2016年9月9日上午，亞太地區的地震儀開始產生劇烈反應。從韓國到俄羅斯再到日本，當地震波震動地麵時，這些地球物理儀器記錄下地震波曲線，它看起來就像發生了裏氏5.2級地震。但實際上，地麵震動源自朝鮮的核武器試驗。這是朝鮮第五次證實進行核試驗，同時也揭開了長期地質勘探故事的最新篇章。
圖1：地震波曲線揭示了有關朝鮮核武器試驗的線索
就像交警在車禍中檢查刹車痕跡圖以便找出事故責任方那樣，研究人員會分析地震波來判斷它們屬於自然地震還是人為爆炸所致。如果是後者，科學家需要弄清楚爆炸細節，比如其是否屬於核爆炸，以及當量有多大。經過反複測試後，地震學家們正提高他們對朝鮮核武器計劃的了解。
這項工作為國際監測《全麵禁止核試驗條約》（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty）提供了巨大幫助，該條約自1996年簽訂以來就禁止核武器試驗。180多個國家簽署了這份條約，但是擁有核技術的44個國家必須簽署和批準條約，使之具有法律效力。然而包括美國和朝鮮在內的8個國家依然沒有簽約。
為了追蹤潛在的違規行為，該條約要求建立分屬四級的國際監測係統，目前大約有90%已經完成。其中水聲監測站（Hydroacoustic）可以檢測水下爆炸波的聲音，次聲觀測站（Infrasound）監聽大氣中的低頻聲波，放射性核素觀測站（Radio-nuclide）監測空氣中吸收的放射性物質副產品，而地震監測站通常是確定地麵震動的最快、最可靠方法。
新的研究表明，地震波可以提供有關核爆炸的額外信息。一個研究小組正在探索地形如何在地震信號上留下印記，比如類似朝鮮測試的崎嶇山區。知道了這一點，科學家們能夠更好地確定山脈內爆炸的地點，從而更好地了解爆炸的深度和強度。深度爆炸更容易掩蓋核武器試驗的力量。
圖2：利用地震波數據，研究人員可計算出朝鮮在"萬塔山"(Mount Mantap)進行第五次核試驗的可能位置
另外，物理學家們在美國的內華達州核試驗場進行了前所未有的六次爆炸試驗，目的是通過模擬核爆炸的物理效果來觀察地震波是如何向外輻射的。這項試驗就像一場微型的、無核的核武器測試。科學家們已經有了許多關鍵發現，比如了解深度爆炸在地震檢波器上的表現等。
研究人員了解每次爆炸引發的地震波動越多，他們發現真實核試驗的可能性就越大，對朝鮮來說尤其如此。自2006年首次進行核試驗以來，該國始終在加快軍事試驗的步伐。7月4日，朝鮮發射了首枚被確認的彈道導彈，雖然沒有核載荷，但其可以到達美國阿拉斯加州。
美國馬薩諸塞州Weston Geophysical Corp物理學家德萊恩·雷特（Delaine Reiter）表示："對核試驗了解得越多，可以幫助你理解像朝鮮這樣的國家的核能力。他們並不害怕展示自己的測試結果，但他們宣稱西方科學家無法確定到底發生了什麼。核試驗的規模真的如他們聲稱的那樣大嗎？我們真的很感興趣理解這一點。"
自然地震VS人造地震
地震儀能夠檢測出各種事件的地麵震動情況。在典型的年份中，世界範圍內會發生1200次到2200次5級以及5級以上地震，它們都會引發世界各地地震儀的反應。此外，還有許多引發地麵振動的非自然因素，比如采石場爆破、礦井坍塌以及其他原因。
利用地震波來區分這類事件的技術稱為法醫地震學。法醫地震學家可以區分出秘密核試驗與天然地震的差異。例如，2003年3月，地震儀檢測到來自在中國西部幹涸湖泊羅布泊的地麵震動，地震學家們想要確認到底發生了什麼。地震與核試驗爆炸之間的區別可通過深度來確認，任何超過10公裏深的事件幾乎可以肯定是自然引發的。
以羅布泊事件為例，地麵波動的源頭似乎為地下6公裏處，很難通過挖掘達到這個深度，但也並非不可能。研究人員還進行了第二次測試，比較了兩種不同類型地震波的振幅差異。地震與核試驗爆炸可以產生幾種類型的地震波，其中以P波或初級波為起點。這些地震波會首先到達遙遠的觀測站，其次為S波或稱為次波，它需要通過剪切運動穿過地麵，因此也需要更長的時間到達。最後出現的波紋會波及到整個地表，包括那些被稱為瑞利波（Rayleigh waves）的地震波。
核爆炸規模越來越大
朝鮮核試驗引發的地震波動顯示，其爆炸釋放能量接近千噸級，而1945年廣島原子彈的當量約為15噸。與地震相比，核爆炸中的瑞利波振幅比P波的振幅更小。通過觀察這兩種波，科學家確定了羅布泊事件屬於自然地震，而不是秘密爆炸的結果。
