近期，中東局勢(shì)持續(xù)緊張，伊朗沖突引發(fā)了各方關(guān)注。而就在上周，霍爾木茲海峽附近的伊朗境內(nèi)連續(xù)發(fā)生3次4級(jí)以上地震。一個(gè)疑問(wèn)在網(wǎng)絡(luò)上浮現(xiàn)：這會(huì)不會(huì)是秘密進(jìn)行的地下核試驗(yàn)？

3月7日，伊朗靠近霍爾木茲海峽區(qū)域發(fā)生4.1級(jí)地震（圖片來(lái)源：Volcanodiscovery）

從震源深度判斷，似乎很容易排除核試驗(yàn)的可能性——報(bào)道顯示，3次地震的深度均約為10公里，而即便是歷史上最深的地下核試驗(yàn)，深度也僅約1-2公里。美國(guó)地質(zhì)勘探局（USGS）的最新數(shù)據(jù)也已認(rèn)定，伊朗只是發(fā)生了天然的地震。

不過(guò)，現(xiàn)代地震學(xué)對(duì)于地震性質(zhì)的判斷，其實(shí)遠(yuǎn)不止看震源深度這么簡(jiǎn)單。我們不妨從這次地震出發(fā)，了解一下地震學(xué)家對(duì)于核爆炸和天然地震的主要鑒別方法。

來(lái)自地下的信使：地震波

首先，地震發(fā)生后，無(wú)論是由地球運(yùn)動(dòng)還是核爆炸引發(fā)，地震局都會(huì)對(duì)地震產(chǎn)生的波進(jìn)行分析。

地震波主要分為P波（縱波）和S波（橫波）。P波是壓縮-膨脹產(chǎn)生的，S波則是剪切-扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。這兩種波的能量比例，是區(qū)分核爆炸與天然地震的根本依據(jù)。

地震波主要分為P波和S波（圖片來(lái)源：地質(zhì)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)）

核爆炸能夠在極小的中心范圍內(nèi)瞬間釋放巨大能量，產(chǎn)生極高的溫度和壓力，使周圍巖石瞬間氣化、熔融并被均勻地向外壓縮、推開(kāi)。這是一個(gè)各向同性的體積膨脹過(guò)程，就像一個(gè)猛烈膨脹而爆炸的氣球，主要產(chǎn)生壓縮-膨脹的力（“推”），能夠極其高效地激發(fā)出P波。

同時(shí)，由于這個(gè)過(guò)程中幾乎沒(méi)有初始的宏觀剪切力（“拉”），所以幾乎不會(huì)激發(fā)強(qiáng)大的S波，只可能在后續(xù)的傳播過(guò)程中通過(guò)各種反射或者散射產(chǎn)生少量S波。

因此，核爆炸產(chǎn)生的地震事件中，P波成分特別高，S波成分非常低。

核爆炸產(chǎn)生的地震事件（圖片來(lái)源：wagingpeace）

1955年，美國(guó)在內(nèi)華達(dá)州沙漠進(jìn)行的地下核試驗(yàn)（圖片來(lái)源：Wikipedia）

而天然地震就不同了，它是地下巖石受到長(zhǎng)期積累的應(yīng)力下發(fā)生剪切破裂產(chǎn)生的，會(huì)沿著斷層面破裂并形成破裂面，類似我們把一節(jié)粉筆掰斷的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，不僅僅有壓縮-膨脹的力，還有剪切-扭轉(zhuǎn)的力。

因此，天然地震會(huì)同時(shí)激發(fā)出強(qiáng)大的P波和S波。

地震縱橫波及其記錄圖（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

分析一次地震事件中P波與S波的能量比例，是鑒別天然地震和人工爆炸的第一個(gè)關(guān)鍵。核爆炸事件的S波能量會(huì)異常微弱，而天然地震的P波和S波都具有較高的能量。

地震波的“先鋒”——P波初動(dòng)

不過(guò)，即使不看S波、單看P波，地震臺(tái)也能區(qū)分核爆炸和天然地震。這里就要說(shuō)到一個(gè)概念——P波初動(dòng)解。

這個(gè)名詞看起來(lái)很高深，但原理并不復(fù)雜。P波是傳播最快的地震波，在地震發(fā)生后會(huì)最先抵達(dá)各個(gè)地震臺(tái)站。因此，我們可以根據(jù)P波剛到達(dá)時(shí)的振動(dòng)方向（P波初動(dòng)），推斷地震的震源機(jī)制。

具體而言，如果P波初動(dòng)是往上的，就說(shuō)明地面受到一個(gè)向外“推”的力，即遠(yuǎn)離震源的壓縮力；如果P波初動(dòng)是往下的，就說(shuō)明地面受到一個(gè)往里“拉”的力，即朝向震源的膨脹力。

對(duì)于同一場(chǎng)地震，當(dāng)我們收集全球或區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)記錄的P波初動(dòng)記錄以后，將每個(gè)地震臺(tái)相對(duì)于震源的位置，以及地震波從震源到該臺(tái)站的射線路徑，都投影到一個(gè)虛擬的震源“球”上，畫出一張P波初動(dòng)圖案，也就是一個(gè)震源機(jī)制解。（地震學(xué)家將這個(gè)球形象地稱為“沙灘球”）

