Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 69-72

В апреле 2021 г. было обнаружено несколько слабых сейсмических событий вблизи известных эпицентров афтершоков объявленных подземных ядерных испытаний, проведенных КНДР в нарушение Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). Для обнаружения ультра-слабых сигналов был использован детектор, основанный на кросс-корреляции волновых форм (ККВФ) [1]. Высокая чувствительность ККВФ-детектора позволила обнаружить 11.09.2016 первый афтершок пятого взрыва в серии из шести взрывов. На основе наблюдений этого афтершока был предложен новый метод дистанционного мониторинга афтершоковой эмиссии [1], развитие которого позволило значительно повысить надежность обнаружения афтершоков с одновременным снижением порога обнаружения. Для этого в качестве шаблонных используются сигналы от шести подземных испытаний и их афтершоков [2]. В табл. 1 представлены параметры двух взрывов, которые вызвали афтершоковую активность, наблюдаемую сейсмическими станциями Международной системы мониторинга (МСМ).

Сейсмические события, обнаруженные в апреле 2021 г., были настолько слабыми, что только две станции МСМ: USRK и KSRS, расположенные на эпицентральних расстояниях около 4°, обнаружили сигналы малой амплитуды, некоторые из них на уровне микросейсмического шума. Апрельские афтершоки представляют собой уникальное явление среди известных афтершоковых последовательностей исторических подземных ядерных взрывов с магнитудой по объемным волнам от 5 до 6. Продолжительность (4.5 года после КНДР-5 и 3.5 года после КНДР-6) и интенсивность (более 100 событий) афтершоковой последовательности в КНДР являются вызовом для физической интерпретации. Данное исследование посвящено обнаружению событий, включая самые слабые, оценке их характеристик, а также разделению афтершоков, связанных с зонами гипоцентров КНДР-5 или КНДР-6.

Восстановление серии афтершоков и единообразная оценка параметров обнаруженных событий начинаются с рутинной обработки данных на сейсмических станциях МСМ USRK и KSRS за период с 1.01.2015 по 20.05.2021. Для расчета кросс-корреляционных (КК) трасс мы используем 57 шаблонов многоканальных сигналов, полученных из 29 мастер-событий: 6 ядерных испытаний КНДР и 23 афтершоков, обнаруженных в период с сентября 2016 г. по апрель 2018 г. [2]. Пример шаблона волновой формы от первого в   серии афтершока приведен в [1]. Процедура КК-детектирования аналогична стандартному обнаружению сигнала в Международном центре данных (МЦД) [3]. Порог обнаружения определяется отношением сигнал/шум (SNRcc), которое вычисляется по КК-трассе, усредненной по всем каналам сейсмической группы.

В отличие от стандартной процедуры ассоциации сейсмических фаз [3], для повторяющихся событий можно учесть одно и то же физическое вступление несколько раз, если оно обнаружено шаблонами от близких, но разных событий. В основе этой процедуры лежит высокое сходство сигналов от пространственно близких событий. Небольшое изменение форм сигнала между близкими мастер-событиями может быть полезно для распознавания, если это изменение имеет физическую причину, связанную с метоположением и механизмом источника. Количество КК-вступлений, полученных данным набором шаблонов на одной станции, является мерой надежности соответствующего физического сигнала, который, возможно, скрыт в микросейсмическом шуме. Доля успешных КК-обнаружений одного и того же физического сигнала для большого набора шаблонов похожа на частоту обнаружения отраженных импульсных сигналов как определяющего параметра эффективности работы радара. Разница в форме шаблона похожа на изменение частоты или ширины импульса. Поэтому мы рассматриваем одновременную ассоциацию вступлений от нескольких мастер-событий как версию работы радара, в которой КК-вступления представляются как согласованные с источником отражения от искомой цели. Согласованные КК-обнаружения сигналов на двух станциях в разных направлениях обеспечивает хорошую локацию найденных событий.

Возможность разделения афтершоков КНДР-5 и КНДР-6 в большой степени основана на наличии афтершока КНДР-5 [1, 2], который создает шаблон, позволяющий точно отличить афтершоки КНДР-5 (более высокие значения SNRcc) от афтершоков КНДР-6. События, произошедшие в течение нескольких недель после КНДР-6 и связанные с обрушением кровли полости, используются в качестве шаблонов афтершоков КНДР-6. Пути распространения сигнала до USRK и KSRS практически идентичны для всех афтершоков, за исключением области вблизи источника, которая претерпела значительные структурные изменения, вызванные ударными волнами взрывов. Наблюдаемая разница формы сигналов, генерируемых событиями в двух кластерах, связана с локальными условиями генерации сигнала.

