3·21響水爆炸的地震學分析及譜比法研究＊

李 曄 郭 巍 高 也 徐小遠 王熠熙 柳艷麗

（天津市地震局，天津 300010）

引言

2019年3月21日江蘇響水天嘉宜化工廠發生爆炸，爆炸波及周邊16家企業及多處村莊，半徑500 m內的房屋基本被毀。截止3月25日共造成78人遇難，被認定為特別重大事故。此爆炸事故產生的地震波被江蘇省及其周圍省份地震臺網記錄到，這些臺站均為三分向寬頻帶數字地震計。經地震定位得出此次爆炸發生時間為14:48:44，震中經緯度（34.34°N，119.78°E），事件能量相當于天然地震近震震級（ML）2.7。此事件是繼2015年8月12日濱海爆炸[1-3]后又一次較大爆炸事故。兩次事件盡管都為近地表爆炸，但從地震記錄上來看，響水3·21爆炸更像是一次普通的爆破地震，沒有出現8·12爆炸中那樣的空氣聲波-地面耦合的低頻Rayleigh波震相，此震相的詳細研究見Murphy等的文章[4]，研究[5-6]表明此震相速度較低，是爆炸產生的沖擊波與地面耦合形成的。此震相的產生可能與區域地震計位置等條件有關。

對于地震臺網記錄到的種類日益增多的非天然地震事件，有必要對其進行區分，其中爆炸和天然地震的區分一直是一個重要的研究內容[7-10]。研究方法很多，較為經典的識別方法主要有：①利用地震記錄波形的初動方向來進行識別，此方法精度受噪聲干擾影響較大，且非唯一；②利用體波震級與面波震級之比，此方法是利用爆炸與天然地震中產生的面波成分不同來進行判斷，但對于震級較小的事件，識別效果不佳；③利用高低頻地震波振幅譜比值和頻率三次矩，此方法的識別效果與地球介質非均勻性的影響有關；④采用振幅型譜比法，包括長周期S波與Ragleigh面波的振幅比和P/S譜比法；⑤還可以采用一些非線性方法進行識別，如遺傳BP網絡[11]，學習向量量化等方法。其中P/S型振幅譜比法是研究得最為深入和應用最廣泛的一個判別方法[12]，早期較多的應用于區分核爆炸和天然地震[13-15]，并取得了較好的效果。后期此方法也越來越多的應用于研究區分化學爆炸與天然地震方面，潘常周等[16]研究了P/S震相幅值比在低震級地震事件檢驗中的適用性。王婷婷等[9]對地震和爆破的綜合識別方法進行了研究，結果表明振幅比的識別效果較好，識別率達到了92%。

1 事件波形分析

對響水爆炸事件地震波形進行了分析，爆炸被多個地震臺記錄到，選取地震記錄中幾個臺站的Z分向記錄，按震中距排序（圖1）。從圖中能看到一個明顯的震相，經計算得出此震相速度約為6.3 km/s。對地震記錄進行0.2—2 Hz濾波，再按震中距排序（圖2）。從圖中可以看出一段較明顯的震相，經計算群速度在2.2—4.1 km/s之間。從地震記錄初步來看，響水爆炸波形與普通爆破波形更接近，與2015年8·12天津濱海爆炸相比，此事件的震相相對單一，只有明顯的Pg、Sg和面波。之后對記錄較好的幾個臺站的Z分向做了頻譜分析，發現響水爆炸有兩段主頻，一段在0.2—2 Hz之間，一段在3—20 Hz之間（圖3）。對于震源深度較淺的天然地震，其波形也有類似的情形，在距離震中較近的地震記錄中就可看到面波，所以單純從波形記錄來區分爆炸與天然地震可信度不高，鑒于此，本文使用頻譜分析的方法對此事件進行了研究和識別。

圖1 響水爆炸Z分向到時隨震中距變化圖Fig. 1 Variation diagram of Z direction of Xiangshui blast with epicentral distance

圖2 圖1濾波后到時隨震中距變化圖Fig. 2 Time variation with epicentral distance after filtering

圖3 響水爆炸地震記錄Z分量頻譜Fig. 3 Spectrum of Z component of the seismic record at Xiangshui blast

