近期，中东局势持续紧张，伊朗冲突引发了各方关注。而就在上周，霍尔木兹海峡附近的伊朗境内连续发生3次4级以上地震。一个疑问在网络上浮现：这会不会是秘密进行的地下核试验？

3月7日，伊朗靠近霍尔木兹海峡区域发生4.1级地震（图片来源：Volcanodiscovery）

从震源深度判断，似乎很容易排除核试验的可能性——报道显示，3次地震的深度均约为10公里，而即便是历史上最深的地下核试验，深度也仅约1-2公里。美国地质勘探局（USGS）的最新数据也已认定，伊朗只是发生了天然的地震。

不过，现代地震学对于地震性质的判断，其实远不止看震源深度这么简单。我们不妨从这次地震出发，了解一下地震学家对于核爆炸和天然地震的主要鉴别方法。

来自地下的信使：地震波

首先，地震发生后，无论是由地球运动还是核爆炸引发，地震局都会对地震产生的波进行分析。

地震波主要分为P波（纵波）和S波（横波）。P波是压缩-膨胀产生的，S波则是剪切-扭转产生的。这两种波的能量比例，是区分核爆炸与天然地震的根本依据。

地震波主要分为P波和S波（图片来源：地质知识网络）

核爆炸能够在极小的中心范围内瞬间释放巨大能量，产生极高的温度和压力，使周围岩石瞬间气化、熔融并被均匀地向外压缩、推开。这是一个各向同性的体积膨胀过程，就像一个猛烈膨胀而爆炸的气球，主要产生压缩-膨胀的力（“推”），能够极其高效地激发出P波。

同时，由于这个过程中几乎没有初始的宏观剪切力（“拉”），所以几乎不会激发强大的S波，只可能在后续的传播过程中通过各种反射或者散射产生少量S波。

因此，核爆炸产生的地震事件中，P波成分特别高，S波成分非常低。

核爆炸产生的地震事件（图片来源：wagingpeace）

1955年，美国在内华达州沙漠进行的地下核试验（图片来源：Wikipedia）

而天然地震就不同了，它是地下岩石受到长期积累的应力下发生剪切破裂产生的，会沿着断层面破裂并形成破裂面，类似我们把一节粉笔掰断的过程。在这个过程中，不仅仅有压缩-膨胀的力，还有剪切-扭转的力。

因此，天然地震会同时激发出强大的P波和S波。

地震纵横波及其记录图（图片来源：参考文献[2]）

分析一次地震事件中P波与S波的能量比例，是鉴别天然地震和人工爆炸的第一个关键。核爆炸事件的S波能量会异常微弱，而天然地震的P波和S波都具有较高的能量。

地震波的“先锋”——P波初动

不过，即使不看S波、单看P波，地震台也能区分核爆炸和天然地震。这里就要说到一个概念——P波初动解。

这个名词看起来很高深，但原理并不复杂。P波是传播最快的地震波，在地震发生后会最先抵达各个地震台站。因此，我们可以根据P波刚到达时的振动方向（P波初动），推断地震的震源机制。

具体而言，如果P波初动是往上的，就说明地面受到一个向外“推”的力，即远离震源的压缩力；如果P波初动是往下的，就说明地面受到一个往里“拉”的力，即朝向震源的膨胀力。

对于同一场地震，当我们收集全球或区域地震台网记录的P波初动记录以后，将每个地震台相对于震源的位置，以及地震波从震源到该台站的射线路径，都投影到一个虚拟的震源“球”上，画出一张P波初动图案，也就是一个震源机制解。（地震学家将这个球形象地称为“沙滩球”）

P波初动信息绘制在“沙滩球”上的示意图。白色圆通常表示初动向上，黑色圆代表初动向下。（图片来源：Wikipedia）

常见地震断层类型的震源机制解分类示意图

是不是明白了为什么叫它“沙滩球”？

上文说到，天然地震是岩石受力沿着断层面错动产生的，这种剪切错动必然同时产生“推”和“拉”的区域，因此天然地震的P波初动图案必定是四象限分布。

走滑断层中，一类P波远场辐射图，“沙滩球”呈现典型的四象限特征。箭头方向表示P波初动方向是向震源还是远离震源（图片来源：参考文献[1]）

而核爆炸理论上产生的P波初动都是远离震源、方向向上的，因此核爆炸的P波初动图案就是全压缩的。

爆炸震源和P波辐射图样，P波初动方向均为远离爆炸源（图片来源：参考文献[2]）

地震波的数学分析

当然，我们还有更有趣的数学工具——傅里叶变换，帮助分析地震的震源机制。我们可以对地震波进行滤波，提取其中的低频、中频、高频成分，进一步分析波形特点。

我们就可以通过滤波发现，核爆炸的地震波几乎只有高频成分，这是因为核爆是在微秒级时间内、在直径仅有数米大小的球体内瞬间释放巨大能量。而对于天然地震，即使是4~5级的小地震，释放能量的过程也会有1~2秒钟，破裂面也能达到千米级别，高频成分虽然占主导，但是仍然会具有一定的中低频成分。

大地震则的滤波特征则更加明显。一次震级7级以上的大地震，释放能量过程可达数十秒，特大地震更是可以达到数分钟，而破裂尺度往往能达到数十到数百公里，地震波会具有大量的低频成分，这是区别其他类型地震的重要特点。

2013年11月23日吉林前郭M5.7地震波形频谱特征

天然地震震源激发的波频率较低和波长较长，优势频率集中在0-1.5Hz

2次朝鲜核爆波形频谱特征。核爆优势频率相对较宽，且均表现为2个频段，其中高幅值低频段为0-1Hz，低幅值高频段为1-6 =Hz，均高于天然地震波频率。

(a)2016年1月6日M5.1核爆；(b)2016年9月9日M5.3核爆（图片来源：参考文献[3]）

来自地球内部的秘密

综上，判断一次事件是天然地震、核试验，或是滑坡、塌陷，全球地震台网能够综合震源深度、P/S波能量比、P波初动解、地震波频谱等多重证据，在短时间内做出准确判断。这正是为什么各国地震机构在发布信息时，能明确标注“疑爆”、“塌陷”或“爆破”。公开的地震数据库中，也常用不同符号来标识非构造地震。

美国地质勘探局专门用菱形标识非构造地震。可与文章开头图片作对比。（图片来源：USGS）

每一次地震，无论是自然的颤动还是人工的震动，地震波都能像医院里的CT扫描，通过穿透地下介质，透露出来自地球深层的信息。我们通过布设密集的台站，接收并分析地震波的传播时间、持时、振幅和形态，就能反演出地壳、地幔乃至地核的精细三维结构，从而定位矿藏、油气资源，或者监测火山下的岩浆活动，最终能够揭示出地球内部的秘密。

参考文献：

[1] Stein S, Wysession M. An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure[M]. Malden: Blackwell Publishing, 2003.

[2] 冯锐. 趣味地震学（23）：地震波之魂−S波[J]. 地震科学进展, 2020, 50(11): 39-49.

[3] 靳玉贞, 刘炜, 何佳, 等. 太原基准地震台核爆震相识别[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(4):

[4] 安镇文, 郭祥云, 边银菊, 等. 2008. 核爆炸与地震识别研究进展[J]. 国际地震动态, (8): 22-31.

作者：等风（中国科学院大学地球与行星科学学院）