Rozlišení vzdálených záznamů přirozených zemětřesení a explozí na příkladu severokorejských jaderných testů

Teleseismic records discrimination of natural earthquakes and explosions on the example of the North Korean nuclear tests

Josef Havíř

Ústav fyziky Země, PřF MU, Tvrdého 12, 602 00 Brno; e-mail: havir@ipe.muni.cz

V průběhu roku 2016 byly na jaderné střelnici Punggye-ri v sv. části KLDR uskutečněny hned dvě pokusné jaderné exploze. Problematika jaderných testů patří k nejvýznamnějším politickým otázkám sledovaným od druhé poloviny 20. století až do současnosti. Dlouhodobé snahy směřující k úplnému zákazu jaderných testů vyústily v roce 1996 k předložení Smlouvy CTBT (Comprehensive Nucelar-Test-Ban Treaty) Valnému shromáždění OSN. Tato Smlouva byla do konce loňského roku podepsána celkem 183 zeměmi světa a ratifikována 166 z nich (Česká republika ratifikovala Smlouvu CTBT již v roce 1997). Oficiální platnost Smlouvy je podmíněna podpisem a ratifikací 44 vybranými státy disponujícími jadernými zařízeními, mezi nimiž figuruje také KLDR. Smlouva CTBT tedy dosud oficiálně nevstoupila v platnost. Většina zemí v současné době přesto respektuje politickou nepřijatelnost provádění pokusných jaderných explozí. Severní Korea je jedinou zemí, která po roce 2000 uskutečnila jaderné exploze.

Severokorejské jaderné testy a jejich registrace

KLDR uskutečnila na své jaderné střelnici Punggye-ri v sv. části země (obr. 1) v letech 2006 až 2016 celkem pět pokusných jaderných explozí (tab. 1). Magnitudo mb počítané z objemových vln dosáhlo v případě posledního testu, ze dne 9. 9. 2016, hodnoty 5,1 (podle IDC CTBTO) až 5,3 (podle NEIC a NDC Brno). Zatím poslední jaderná exploze uskutečněná na území KLDR byla tedy nejsilnější z diskutovaných pěti událostí.

Seismický signál odpovídající severokorejským jaderným testům byl registrován množstvím seismických stanic, včetně stanic provozovaných Ústavem fyziky Země (ÚFZ) Masarykovy University v Brně (ÚFZ provozuje, mimo jiné, čtyři tzv. širokopásmové stanice, viz obr. 1). Mezi stanicemi ÚFZ hraje zvláštní roli stanice VRAC, která je součástí Mezinárodního monitorovacího systému CTBTO budovaného za účelem verifikace dodržování Smlouvy CTBT (Hoffmann et al. 1999). Do konce roku 2016 bylo v rámci tohoto systému vybudováno a certifikováno celkem 149 seismických stanic rozmístěných po celém světě. Kromě seismického monitorování využívá Mezinárodní monitorovací systém CTBTO také další technologie, a to infrazvukovou, hydroakustickou a radionuklidovou. Data všech monitorovacích zařízení jsou shromažďována a zpracovávána v Mezinárodním datovém centru (IDC) umístěném ve Vídni.

Provoz jednotlivých zařízení sítě CTBTO zajišťují tzv. Národní datová centra (NDC) zřízená v rámci struktury Mezinárodního monitorovacího systému. Úkolem NDC v Brně je nejen zajišťovat bezporuchový provoz stanice VRAC, ale také včas informovat příslušné státní autority (Státní úřad pro jadernou bezpečnost SÚJB) o významných skutečnostech souvisejících s globálním monitorováním v rámci sítě CTBTO, zejména o aktuálně uskutečněných jaderných testech. Proto jsou seismické záznamy jaderných explozí nezávisle zpracovávány také v NDC v Brně a výsledky jsou pak průběžně poskytovány pro potřeby SÚJB.

