核試驗(yàn)場(chǎng)及其鄰近地區(qū)3次核爆事件和4個(gè)天然地震在中國(guó)東北和朝鮮半島11個(gè)地震臺(tái)站所記錄的垂直分量波形資料進(jìn)行分析， 縱橫波振幅譜比值Pn/Lg、 Pn/Sn和Pg/Lg在高于2 Hz的頻帶， 這些譜比值能夠清晰地區(qū)分地震與爆炸事件群組。 P/S判別量的識(shí)別性能依賴于頻率， 一般來說， 在低頻段(～1 Hz)識(shí)別效果差， 高頻段(>～3 Hz)識(shí)別效果好[15-16](圖7)。

對(duì)于大的爆炸事件， 地震波反演、 拐角頻率和勒夫波等方法可用來進(jìn)行識(shí)別。 Wyss[17]將阿留申群島的一些爆炸和新地島的一個(gè)地下核爆P波波譜與地震P波位移譜的峰值頻率和頻譜陡度進(jìn)行對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)核爆炸的周期小于1.5 s時(shí)， 譜頻率以ω-2形式下降， 表現(xiàn)為高拐角頻率。

以上介紹的只是一些簡(jiǎn)單的識(shí)別方法。 有時(shí)應(yīng)用一種方法會(huì)出現(xiàn)識(shí)別失效現(xiàn)象。 像朝鮮核爆的面波震級(jí)相對(duì)較大， 使MS-mb識(shí)別方法失效[18]。 為了防止識(shí)別失效， 科學(xué)家們一方面研究了許多更為有效的方法， 另一面在一個(gè)站采取多種方法的組合來提高識(shí)別能力。 譬如， 把高頻段和低頻段上的P/S振幅比綜合在一起的多元分析方法比單一的P/S比值識(shí)別能力強(qiáng)。 應(yīng)用mb-TMF， SR-TMF進(jìn)行識(shí)別(圖8)等。 其中TMF是頻率三次矩 (the third moment of frequency， TMF)。 計(jì)算公式為:

式中,A(f)為振幅譜，f0為積分上限。 另外， 還有許多改進(jìn)的方法， 限于篇幅， 這里將不做詳細(xì)介紹。

圖7　爆炸與天然地震P/S比

圖8　核爆與天然地震識(shí)別方法的綜合利用(mb-TMF； SR-TMF)

2地震臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理

IMS中的地震基本臺(tái)站多布設(shè)成臺(tái)陣形式。 地震臺(tái)陣可以檢測(cè)、 定位低震級(jí)事件及提高信號(hào)檢測(cè)的能力。 在臺(tái)陣信號(hào)處理中， 一個(gè)基本的理論基礎(chǔ)是假設(shè)通過臺(tái)陣的信號(hào)是相干的， 而臺(tái)陣傳感器之間的噪聲是非相干的。 臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理主要是利用這一原理， 使得處理后的信噪比提高很多。 處理方法主要包括聚束(beam)法、 頻率-波數(shù)(frenquency-wave number， F-K)分析法和相似系數(shù)(semblance analysis)分析法； 另外， 還有速度譜(vespa)分析、 加權(quán)震相疊加、 雙聚束、 同相法等方法， 以下主要介紹前3種方法。

圖9　2006年朝鮮核爆的聚束處理①Vera Miljanovic， Remmy Phiri. Geotool software user tutorial， 2013.

