东北的地震与核爆 东北是中国的东北，亚洲的东北，世界的东北亚。地震可以是发震断裂的错动产生的地震动，可以是一切因素的地震动，还可以是像地震一样强大的任何事件。核爆可以是核弹的试验和爆炸，也可以是战场上的最强悍攻击，还可以是一切具有强大杀伤力的事件。当三者结合在一起，可以很正常，也可以很不正常，还可以很恐怖。 最近东北真的地震了，而且紧邻的朝鲜放话说要搞更高级的核爆。不要误会，这次东北5.1级地震绝对和朝鲜核爆没有关系。本博文借机会科普一下正常科学研究方面的：核爆的地震学。至于非自然科学方面的，请有兴趣者补充。 以前也不知道，地震学可以研究所有地震动的。可以不是断裂错动的天然地震，还可以是人工地震；可以用地震资料研究地球性质，还可以用地震资料探矿、找石油天然气，称为地震探测。再后来听说，地震可以为核爆服务。因此，本人也是个半个外行。比如， 2006 年和 2009 年朝鲜核爆之后，在地震学的学术期刊上发表了好几篇专业论文。 核爆的地震学研究，当然首要目的是研究核爆的当量。所有的方法都基本可以采用监测天然地震一样，用地震波记录来计算。比如，这些发表的成果里，通过韩国的地震观测认为 2006 年核爆相当于 Mb 震级 3.8–4.2 的地震 ( Hong 等 , 2008 ; Chun 等 , 2011 ) ，图 1 是观测的台站分布： 2009 年核爆的能量通过韩国、日本、中国的地震观测资料也获得了 ( Hong 等 , 2009 ) ，观测台站分布如下。 而利用日本的地震观测台阵（图3 ，日本地震台密度实在是太厉害了，不得不佩服）， 2006 年核爆的震动影响也获得了（图 4 ） ( Huang, 2008 ) 2009年核爆估计相当于 Mb4.8 级地震 ( Chun 等 , 2011 ) ，别看震级只比2006年大 0.5 级，能量却是 5.6 倍！ 当然还有研究核爆破坏力的和核爆的场地情况，也是地震资料入手 ( Patton 等 , 2011 ; Zhao 等 , 2012 ) 也有人利用这些地震资料研究前部地震波的地形效应，也就是，地表的震动和损害还和地形有关 ( Rodgers 等 , 2010 ) 。 对我们来说，最关心的是，核爆会不会触发天然地震。根据天然地震的研究，一条断裂发生地震之后，与之具有空间联系的区域应力会进行调整，也就是应力触发。在每次地震之后，都有一系列的研究来关注周边应力情况，以估计周边地震危险性的变化。比如今日东北沈阳地震之后在山东也发生一个地震，可能就是应力触发的结果。地震应力触发方面的文献太多，就不放上来了。那么相当于近 5 级地震的核爆，无疑会对周边断裂系统应力产生影响。呵呵，是不是东北地区可能由于朝鲜核爆（核试验基地离中朝边境很近）诱发地震呢？值得研究！ 核心提示：地震学不只是地震预报，还有很多东西！ Hong, T. K., C. E. Baag, H. Choi and D. H. Sheen (2008). "Regional seismic observations of the 9 October 2006 underground nuclear explosion in North Korea and the influence of crustal structure on regional phases." Journal of Geophysical Research-Solid Earth 113 (B3). Huang, B. S. (2008). "Tracking the North Korean nuclear explosion of 2006, using seismic data from Japan and satellite data from Taiwan." Physics of the Earth and Planetary Interiors 167 (1-2): 34-38. Hong, T. K. and J. Rhie (2009). "Regional Source Scaling of the 9 October 2006 Underground Nuclear Explosion in North Korea." Bulletin of the Seismological Society of America 99 (4): 2523-2540. Rodgers, A. J., N. A. Petersson and B. Sjogreen (2010). "Simulation of topographic effects on seismic waves from shallow explosions near the North Korean nuclear test site with emphasis on shear wave generation." Journal of Geophysical Research-Solid Earth 115 . Chun, K. Y., Y. Wu and G. A. Henderson (2011). "Magnitude Estimation and Source Discrimination: A Close Look at the 2006 and 2009 North Korean Underground Nuclear Explosions." Bulletin of the Seismological Society of America 101 (3): 1315-1329. Pasyanos, M. E., W. R. Walter and K. M. Mayeda (2012). "Exploiting Regional Amplitude Envelopes: A Case Study for Earthquakes and Explosions in the Korean Peninsula." Bulletin of the Seismological Society of America 102 (5): 1938-1948. Zhao, L. F., X. B. Xie, W. M. Wang and Z. X. Yao (2012). "Yield Estimation of the 25 May 2009 North Korean Nuclear Explosion." Bulletin of the Seismological Society of America 102 (2): 467-478.