Rozlišení záznamů přirozených zemětřesení a explozí

Pro potřeby verifikace Smlouvy CTBT nestačí pouze detekovat a lokalizovat seismický jev, který by mohl odpovídat jaderné explozi, ale je nutné také zajistit spolehlivé odlišení záznamů přirozených zemětřesení od potenciálních záznamů jaderných testů. Na základě rozboru seismických dat nelze spolehlivě rozlišit jadernou a chemickou explozi, pouze lze předpokládat, že většina chemických explozí bude reprezentována jevy s magnitudem mb do hodnoty 4,5 (viz např. U. S. Congress 1988). V případě výjimečně silných explozí s náložemi přesahujícími 1 kt ekvivalentu TNT může být ovšem tato hodnota magnituda překročena (Khalturin et al. 1998). Proto je obtížné odlišit seismický signál slabších jaderných explozí od silných explozí chemických. Lze ovšem alespoň s dostatečnou spolehlivostí odlišit většinu přirozených jevů, které člověkem způsobenými explozemi být nemohou.

Seismická síť Mezinárodního monitorovacího systému CTBTO zaregistrovala a zlokalizovala v roce 2016 celkem 37 090 seismických jevů (obr. 2). K lokaci 2 164 z nich byla v Mezinárodním datovém centru využita stanice VRAC. Vzhledem k obrovskému množství lokalizovaných jevů je nutné, aby základní odlišení záznamů přirozených zemětřesení od záznamů explozí bylo založeno na takových postupech, které lze automatizovat. Metod využitelných k rozlišení záznamů přirozených zemětřesení a explozí je více (Bowers – Selby 2009; Pomeroy et al. 1982; U. S. Congress 1988), přednostně jsou využívány ty, které jsou jednodušší a které lze aplikovat na co největší množství registrovaných seismických jevů.

První vytřídění seismických záznamů přirozených zemětřesení je založeno již na vyhodnocení údajů lokace, tj. zeměpisných souřadnic a hloubce hypocentra. S vysokou spolehlivostí lze předpokládat, že seismické jevy s hloubkami hypocentra většími než 15 kilometrů nebudou explozemi souvisejícími s lidskou činností, a to i při započítání významné nepřesnosti v určení tohoto parametru. Hloubka hypocentra přesahující 15 km byla určena v případě více než 12 000 seismických jevů lokalizovaných v roce 2016 Mezinárodním monitorovacím systémem CTBTO, pro více než 11 900 z těchto jevů přesáhla hloubka hypocentra hodnotu 30 km (obr. 2). Jenom na základě hloubky hypocentra tak je možno téměř třetinu lokalizovaných jevů označit s dostatečně vysokou spolehlivostí za přirozená zemětřesení.

Druhé rutinně využívané kritérium pro rozlišení přirozených zemětřesení a explozí je založeno na sledování poměrů amplitud povrchových a objemových vln (viz obr. 3), respektive na poměru magnituda Ms odvozeného z povrchových vln a magnituda mb počítaného z maximální amplitudy vln objemových. Již v 70. letech minulého století bylo zjištěno, že amplitudy povrchových vln jaderných explozí registrovaných na vzdálených stanicích jsou řádově menší ve srovnání s povrchovými vlnami mělkých zemětřesení (Basham – Horner 1973; Gupta et al. 1972; Weichert – Basham 1973). Tato skutečnost je snadno využitelná pro stanovení empirického kritéria umožňujícího definovat mělké jevy odpovídající s vysokou pravděpodobností přirozeným zemětřesením. Právě severokorejské jaderné testy ovšem ukázaly, že původní kritérium odvozené Fiskem et al. (2002) nebylo dostatečně spolehlivé (viz Bonner et al. 2008). Od roku 2012 proto bylo zavedeno v Mezinárodním datovém centru CTBTO nové kritérium založené na jednoduchém vztahu (Selby et al. 2012):

Ms = mb – 0,64

Toto nové kritérium dostatečně spolehlivě reflektuje i jaderné exploze s relativně vyššími hodnotami magnituda Ms, tedy i severokorejské jaderné testy, a přitom umožňuje s dostatečnou spolehlivostí identifikovat významnou část mělkých seismických jevů jako přirozená zemětřesení (obr. 4).

