李 曄 郭 巍 高 也 徐小遠(yuǎn) 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(fā)生爆炸，爆炸波及周邊16家企業(yè)及多處村莊，半徑500 m內(nèi)的房屋基本被毀。截止3月25日共造成78人遇難，被認(rèn)定為特別重大事故。此爆炸事故產(chǎn)生的地震波被江蘇省及其周圍省份地震臺(tái)網(wǎng)記錄到，這些臺(tái)站均為三分向?qū)掝l帶數(shù)字地震計(jì)。經(jīng)地震定位得出此次爆炸發(fā)生時(shí)間為14:48:44，震中經(jīng)緯度（34.34°N，119.78°E），事件能量相當(dāng)于天然地震近震震級(jí)（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(xiàn)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(xì)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(chǎn)生的沖擊波與地面耦合形成的。此震相的產(chǎn)生可能與區(qū)域地震計(jì)位置等條件有關(guān)。

對(duì)于地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的種類日益增多的非天然地震事件，有必要對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，其中爆炸和天然地震的區(qū)分一直是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容[7-10]。研究方法很多，較為經(jīng)典的識(shí)別方法主要有：①利用地震記錄波形的初動(dòng)方向來進(jìn)行識(shí)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(jí)與面波震級(jí)之比，此方法是利用爆炸與天然地震中產(chǎn)生的面波成分不同來進(jìn)行判斷，但對(duì)于震級(jí)較小的事件，識(shí)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(shí)別效果與地球介質(zhì)非均勻性的影響有關(guān)；④采用振幅型譜比法，包括長(zhǎng)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(jìn)行識(shí)別，如遺傳BP網(wǎng)絡(luò)[11]，學(xué)習(xí)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(yīng)用最廣泛的一個(gè)判別方法[12]，早期較多的應(yīng)用于區(qū)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(yīng)用于研究區(qū)分化學(xué)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(jí)地震事件檢驗(yàn)中的適用性。王婷婷等[9]對(duì)地震和爆破的綜合識(shí)別方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明振幅比的識(shí)別效果較好，識(shí)別率達(dá)到了92%。

1 事件波形分析

對(duì)響水爆炸事件地震波形進(jìn)行了分析，爆炸被多個(gè)地震臺(tái)記錄到，選取地震記錄中幾個(gè)臺(tái)站的Z分向記錄，按震中距排序（圖1）。從圖中能看到一個(gè)明顯的震相，經(jīng)計(jì)算得出此震相速度約為6.3 km/s。對(duì)地震記錄進(jìn)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(jīng)計(jì)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?yàn)I海爆炸相比，此事件的震相相對(duì)單一，只有明顯的Pg、Sg和面波。之后對(duì)記錄較好的幾個(gè)臺(tái)站的Z分向做了頻譜分析，發(fā)現(xiàn)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(duì)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(qū)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(duì)此事件進(jìn)行了研究和識(shí)別。

圖1 響水爆炸Z分向到時(shí)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(shí)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(jiǎn)介

P/S譜比法是利用爆炸源與天然地震震源機(jī)制的不同對(duì)其進(jìn)行區(qū)分的一種方法。爆炸事件一般為球?qū)ΨQ的壓力源，主要產(chǎn)生膨脹力，激發(fā)的P波能量較強(qiáng)，S波能量相對(duì)較弱，而天然地震以產(chǎn)生剪切走滑應(yīng)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(nèi)的振幅譜比值的差異來區(qū)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(duì)于天然地震，會(huì)有較高的P/S振幅比值（但結(jié)果會(huì)依賴于地區(qū)、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(huì)大于1。式（1）為P/S譜比法計(jì)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(nèi)P波和S 波的振幅。

3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地研究P/S譜比法對(duì)此事件的識(shí)別能力，選取2013年1月19日發(fā)生在江蘇灌云的ML3.9天然地震作為對(duì)比，此事件距離響水爆炸地點(diǎn)7 km左右，且震級(jí)相差不大，具有一定的對(duì)比性。圖4為兩次事件的地理位置及周圍臺(tái)站分布圖。查閱資料發(fā)現(xiàn)，2013—2019年間，有些臺(tái)站參數(shù)進(jìn)行了部分調(diào)整，為了避免這些原因造成的影響，沒有使用這些臺(tái)站的數(shù)據(jù)。所選數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

圖4 響水爆炸事件、江蘇灌云ML3.9天然地震及周邊臺(tái)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(duì)兩次事件的原始波形進(jìn)行預(yù)處理，去除有質(zhì)量問題、信噪比較小的波形記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去儀器響應(yīng)、去均值、去線性趨勢(shì)處理，采用0—15 Hz低通濾波器進(jìn)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(shù)據(jù)作為S型震相，截取時(shí)間為10 s，對(duì)于震中距較小而震相數(shù)據(jù)不足10 s的，截取此震相的全部數(shù)據(jù)。為了避免截取引起的吉普斯效應(yīng)，本文對(duì)截取數(shù)據(jù)加入10%的余弦瓣。

