几位书生是如何检测到朝鲜地下核试验的？
►图片来源：http://www.brtn.cn/
浏览朝鲜核试验新闻时，我一直有这样一个疑问：核试验算是国家机密吧，那我们究竟是怎么知道朝鲜核试验的具体位置，甚至威力呢？
南洋理工大学新加坡对地观测中心的研究者，通过地震波波形和地表形变两个独立的信号源，推算出了有关朝鲜核试验的重要信息，并将研究成果发表在今年5月10日出版的《科学》杂志。《知识分子》有幸邀请到其中两位研究者，王腾、韦生吉教授，为大家详细讲解他们如何做到的。
撰文 | 王 腾 韦生吉（南洋理工大学新加坡对地观测中心）
责编 | 蒋海宇
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1地动山摇：朝鲜第六次核试验
2017年9月3日，朝鲜官媒宣布成功进行地下氢弹试验，震惊了全世界。中国地震台网中心和美国地质调查局初步的分析均显示，这次核爆位于朝鲜北部丰溪里试验场万塔山（Mt. Mantap）下，爆炸产生的能量相当于一次矩震级（Mw）5.2级地震，远远大于朝鲜之前进行的五次核试验。
►朝鲜六次核试验产生的地震波（来源：NORSAR/Jan Petter Hansen）
作为一群和地球物理打交道的人，我们平时就用地震波、卫星影像和各种地球物理模型来研究地震、火山等地学现象。于是，核爆发生后我们想知道：这样一个埋在山体中的爆炸源会产生怎样的地震波和地表形变？它们和地震、火山喷发时观测到的地震波和地表形变又有何区别？丰溪里地区陡峭的地形又会如何影响我们的模型？
我们用德国航天局（DLR）TerraSAR-X卫星，获取了核爆前后雷达影像，计算出了核爆造成的地表三维形变场。我们发现，爆炸将万塔山山体较为陡峭的西坡和南坡向外推了3-4米。同时，山顶的高度却降低了约半米。
►丰溪里核试验场位置
利用弹性位错模型，我们确定了爆炸的位置和深度。同时，通过中韩多台地震仪记录的地震波，我们得到了爆炸产生的地震波能量。
结合深度、能量与核爆当量之间关系的经验公式，我们计算出此次核试验的当量为12-30万吨TNT，约为广岛原子弹（1.5万吨TNT当量）威力的十倍。
这一研究首次展现了地下核试验造成的三维地表形变场，并开创性地将地震波波形和地表形变两个独立信源结合起来，对核爆这一人造地震的震源物理过程进行分析和解译。相关成果于5月10号在线发表在《科学》杂志。
2核爆时发生了什么？
通过对地震波和地表形变的分析、建模和解译，我们还原了核爆发生时和爆炸后约一周的场景。
►核爆过程，来源：Wang, et al. Science, 2018
这次核试验起爆点位于朝鲜北部，具体在丰溪里实验场，万塔山顶正下方，约450-600米深度的坑道内。爆炸产生的热量气化了山体内部的部分岩石，形成一个直径约为100米的空洞，大小装得下一个标准足球场。
爆炸产生的冲击波碎化了周边大约300米内的岩石。对地表形变的弹性模型反演显示：核爆在初始阶段将山体像吹气球一样，向外推动了大约3-4米，并将山顶顶高了约2米。
爆炸结束后不久，空洞内被气化的岩石逐渐凝固，洞内压力不断降低，山体内由于核爆形成的空洞上方岩石失去支撑，受重力作用不断向下垮塌。核爆后八分半钟左右，又发生了一次矩震级（Mw）4.5级地震。我们将其定位于核爆位置以南约700米处，在起爆点和坑道入口之间。
我们分析认为，两次地震的震源机理正好相反——核爆的震源机理类似于气球的突然膨胀，而8分半钟后的地震震源机理与之相反，就像气球破裂后的突然收缩。我们推测第二次地震的原因，是试验场部分坑道的垮塌，以及该区域多次核试验形成的空洞的收缩。
在爆炸发生一周内，在重力的作用下，起爆点周围约1-2公里分布的岩石缓慢收缩。这使得万塔山山体在核爆后，高度反而下降了约半米，周边区域的地面高程也与核爆前略有变化。根据美国内华达州核试验场在地下核试验后的地表形变规律看，这种收缩会持续数年之久。
3如何监测核爆？
地下核爆与一次地震、一次火山喷发并无本质区别。我们研究它是为了更好地理解震源的物理过程。
与研究许多地学现象一样，我们没办法到核爆现场去实地考察，更没办法钻到地下去记录山体内部的变化。那我们又是如何得到上述的详尽过程呢？这就得靠研究地球圈层众多技术手段中的两大工具：地震仪和合成孔径雷达（SAR）。
地壳的剧烈运动会产生地震波和地表形变。地震波在地球内部传播，并被分布在全球的地震仪记录到。而沿数百公里高空轨道运行的多个SAR卫星，则使我们精确地量测地壳运动造成的地面形变。通过对地震波波形和地表形变的观察、量测、建模和解译，我们便能发现并理解地球内部的各种物理过程和属性。
►TerraSAR-X卫星 来源：German Aerospace Center
SAR是一种主动型微波遥感传感器，工作原理与光学传感器（例如，数码相机）完全不同。
通过发射电磁波，并记录地面反射回卫星的信号，SAR便得到影像。微波信号的接收不依赖阳光，还可以穿透云层，所以不受光照和气象条件的约束。自1991年欧空局ERS-1卫星升空以来，SAR影像获取地表形变信息已成为新兴的测地学手段。
►丰溪里核试验场光学影像（来源：谷歌地球）和雷达影像（来源：德国TerraSAR-X卫星），及三维形变获取原理。黄色五角星为核爆位置。