2 P/S譜比法理論簡介

P/S譜比法是利用爆炸源與天然地震震源機制的不同對其進行區分的一種方法。爆炸事件一般為球對稱的壓力源，主要產生膨脹力，激發的P波能量較強，S波能量相對較弱，而天然地震以產生剪切走滑應力為主，并以S波形式輻射其大部分能量。P/S譜比法便是采用P型震相與S型震相在不同頻率頻帶內的振幅譜比值的差異來區分爆炸和天然地震的方法。這里，P型震相包括Pn、Pg震相，S型震相包括Sn、Sg、Lg震相。爆炸相對于天然地震，會有較高的P/S振幅比值（但結果會依賴于地區、振幅和所選擇的震相）。研究[13]表明，天然地震P/S振幅譜比小于1，而爆炸地震的振幅譜比會大于1。式（1）為P/S譜比法計算公式：

其中，S R為P/S振幅譜比，l1、l2為頻帶范圍，AP(f)、AS (f)分別為l1、l2頻率范圍內P波和S 波的振幅。

3 數據處理

為了更好地研究P/S譜比法對此事件的識別能力，選取2013年1月19日發生在江蘇灌云的ML3.9天然地震作為對比，此事件距離響水爆炸地點7 km左右，且震級相差不大，具有一定的對比性。圖4為兩次事件的地理位置及周圍臺站分布圖。查閱資料發現，2013—2019年間，有些臺站參數進行了部分調整，為了避免這些原因造成的影響，沒有使用這些臺站的數據。所選數據均為寬頻帶地震記錄，震中距范圍在0—200 km之間，采用垂直分向數據作為研究對象。

圖4 響水爆炸事件、江蘇灌云ML3.9天然地震及周邊臺站分布圖（紅色三角形表示爆炸所在位置，紅色五星表示天然地震所在位置）Fig. 4 Distribution map of Xiangshui blast event，ML3.9 earthquake in Guanyun，Jiangsu and the nearby stations（the red triangle represents the location of the blast and the red star represents the location of the earthquake）

對兩次事件的原始波形進行預處理，去除有質量問題、信噪比較小的波形記錄，對數據進行去儀器響應、去均值、去線性趨勢處理，采用0—15 Hz低通濾波器進行濾波處理。本文使用Pg震相和Sg震相分別作為P型震相和S型震相，爆炸事件中由于Sg震相較難拾取，截取群速度在3.5—4.1 km/s之間的數據作為S型震相，截取時間為10 s，對于震中距較小而震相數據不足10 s的，截取此震相的全部數據。為了避免截取引起的吉普斯效應，本文對截取數據加入10%的余弦瓣。

4 結果及分析

圖5列出了爆炸事件與天然地震事件中XW、GUY兩個臺站的振幅譜，從圖中可以看出，爆炸信號（圖5a，5c）的P型振幅譜在2—20 Hz頻率范圍內要明顯高于S型振幅譜，而對于天然地震事件（圖5b，5d）的P型振幅譜在此范圍內要明顯低于S型振幅譜。之后按照式（1）的方法計算兩次事件的P/S譜比值，圖6為響水爆炸的計算結果，圖7為爆炸事件與天然地震事件的對比結果。

圖5 （a，c）為XW、GUY兩個臺站接收到的爆炸事件的Pg、Sg及噪聲的振幅譜；（b，d）為XW、GUY兩個臺站接收到的天然地震中的Pg、Lg及噪聲的振幅譜Fig. 5 （a，c）are amplitude spectrum of Pg，Sg and noise received by XW and GUY stations；（c，d）are amplitude spectrum of Pg，Lg and noise received by XW and GUY stations

從圖6的結果中可以看出，在頻率大于3.5 Hz時，爆炸事件的譜比結果幾乎全部分布在“0”線以上，且只有RZH臺在2—4 Hz的頻率范圍內結果不佳。從圖7中可以看出，爆炸事件與天然地震事件的P/S振幅譜比值的對數明顯分布在“0”線兩側。可以說P/S譜比法能有效將兩次事件區分開來，具有較好的區分性。在頻率大于3 Hz時，P/S譜比法對于爆炸的識別效果較好。頻率在2—15 Hz范圍內，90%以上的臺站，爆炸P/S譜比大于1，天然地震這一值小于1，而在4—15 Hz范圍內，這一結果達到了100%。

圖6 響水爆炸事件中幾個臺站在不同頻率的Pg/Sg型振幅譜比值（其中縱坐標為Pg/Sg振幅譜比值的對數）Fig. 6 Pg/Sg amplitude spectrum ratios at different frequencies for several stations in Xiangshui blast （the ordinate is the logarithm of the ratio of Pg/Sg amplitude spectrum）