(2) F-K分析法。 它是地震臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理最基本的方法之一， 可以從高背景噪聲中提取有用的地震信號(hào)， 提高事件定位精度； 可以對(duì)不同慢度和不同頻率的波進(jìn)行識(shí)別和分離； 同時(shí)也可以用于上地幔地區(qū)差異和確定地震噪聲波場(chǎng)特性等地球物理研究。 臺(tái)陣記錄的全部能量由功率譜密度和臺(tái)陣響應(yīng)函數(shù)定義。 其中功率譜密度在一個(gè)極坐標(biāo)系中表示， 即F-K圖(圖10)， 方位角軸表示后方位角， 徑向表示慢度[20]。 頻域中F-K分析的實(shí)質(zhì)是用假定的信號(hào)慢度矢量對(duì)各子臺(tái)上的信號(hào)譜進(jìn)行相位校正[21]， 以去除因信號(hào)在各子臺(tái)上的到時(shí)差而引起的相位差； 然后將校正后的信號(hào)譜進(jìn)行疊加； 將疊加后的譜振幅最大時(shí)的慢度矢量作為信號(hào)實(shí)際慢度矢量的估計(jì)值。 時(shí)域波數(shù)分析原理是直接在時(shí)間域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)對(duì)齊并疊加， 而不對(duì)信號(hào)做傅里葉變換和頻率抽取。

(3) 相似系數(shù)分析法。 基于反射波形振幅和相位不隨偏移距變化的假設(shè)， 可以很好地處理噪音的影響。 相似系數(shù)(SEM)表示疊加的好壞， 計(jì)算公式為：

圖10海拉爾臺(tái)陣記錄的2004年哥倫比亞西岸近海MS7.2地震PP震相的F-K分析結(jié)果[20]

式中，N為臺(tái)陣地震計(jì)個(gè)數(shù)，L為地震波數(shù)。μi, j表示第i個(gè)地震計(jì)第j個(gè)記錄。

相似系數(shù)分析法是基于相似系數(shù)的速度分析方法， 將能量疊加改成了相似計(jì)算來提高疊加速度的精度。 變化范圍為 1/N～1。 如果臺(tái)站間地震波不相關(guān)， SEM=1/N； 如果相關(guān)， 則SEM=1。 圖11為日本IMS基本臺(tái)站PS22對(duì)2009年朝鮮核爆的相似系數(shù)分析結(jié)果。

臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理是臺(tái)陣技術(shù)的一個(gè)方面， 包括數(shù)據(jù)處理方法及最優(yōu)化數(shù)據(jù)處理機(jī)制等方面的研究。 先進(jìn)技術(shù)和方法的應(yīng)用可以提高自動(dòng)化程度。 秦浩文等[22]介紹了上海網(wǎng)陣處理軟件在聚束定位、 波陣面法定位及F-K分析等方法中的應(yīng)用。 全面禁止核試驗(yàn)條約組織研發(fā)的Geotool軟件， 可在Linux， Solaris和Mac OS X下安裝。 該軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、 地震定位、 聚束和F-K分析等十多項(xiàng)功能， 對(duì)臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理尤為方便。

圖11　 相似系數(shù)分析法①M(fèi)atsushiro Seismology Oberservatory. CTBT and monitoring nuclear-test in Matsushiro. Global seismological observation， 2015.

3地震臺(tái)陣的建設(shè)、 發(fā)展及應(yīng)用

臺(tái)陣應(yīng)用的最初目的是為了探測(cè)遠(yuǎn)處地下核試驗(yàn)。 為了提高對(duì)地下核爆炸的探測(cè)能力， 地震學(xué)家應(yīng)用地震臺(tái)站組成“地震臺(tái)陣”， 來探測(cè)那些距離臺(tái)陣比較遠(yuǎn)的事件。 地震臺(tái)陣有大孔徑(100～200 km)、 有中等尺度孔徑(約20 km)， 也有小尺度孔徑(3～5 km)， 還有微型(小于1 km)， 超大孔徑臺(tái)陣孔徑約為上百千米甚至上千千米[23]。 世界上第1個(gè)實(shí)驗(yàn)地震臺(tái)陣由英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)的UKAEA于1961年2月建立， 是中等尺度地震臺(tái)陣。 全球最大的臺(tái)陣是美國(guó)1965年建立的LASA臺(tái)陣， 由525個(gè)地震檢波器組成， 孔徑達(dá)到200 km。 國(guó)際上大多數(shù)地震臺(tái)陣建于20世紀(jì)80年代之后， 截止到2002年底， 遍布全球各大陸正在運(yùn)行的和已計(jì)劃的地震臺(tái)陣59個(gè)[24]。 目前， 世界上正在運(yùn)行的幾十個(gè)臺(tái)陣中有挪威東南部的NORSAR臺(tái)陣、 加拿大的Yellow Knife臺(tái)陣等。