對朝鮮來說，問題不在於該國政府是否準備進行核試驗，而在於那些爆炸可能產生多大的破壞力。2003年，朝鮮宣布退出《不擴散核武器條約》（Treaty on the Nonproliferation of Nuclear Weapons），這是禁止核武器及相關技術擴散的國際協定。3年後，朝鮮宣布在豐溪裏進行了地下核試驗。這是印度和巴基斯坦1998年進行核武器試驗後，首次有其他國家進行核試驗。
通過分析亞太周邊地區觀測站的地震波數據，地震學家認為朝鮮的核試驗深度較淺，在深山中隻有數千米深。這與朝鮮政府宣稱進行蓄意試驗的說法相吻合。2周後，加拿大耶洛奈夫（Yellowknife）的放射性核素監測站發現放射性氙濃度增加，它們可能是從朝鮮地下試驗場泄漏出來並向東漂移過來的。顯然，這起實驗的確屬於核爆炸。
但2006年的測試為地震學家提出了新的問題。瑞利波和P波的振幅之比並不像爆炸時那樣顯著，而其他方麵的地震信號也不像科學家預期的那麼清晰。但是隨著朝鮮繼續核試驗，研究人員找到了部分答案。2009年、2013年以及2016年，朝鮮政府在豐溪裏展開更多地下核爆炸。每次，國外的研究人員都會將地震數據與過去的核爆炸記錄進行比較。挪威監測組織NORSAR的地震學家史蒂芬·吉本斯（Steven Gibbons）表示，自動化的計算機程序能夠比較你在屏幕上看到的晃動波紋。當模式匹配時，科學家知道這是另一次核試驗，爆炸產生的地震信號就像是那個地區的指紋。
每一次核試驗，研究人員都能更多了解到朝鮮的核能力。通過分析地麵震動幅度，專家們可以粗略地計算每次核試驗的規模。2016年朝鮮核試驗估摸相對較小，釋放出的能量相當於1000噸TNT的威力，遠低於美國於1945年向日本廣島投下的15000噸當量原子彈。但朝鮮核核試驗的當量每次都在上升，2016年9月份進行的最新測試可能已經超過了廣島核彈的規模。
圖3：1953年4月，美國內華達州進行大氣層核試驗。毫不奇怪，朝鮮的地下核試驗顯然更難被發現
挖掘到地下更深處
對於特定震級的事件，爆炸的深度越深，爆炸產生的能量就越大，而深度較淺的低能量實驗看起來更像深埋地下的強大爆炸事件。科學家需要弄清楚每次爆炸發生的具體位置。萬塔山屬於堅固的花崗岩地質，這讓地震波傳播變得更為複雜。在核試驗進行前，西方專家根本不知道核彈是如何安放在裏麵的。但是衛星圖像顯示，山腰處有隧道正被挖掘中。
位於美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的核不擴散專家弗蘭克·帕比安（Frank Pabian）4月份在丹佛舉行的美國地震學會會議上稱，隧道挖掘有兩種方式：直接鑽入花崗岩，或以魚鉤模式盤旋挖掘。研究人員始終在試圖找出這5次核試驗中每次爆炸的相對位置。通過比較P波、S波以及瑞利波的振幅，並計算每種波穿過地麵的時間，研究人員可以繪製出5次爆炸的可能地點。這使得他們能夠更好地將爆炸與表麵的基礎設施結合起來，比如衛星影像中的隧道。
2009年核試驗後出現了一個大難題。分析地震波到達不同測量站的時間，有人發現核試驗發生在首次爆炸西部2.2公裏處。其他科學家發現它們相距隻有1.8公裏遠。吉本斯說，這種差別聽起來並不多，但如果你想把這些相對位置放在實際地形中，那差別會非常大。他說："向東或向西移動幾百米，爆炸可能發生在山穀下麵，而不是山脊處。這對深度以及爆炸威力的估計也會顯得天差地別。"
吉本斯和他的同事們認為，他們可能能夠調和這些不同位置的估計，答案在於地震數據來自哪個檢測站。與歐洲和其他地方監測站提供的數據相比，依賴於距離豐溪裏1500公裏的監測站提供的數據，朝鮮5次核試驗場地相距更遠。地震波離開試驗場地的方式肯定要比科學家們想象的更為複雜，否則所有的測量結果都該保持一致。
確認核武器試驗的四種方法
地震：世界各地有170個個監測站檢測地麵震動情況，以確定地震事件的位置、強度以及性質。
海洋水聲：11個監測站傾聽海洋水聲，因為聲波可以傳播很遠。
次聲：全球有60個監測站檢測人類聽不見的低頻聲波。
放射性核素：全球有80個站在檢測核試驗後釋放到風中的放射性粒子。
當吉本斯的團隊對不同距離的地震數據進行校正時，科學家們確認2006年和2009年之間的核爆炸相距1.9公裏。研究小組還也發現了其他爆炸的相對位置。2016年9月的核試驗幾乎是在萬塔山2205米高峰之下進行的，這意味著爆炸確實是在地下深度進行的，因此可能至少與廣島原子彈的威力同樣強大，足以引發5.2級地震。