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Jack Oliver (1923-2011) Seismologist who helped demonstrate that Earth’s continents move constantly Nature网站全文： http://www.nature.com/nature/journal/v470/n7333/full/470176a.html PDF下载 Jack Oliver(1923-2011).pdf John "Jack" Ertle Oliver(奥利弗)，于2011年1月5日去世，享年87岁。他是现代地震学、板块构造理论和大陆地壳深部成像领域的创始人之一。他和他的学生Bryan Isacks的研究表明，不只是地壳，连整整100千米厚的地球表层也就是岩石圈（lithosphere），在进入下伏软流圈（asthenosphere）之前，都在板块之上运动。这一发现给后来颇受争议的大陆漂移理论（continental drift）打下了基础，为板块构造理论铺平了道路。 在Oliver的科学发展历程中，有两个重要人物具有关键的作用。第一个人是在俄亥俄.马西隆的中学美式足球（即橄榄球）教练Paul Brown，他后来成名于Cleveland Browns队教练并创办了Cincinnati Bengals。Brown最不能容忍特立独行的态度，而Oliver的科学和管理哲学则一脉相承——团结合作的优秀科学家总是比单打独斗的最优秀的科学家创造出更重大的科学（ good scientists who worked together could produce more important science than the best scientists working alone ）。 在橄榄球奖学金的支持下，Oliver后来去纽约哥伦比亚大学学习物理，中间曾被1943-1946年的海军服役所打断。Oliver服役回来后见到了他后来的PhD导师Maurice Ewing。Ewing向他灌输了一个理念：在有可能获得重大科学发现之前，要选择探索前人未曾涉及过的领域（ going where no one had gone before offered a high probalitity of scientific discovery ）；而这一发现非常有趣——对航空燃油的无限好奇心。 在上世纪50年代，大多数地震学家通过地震仪测量P波和S波动走时来记录地球的震动。这些波都可以穿越地球的内部。长周期波在地球表层相互作用，其他人很少有涉及这一“领域”。Oliver最先识别出这些波形的独特特征，而现在则是电脑在分析和模拟。从这时起，他的文章展示了对面波的精细记录，并配以精妙解析。 到50年代末，Oliver加入了由十多个全国最有名的科学家组成的地震学促进会（Berkner Panel on Seismic Improvement, 由Lloyd Berkner做主席，因此以他的名字命名，作者注）。这提高了地震学研究的竞争，希望找到检测和确认地下核爆炸的方法。（有限禁止核试验条约The Limited Test Ban Treaty，禁止在大气、水下和太空中进行核试验，但并未禁止进行地下核试验，该条约于1963年批准生效。）在该促进会的建议下建立了全球规模的监测站台——the World-Wide Standardized Seismograph Network(全球标准化地震台网)，现代地震学并随之而飞速发展。 继续遵循Ewing的理念，Oliver和Isacks在斐济和汤加地区安装了地震仪来研究后来所谓的地球谜团之一的深源地震。这些地震发生在地表以下300-700公里，该深度的压力和温度似乎都太高而使岩石难于产生破裂。对这些地震图像貌似不经意地一瞥，他们知道他们已经有了一些重大发现P波和S波都具有高频特征。他们意识到太平洋以东的岩石圈（包括地壳和上地幔最顶部的较冷部分）已经俯冲到700公里深度。科学界直到很晚才认同他们的这一观点，当时只有极少数地震学家注意到或者慎重对待大陆漂移理论，但是怀疑很快就让路于他们另一项研究所获得的共识。 1968年，和Oliver的另外一个学生Lynn Sykes一起，Oliver和Isacks在Journal of Geophysical Research上发表了可能是有史以来最被广泛阅读的地震学文章“ Seismology and the new global tectonics ”（被引次数845 by Google.文章下载： http://www.mantleplumes.org/WebDocuments/Isacks1968.pdf ）。在他们众多观点中，他们意识到谜一般的深源地震并不是发生在温度过高而难于获得所需应力的环境中，而是发生在快速俯冲到深部的仍然很冷淡岩石圈板块中。 和许多板块构造理论创立者一样，Oliver很快就转换了研究方向。