InSAR技术：测量地下核试验爆炸后的地表形变

来源：科学通报

朝核问题是当前国际政治事务中的一个热点问题。由于核试验的敏感性和稀缺性，如何尽可能多地获取核试验的相关信息是科学界面临的一个挑战，对有效监测核裁军具有重大意义。

地震学方法能够探测判定地下核试验，给出时间位置和相关震级，但是无法提供其他信息。星载干涉合成孔径雷达（InSAR）能够以厘米甚至毫米级的精度测量地表形变，近年已被多次应用于测量朝鲜地下核试验造成的形变，王腾等2018年在Science上发表论文，利用朝鲜第六次核试验（北京时间2017年9月3日11 时30分）前后的SAR图像像素偏移追踪法并结合地震观测资料，估计了爆炸点位置、核试验腔尺寸及爆炸当量，揭示了爆炸后短时间内直接造成的地表坍塌事件过程及形变。但是有关地下核爆后的形变及其他信息，却没有研究报道。

2019年6月10日，北京大学曾琪明教授团队在《科学通报》第22期发表论文“朝鲜第六次核爆后InSAR地表形变测量与分析”，利用高时间分辨率时序InSAR方法得到了核爆后核爆中心周边20 km2范围内地表8个多月里的地表形变过程，并对地表形变空间分布及形变成因进行了建模分析与探讨。研究结果表明，地下核爆炸后地表形变的原因是爆炸使围岩变质，变质后的岩石在重力作用下压缩变形。根据形变测量结果估计出，爆炸的垂直向影响范围约为2 km，变质后的岩石压缩系数大约是10-5。

据专著《核爆炸与核试验》介绍，地下核爆炸对围岩的整个作用过程大致分为4个阶段: 

辐射流体力学阶段: 在核反应后形成的辐射波作用下，爆室内形成冲击波，迅速充满整个爆室并向四周作用，该阶段大约持续几微秒; 

流体动力学阶段: 爆室内的强冲击波使得周边岩石汽化、液化、粉碎压实等，产生弹塑性变形，附近坑道遭到破坏，地震效应传向远方，该阶段发生在爆后的几微秒到几百毫秒;

静力学阶段: 空腔内压力逐渐降低，在重力作用下，空腔上部的岩石开始相继塌落，形成烟囱，该阶段一般发生在爆后几秒到几十分钟; 

热辐射后效阶段: 空腔内压力和温度急剧降低，但仍然明显高于常温常压，通过热传递，热量逐渐耗散，该阶段可以持续几天、几个月甚至几年。

传统的地下核试验监测多依赖地震学方法，可估计事件的位置及爆炸当量，但受到地震台站数量和分布位置的限制，事件定位及爆炸当量估算存在较大的不确定性。合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)遥感可获取大范围高空间分辨率地表形变场，与地震台记录信息互为补充。

在《核不扩散条约》和《全面禁止核试验条约》的约束下，从有SAR观测数据以来，实际发生的地下核试验事例非常少，且没有对应的地面观测资料可供比较，已发表的研究都仅观测到前3个阶段，而对核爆后形变（上述第4个阶段）的规律缺乏深入的认识。如果能够对核爆第4阶段，即热辐射后效阶段，开展观测研究，将有助于完整认识朝鲜地下核试验的整个作用过程，对于地球科学和工程研究都具有重要的科学意义。

朝鲜核试验场地处稳定大陆区域的硬岩山区，地形起伏较大，植被覆盖度较高。2014年以前的3次核爆威力较弱，且SAR数据积累少，获取时间间隔长，地表形变可能低于差分干涉(differential interferometric SAR，D-InSAR)观测的噪声水平，核爆后（第4阶段）的观测存在困难。欧洲航天局于2014年发射的哨兵1号(简称S1)SAR卫星重访周期理论上可达12天，可对全球陆地高频次获取InSAR影像，为核试验形变观测提供了可能性。

北京大学曾琪明教授团队采用小基线干涉测量技术(small baseline subset InSAR，SBAS-InSAR)方法，得到了朝鲜第6次核爆后其中心17 km×22 km范围内一些部位不同时刻（2017年9月10日~2018年6月1日，每12天间隔）的累积地表形变量，将这些测量点依空间相邻关系聚集成14个集合，按照集合内各点平均相干性进行加权平均，得到各集合的累积形变量（图1）。

