Sandia National Laboratories forskare, som en del av en grupp forskare från National Nuclear Security Administration, har avslutat år av fältexperiment för att förbättra USA:s förmåga att skilja jordbävningar från underjordiska explosioner, nyckelkunskap som behövs för att främja nationens övervaknings- och verifieringsförmåga för att upptäcka underjordiska kärnvapenexplosioner.

Det nioåriga projektet, källfysikexperimenten, var en serie underjordiska kemiska högexplosiva detonationer vid olika utbyten och olika djup för att förbättra förståelsen av seismisk aktivitet runt om i världen. Dessa NNSA-sponsrade experiment utfördes av Sandia, Los Alamos National Laboratory och Lawrence Livermore National Laboratory and Mission Support and Test Services LLC, som sköter verksamheten på Nevada National Security Site. The Defense Threat Reduction Agency, University of Nevada, Reno, och flera andra laboratorier och forskningsorganisationer deltog i olika aspekter av programmet.

Forskare tror att inspelad data och datormodellering från experimenten kan göra världen säkrare eftersom testning av underjordiska sprängämnen inte skulle förväxlas med jordbävningar. Resultaten kommer att analyseras och göras tillgängliga för många institutioner, sade Sandias huvudutredare och geofysiker Rob Abbott.

Datauppsättningen är enorm. "Det har kallats det finaste explosionsdataset av denna typ i världen, " sa Abbott. "Vi lägger mycket ansträngning på att göra det här på rätt sätt."

Den sista underjordiska explosionen i serien ägde rum den 22 juni.

Experiment undersökte skillnader mellan explosioner i hårda, mjuk sten

Fas 1 av SPE bestod av sex underjordiska tester i granit mellan 2010 och 2016. Fas 2 bestod av fyra underjordiska tester i torr alluviumgeologi, eller mjuk rock, under 2018 och 2019. Resultaten från båda faserna kommer att analyseras för att hjälpa till att fastställa hur underjordiska detonationer i torrt alluvium jämförs med dem i hårt berg. Dessutom, SPE-data kan mätas mot data som samlats in från historiska underjordiska kärnvapenprov som utfördes på den tidigare Nevada-testplatsen.

Beroende på experimentet, upp till 1, 500 sensorer sattes upp för att göra mätningar. Dessa diagnostik inkluderar infraljud, seismisk, olika borrhålsinstrument, höghastighetsvideo, geologisk kartläggning, drönaremonterad fotografering, distribuerad fiberoptisk avkänning, elektromagnetiska signaturer, gasförskjutningsinspelningar, markytans förändringar från radar med syntetisk bländaröppning och lidar (som mäter avstånd med laser), och andra. Accelerometrar sattes upp på flera platser runt explosionen, tillsammans med temperatursensorer och elektromagnetiska sensorer.

"Datan är designad för att så småningom vara fritt tillgänglig för vem som helst, så att alla andra forskare från vilket land som helst kan använda data för att förstå dessa händelser, " sa Abbott.

Projektet fungerar också som en träningsplats för nästa generation av icke-spridningsforskare och ingenjörer, med studentpraktikanter från 14 olika universitet och högskolor som kommer till Sandia för att arbeta med data, han sa.

Att förstå seismiska avläsningar är nyckeln för att skilja händelser under ytan

Satelliter eliminerar i princip möjligheten att kärnvapenprov på ytan går obemärkt var som helst i världen, men underjordiska tester är svårare att upptäcka och karakterisera på grund av begränsad åtkomst och synliga egenskaper, och svårigheter att skilja kärnvapenexplosioner från andra typer av seismiska händelser, sa Zack Cashion, chefsingenjör för fas 2 av projektet.

När forskare studerar jordbävningar, de tittar på kompressionsvågor (primära eller P-vågor) och skjuvvågor (sekundära eller S-vågor). Abbott sa att explosioner vanligtvis producerar fler P-vågor i förhållande till S-vågor jämfört med jordbävningar.

Före SPE, forskare märkte att vissa utländska underjordiska kärnvapenprov såg mer jordbävningsliknande ut jämfört med tidigare kärnvapenexplosioner runt om i världen, vilket indikerade att mer experimentell kunskap behövdes för att förbättra modellering och förmågan att spåra globala tester, sa Abbott.