其他地震學家以不同的方式從地震數據中尋找信息，他們不關注地震信號傳播到試驗點之外的距離，而是在被發現之前傳播的路徑。雷特和Weston Geophysical的物理學家Seung Hoon Yoo最近分析了兩個地震監測站的數據，一個位於北部中國370公裏處，另一個位於南部韓國306公裏處。
當地震波到達這兩個監測站時，科學家們曾仔細觀察當時的情況。雷特在丹佛會議上表示，初始P波到來時，中國和韓國的波形記錄存在輕微差異。在第一秒中，北方波形表現出更多的能量脈衝，而南部地震記錄則沒有。雷特等人認為，這種模式代表了萬塔山地形的印記。
雷特解釋稱："山的一側更為陡峭。中國監測站采樣的信號經過陡峭的一側，而韓國監測站采樣的信號則沒有遇到類似情況。"這種差異可能也有助於解釋為什麼日本各地地震監測站的數據同樣存在南北細微差別。這些差異可能反映出，地震波離開萬塔山時隨著地形產生變化。
從模擬中學習
但是由於無法接近核試驗場地，科學家們的理解依然有限，為此他們在內華達州進行模擬測試。這些測試是"源物理實驗"（Source Physics Experiment）項目第一階段的一部分，該項目是由美國能源部下屬國家核安全管理局支持的項目，預算達到4000萬美元。
這個項目的目標是在相同的鑿洞中進行不同當量、不同深度的一係列化學爆炸，然後在各種儀器上記錄地震信號。這個位置接近內華達州南部的核試驗基地，在1951年至1992年間，美國政府在此啟動了828次地下核試驗和100次大氣層核試驗，其蘑菇雲能夠從100公裏外的拉斯維加斯看到。
在源物理實驗中，在2011年到2016年間，共發生了六次化學爆炸，最大規模相當於5000公斤TNT當量，深度最多達87米。勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室工程師貝斯·丹尼蒂斯（Beth Dzenitis）負責這些測試的現場部分，她稱最大的高能量密度要求將炸藥包裝成近1米寬、6.7米長的巨大桶裝物。然而，這類爆炸幾乎未被地麵上任何儀器所發現。丹尼蒂斯表示："我希望能告訴你們，地下發生了巨大的煙花爆竹，但你甚至不知道它發生過。"
利弗莫爾地球物理監測主管威廉·沃特（William Walter）說，這場爆炸被設置在花崗岩附近，這種材料與萬塔山的花崗岩非常接近。因此，地震波向外衝擊的模式應該與朝鮮核試驗非常相似。對於化學爆炸和與爆炸來說，描述地震能量在地麵上傳播的基本物理原理實際上是相同的。
圖4：技術人員正將巨大的炸藥罐放在內華達州南部的地麵上，以便進行化學爆炸實驗。這是源物理實驗係列的一部分，主要是模擬核爆炸的物理學原理
結果揭示了研究人員用以描述地震波如何從爆炸中心向外傳播的模型中存在的缺陷，盡管這種模型已經被使用了數十年。這些模型被用來描述P波是如何從大型核爆炸中通過岩石傳播的，就像20世紀50年代美國和蘇聯進行的那些大規模核爆炸實驗。沃特表示："由於當時的測試規模很大，因此使用這類模型效果很好。但對於規模更小的核試驗，比如朝鮮核試驗，這些模型根本不起作用。"
沃特和他的同事肖恩·福特（Sean Ford）已經開始開發新的模型，以更好地捕捉小規模核爆炸所涉及的物理跡象。沃特在丹佛會議上稱，這些模型應該能夠更精確地描述類似朝鮮核試驗場地的深度以及能量釋放情況。
源物理實驗的第二階段將於明年開始，在更為碎裂的衝積層岩型中進行。科學家將使用這一係列的測試，看看地震波在穿過碎裂的岩石而不是更連貫的花崗岩時會受到怎樣的影響。如果朝鮮開始在其他地方進行核試驗，或者另其他國家的原子彈在碎石中爆炸，這些信息可能會有用。
現在，全世界的地震學家都在繼續觀察和等待，看看朝鮮政府下一步可能做什麼。有些專家認為，朝鮮在萬塔山進行的下一次核試驗將會有不同的結果，因為其地點可能選擇上次核試驗的更南部。如果是這樣的話，這將為那些等待利用地震波研究的學者們帶來新的挑戰。
雷特承認："這讓人產生一種毛骨悚然的感覺。我們等待這些爆炸發生，然後我們爭相尋找爆炸位置，看看它的規模到底有多大。但這些實驗真的讓我們對朝鮮核計劃的進展有了更好的了解。在世界各國考慮如何對付朝鮮的核試驗時，我們的測試能夠提供有用的信息。"
出品|網易科學人欄目組
譯者|小小
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