地動山搖：朝鮮第六次核試驗
2017年9月3日，朝鮮官媒宣布成功進行地下氫彈試驗，震驚了全世界。中國地震臺網中心和美國地質調查局初步的分析均顯示，這次核爆位於朝鮮北部豐溪裡試驗場萬塔山（Mt. Mantap）下，爆炸產生的能量相當於一次矩震級（Mw）5.2級地震，遠遠大於朝鮮之前進行的五次核試驗。
作為一群和地球物理打交道的人，我們平時就用地震波、衛星影像和各種地球物理模型來研究地震、火山等地學現象。於是，核爆發生後我們想知道：這樣一個埋在山體中的爆炸源會產生怎樣的地震波和地表形變？它們和地震、火山噴發時觀測到的地震波和地表形變又有何區別？豐溪裡地區陡峭的地形又會如何影響我們的模型？
我們用德國航天局（DLR）TerraSAR-X衛星，獲取了核爆前後雷達影像，計算出了核爆造成的地表三維形變場。我們發現，爆炸將萬塔山山體較為陡峭的西坡和南坡向外推了3~4米。同時，山頂的高度卻降低了約半米。
利用彈性位錯模型，我們確定了爆炸的位置和深度。同時，通過中韓多臺地震儀記錄的地震波，我們得到了爆炸產生的地震波能量。
結合深度、能量與核爆當量之間關係的經驗公式，我們計算出此次核試驗的當量為12~30萬噸TNT，約為廣島原子彈（1.5萬噸TNT當量）威力的十倍。
這一研究首次展現了地下核試驗造成的三維地表形變場，並開創性地將地震波波形和地表形變兩個獨立信源結合起來，對核爆這一人造地震的震源物理過程進行分析和解譯。相關成果於5月10號在線發表在《科學》雜誌。
核爆時發生了什麼？
通過對地震波和地表形變的分析、建模和解譯，我們還原了核爆發生時和爆炸後約一周的場景。
這次核試驗起爆點位於朝鮮北部，具體在豐溪裡實驗場，萬塔山頂正下方，約450~600米深度的坑道內。爆炸產生的熱量氣化了山體內部的部分巖石，形成一個直徑約為100米的空洞，大小裝得下一個標準足球場。
爆炸產生的衝擊波碎化了周邊大約300米內的巖石。對地表形變的彈性模型反演顯示：核爆在初始階段將山體像吹氣球一樣，向外推動了大約3~4米，並將山頂頂高了約2米。
爆炸結束後不久，空洞內被氣化的巖石逐漸凝固，洞內壓力不斷降低，山體內由於核爆形成的空洞上方巖石失去支撐，受重力作用不斷向下垮塌。核爆後八分半鐘左右，又發生了一次矩震級（Mw）4.5級地震。我們將其定位於核爆位置以南約700米處，在起爆點和坑道入口之間。
我們分析認為，兩次地震的震源機理正好相反——核爆的震源機理類似於氣球的突然膨脹，而8分半鐘後的地震震源機理與之相反，就像氣球破裂後的突然收縮。我們推測第二次地震的原因，是試驗場部分坑道的垮塌，以及該區域多次核試驗形成的空洞的收縮。
在爆炸發生一周內，在重力的作用下，起爆點周圍約1~2公裡分布的巖石緩慢收縮。這使得萬塔山山體在核爆後，高度反而下降了約半米，周邊區域的地面高程也與核爆前略有變化。根據美國內華達州核試驗場在地下核試驗後的地表形變規律看，這種收縮會持續數年之久。
如何監測核爆？
地下核爆與一次地震、一次火山噴發並無本質區別。我們研究它是為了更好地理解震源的物理過程。
與研究許多地學現象一樣，我們沒辦法到核爆現場去實地考察，更沒辦法鑽到地下去記錄山體內部的變化。那我們又是如何得到上述的詳盡過程呢？這就得靠研究地球圈層眾多技術手段中的兩大工具：地震儀和合成孔徑雷達（SAR）。
地殼的劇烈運動會產生地震波和地表形變。地震波在地球內部傳播，並被分布在全球的地震儀記錄到。而沿數百公裡高空軌道運行的多個SAR衛星，則使我們精確地量測地殼運動造成的地面形變。通過對地震波波形和地表形變的觀察、量測、建模和解譯，我們便能發現並理解地球內部的各種物理過程和屬性。
1. 監測核爆的千裡眼：星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）
SAR是一種主動型微波遙感傳感器，工作原理與光學傳感器（例如，數位相機）完全不同。
通過發射電磁波，並記錄地面反射回衛星的信號，SAR便得到影像。微波信號的接收不依賴陽光，還可以穿透雲層，所以不受光照和氣象條件的約束。自1991年歐空局ERS-1衛星升空以來，SAR影像獲取地表形變信息已成為新興的測地學手段。
我們利用影像互相關技術，得到這次核爆造成的地表形變場。影像互相關技術和人臉掃描類似，只不過我們的算法可以識別並追蹤地面上的「臉」（即特徵），看它在核爆前後的移動，從而得到形變。綜合多個軌道的衛星數據，我們可以重構地表的三維形變場。