Jednou z dalších jednoduchých identifikačních metod je metoda založená na výpočtu tzv. komplexity. Tato metoda vychází z faktu, že seismický záznam většiny explozí je charakteristický jednoduchým tvarem objemových vln, ve kterém dominuje pouze několik úvodních zákmitů. Oproti tomu u velkého množství přirozených zemětřesení následuje za úvodními zákmity signálu výrazná dlouhá komplexní sekvence označovaná jako „coda“ (obr. 5). Komplexita je pak veličina kvantifikující poměr energie cody vůči energii úvodní sekvence signálu (viz např. Dahy – Hassib 2009; Lay – Welc 1987; Taylor – Anderson 2009). V detailech se definice komplexity, jakožto veličiny dané konkrétní rovnicí, v různých pracích liší. Rozdíly jsou zejména v délkách časových oken zvolených pro vymezení úvodní sekvence signálu a cody. Při aplikaci této metody na severokorejské jaderné testy v rámci analýzy prováděné v NDC v Brně je plánováno porovnat výsledky při použití různě dlouhých časových oken. Proto byl pro výpočet komplexity Cv zvolen mírně upravený vztah, ve kterém jsou poměřovány energie vztažené na jednotkový časový úsek:

Cv = (Ec / Es) × (Ts / Tc)

kde Es je energie počátečního úseku signálu, Ts je délka časového okna počátečního úseku signálu (tj. t4 - t3, viz obr. 5), Ec je energie cody a Tc je délka časového okna cody (tj. t5 - t4, viz obr. 5). Pro vzájemné porovnání byly hodnoty komplexity počítány v NDC v Brně jednak pro záznamy severokorejských jaderných testu a jednak pro 23 mělkých přirozených zemětřesení registrovaných v průběhu roku 2016 s epicentry v co nejmenší vzdálenosti od jaderné střelnice v sv. části KLDR (jižně od regionu KLDR, viz obr. 1) s hodnotami magnituda mb v rozmezí od 4,5 do 5,5. Výpočet byl proveden vždy zvlášť pro každou ze čtyř širokopásmových stanic ÚFZ, přičemž pro výpočty diskutované v tomto článku bylo pro počáteční úsek signálu zvoleno časové okno o délce 5 sekund a energie cody pak byla určena z následujícího časového úseku o délce 20 sekund.

Použitelnost vypočtené hodnoty komplexity Cv zásadně závisí na poměru užitečného signálu vůči seismickému šumu (parametry šumu byly při výpočtech prováděných v NDC určeny z úseku o délce 25 sekund mezi časy t1 a t2, viz obr. 5). V případě, že je celý signál významnou měrou překrytý šumem (tj. poměr maximální amplitudy signálu vůči amplitudě šumu je menší než 3, nebo dokonce menší než 2), nemá parametr Cv de facto žádnou vypovídací hodnotu, protože ze záznamu odvozené energie ve skutečnosti neodpovídají ani energii signálu ani energii cody. Hodnota parametru Cv je zkreslená také v případě, kdy úvodní sekvence signálu sice dostatečně převyšuje úroveň šumu, ale stále zůstává výrazně ovlivněna šumem coda. V tomto případě je ale hodnota parametru Cv vždy nadhodnocena, takže lze s výhodou využít alespoň faktu, že skutečná hodnota komplexity nemůže být vyšší, než hodnota odvozená z takto šumem ovlivněného záznamu.

Předběžné výsledky aplikované na záznamy severokorejských jaderných explozí ukazují, že pro účinné využití diskutované metody je důležité záznam filtrovat s vhodně zvoleným rozmezím frekvencí, pro které pak bude záznam dále vyhodnocován (obr. 6). Při vhodné filtraci, kdy bylo dosaženo dostatečně vysokých poměrů amplitud užitečného signálu (včetně cody) a šumu, vykazovaly záznamy severokorejských jaderných explozí (s výjimkou první exploze z roku 2006, jejíž signál byl příliš slabý a nebylo jej možné filtrací dostatečně extrahovat z šumu při žádném použitém frekvenčním rozmezí) hodnoty komplexity Cv menší než 0,06, což je zřetelně odlišovalo od výsledků zjištěných pro většinu přirozených zemětřesení. Metoda založená na výpočtu komplexity tak ukazuje u severokorejských jaderných testů na jejich genetický vztah s explozemi zřetelněji, než metoda založená na poměru magnitud Ms a mb. Právě severokorejské jaderné testy tak představují příklad záznamů explozí, pro jejichž spolehlivou identifikaci se jeví jako vhodný postup kombinovat obě diskutované metody. Na vhodnost kombinace těchto identifikačních metod již dříve obecně upozorňovali např. Taylor a Anderson (2009).