地震臺(tái)陣可用來監(jiān)測(cè)核爆， 又由于其可以壓低干擾背景， 提高信噪比， 突出和加強(qiáng)地震信號(hào)， 可獲取比現(xiàn)有地震臺(tái)網(wǎng)更多的有關(guān)震源和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息； 可以通過不同的方法對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密尺度進(jìn)行研究。 在多種地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究中， 如火山、 大陸地殼和巖石圈的內(nèi)部、 地幔中地震速度的全球性變化、 核幔邊界與內(nèi)核的結(jié)構(gòu)方面等， 地震臺(tái)陣都很有幫助[25]。 另外， 應(yīng)用地震臺(tái)陣可監(jiān)測(cè)較遠(yuǎn)處的微震事件， 有利于對(duì)那些不宜在當(dāng)?shù)丶茉O(shè)臺(tái)站的地區(qū)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)， 特別是， 對(duì)近海海域地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)。 地震臺(tái)網(wǎng)由于地震臺(tái)陣的加入， 可以明顯提高定位能力[26-28]。 目前， 地震臺(tái)陣已成為全球地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重要組成部分， 如美國(guó)的PDAR、 TXAR， 澳大利亞的ASAR， 日本的MJAR等臺(tái)陣被納入國(guó)際地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(International Seismic Monitoring System， ISMS)。

早在20世紀(jì)70年代初， 中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所就開展了地震臺(tái)陣試驗(yàn)， 在河北省懷來縣布設(shè)了由12個(gè)子臺(tái)組成的臨時(shí)臺(tái)陣， 相鄰臺(tái)站間距約1 km， 布成反L型， 信號(hào)通過有線傳輸?shù)脚_(tái)陣中心， 用模擬磁帶進(jìn)行記錄[29]。 中國(guó)的數(shù)字化地震臺(tái)陣建設(shè)始于2001年， 建成由16個(gè)子臺(tái)、 孔徑為3 km的上海佘山永久性寬帶地震臺(tái)陣， 是中國(guó)大陸第1個(gè)自行設(shè)計(jì)的三分量、 寬頻帶、 永久性地震觀測(cè)系統(tǒng)， 能較好地監(jiān)測(cè)上海和鄰近地區(qū)以及東海、 南黃海海域的地震活動(dòng)。 之后， 2002年CTBTO在中國(guó)蘭州、 海拉爾兩地分別建成了孔徑約為3 km的地震臺(tái)陣。 這兩個(gè)臺(tái)陣都是NORESS型(與挪威NORESS臺(tái)陣具有類似的布局， 環(huán)形分布， 最少2個(gè)環(huán)， 9個(gè)子臺(tái))小孔徑臺(tái)陣。 臺(tái)陣垂直向地震計(jì)為英國(guó)Guralp公司生產(chǎn)的CMG-3 ESPV， 帶寬0.03～50 Hz， 三分向甚寬頻帶地震計(jì)為瑞士STS-2， 帶寬0.008～50 Hz。 數(shù)據(jù)采樣率為每秒40個(gè)采樣點(diǎn)[30]。 為了增強(qiáng)西部地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力， 中國(guó)歷時(shí)3年在青藏鐵路沿線海拔4500 m處建成了那曲地震臺(tái)陣， 是繼上海地震臺(tái)陣后中國(guó)第2個(gè)用于地震監(jiān)測(cè)的地震臺(tái)陣， 可進(jìn)一步提高青藏鐵路沿線的地震監(jiān)測(cè)能力。 臺(tái)陣由1個(gè)寬頻帶(50 Hz～120 s)地震計(jì)， 9個(gè)短周期地震計(jì)(頻帶寬度2 s～50 Hz)構(gòu)成同心圓環(huán)的小孔徑地震臺(tái)陣， 基建工作于2006年9月完成。 2007年建成的新疆和田地震臺(tái)陣[31]， 也采用圓形陣列方式設(shè)計(jì)技術(shù)方案。 孔徑約3 km、 包括9個(gè)子臺(tái)， 每個(gè)子臺(tái)都安裝了相同型號(hào)的短周期三分向地震儀， 同時(shí)還在中心臺(tái)安裝了1臺(tái)甚寬頻帶地震儀[32]。 郝春月等[33]曾利用那曲、 和田臺(tái)陣對(duì)汶川地震序列定位進(jìn)行校正， 大幅提高精度。 2001年以來， 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所等單位還多次進(jìn)行流動(dòng)地震臺(tái)陣布設(shè)， 其主要任務(wù)是對(duì)某些區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究， 譬如， 布設(shè)在大別造山帶西段[34]、 天山[35]、 張渤地震帶[36-37]以及川滇地區(qū)[38]等。

