Yield estimates for the six North Korean nuclear tests from teleseismic P wave modeling and intercorrelation of P and Pn recordings

Abstract

The yields of the six declared underground nuclear tests at the North Korean test site are estimated using high-frequency teleseismic P wave amplitude modeling and waveform equalization of short-period teleseismic P waves and regional Pn signals. Average amplitudes of the first cycle of high-frequency (>4 Hz) filtered P wave displacements for each event, adjusted for station sampling relative to the 3 September 2017 event, are modeled using Mueller-Murphy explosion source models for granite and a constant-Q attenuation operator with t* = 0.78 ± 0.03 s. The yield estimates range from 2.6 to 230 kt. Intercorrelation, a waveform equalization procedure that accounts for source function and depth-phase variations between events, is applied to large sets of filtered (>0.8 Hz) teleseismic P and regional Pn seismograms. Searching over yield and burial depth for both events gives optimal parameters by simultaneous waveform equalization of multiple stations. Using specified burial depths spanning from 430 to 710 m for all events based on estimated locations in the source topography assuming tunneling with 4% grade, along with allowing for reduction in source region velocity due to weathering, rock layering, and damage zones, gives yield estimates ranging from 1.4 to 250 kt. Comparison of predicted and observed spectral ratios of Pn phases at station MDJ establishes that these source models are reasonable. Using the preferred yield estimates from intercorrelation, WIC, a yield-calibrated relation of mbNEIC = 0.9 log10WIC + 4.13 is determined for the North Korean test site.Los rendimientos de las seis pruebas nucleares subterráneas declaradas en el sitio de pruebas de Corea del Norte se estiman utilizando el modelado de amplitud de ondas P teleseísmicas de alta frecuencia y la ecualización de forma de onda de ondas P teleseísmicas de período corto y señales Pn regionales. Las amplitudes medias del primer ciclo de desplazamientos de ondas P filtradas de alta frecuencia (>4 Hz) para cada evento, ajustadas para el muestreo de la estación en relación con el evento del 3 de septiembre de 2017, se modelan utilizando modelos de fuente de explosión de Mueller-Murphy para granito y un operador de atenuación Q constante con t* = 0,78 ± 0,03 s. Las estimaciones de rendimiento oscilan entre 2,6 y 230 kt. La intercorrelación, un procedimiento de ecualización de formas de onda que tiene en cuenta la función de la fuente y las variaciones de profundidad-fase entre eventos, se aplica a grandes conjuntos de sismogramas teleseísmicos P y Pn regionales filtrados (>0,8 Hz). La búsqueda sobre el rendimiento y la profundidad de enterramiento para ambos eventos proporciona parámetros óptimos mediante la ecualización simultánea de la forma de onda de múltiples estaciones. Utilizando profundidades de enterramiento especificadas que abarcan de 430 a 710 m para todos los eventos basados en ubicaciones estimadas en la topografía de la fuente asumiendo un túnel con una pendiente del 4%, junto con la reducción de la velocidad en la región de la fuente debido a la meteorización, estratificación de la roca y zonas dañadas, se obtienen estimaciones de rendimiento que van de 1,4 a 250 kt. La comparación de las relaciones espectrales predichas y observadas de las fases Pn en la estación MDJ establece que estos modelos de fuente son razonables. Utilizando las estimaciones de rendimiento preferidas a partir de la intercorrelación, WIC, se determina una relación calibrada de rendimiento de mbNEIC = 0,9 log10WIC + 4,13 para el sitio de prueba de Corea del Norte.