1971年他离开哥伦比亚大学来到纽约.伊萨卡的康奈尔大学并使该校地学系复苏过来，而他也将精力放在了地学里的盲区——下地壳。他发起大陆发射剖面联合会（Consortium for continental Reflection Profiling），该联合会是倡导利用由石油工业发展而来的地震反射技术去探测大陆下地壳的先驱。这一组织后来被许多国家所效仿。 他在工作中始终坚持贯彻团队合作精神，努力减小地质学家（由于难于定量化而有时被轻视）和地球物理学家（有时被看作是只相信他们无法亲眼所见的事物）之间的差异。康奈尔大学率先将地质学系和地球物理系转变成为综合地球科学系。 Oliver坚持鼓励他周围的学生，总是像疑问咒语似地问：“下一个最重要的问题是什么？（ What is the next most important problem? ）”他曾经说：“诚然，我愿意和聪明学生一起工作，但是我所真正期望的是会提问题的学生。（ Sure. I want to work with brilliant students, but what I really want are students who can ask good questions. ）”他反复说明，提好问题是回答重要问题的捷径（ asking the right question was a shortcut to answering an important one ）。附上他曾写过的一首诗： "If creativity is what you strive for, 创新既是你的目标， The status quo you must learn to abhor, 现状永远满足不了， Chains of convention unfetter, 去除传统旧念锁铐， Seek the different yet better,执着追寻异样美好， Pay no attention to those keeping score!"何必在意保守叨扰！ 他不是一个自吹自擂的人，Oliver在家和技术人员一起就像和院士一样。他去世时正和他的长期行政助理Judy Healey亲切交谈，无意地突然说道：“我大限已到（I'm done）。” ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- （后记/作者注） 翻译这篇Nature报道，不仅仅是简单地纪念这位伟大的地球科学家、地球物理学家，更是从Oliver一生对地球科学的追求历程中，寻找一些科学精神和科研动力。 Oliver的两位恩师，一位是橄榄球教练Paul Brown，一位是大科学家Maurice Ewing，两个完全不同风格的人，对Oliver的科学成长都具有重要作用。橄榄球是一项集体运动，靠个人英雄主义是难于取胜的，所以Brown说他不喜欢特立独行的人；那么在刚刚开始进入科学研究领域中时，每个freshman都需要系统的科学培训，掌握基本的科学知识，进行知识积累，为以后的飞跃打基础，而不是一上来就搞什么标新立异，开始阶段就搞特立独行大多数情况下是难于取得成功的。 G ood scientists who worked together could produce more important science than the best scientists working alone。 Oliver在经过一定阶段的知识和经验储备后，水平已经上升了一个档次，与橄榄球教练不同，大科学家Ewing此时告诉他的是另一种理念—— going where no one had gone before offered a high probalitity of scientific discovery 。这就是要创新！正是Ewing的理念，让Oliver在科学发展道路上实现了升华，取得了重大的发现。所以看来，科学方法和科学精神不是一成不变的定律，而是要根据自身的条件适时调整。 关于做学生，Oliver也强调了问问题的重要性： I want to work with brilliant students, but what I really want are students who can ask good questions 。老师都喜欢聪明的学生，但是老师更喜欢问问题的学生，因为在专业上学生能回答的问题老师一般都能回答，老师不需要只会回答问题的学生，但是如果学生能将老师问倒，这不仅不会使老师尴尬或者丢面子，反而老师会很欣慰他碰到一个会思考问题的学生。注意，这里的"ask good quenstions"不是“问好问题”，而是问难于答上来的问题，即难题；例如在报告或者讲座的提问阶段，报告人在一个提问后说"Oh, That's a good quenstion!”，其实这句话不光是赞叹（甚至惊叹）提问者提的问题很精彩，同时也是说"Well,it is very difficult to answer or explain!" Asking the right question was a shortcut to answering an important one. 这句话与我们常说的“提出一个问题比解决一个问题往往更有意义”，意思类同，此处不多说。 最后是Oliver的诗，写得非常精彩，强调的是创新精神，要创新就必须挣脱传统的条条框框的束缚，打破传统的保守主义（keep score）! 希望本文对广大读者有所启示和帮助！