我们利用影像互相关技术，得到这次核爆造成的地表形变场。影像互相关技术和人脸扫描类似，只不过我们的算法可以识别并追踪地面上的“脸”（即特征），看它在核爆前后的移动，从而得到形变。综合多个轨道的卫星数据，我们可以重构地表的三维形变场。
►地下核爆造成的地表三维形变。箭头代表水平位移方向和大小，颜色代表垂直形变,暖色为抬升，冷色为沉降。红色五角星为前五次核试验位置。
得到地表形变场的空间分布后，我们建立弹性形变模型，通过反演的方式确定震源的位置和深度。我们将震源模型置于不同的位置和深度，计算理论上的地表形变场。然后，我们将各模型的理论地表形变场，和SAR影像得到的形变场进行比对。与SAR影像观测差异最小的模型，便被当作反演结果。
在计算时，我们发现，万塔山陡峭的南坡和西坡，会吸收更多的核爆能量，从而产生更大的地表形变。因此，我们考虑了地形对理论地表形变场计算的影响，使得模型反演更为真实，得到的位置更为可靠。
要使用SAR卫星影像来获取地面形变，我们需要核爆之后的影像。不过，影像的获取依赖卫星当时所处的位置与轨道，通常在事后几天才能获取。地震仪通常却可以在几秒至几十秒内（取决于距离），监测到核爆产生的地面震动。
核爆和一般地震的机理很不一样。地震是由于断层上的位错导致的，可以想象成在地壳内部长期被挤压或拉伸的岩石的突然断裂。这类地震源所产生的形变，以及地震波能量辐射，都具有一定的方向性。
而核爆则是一个各向同性的源，像一个在地壳中突然鼓起来的气泡，其产生的形变和地震波是向四周均匀扩散，没有方向性的。知道了这些特征来，我们就能区分自然地震产生的地震波，和爆炸产生的地震波。
科学家通过爆炸产生的地震波来研究地下核试验，可以追溯到上世纪60年代。从那以来，随着地震仪和各种地震技术的发展，特别是高灵敏度地震仪的发明，地震波核爆监测和研究扩展到了全球尺度。
值得一提的是，对核爆的地震学监测在很大程度上，还促进了全球地震台网的建设和数据共享。在这些传统研究中，地震学家使用位于不同震中距的台站，深入分析波形记录，获取各种震相的到时、振幅、频谱等信息。他们最大限度地，从这些数据中，提取如位置、埋深、当量、爆破类型、能量转化、促发地震等信息。
4无处可藏的地下核试验
在这次研究中，我们不仅使用了传统的地震学手段，还通过分析卫星影像，得到了核爆区域完整的三维形变场。这相当于从两种独立的观测手段中，得到了核爆事件的完整过程，解决了地震波无法精确确定震源绝对位置和深度的问题。
地震学和影像测地学这两种互相独立的观测，一种相当于我们的耳朵，可以听到地壳剧烈震动产生的波动；另一种相当于我们的眼睛，可以看到这些事件产生的地表变形。一个能捕捉地壳破裂的动态过程，一个能将地表形变以影像的形式展现，让全球任何地点的地下核试验，都能被我们捕捉，并全面地理解。
5不仅仅是核爆
当然，从地震波和SAR影像中可以分析的事件远远不止核试验。
例如，地震波可以反演地震时断层上的破裂过程，还能反演地球深部的结构。通过多个地震的震源机制解，我们还可以确定隐藏在地下的断层几何构型、朝向等信息。这些信息可以帮助我们探测火山喷发前熔岩不断上升的过程，了解大地震可能发生的位置，甚至找到深埋地下的矿藏。
从SAR影像中，我们能够追踪幅度特征，了解火山喷发前，地面如何裂开，地震撕裂地表时又能造成多大的位移。
我们还可以利用影像中的相位信息，及干涉测量（InSAR）技术，以毫米/每年的精度，量测地下水开采造成的地面下沉。我们还能量测滑坡在垮塌前每月几厘米的蠕动，以及大坝随水位几毫米的摆动。这些信息对政府的决策和管理非常重要，也因此影响着我们的生活。
人类最深的钻井也不过约10km深，只有地壳厚度的几分之一，而地壳又是组成地球的三个圈层——地壳、地幔和地核里面最薄的一层。用鸡蛋来比喻就是我们仅仅能在蛋壳上打一个小坑，而这个小坑距离穿破蛋壳还有很远的一段距离。
可见，想了解更多发生在地壳内部的物理过程和规律，地震波和测地学是不可或缺的手段。这次关于地下核试验的研究，只是这两种技术手段的一个应用，它们真正的强大之处还在于能够探索地球内部的未知领域。
在可见的未来，我们也许无法像凡尔纳地心游记里那样，到达地球的深部，也很难在这些地方设置传感器。但是，就像人类利用星空中的射线和无处不在的引力波来研究宇宙一样，我们也可以结合多个独立的信使来间接的研究地球。
比起浪漫的天文学，地球科学，尤其是地球物理学，受到的关注还远远不够。希望大家通过我们这次对核爆的研究，了解到人类不但需要仰望星空，也需要俯视大地，地球内部还有一个神奇的未知世界等待我们去发现和理解。
参考文献
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.王腾，Perissin, D., Rocca, F，廖明生 (2011)，基于时间序列SAR影像分析方法的三峡大坝稳定性监测. 中国科学，地球科学。
3.泰伯网，InSAR专家：中国InSAR应用正迈入商业化阶段。http://t.cj.sina.com.cn/articles/view/1877503207/6fe86ce7027008ujl
制版编辑：黄玉莹 |
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