隨著地震臺(tái)陣的建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用， 在核監(jiān)測(cè)問題以及在有關(guān)地球深部精細(xì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等科學(xué)問題上顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 臺(tái)陣能夠提取微弱地震信號(hào)， 可大幅度降低地下核爆的全球檢測(cè)下限。 另外， 更多臺(tái)陣的建設(shè)及與IMS地震臺(tái)站的聯(lián)合應(yīng)用及分析， 可以提高臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)能力。

4 結(jié)論

中國(guó)地震觀測(cè)技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了從無到有， 從單臺(tái)到組網(wǎng)觀測(cè)， 從模擬到數(shù)字化、 網(wǎng)絡(luò)化[39]， 直至今天臺(tái)陣的廣泛建設(shè)和應(yīng)用研究， 地震監(jiān)測(cè)能力一步步地得到增強(qiáng)。 IMS臺(tái)站數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)臺(tái)站、 臺(tái)網(wǎng)及臺(tái)陣數(shù)據(jù)的結(jié)合， 為開展高分辨率地球深部結(jié)構(gòu)探測(cè)、 大陸動(dòng)力學(xué)和地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)資料和新的研究途徑。 可以給出更好的地震定位結(jié)果和地震參數(shù)測(cè)定結(jié)果， 這些結(jié)果反過來對(duì)地震危險(xiǎn)性評(píng)估具有重要的基礎(chǔ)意義。 海拉爾和蘭州臺(tái)陣的建成不僅履行了中國(guó)政府在CTBT中承擔(dān)的義務(wù)， 也進(jìn)一步改善了該地區(qū)的微震活動(dòng)監(jiān)測(cè)能力。 隨著臺(tái)陣的不斷建設(shè)、 應(yīng)用及優(yōu)化， 數(shù)據(jù)處理軟件等技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展， 為研究地下速度結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)地震和核爆的快速準(zhǔn)確定位， 提高邊遠(yuǎn)地區(qū)小事件監(jiān)測(cè)能力和推動(dòng)地震學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展等都將有很大幫助。

致謝： 文中圖表主要改自于global seismological observation課件， 感謝日本國(guó)際協(xié)力機(jī)構(gòu)(Japan International Cooperation Agency， JICA)各位老師的指導(dǎo)和幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Dahlman O. Monitoring underground nuclear explosions. Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company, 1977

[2] 郝春月， 鄭重， 牟磊育.臺(tái)陣地震學(xué)、 地震臺(tái)陣與禁核試條約監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 中國(guó)地震， 2007， 23(3): 233- 244

[3] 佟玉霞， 朱元清， 劉旭. 聚束掃描在上海地震臺(tái)陣選址中的應(yīng)用. 地震地磁觀測(cè)與研究， 1999， 20(6): 59-67

