3·21响水爆炸的地震学分析及谱比法研究＊

李 晔 郭 巍 高 也 徐小远 王熠熙 柳艳丽

（天津市地震局，天津 300010）

引言

2019年3月21日江苏响水天嘉宜化工厂发生爆炸，爆炸波及周边16家企业及多处村庄，半径500 m内的房屋基本被毁。截止3月25日共造成78人遇难，被认定为特别重大事故。此爆炸事故产生的地震波被江苏省及其周围省份地震台网记录到，这些台站均为三分向宽频带数字地震计。经地震定位得出此次爆炸发生时间为14:48:44，震中经纬度（34.34°N，119.78°E），事件能量相当于天然地震近震震级（ML）2.7。此事件是继2015年8月12日滨海爆炸[1-3]后又一次较大爆炸事故。两次事件尽管都为近地表爆炸，但从地震记录上来看，响水3·21爆炸更像是一次普通的爆破地震，没有出现8·12爆炸中那样的空气声波-地面耦合的低频Rayleigh波震相，此震相的详细研究见Murphy等的文章[4]，研究[5-6]表明此震相速度较低，是爆炸产生的冲击波与地面耦合形成的。此震相的产生可能与区域地震计位置等条件有关。

对于地震台网记录到的种类日益增多的非天然地震事件，有必要对其进行区分，其中爆炸和天然地震的区分一直是一个重要的研究内容[7-10]。研究方法很多，较为经典的识别方法主要有：①利用地震记录波形的初动方向来进行识别，此方法精度受噪声干扰影响较大，且非唯一；②利用体波震级与面波震级之比，此方法是利用爆炸与天然地震中产生的面波成分不同来进行判断，但对于震级较小的事件，识别效果不佳；③利用高低频地震波振幅谱比值和频率三次矩，此方法的识别效果与地球介质非均匀性的影响有关；④采用振幅型谱比法，包括长周期S波与Ragleigh面波的振幅比和P/S谱比法；⑤还可以采用一些非线性方法进行识别，如遗传BP网络[11]，学习向量量化等方法。其中P/S型振幅谱比法是研究得最为深入和应用最广泛的一个判别方法[12]，早期较多的应用于区分核爆炸和天然地震[13-15]，并取得了较好的效果。后期此方法也越来越多的应用于研究区分化学爆炸与天然地震方面，潘常周等[16]研究了P/S震相幅值比在低震级地震事件检验中的适用性。王婷婷等[9]对地震和爆破的综合识别方法进行了研究，结果表明振幅比的识别效果较好，识别率达到了92%。

1 事件波形分析

对响水爆炸事件地震波形进行了分析，爆炸被多个地震台记录到，选取地震记录中几个台站的Z分向记录，按震中距排序（图1）。从图中能看到一个明显的震相，经计算得出此震相速度约为6.3 km/s。对地震记录进行0.2—2 Hz滤波，再按震中距排序（图2）。从图中可以看出一段较明显的震相，经计算群速度在2.2—4.1 km/s之间。从地震记录初步来看，响水爆炸波形与普通爆破波形更接近，与2015年8·12天津滨海爆炸相比，此事件的震相相对单一，只有明显的Pg、Sg和面波。之后对记录较好的几个台站的Z分向做了频谱分析，发现响水爆炸有两段主频，一段在0.2—2 Hz之间，一段在3—20 Hz之间（图3）。对于震源深度较浅的天然地震，其波形也有类似的情形，在距离震中较近的地震记录中就可看到面波，所以单纯从波形记录来区分爆炸与天然地震可信度不高，鉴于此，本文使用频谱分析的方法对此事件进行了研究和识别。

图1 响水爆炸Z分向到时随震中距变化图Fig. 1 Variation diagram of Z direction of Xiangshui blast with epicentral distance

图2 图1滤波后到时随震中距变化图Fig. 2 Time variation with epicentral distance after filtering

图3 响水爆炸地震记录Z分量频谱Fig. 3 Spectrum of Z component of the seismic record at Xiangshui blast

2 P/S谱比法理论简介

P/S谱比法是利用爆炸源与天然地震震源机制的不同对其进行区分的一种方法。爆炸事件一般为球对称的压力源，主要产生膨胀力，激发的P波能量较强，S波能量相对较弱，而天然地震以产生剪切走滑应力为主，并以S波形式辐射其大部分能量。P/S谱比法便是采用P型震相与S型震相在不同频率频带内的振幅谱比值的差异来区分爆炸和天然地震的方法。这里，P型震相包括Pn、Pg震相，S型震相包括Sn、Sg、Lg震相。爆炸相对于天然地震，会有较高的P/S振幅比值（但结果会依赖于地区、振幅和所选择的震相）。研究[13]表明，天然地震P/S振幅谱比小于1，而爆炸地震的振幅谱比会大于1。式（1）为P/S谱比法计算公式：

其中，S R为P/S振幅谱比，l1、l2为频带范围，AP(f)、AS (f)分别为l1、l2频率范围内P波和S 波的振幅。

3 数据处理

为了更好地研究P/S谱比法对此事件的识别能力，选取2013年1月19日发生在江苏灌云的ML3.9天然地震作为对比，此事件距离响水爆炸地点7 km左右，且震级相差不大，具有一定的对比性。图4为两次事件的地理位置及周围台站分布图。查阅资料发现，2013—2019年间，有些台站参数进行了部分调整，为了避免这些原因造成的影响，没有使用这些台站的数据。所选数据均为宽频带地震记录，震中距范围在0—200 km之间，采用垂直分向数据作为研究对象。

图4 响水爆炸事件、江苏灌云ML3.9天然地震及周边台站分布图（红色三角形表示爆炸所在位置，红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）