图1 地表视线向累积形变图(2017年9月10日~2018年6月1日)。朝鲜核试验事件中心(NK6)及爆后伴随事件(postexcplosion event，PEV)位置参考中国地震台网(CEIC)、美国地质调查局 (USGS)、He等人[1]给出的事件定位，空腔范围参考Wang等人[2]. 图上地表形变点像素大小显示有夸大。

观测结果显示: 

SBAS-InSAR能有效观测第六次核试验的热辐射后效阶段形变过程，爆炸中心附近在爆炸后10余天仍存在地表抬升现象，随后开始下沉，不同地方下沉速率和下沉量不同（图2）; 

在冬春季可观测到可能主要因围岩内裂隙水冰冻带来的地表下沉减缓甚至抬升的现象。

图2  各集合中心位置及各时段的LOS向累积形变量. (a) 各集合中心位置及地形晕渲图. (b) 各集合各时段的LOS向累积形变量。t指各日期距离2017年9月10日的间隔天数 

研究结果表明: 第六次核试验的热辐射后效阶段主要表现第一阶段为围岩受高温高压作用变酥变软，第二阶段为变质后的围岩在重力作用下被压实并开始下沉，沉降的时间过程可以用Weibull模型进行拟合分析。

研究者对第二阶段的最大累积沉降量进一步进行空间分析。由于缺乏这种冲击作用的变化尺度和核设施的数据资料，无法进行更为复杂的建模，但总体上应该距离远的影响小，因此首先尝试线性均匀衰减的假设: 本次爆炸对岩层的影响范围在垂直方向上是对称的，且随着距坑道或空腔距离的增加，地表各点的垂直向影响半径r呈线性衰减，则有：

r(d)=M-pd

其中，待求参数M为空腔中心处向下的围岩变质层厚度(垂直方向上)，p为距离衰减系数。核爆高温高压作用使围岩变软变酥后，假设围岩盖层的重力是地表下沉的主要原因，则垂直向累积形变量S与岩层相对高度H、距坑道/空腔距离d的定量关系如下: 

S(H,d)=c(r+H)=cM+cH-cpd

其中，待求参数c为形变系数，是形变量与围岩变质层垂直向总厚度之比；H为地表各点到高程参考面(此处为空腔中心所在水平面)的距离，高程参考面由地面零点的高程与埋藏深度作差得到，综合考虑已有研究结果对第六次朝鲜核爆的埋藏深度估计，本文采用了450 m及750 m的埋藏深度。模型垂直向剖面如图3所示。

图3  模型垂直向剖面示意图. 图中箭头代表了爆炸冲击力的方向，较粗的箭头为沿坑道的爆炸冲击力，较细的箭头为对岩层的垂直冲击分量。S为变质岩层形变量 

据此模型分析结果证明了不同地貌部位的沉降速率和沉降量差异是由于对应的岩层厚度不同和变质作用造成的可压缩层厚度不同所致，模型统计给出核爆炸变质作用范围约为1800~2300 m,变质层的形变系数约为7×10−5~8×10−5 。形变空间分布呈现出明显的方向性，但是由于缺乏核设施内部坑道和门等人工工事分布的具体细节信息，这种方向性差异目前还难以进行定量分析。

致谢

研究中使用了欧空局(ESA)和中欧合作龙计划项目(32244)提供的Sentinel 1 B SAR数据， 中国四维测绘技术有限公司提供的GF2影像，美国地质调查局提供的SRTM DEM数据，美国加州大学圣迭戈分校斯克里普斯海洋研究所Sandwell教授团队开发的开源软件GMTSAR。在与北京大学王腾研究员和台湾大学胡植庆教授的讨论中得到有益启示。

参考文献：

[1] He X, Zhao L F, Xie X B, et al. High-precision relocation and event discrimination for the 3 September 2017 underground nuclear explosion and subsequent seismic events at the North Korean test site. Seismol Res Lett, 2018, 9: 2042–2048

[2] Wang T, Shi Q, Nikkhoo M, et al. The rise, collapse, and compaction of Mt. Mantap from the 3 September 2017 North Korean nuclear test. Science, 2018, 361: 166-170

原文信息

曾琪明, 周子闵, 朱猛, 焦健. 朝鲜第六次核爆后InSAR地表形变测量与分析. 科学通报, 2019, 64(22): 2351-2362