[4] 虞國(guó)平， 張淑珍， 秦滿忠， 等. 蘭州地震臺(tái)陣監(jiān)測(cè)能力研究. 地震地磁觀測(cè)與研究, 2013， 34(5/6): 248-251

[5] Douglas A. Seismometer arrays-their use in earthquake and test ban seismology. International handbook of earthquake and engineering seismology, 2002， 81A: 357-367

[6] 何永鋒， 陳曉非. 利用經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)識(shí)別地下核爆炸與天然地震. 中國(guó)科學(xué)D輯(地球科學(xué))， 2006， 36(2): 177-181

[7] 趙連鋒， 謝小碧， 范娜， 等. 對(duì)朝鮮地下核試驗(yàn)的地震學(xué)監(jiān)測(cè)與研究. 2014年中國(guó)地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文集， 2014： 1726

[8] 吳忠良， 牟其鐸. 90年代以來核爆炸地震學(xué)研究進(jìn)展.世界地震譯叢， 1994(4): 1-7

[9] 韓紹卿， 李夕海， 安躍文， 等． 核爆、 化爆、 地震識(shí)別研究綜述． 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2010， 25(4): 1206-1218

[10] 唐偉， 王燕， 劉哲函， 等. 2013年禁核試核查科學(xué)與技術(shù)大會(huì). 國(guó)際地震動(dòng)態(tài)， 2014(5): 30-34

[11] Davies J B， Smith S W． Source parameters of earthquakes and discrimination between earthquakes and nuclear explosions． Bull． Seismol． Soc． Amer．， 1968, 58(5): 1503-1517

[12] 韓紹卿， 宋仔標(biāo)， 伍海軍. 改進(jìn)的波形復(fù)雜度算法在核爆炸監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用. 振動(dòng)與沖擊, 2011， 30(2): 205-209

[13] Lambert D G， Flinn E A， Archambeau C B． A comparative study of the elastic wave radiation from earthquakes and underground explosions． Geophys. J． R． Astron． Soc．， 1972, 29(4): 403-432

[14] 安鎮(zhèn)文， 郭祥云， 邊銀菊， 等. 核爆炸與地震識(shí)別研究進(jìn)展. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài), 2008(8): 22-31

[15] Fisk M D， Gray H L， McCartor G D. Regional event discrimination without transporting threshold. Bull. Seismol. Soc. Amer.， 1996， 86(5): 1545-1558

[16] 田有， 柳云龍， 劉財(cái), 等． 朝鮮2009年和2013年兩次核爆的地震學(xué)特征對(duì)比研究． 地球物理學(xué)報(bào)， 2015， 58(3)： 809-820

[17] Wyss M, Hanks T C， Liebermann R C. Comparison of P-Wave spectra of underground explosion and earthquakes. J. Geophys. Res., 1971， 76(11): 2716-2729

[18] 范娜， 趙連鋒， 謝小碧， 等． 朝鮮核爆的Rayleigh波震級(jí)測(cè)量． 地球物理學(xué)報(bào), 2013， 56(3): 906-915

[19] 佟玉霞， 朱元清． F-K分析在上海地震臺(tái)陣建設(shè)中的應(yīng)用． 西北地震學(xué)報(bào)， 2002， 24(1): 13-20

[20] 郝春月， 賀冬梅， 張爽， 等. 臺(tái)陣地震學(xué)方法及在中國(guó)IMS臺(tái)陣的應(yīng)用研究. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2008， 23(3): 668-673

[21] 嚴(yán)鋒， 靳平， 范廣超. 地震臺(tái)陣上信號(hào)方位角和慢度的時(shí)頻域估計(jì)方法比較. 西北地震學(xué)報(bào)， 2006， 28(4): 327-330