得到地表形變場的空間分布後，我們建立彈性形變模型，通過反演的方式確定震源的位置和深度。我們將震源模型置於不同的位置和深度，計算理論上的地表形變場。然後，我們將各模型的理論地表形變場，和SAR影像得到的形變場進行比對。與SAR影像觀測差異最小的模型，便被當作反演結果。
在計算時，我們發現，萬塔山陡峭的南坡和西坡，會吸收更多的核爆能量，從而產生更大的地表形變。因此，我們考慮了地形對理論地表形變場計算的影響，使得模型反演更為真實，得到的位置更為可靠。
2. 監測核爆的順風耳：地震儀
要使用SAR衛星影像來獲取地面形變，我們需要核爆之後的影像。不過，影像的獲取依賴衛星當時所處的位置與軌道，通常在事後幾天才能獲取。地震儀通常卻可以在幾秒至幾十秒內（取決於距離），監測到核爆產生的地面震動。
核爆和一般地震的機理很不一樣。地震是由於斷層上的位錯導致的，可以想像成在地殼內部長期被扭曲或拉伸的巖石的突然斷裂。這類地震源所產生的形變，以及地震波能量輻射，都具有一定的方向性。
而核爆則是一個各向同性的源，像一個在地殼中突然鼓起來的氣泡，其產生的形變和地震波是向四周均勻擴散，沒有方向性的。知道了這些特徵 ，我們就能區分自然地震產生的地震波，和爆炸產生的地震波。
科學家通過爆炸產生的地震波來研究地下核試驗，可以追溯到上世紀60年代。從那以來，隨著地震儀和各種地震技術的發展，特別是高靈敏度地震儀的發明，地震波核爆監測和研究擴展到了全球尺度。
值得一提的是，對核爆的地震學監測在很大程度上，還促進了全球地震臺網的建設和數據共享。在這些傳統研究中，地震學家使用位於不同震中距的臺站，深入分析波形記錄，獲取各種震相的到時、振幅、頻譜等信息。他們最大限度地，從這些數據中，提取如位置、埋深、當量、爆破類型、能量轉化、觸發地震等信息。
無處可藏的地下核試驗
在這次研究中，我們不僅使用了傳統的地震學手段，還通過分析衛星影像，得到了核爆區域完整的三維形變場。這相當於從兩種獨立的觀測手段中，得到了核爆事件的完整過程，解決了地震波無法精確確定震源絕對位置和深度的問題。
地震學和影像測地學這兩種互相獨立的觀測，一種相當於我們的耳朵，可以聽到地殼劇烈震動產生的波動；另一種相當於我們的眼睛，可以看到這些事件產生的地表變形。一個能捕捉地殼破裂的動態過程，一個能將地表形變以影像的形式展現，讓全球任何地點的地下核試驗，都能被我們捕捉，並全面地理解。
不僅僅是核爆
當然，從地震波和SAR影像中可以分析的事件遠遠不止核試驗。
例如，地震波可以反演地震時斷層上的破裂過程，還能反演地球深部的結構。通過多個地震的震源機制解，我們還可以確定隱藏在地下的斷層幾何構型、朝向等信息。這些信息可以幫助我們探測火山噴發前熔巖不斷上升的過程，了解大地震可能發生的位置，甚至找到深埋地下的礦藏。
從SAR影像中，我們能夠追蹤幅度特徵，了解火山噴發前，地面如何裂開，地震撕裂地表時又能造成多大的位移。
我們還可以利用影像中的相位信息，及幹涉測量（InSAR）技術，以毫米/每年的精度，量測地下水開採造成的地面下沉。我們還能量測滑坡在垮塌前每月幾釐米的蠕動，以及大壩隨水位幾毫米的擺動。這些信息對政府的決策和管理非常重要，也因此影響著我們的生活。
人類最深的鑽井也不過約10km深，只有地殼厚度的幾分之一，而地殼又是組成地球的三個圈層——地殼、地幔和地核裡面最薄的一層。用雞蛋來比喻就是我們僅僅能在蛋殼上打一個小坑，而這個小坑距離穿破蛋殼還有很遠的一段距離。
可見，想了解更多發生在地殼內部的物理過程和規律，地震波和測地學是不可或缺的手段。這次關於地下核試驗的研究，只是這兩種技術手段的一個應用，它們真正的強大之處還在於能夠探索地球內部的未知領域。
在可見的未來，我們也許無法像凡爾納地心遊記裡那樣，到達地球的深部，也很難在這些地方設置傳感器。但是，就像人類利用星空中的射線和無處不在的引力波來研究宇宙一樣，我們也可以結合多個獨立的信使來間接的研究地球。
比起浪漫的天文學，地球科學，尤其是地球物理學，受到的關注還遠遠不夠。希望大家通過我們這次對核爆的研究，了解到人類不但需要仰望星空，也需要俯視大地，地球內部還有一個神奇的未知世界等待我們去發現和理解。