"Det enda sättet att förstå det bättre, enligt vår åsikt, var att göra verkliga fysiska experiment, " sa Abbott. "Vi kunde inte bara ha nya modelleringskoder utan något att testa de nya modelleringskoderna mot."

I båda SPE-faserna, ett hål användes för att hålla flera sprängladdningar med olika kapacitet. I fas 2, hålet var 8 fot i diameter och ursprungligen 1, 263 fot djupt. För det första fas 2-experimentet som ägde rum förra sommaren, en explosiv kapsel innehållande ungefär 1 ton TNT-ekvivalent av nitrometan sänktes ner i hålet och täcktes med en noggrann utformning av grus, sand och cement. På varandra följande experiment använde samma hål och sprängämnen i mängder av 50 ton, 1-metrisk ton, och 10-metriska ton TNT-ekvivalens sänktes där gruset och sanden slutade från det tidigare experimentet.

Cashion ledde designen av instrumenteringen och borrhålsaccelerometrarna som fångade data för den andra fasen av experimenten. Tolv instrumenteringsborrhål borrades på 120-graders azimut på fyra radiella ringar som var 33, 66, 131 och 262 fot från testhålet. Instrumenthålen fylldes med 58 instrumenteringsmoduler, var och en innehåller en uppsättning accelerometrar, magnetometrar, gyroskop och temperatursensorer.

Målet för varje experiment var att samla in data av hög kvalitet från så många sensorer som möjligt. På provdagen när alla är på plats, Cashion sa att stämningen blir intensiv.

"Det är dags att genomföra planer som har diskuterats i månader eller år som krävde monumentala gruppansträngningar och samordning för att genomföra och allt kommer ner till ett ögonblick, " sa han. "Du sitter där och tittar på din skärm och det är "Tre, två, ett, brand, " och då kanske du inte känner någonting. Beroende på systemet, du kanske inte ens ser någonting förändras på skärmen förrän efter att inspelningen är klar. Du väntar där på, det kan vara fyra sekunder, men det känns som en evighet, och sedan går du och tittar på datan och torkar din panna att händelsen inträffade som planerat och att den verkligen spelades in."

Forskare arbetar för att fastställa explosionsdjup, storlek

Sandia National Laboratories forskare Danny Bowman mätte SPE-ljudvågor med mark- och luftburna mikrofoner. Han sa att när händelser äger rum under jorden och får markytan att röra sig, jorden fungerar som en gigantisk högtalare och kan överföra ljud.

"Vi vet att jordbävningar gör detta, " sa Bowman. "I den här testserien, vi försökte förstå hur detta sker, hur vi kan använda ljudets egenskaper för att bestämma hur stor explosionen var och hur djup den var."

De flesta infraljudsdata samlades in från marksensorer för experimenten, och Bowman sa att det fanns några överraskningar i hela SPE. När tester ägde rum i granit, forskare lärde sig att de kunde använda ljud för att bestämma storleken och djupet på explosionen, han sa, men torr alluviumgeologi gav ingen prediktiv kraft. Och även om explosionerna var större i fas 2, de gav inte alltid infraljud.

"Vår uppgift under de kommande åren när all data har samlats in, och vi har en chans att analysera det, är att ta denna exceptionella datauppsättning och härleda en viss prediktiv kraft från den, " sa Bowman. "Jag tror att det är möjligt, men vi är i skyttegravarna just nu. Vi har inte fågelperspektiv över det."

Arbetet har fullgjorts, sa Abbott, som har arbetat på SPE sedan början av fas 1. Cashion gick med på, säger att resultaten kommer från en stor, kollektivt lagarbete.

"Jag minns att jag var ett barn och tittade på rymduppskjutningsfilmer och ville vara en av de människorna i rummet som tittade på en skärm och brydde mig om din lilla detalj i det här enorma projektet och ville se att det fungerade, " Sa Cashion. "Det är verkligen en sådan upplevelse. När det är dags för spel, alla vill vinna. Vi är alla där tillsammans som ett lag och alla vill se att det går bra."