圖7 兩次事件中Pg/Sg型振幅譜比對比圖（其中縱坐標為Pg/Sg振幅譜比值的對數，圓形表示響水爆炸事件中各臺站在不同頻段上的Pg/Sg譜比情況；十字形表示灌云天然地震事件中各臺站在不同頻段上的Pg/Sg譜比情況）Fig. 7 Pg/Sg type amplitude spectrum ratio comparison graph for the two events（the ordinate is the logarithm of the ratio of Pg/Sg amplitude spectrum；circle represents the Pg/Sg spectrum ratio of each station at different frequency bands in the Xiangshui blast event；cross shape represents the Pg/Sg spectrum ratio of each station at different frequency bands in earthquake event of Guanyun）

從結果圖中也可以看出，天然地震中某些臺站在某些頻段效果不好，其譜比值大于1。為此本文做了進一步研究，用此方法分析了本地區的其他幾個天然地震事件，詳細信息見表1。發現P/S振幅譜比結果會受到信噪比的影響。同時距離震中較遠的臺站記錄效果不好，可能由于能量較小，對于2012年1月19日天然地震，當震中距到一定距離后，譜比結果都不理想。會受到幾個因素的影響：①波形截取時間長短的影響，當截取時間較長，包含的頻譜分量較多時，P/S譜比表現較好，而截取時間較短時相反。②震級大小的影響，當地震震級較大時，計算結果會偏好。③與具體臺站有關，有些臺站的地震記錄得到的結果總是不理想，不管是信噪比高低，對于較小地震還是對于較大地震，也不管是對于爆破事件還是天然地震事件，都是如此。如2013年1月19日響水天然地震中，HUA臺信噪比很好（圖8），但是其譜比值也很差，同樣這個臺在響水爆炸事件中的識別效果也不好。在此基礎上，本文考慮將所有臺站在各個頻段的譜比值按事件取平均值，其結果如圖9所示。從圖9可以看出，當頻率大于1 Hz時，此方法對兩種事件的拾取精度達到了100%。

表1 響水爆炸周圍天然事件詳細信息Table 1 Detailed information about earthquake surrounding the Xiangshui explosion

圖8 HUA臺站接收爆炸事件Pg、Sg及噪聲的振幅譜Fig. 8 Amplitude spectrum of Pg，Sg and noise of explosion even received by HUA station

圖9 兩次事件中Pg/Sg型振幅譜比均值對比圖（其中縱坐標為Pg/Sg振幅譜比值的對數，圓形表示響水爆炸事件中各臺站在不同頻段上的Pg/Sg譜比情況；十字形表示灌云天然地震事件中各臺站在不同頻段上的Pg/Sg譜比情況）Fig. 9 The average of Pg/Sg type amplitude spectrum ratio comparison graph for the two events（the ordinate is the logarithm of the ratio of Pg/Sg amplitude spectrum；circle represents the Pg/Sg spectrum ratio of each station at different frequency bands in the Xiangshui blast event；cross shape represents the Pg/Sg spectrum ratio of each station at different frequency bands in earthquake event of Guanyun）

為了驗證此方法對地表爆炸的識別效果，本文又對2015年8月12日發生在天津港的爆炸進行了分析，同樣選取一天然地震事件作為對比，兩次事件的詳細信息如表2所示，天津臺網及臺站信息見許可等[17-18]的研究。用同樣方法對兩次事件進行處理計算，得出兩事件P/S譜比對比情況（圖10）。總體來說，此方法可以將爆炸事件與天然地震事件區分開來，尤其是對于爆炸事件，在頻率大于1 Hz時，P/S譜比值幾乎全部大于1。

總體來說，P/S譜比法可以較好地區分爆炸事件與天然地震事件，即使有些臺站的結果并不理想，但對于大多數臺站來說，還是可以很好地區分開兩種類型的事件。尤其是對于類似響水這樣的爆炸事件來說，在頻率大于3 Hz時，此方法能準確區分事件性質。

表2 天津港爆炸與周圍一天然事件詳細信息Table 2 Details of the Tianjin Port blast and an earthquake nearby

圖10 兩次事件中Pg/Sg型振幅譜比均值對比（其中縱坐標為Pg/Sg振幅譜比值的對數，圓形表示爆炸事件中各臺站在不同頻段上的Pg/Sg譜比情況；十字形表示天然地震事件中各臺站在不同頻段上的Pg/Sg譜比情況）Fig. 10 The average of Pg/Sg type amplitude spectrum ratio comparison graph for the two events（the ordinate is the logarithm of the ratio of Pg/Sg amplitude spectrum；circles represents the Pg/Sg spectrum ratio of each station at different frequency bands in the Tianjin port blast；crosses shape represents the Pg/Sg spectrum ratio of each station at different frequency bands in the earthquake of Tangshan）