Závěr

Zpracování záznamů severokorejských jaderných testů přineslo důležité poznatky umožňující upřesnění a doplnění postupů používaných k rozlišení přirozených zemětřesení a explozí. Mohou tak nejen zvýšit spolehlivost identifikačních technik aplikovaných v rámci vyhodnocení dat Mezinárodního monitorovacího systému CTBTO, ale lze je využít v rámci automatických postupů globálního seismického monitorování vůbec.

Poděkování

Příspěvek vznikl s finanční podporou projektu MŠMT, program č. LM2015079, CzechGeo/Epos. Autor děkuje oběma recenzentům (RNDr. Vladimíru Nehybkovi a druhému anonymnímu recenzentovi) za jejich připomínky.

Literatura

Basham, P. W. – Horner, R. B. (1973): Seismic magnitudes of underground nuclear explosions. – Bulletin of the Seismological Society of America, 63, 105–131.

Bonner, J. – Herrmann, R. B. – Harkrider, D. – Pasyanos, M. (2008): The surface wave magbnitude of the 9 October 2006 North Korean Nuclear Explosion. – Bulletin of the Seismological Society of America, 98, 5, 2498–2506.

Bowers, D. – Selby, N. D. (2009): Forensic Seismology and the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty. – Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 37, 209–236.

Dahy, A. S. – Hassib, H. G. (2009): Discriminating Nuclear Explosions from Earthquakes at teleseismic Distances. – European Journal of Applied Sciences, 1, 4, 47–52.

Fisk, M. D. – Jepsen, D. – Murphy, J. R. (2002): Experimental Seismic Event-screening Criteria at the Prototype International Data Center. – Pure and Applied Geophysics, 159, 865–888.

Gupta, H. K. – Sitaram, M. V. D. – Narain, H. (1972): Surface-wave and body-wave magnitudes of some sino-soviet nuclear explosions and earthquakes. – Bulletin of the Seismological Society of America, 62, 2, 509–517.

Hoffmann, W. – Kebeasy, R. – Firbas, P. (1999): Introduction to the verification regime of the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty. – Physics of the Earth and Planetary Interiors, 113, 1–4, 5–9.

Khalturin, V. I. – Rautian, T. G. – Richards, P. G. (1998): The seismic signal strength of chemical explosions. – Bulletin of the Seismological Society of America, 88, 6, 1511–1524.

Lay, T. – Welc, J. L. (1987): Analysis of near-source contributions to early P-wave coda for underground explosions. I. Waveform complexity. – Bulletin of the Seismological Society of America, 77, 3, 1017–1040.

Pomeroy, P. W. – Best, W. J. – McEvilly, T. V. (1982): Test Ban Treaty verification with regional data – a review. – Bulletin of the Seismological Society of America, 72, 6, S89–S129.

Selby, N. D. – Marshall, P. D. – Bowers, D. (2012): mb:Ms Event Screening Revisited. – Bulletin of the Seismological Society of America, 102, 1, 88–97.

Taylor, S. R. – Anderson, D. N. (2009): Rediscovering Signal Complexity as a Teleseismic Discriminant. – Pure and Applied Geophysics, 166, 325–337.

Weichert, D. H. – Basham, P. W. (1973): Deterrence and false alarms in seismic dicsrimination. Bulletin of the Seismological Society of America, 63, 1119–1132.

U.S. Congress, Office of Technology Assessment (1988): Seismic Verification of Nuclear Testing Treaties. – OTA-ISC-361, U.S. Government Printing Office, Washington D.C.