地震学的研究究竟开始于什么时候，对此可能不同人有不同的看法。中国历史上记载的公元前132年东汉时期张衡发明的候风地动仪，是有关人类首次尝试纪录地震的活动。由于年代久远，地动仪的具体工作原理和记录的细节都无法考证，后人只是根据史书描述去对其进行复原。因此这还不能算是地震学研究的开始。直到人类第一次清晰地记录到了发生在几千甚至上万公里之外的地震波记录时，才标志着地震学研究的开始。首张观测地震图的产生非常具有戏剧性。 在位于德国柏林附近波茨坦电报山的天文台（Astrophysical Observatory on Telegraph Hil），有一位名叫 恩斯特冯（Ernst von Rebeur）的天文学家，在这个天文台设计放置了一个横摆。他最初是利用这个仪器精确地测量由其他行星的运动导致地球的引力的变化。1889年4月17日下午5:21的时候，他发现他的摆记录到了一种强烈但是很有规律的震动。他对这个纪录一直百思不得其解，知道几个月以后，他在Nature上看到了一篇关于日本地震的文章，他对比了一下地震的时间和他的摆上面那个有规律的记录的时间，发现这个记录开始于地震几小时之后，于是他意识到，这个纪录是从5000英里之外传来的地震波。虽然在此之前，也有人记录到了区域地震的震动记录，但是记录到如此之远的地震还是第一次。这张远震记录图也标志着人类利用地震波研究地球内部结构的开始。从张衡地动仪到现代地震仪，经历了2000年的一个漫长过程。但是自从现代地震仪出现以后，地震学就开始迅速的发展，这也是很多学科发展的一个固有规律吧（该部分参考加州大学伯克利分校的Seismology Blog）。
【虽然同为地球物理测深手段，电磁法的不懂地震学，地震法的不懂电磁学是普遍现象。但是大家经常需要在一起讨论，相互之间却很难提出有价值的问题。为了能对地震学有个基本的了解，最近学习地震学的一些基本理论。 本人主要研究电磁测深，但也做过地球动力学粘弹性体三维数值模拟，有一定的力学基础，学起地震学感觉并不是非常的困难。但一些概念，一时半会还难以吃透。】 一、射线追踪的基本理论 尽管波动方程是一切弹性波问题的理论基础，但从处理过程上看，射线理论似乎与波动方程毫无关系，其基础是斯涅尔定理，主要研究波在各种分界面上的反射与折射。由于不考虑波的物理衰减问题，其数学处理过程较之于有耗媒质的电磁波要简单，但在物理概念上并不简单。 射线参数是个很有意思的概念。如果地球是各向同性的、横向均匀的，只有深度方向速度结构有所变化，则射线参数是个常数。由于射线参数是水平慢度，因此，如介质的速度特性发生变化，则入射角会发生相应的改变，以维持射线参数的恒定。 走时T、震距X、时差 都是射线参数p的函数。在强速度梯度带，走时T 可能出现3次往返现象，因此是射线参数p的多值函数；震距X是p的单值函数，但不是单调函数，即气逆函数是多值的；时差 t 由走时和震距组合而成： (p)=T(p)-pX(p) 这是一个很简单但很巧妙的变换。 (p)不仅是单值函数，而且是单调函数，其导数为震距X的负数。在数学处理上， (p)也显得比T(p)和X(p)更为简单。 如果速度随深度的增加而减少，则地表接收会出现影区，即在地表可能接收不到低速区折返的射线。一些波可能被低速区捕获，产生波导。 为了利用水平层的射线追踪理论处理球形地球问题，可以通过以下展平变换，将球形问题转换为平面问题： Exp(-Z f /a)=r/a Z f 是变换后水平模型下的速度，r是离地球球心的距离，a是地球半径，r=a-z s , z s 是相对于地球球面的深度。 通过这个变换，球形模型中的速度在水平模型下变换为： v f (z f )=(a/r)v s (r) 二、震相的命名 Pg、 Sg：地壳中向上返回地面的P波、S波； PmP、SmS：莫霍面回返或反射的P波、S波； Pn、Sn：莫霍面以下、地幔最顶部传播的P波、S波； SmP：入射到莫霍面的S波转换为P波回返或反射到地面。 全球震相：利用以下缩写的组合表示震源到接收点射线的连续线段，如PKiKP表示震源发出的P波射线经过地幔、外核，在内核边界上发生反射后。又穿过外核、地幔返回到地表的一束射线。 P：地幔中的P波； K：外核中的P波； I：内核中的P波； S：地幔中的S波； J：内核中的S波； c：在核幔边界（CMB）的反射波； i：在内核边界（ICB）的反射波； 主要参考书：《地震学引论》 Peter M. Shear著， 陈章立译，赵翠萍、王勤彩、华卫校。
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