[22] 秦浩文， 趙鎮(zhèn)嶺， 于海英， 等. 上海地震臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng). 地震地磁觀測(cè)與研究， 2002， 23(2): 65-75

[23] 黃顯良， 朱元清. 地震臺(tái)陣及其數(shù)據(jù)處理方法. 地震地磁觀測(cè)與研究， 2005， 26(1): 62-66

[24] 雷軍， 李學(xué)政， 馮永革. 從20年國(guó)際地學(xué)計(jì)劃中看地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)與現(xiàn)代數(shù)字地震儀的發(fā)展. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2004， 19(4): 819-827

[25] 郝春月， 邊銀菊. 地震臺(tái)陣、 臺(tái)陣地震學(xué)在中國(guó)的現(xiàn)狀與發(fā)展. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài)， 2007(9): 36-43

[26] 郝春月， 鄭重， 郭燕平， 等. 中國(guó)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)(CDSN)和IMS/PS臺(tái)陣的監(jiān)測(cè)定位能力評(píng)估. 地震地磁觀測(cè)與研究， 2006， 27(2): 56-63

[27] 尹繼堯， 朱元清. 上海數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力評(píng)估. 地震研究， 2011， 34(4): 476-481

[28] 唐明帥， 王海濤， 段天山. 利用和田地震臺(tái)陣數(shù)據(jù)對(duì)2008年于田7.3級(jí)地震序列重新定位. 內(nèi)陸地震, 2010， 24(3): 227-235

[29] 于海英. 地震臺(tái)陣的應(yīng)用及最新進(jìn)展. 地震地磁觀測(cè)與研究, 1999， 20(6): 68-73

[30] 沈旭章， 張淑珍， 鄭重， 等． 海拉爾CTBTO地震臺(tái)陣下方小尺度非均勻體研究． 地球物理學(xué)報(bào)， 2010， 53(5): 1158-1166

[31] 唐明帥， 葛粲， 鄭勇， 等． 短周期地震儀接收函數(shù)的可行性分析: 以新疆和田地震臺(tái)陣為例． 地球物理學(xué)報(bào)， 2013， 56(8): 2670-2680

[32] 唐明帥， 王海濤， 鄭勇， 等. 接收函數(shù)方法在新疆和田地震臺(tái)陣的應(yīng)用研究. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài)， 2012(6): 38-38

[33] 郝春月， 鄭重， 張爽. 那曲、 和田臺(tái)陣對(duì)汶川地震序列的定位誤差校正. 中國(guó)地震， 2013， 29(4): 472-479

[34] 李華， 王良書， 李成， 等. 大別造山帶西段寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)陣觀測(cè)與地殼上地幔結(jié)構(gòu). 中國(guó)科學(xué)D 輯(地球科學(xué))， 2008， 38(7): 862-871

[35] 李順成， 劉啟元， 陳九輝， 等. 橫跨天山的寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè). 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2005， 20(4): 955-960

[36] 王未來， 吳建平， 房立華． 唐海-商都地震臺(tái)陣剖面下方的地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)研究． 地球物理學(xué)報(bào)， 2009， 52(1): 81-89

[37] 王興臣， 丁志峰， 朱露培． 唐海-商都地震臺(tái)陣剖面下方巖石圈結(jié)構(gòu)． 地球物理學(xué)報(bào)， 2013， 56(11): 3828-3836

[38] 劉啟元， 陳九輝， 李順成， 等． 汶川M8.0地震: 川西流動(dòng)地震臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)的初步分析． 地震地質(zhì)， 2008， 30(3): 584-596

[39] 宋彥云. 中國(guó)地震觀測(cè)簡(jiǎn)要回顧與展望. 地震地磁觀測(cè)與研究， 2009， 30(9): 1-5

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

中圖分類號(hào)：P315.3；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.010

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372345)資助。

* 收稿日期：2015-11-23； 采用日期： 2016-02-03。

※通訊作者： 胡亞軒， e-mail: happy_hu6921@sina.com。