核爆地震与天然地震的区别

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【关键词】核爆；波形；震源深度

前言

核爆地震实际上是一种人工地震，与一般的化学爆破相同，根据炸药量的多少和埋设方式不同，产生地震效应也不同。人工地震和天然地震之间有一个关键区别就是爆炸是点源膨胀产生的振动，爆炸振动驱动四周岩石向外的每个方向对称地辐射，产生地震波，在所有的地震仪上记录波形初动，均应为地面被上推。而天然地震是地下岩石的破裂的过程，其初动P波和S波来自震源或是岩石破裂的初始点。天然地震的P波和S波的形态常与地下爆破产生的波形不同，对相当小的地震也是如此。两者的震相的幅度和大小也不一样。

核爆地震与天然地震的震相：地震、爆炸，波组不同地下核爆炸深度大多在地下千米或更深一些，如果爆炸中心有分层的地层结构，那么有可能产生垂直于层面的震动，这种震动在沿层面传播时形成横波（S波），但爆炸威力主要体现在对岩层的挤压上，基本上不会有对岩石产生剪切，所以核爆炸中产生的地震波中的主要成分是纵波（P波），横波（S波）成分很少。天然地震不同，在岩层断裂时，除了使岩层受到挤压，还会有剪切发生，所以天然地震中既有纵波（P波），也有横波（S波），而造成巨大破坏的主要力量正是天然地震波中的主要成分――横波（S波）。

图1 天然地震的常见震相有纵波（P）、横波（S）和面波（图为瑞利波R），它们的速度不同。。图为美国地震台阵（USArray）接收到的日本Mw9.0地震波 序列，可以看出P波振幅

图2 北京时间2006年10月9日9点35分，朝鲜在其境内（41.294°N，129.093°E）进行当量小于1000吨的地下核试验，产生了约4级的地 震。即使这些地震波到达北京时，振幅已经小到只有几十纳米，但利用地震台网技术，仍可以检测出核试验产生的~7.5km/s的P波和~3.5km/s的 Lg波。

图3 图中红色波形是中国在90年代进行的地下核爆炸产生的地震波，其记录特征是“大头小尾”，P波强于S波，Lg波发育。蓝色的是6.3级天然地震产生的地震 波，它的特征是“小头大尾”。利用记录到的地震波的特点，基本可以区分地下核爆炸和天然地震。（图片来源于：陈等.2007.《自然灾害》）

P波初动：压缩、膨胀，方向不同

初动指的是地震波到达地震仪时，所测质点的最初的振动方向，初动分为向外的压缩（compression）和向内的膨胀（extension）两 种。地下核爆炸和天然地震的本质区别在于它们的震源特性不同。大多数天然地震是地下岩石破裂、滑动所引起的，破裂面很大，持续时间较长，表现在地震波上， 是不同方位的地震台接收到的P波初动不一致，有的是压缩，有的是膨胀（图4）。而地下核爆炸的震源过程要简单和短得多，球对称压缩（各个方向都向外压 缩），使所有地震台接收到的地震波初动都是压缩的。利用地震波初动信息，就可以反过来求出震源机制解，推测出地震是正断层、逆断层、滑移断层还是人工爆炸引起的。

常利用“沙滩球”来表示地震的震源机制。图上的“沙滩球”表示有的地震台的初动是压缩，有的是膨胀，其震源是一条逆冲断层，断层面的走向约为195度，倾角约为14度，和俯冲的板块性质相一致。

震源深度

天然地震的震源深度一般远远大于核爆炸。 目前世界上最深的钻井只有12000多米，费时十几年。地下核试验的爆炸深度不超过2000米，但天然地震的震源深度往往在10000米（10公里）以下，而震源深度很容易被测定。

地震能量

核爆炸强度与地震震级存在近似的对应关系，一种估计的方法为：当量为1万吨TNT的核爆炸造成的地面破坏程度与里氏5.3级地震大体相当，10万吨TNT的核爆炸相当于里氏6.1级地震，而100万吨TNT的核爆炸可能引发里氏6.9级地震。1974年之后进行的地下核试验当量都不 超过15万吨。这次日本大地震震级为Mw9.0，根据能量公式LgE=4.8+1.5Mw，估算地震释放的能量约为2×1018焦耳，相当于几十亿吨当量 的TNT。原子弹的威力通常为几百至几万吨TNT当量，氢弹的威力可大至几千万吨TNT当量。但要制造几十亿吨TNT当量的核弹，目前还是很难的。

参考文献：

[1]《核爆地震学》罗丁 N.C. 著; Roding N.C. 著.

[2]《广东省强震观测的现状与展望》叶春明,张彪 ;华南地震;2001年02期.

[3]《结构抗震延性系数的确定方法》;倪诗阁; 四川建筑科学研究;1984年02期.