近期，中東局勢持續緊張，伊朗沖突引發了各方關注。而就在上周，霍爾木茲海峽附近的伊朗境內連續發生3次4級以上地震。一個疑問在網絡上浮現：這會不會是秘密進行的地下核試驗？

3月7日，伊朗靠近霍爾木茲海峽區域發生4.1級地震（圖片來源：Volcanodiscovery）

從震源深度判斷，似乎很容易排除核試驗的可能性——報道顯示，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，深度也僅約1-2公里。美國地質勘探局（USGS）的最新數據也已認定，伊朗只是發生了天然的地震。

不過，現代地震學對于地震性質的判斷，其實遠不止看震源深度這么簡單。我們不妨從這次地震出發，了解一下地震學家對于核爆炸和天然地震的主要鑒別方法。

來自地下的信使：地震波

首先，地震發生后，無論是由地球運動還是核爆炸引發，地震局都會對地震產生的波進行分析。

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

地震波主要分為P波和S波（圖片來源：地質知識網絡）

核爆炸能夠在極小的中心范圍內瞬間釋放巨大能量，產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。這是一個各向同性的體積膨脹過程，就像一個猛烈膨脹而爆炸的氣球，主要產生壓縮-膨脹的力（“推”），能夠極其高效地激發出P波。

同時，由于這個過程中幾乎沒有初始的宏觀剪切力（“拉”），所以幾乎不會激發強大的S波，只可能在后續的傳播過程中通過各種反射或者散射產生少量S波。

因此，核爆炸產生的地震事件中，P波成分特別高，S波成分非常低。

核爆炸產生的地震事件（圖片來源：wagingpeace）

1955年，美國在內華達州沙漠進行的地下核試驗（圖片來源：Wikipedia）

而天然地震就不同了，它是地下巖石受到長期積累的應力下發生剪切破裂產生的，會沿著斷層面破裂并形成破裂面，類似我們把一節粉筆掰斷的過程。在這個過程中，不僅僅有壓縮-膨脹的力，還有剪切-扭轉的力。

因此，天然地震會同時激發出強大的P波和S波。

地震縱橫波及其記錄圖（圖片來源：參考文獻[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關鍵。核爆炸事件的S波能量會異常微弱，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

不過，即使不看S波、單看P波，地震臺也能區分核爆炸和天然地震。這里就要說到一個概念——P波初動解。

這個名詞看起來很高深，但原理并不復雜。P波是傳播最快的地震波，在地震發生后會最先抵達各個地震臺站。因此，我們可以根據P波剛到達時的振動方向（P波初動），推斷地震的震源機制。

具體而言，如果P波初動是往上的，就說明地面受到一個向外“推”的力，即遠離震源的壓縮力；如果P波初動是往下的，就說明地面受到一個往里“拉”的力，即朝向震源的膨脹力。

對于同一場地震，當我們收集全球或區域地震臺網記錄的P波初動記錄以后，將每個地震臺相對于震源的位置，以及地震波從震源到該臺站的射線路徑，都投影到一個虛擬的震源“球”上，畫出一張P波初動圖案，也就是一個震源機制解。（地震學家將這個球形象地稱為“沙灘球”）

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

常見地震斷層類型的震源機制解分類示意圖
是不是明白了為什么叫它“沙灘球”？

上文說到，天然地震是巖石受力沿著斷層面錯動產生的，這種剪切錯動必然同時產生“推”和“拉”的區域，因此天然地震的P波初動圖案必定是四象限分布。

走滑斷層中，一類P波遠場輻射圖，“沙灘球”呈現典型的四象限特征。箭頭方向表示P波初動方向是向震源還是遠離震源（圖片來源：參考文獻[1]）

而核爆炸理論上產生的P波初動都是遠離震源、方向向上的，因此核爆炸的P波初動圖案就是全壓縮的。

爆炸震源和P波輻射圖樣，P波初動方向均為遠離爆炸源（圖片來源：參考文獻[2]）

地震波的數學分析

當然，我們還有更有趣的數學工具——傅里葉變換，幫助分析地震的震源機制。我們可以對地震波進行濾波，提取其中的低頻、中頻、高頻成分，進一步分析波形特點。

我們就可以通過濾波發現，核爆炸的地震波幾乎只有高頻成分，這是因為核爆是在微秒級時間內、在直徑僅有數米大小的球體內瞬間釋放巨大能量。而對于天然地震，即使是4~5級的小地震，釋放能量的過程也會有1~2秒鐘，破裂面也能達到千米級別，高頻成分雖然占主導，但是仍然會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7級以上的大地震，釋放能量過程可達數十秒，特大地震更是可以達到數分鐘，而破裂尺度往往能達到數十到數百公里，地震波會具有大量的低頻成分，這是區別其他類型地震的重要特點。

2013年11月23日吉林前郭M5.7地震波形頻譜特征
天然地震震源激發的波頻率較低和波長較長，優勢頻率集中在0-1.5Hz

2次朝鮮核爆波形頻譜特征。核爆優勢頻率相對較寬，且均表現為2個頻段，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（圖片來源：參考文獻[3]）

來自地球內部的秘密

綜上，判斷一次事件是天然地震、核試驗，或是滑坡、塌陷，全球地震臺網能夠綜合震源深度、P/S波能量比、P波初動解、地震波頻譜等多重證據，在短時間內做出準確判斷。這正是為什么各國地震機構在發布信息時，能明確標注“疑爆”、“塌陷”或“爆破”。公開的地震數據庫中，也常用不同符號來標識非構造地震。

美國地質勘探局專門用菱形標識非構造地震。可與文章開頭圖片作對比。

（圖片來源：USGS）

每一次地震，無論是自然的顫動還是人工的震動，地震波都能像醫院里的CT掃描，通過穿透地下介質，透露出來自地球深層的信息。我們通過布設密集的臺站，接收并分析地震波的傳播時間、持時、振幅和形態，就能反演出地殼、地幔乃至地核的精細三維結構，從而定位礦藏、油氣資源，或者監測火山下的巖漿活動，最終能夠揭示出地球內部的秘密。

參考文獻：

[1] Stein S, Wysession M. An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure[M]. Malden: Blackwell Publishing, 2003.
[2] 馮銳. 趣味地震學（23）：地震波之魂?S波[J]. 地震科學進展, 2020, 50(11): 39-49.
[3] 靳玉貞, 劉煒, 何佳, 等. 太原基準地震臺核爆震相識別[J]. 地震地磁觀測與研究, 2019, 40(4):
[4] 安鎮文, 郭祥云, 邊銀菊, 等. 2008. 核爆炸與地震識別研究進展[J]. 國際地震動態, (8): 22-31.

作者：等風（中國科學院大學地球與行星科學學院）