Двадцать девять мастер-событий разделены на три группы: КНДР-5 (12 шаблонов), КНДР-6 (10 шаблонов), а также 6 шаблонов взрывов плюс один шаблон афтершока КНДР-6, связанного с обрушением полости. Последняя группа не используется для разделения на кластеры. Группы созданы, исходя из высокой корреляции между членами одной группы и относительно низкой корреляции с членами другой группы [2]. Вновь найденный афтершок может быть отнесен к одной из групп в зависимости от уровня корреляции. Всего 61 афтершок из более 100 найденных можно уверенно отнести к одному из кластеров. Слабые афтершоки с низкими, но превышающими пороговые, значениями SNRcc ассоциированных сигналов могут не иметь достаточно выраженных свойств одного из кластеров.

Количественная разница афтершоков КНДР-5 и КНДР-6 определяется максимальным SNRcc среди всех шаблонов из одной группы и средним значением SNRcc в каждой группе шаблонов. На рис. 1 представлены максимальные значения SNRcc для 31 афтершока, относящегося к кластеру взрыва КНДР-5. Максимальное значение выбирается отдельно среди всех оценок SNRcc, полученных при кросс-кореляции сигнала от исследуемого афтершока с 12 шаблонам КНДР-5 и 10 шаблонами КНДР-6. Этот параметр определяет шаблон с наибольшим сходством с данным афтершоком (автокорреляция исключена). На рис. 1 представлены результаты для USRK. Для каждого афтершока максимальные значения SNRcc, полученные шаблонами, относящимися к КНДР-5, намного выше, чем значения для шаблонов, относящихся к КНДР-6. Разница между максимальными значениями SNRcc демонстрирует четкое разделение на два кластера. Результаты корреляции с двумя группами шаблонов на станции KSRS практически полностью совпадают.

Рис. 1.

Станция USRK. Максимальные значения SNRcc для 31 афтершока, связанного с КНДР-5. Для каждого афтершока определяется максимум SNRcc среди 12 шаблонов, связанных с КНДР-5 и 10 шаблонов КНДР-6.

Единичное измерение может быть не самым надежным доказательством принадлежности кластеру, и мы дополнительно рассчитываем среднее значение SNRcc по всем шаблонам одной группы. На рис. 2 представлено среднее SNRcc для каждого из 30 афтершоков кластера КНДР-6 на станции KSRS отдельно для шаблонов КНДР-5 и КНДР-6. Разделение между двумя кластерами афтершоков также убедительно для средних значений, т.е. шаблоны, принадлежащие к тому же кластеру, что и афтершоки, в среднем лучше коррелированы.

Рис. 2.

Станция KSRS. Средние значения SNRcc для 30 афтершоков, связанных с КНДР-6. Усреднение отдельно  по 10 шаблонам, связанным с КНДР-6 и 12 шаблонам КНДР-5.

На рис. 3 и 4 представлена временная эволюция всей последовательности афтершоков взрывов в КНДР, причем два кластера представлены разными значками. Использованы два параметра – относительная магнитуда [1] и количество ассоциированных шаблонов [2]. Афтершоки, относящиеся к одному кластеру, обычно группируются во времени, как это произошло в апреле 2021 г. Взаимодействие между кластерами не является мгновенным, а связано с распространением волн релаксации напряжения после афтершоков. Как следствие, мы наблюдаем две чередующиеся последовательности с различными интервалами между отдельными всплесками. Возможно и внешнее влияние на обе последовательности [4–6]. Например, большая часть афтершоков с 2019 г. наблюдается зимой и весной.

Рис. 3.

Относительные магнитуды 61 афтершока, связанного с КНДР-5 и КНДР-6.

Рис. 4.

Количество ассоциированных шаблонов на двух станциях для афтершоков КНДР-5 и КНДР-6.

Относительные магнитуды афтершоков не демонстрируют значительного уменьшения со временем. Когда сигналы обнаруживаются на уровне шума, достигается порог оценки относительной магнитуды. Максимальное количество ассоциированных шаблонов, представленных на рис. 4, мало меняется со временем и демонстрирует уникальные возможности мульти-мастерного метода. Количество ассоциированных шаблонов – надежный параметр для оценки вероятности гипотезы события. Такой подход позволяет существенно улучшить метод дистанционного мониторинга афтершоков малой магнитуды, разработанный нами в [1].

Предварительная физическая интерпретация наблюдаемого разделения на две последовательности основана на механизме высвобождении гравитационной энергии, вызванной взаимодействием зон разрушения КНДР-5 и КНДР-6, которые имеют разные размеры и глубину заложения заряда. При различии энергии взрывов примерно на порядок величины, как следует из значений m_b, разница глубин заложения должна составлять несколько сотен метров, а расстояние между гипоцентрами должно быть не менее 1 км [7]. Взаимодействие зон разрушения предполагает, что есть два отдельных кластера около гипоцентров КНДР-5 и КНДР-6. Суммарная энергия, высвободившаяся на данный момент в последовательности, может указывать на то, что процесс не завершен. В конечном итоге столбы обрушения полостей КНДР-5 и КНДР-6 могут выйти на поверхность в ближайшие годы и, возможно, образовать провальную воронку.