对两次事件的原始波形进行预处理，去除有质量问题、信噪比较小的波形记录，对数据进行去仪器响应、去均值、去线性趋势处理，采用0—15 Hz低通滤波器进行滤波处理。本文使用Pg震相和Sg震相分别作为P型震相和S型震相，爆炸事件中由于Sg震相较难拾取，截取群速度在3.5—4.1 km/s之间的数据作为S型震相，截取时间为10 s，对于震中距较小而震相数据不足10 s的，截取此震相的全部数据。为了避免截取引起的吉普斯效应，本文对截取数据加入10%的余弦瓣。

4 结果及分析

图5列出了爆炸事件与天然地震事件中XW、GUY两个台站的振幅谱，从图中可以看出，爆炸信号（图5a，5c）的P型振幅谱在2—20 Hz频率范围内要明显高于S型振幅谱，而对于天然地震事件（图5b，5d）的P型振幅谱在此范围内要明显低于S型振幅谱。之后按照式（1）的方法计算两次事件的P/S谱比值，图6为响水爆炸的计算结果，图7为爆炸事件与天然地震事件的对比结果。

图5 （a，c）为XW、GUY两个台站接收到的爆炸事件的Pg、Sg及噪声的振幅谱；（b，d）为XW、GUY两个台站接收到的天然地震中的Pg、Lg及噪声的振幅谱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

从图6的结果中可以看出，在频率大于3.5 Hz时，爆炸事件的谱比结果几乎全部分布在“0”线以上，且只有RZH台在2—4 Hz的频率范围内结果不佳。从图7中可以看出，爆炸事件与天然地震事件的P/S振幅谱比值的对数明显分布在“0”线两侧。可以说P/S谱比法能有效将两次事件区分开来，具有较好的区分性。在频率大于3 Hz时，P/S谱比法对于爆炸的识别效果较好。频率在2—15 Hz范围内，90%以上的台站，爆炸P/S谱比大于1，天然地震这一值小于1，而在4—15 Hz范围内，这一结果达到了100%。

图6 响水爆炸事件中几个台站在不同频率的Pg/Sg型振幅谱比值（其中纵坐标为Pg/Sg振幅谱比值的对数）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）

图7 两次事件中Pg/Sg型振幅谱比对比图（其中纵坐标为Pg/Sg振幅谱比值的对数，圆形表示响水爆炸事件中各台站在不同频段上的Pg/Sg谱比情况；十字形表示灌云天然地震事件中各台站在不同频段上的Pg/Sg谱比情况）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）

从结果图中也可以看出，天然地震中某些台站在某些频段效果不好，其谱比值大于1。为此本文做了进一步研究，用此方法分析了本地区的其他几个天然地震事件，详细信息见表1。发现P/S振幅谱比结果会受到信噪比的影响。同时距离震中较远的台站记录效果不好，可能由于能量较小，对于2012年1月19日天然地震，当震中距到一定距离后，谱比结果都不理想。会受到几个因素的影响：①波形截取时间长短的影响，当截取时间较长，包含的频谱分量较多时，P/S谱比表现较好，而截取时间较短时相反。②震级大小的影响，当地震震级较大时，计算结果会偏好。③与具体台站有关，有些台站的地震记录得到的结果总是不理想，不管是信噪比高低，对于较小地震还是对于较大地震，也不管是对于爆破事件还是天然地震事件，都是如此。如2013年1月19日响水天然地震中，HUA台信噪比很好（图8），但是其谱比值也很差，同样这个台在响水爆炸事件中的识别效果也不好。在此基础上，本文考虑将所有台站在各个频段的谱比值按事件取平均值，其结果如图9所示。从图9可以看出，当频率大于1 Hz时，此方法对两种事件的拾取精度达到了100%。

表1 响水爆炸周围天然事件详细信息Table 1 Detailed information about earthquake surrounding the Xiangshui explosion

图8 HUA台站接收爆炸事件Pg、Sg及噪声的振幅谱Fig. 8 Amplitude spectrum of Pg，Sg and noise of explosion even received by HUA station

图9 两次事件中Pg/Sg型振幅谱比均值对比图（其中纵坐标为Pg/Sg振幅谱比值的对数，圆形表示响水爆炸事件中各台站在不同频段上的Pg/Sg谱比情况；十字形表示灌云天然地震事件中各台站在不同频段上的Pg/Sg谱比情况）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）

为了验证此方法对地表爆炸的识别效果，本文又对2015年8月12日发生在天津港的爆炸进行了分析，同样选取一天然地震事件作为对比，两次事件的详细信息如表2所示，天津台网及台站信息见许可等[17-18]的研究。用同样方法对两次事件进行处理计算，得出两事件P/S谱比对比情况（图10）。总体来说，此方法可以将爆炸事件与天然地震事件区分开来，尤其是对于爆炸事件，在频率大于1 Hz时，P/S谱比值几乎全部大于1。

总体来说，P/S谱比法可以较好地区分爆炸事件与天然地震事件，即使有些台站的结果并不理想，但对于大多数台站来说，还是可以很好地区分开两种类型的事件。尤其是对于类似响水这样的爆炸事件来说，在频率大于3 Hz时，此方法能准确区分事件性质。

表2 天津港爆炸与周围一天然事件详细信息Table 2 Details of the Tianjin Port blast and an earthquake nearby

图10 两次事件中Pg/Sg型振幅谱比均值对比（其中纵坐标为Pg/Sg振幅谱比值的对数，圆形表示爆炸事件中各台站在不同频段上的Pg/Sg谱比情况；十字形表示天然地震事件中各台站在不同频段上的Pg/Sg谱比情况）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）