P波初動(dòng)信息繪制在“沙灘球”上的示意圖。白色圓通常表示初動(dòng)向上，黑色圓代表初動(dòng)向下。（圖片來(lái)源：Wikipedia）

常見(jiàn)地震斷層類型的震源機(jī)制解分類示意圖
是不是明白了為什么叫它“沙灘球”？

上文說(shuō)到，天然地震是巖石受力沿著斷層面錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的，這種剪切錯(cuò)動(dòng)必然同時(shí)產(chǎn)生“推”和“拉”的區(qū)域，因此天然地震的P波初動(dòng)圖案必定是四象限分布。

走滑斷層中，一類P波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，“沙灘球”呈現(xiàn)典型的四象限特征。箭頭方向表示P波初動(dòng)方向是向震源還是遠(yuǎn)離震源（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

而核爆炸理論上產(chǎn)生的P波初動(dòng)都是遠(yuǎn)離震源、方向向上的，因此核爆炸的P波初動(dòng)圖案就是全壓縮的。

爆炸震源和P波輻射圖樣，P波初動(dòng)方向均為遠(yuǎn)離爆炸源（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

地震波的數(shù)學(xué)分析

當(dāng)然，我們還有更有趣的數(shù)學(xué)工具——傅里葉變換，幫助分析地震的震源機(jī)制。我們可以對(duì)地震波進(jìn)行濾波，提取其中的低頻、中頻、高頻成分，進(jìn)一步分析波形特點(diǎn)。

我們就可以通過(guò)濾波發(fā)現(xiàn)，核爆炸的地震波幾乎只有高頻成分，這是因?yàn)楹吮窃谖⒚爰?jí)時(shí)間內(nèi)、在直徑僅有數(shù)米大小的球體內(nèi)瞬間釋放巨大能量。而對(duì)于天然地震，即使是4~5級(jí)的小地震，釋放能量的過(guò)程也會(huì)有1~2秒鐘，破裂面也能達(dá)到千米級(jí)別，高頻成分雖然占主導(dǎo)，但是仍然會(huì)具有一定的中低頻成分。

大地震則的濾波特征則更加明顯。一次震級(jí)7級(jí)以上的大地震，釋放能量過(guò)程可達(dá)數(shù)十秒，特大地震更是可以達(dá)到數(shù)分鐘，而破裂尺度往往能達(dá)到數(shù)十到數(shù)百公里，地震波會(huì)具有大量的低頻成分，這是區(qū)別其他類型地震的重要特點(diǎn)。

2013年11月23日吉林前郭M5.7地震波形頻譜特征
天然地震震源激發(fā)的波頻率較低和波長(zhǎng)較長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)頻率集中在0-1.5Hz

2次朝鮮核爆波形頻譜特征。核爆優(yōu)勢(shì)頻率相對(duì)較寬，且均表現(xiàn)為2個(gè)頻段，其中高幅值低頻段為0-1Hz，低幅值高頻段為1-6 =Hz，均高于天然地震波頻率。
(a)2016年1月6日M5.1核爆；(b)2016年9月9日M5.3核爆（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

來(lái)自地球內(nèi)部的秘密

綜上，判斷一次事件是天然地震、核試驗(yàn)，或是滑坡、塌陷，全球地震臺(tái)網(wǎng)能夠綜合震源深度、P/S波能量比、P波初動(dòng)解、地震波頻譜等多重證據(jù)，在短時(shí)間內(nèi)做出準(zhǔn)確判斷。這正是為什么各國(guó)地震機(jī)構(gòu)在發(fā)布信息時(shí)，能明確標(biāo)注“疑爆”、“塌陷”或“爆破”。公開(kāi)的地震數(shù)據(jù)庫(kù)中，也常用不同符號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)非構(gòu)造地震。

美國(guó)地質(zhì)勘探局專門用菱形標(biāo)識(shí)非構(gòu)造地震。可與文章開(kāi)頭圖片作對(duì)比。

（圖片來(lái)源：USGS）

每一次地震，無(wú)論是自然的顫動(dòng)還是人工的震動(dòng)，地震波都能像醫(yī)院里的CT掃描，通過(guò)穿透地下介質(zhì)，透露出來(lái)自地球深層的信息。我們通過(guò)布設(shè)密集的臺(tái)站，接收并分析地震波的傳播時(shí)間、持時(shí)、振幅和形態(tài)，就能反演出地殼、地幔乃至地核的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，從而定位礦藏、油氣資源，或者監(jiān)測(cè)火山下的巖漿活動(dòng)，最終能夠揭示出地球內(nèi)部的秘密。

參考文獻(xiàn)：

[1] Stein S, Wysession M. An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure[M]. Malden: Blackwell Publishing, 2003.
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[3] 靳玉貞, 劉煒, 何佳, 等. 太原基準(zhǔn)地震臺(tái)核爆震相識(shí)別[J]. 地震地磁觀測(cè)與研究, 2019, 40(4):
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作者：等風(fēng)（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院）