4 結(jié)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(gè)臺(tái)站的振幅譜，從圖中可以看出，爆炸信號(hào)（圖5a，5c）的P型振幅譜在2—20 Hz頻率范圍內(nèi)要明顯高于S型振幅譜，而對(duì)于天然地震事件（圖5b，5d）的P型振幅譜在此范圍內(nèi)要明顯低于S型振幅譜。之后按照式（1）的方法計(jì)算兩次事件的P/S譜比值，圖6為響水爆炸的計(jì)算結(jié)果，圖7為爆炸事件與天然地震事件的對(duì)比結(jié)果。

圖5 （a，c）為XW、GUY兩個(gè)臺(tái)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(gè)臺(tái)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(jié)果中可以看出，在頻率大于3.5 Hz時(shí)，爆炸事件的譜比結(jié)果幾乎全部分布在“0”線以上，且只有RZH臺(tái)在2—4 Hz的頻率范圍內(nèi)結(jié)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(duì)數(shù)明顯分布在“0”線兩側(cè)?？梢哉fP/S譜比法能有效將兩次事件區(qū)分開來，具有較好的區(qū)分性。在頻率大于3 Hz時(shí)，P/S譜比法對(duì)于爆炸的識(shí)別效果較好。頻率在2—15 Hz范圍內(nèi)，90%以上的臺(tái)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(nèi)，這一結(jié)果達(dá)到了100%。

圖6 響水爆炸事件中幾個(gè)臺(tái)站在不同頻率的Pg/Sg型振幅譜比值（其中縱坐標(biāo)為Pg/Sg振幅譜比值的對(duì)數(shù)）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(duì)比圖（其中縱坐標(biāo)為Pg/Sg振幅譜比值的對(duì)數(shù)，圓形表示響水爆炸事件中各臺(tái)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(tái)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(jié)果圖中也可以看出，天然地震中某些臺(tái)站在某些頻段效果不好，其譜比值大于1。為此本文做了進(jìn)一步研究，用此方法分析了本地區(qū)的其他幾個(gè)天然地震事件，詳細(xì)信息見表1。發(fā)現(xiàn)P/S振幅譜比結(jié)果會(huì)受到信噪比的影響。同時(shí)距離震中較遠(yuǎn)的臺(tái)站記錄效果不好，可能由于能量較小，對(duì)于2012年1月19日天然地震，當(dāng)震中距到一定距離后，譜比結(jié)果都不理想。會(huì)受到幾個(gè)因素的影響：①波形截取時(shí)間長(zhǎng)短的影響，當(dāng)截取時(shí)間較長(zhǎng)，包含的頻譜分量較多時(shí)，P/S譜比表現(xiàn)較好，而截取時(shí)間較短時(shí)相反。②震級(jí)大小的影響，當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)偏好。③與具體臺(tái)站有關(guān)，有些臺(tái)站的地震記錄得到的結(jié)果總是不理想，不管是信噪比高低，對(duì)于較小地震還是對(duì)于較大地震，也不管是對(duì)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(tái)信噪比很好（圖8），但是其譜比值也很差，同樣這個(gè)臺(tái)在響水爆炸事件中的識(shí)別效果也不好。在此基礎(chǔ)上，本文考慮將所有臺(tái)站在各個(gè)頻段的譜比值按事件取平均值，其結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)頻率大于1 Hz時(shí)，此方法對(duì)兩種事件的拾取精度達(dá)到了100%。

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

圖8 HUA臺(tái)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(duì)比圖（其中縱坐標(biāo)為Pg/Sg振幅譜比值的對(duì)數(shù)，圓形表示響水爆炸事件中各臺(tái)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(tái)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(yàn)證此方法對(duì)地表爆炸的識(shí)別效果，本文又對(duì)2015年8月12日發(fā)生在天津港的爆炸進(jìn)行了分析，同樣選取一天然地震事件作為對(duì)比，兩次事件的詳細(xì)信息如表2所示，天津臺(tái)網(wǎng)及臺(tái)站信息見許可等[17-18]的研究。用同樣方法對(duì)兩次事件進(jìn)行處理計(jì)算，得出兩事件P/S譜比對(duì)比情況（圖10）?？傮w來說，此方法可以將爆炸事件與天然地震事件區(qū)分開來，尤其是對(duì)于爆炸事件，在頻率大于1 Hz時(shí)，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(qū)分爆炸事件與天然地震事件，即使有些臺(tái)站的結(jié)果并不理想，但對(duì)于大多數(shù)臺(tái)站來說，還是可以很好地區(qū)分開兩種類型的事件。尤其是對(duì)于類似響水這樣的爆炸事件來說，在頻率大于3 Hz時(shí)，此方法能準(zhǔn)確區(qū)分事件性質(zhì)。

表2 天津港爆炸與周圍一天然事件詳細(xì)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(duì)比（其中縱坐標(biāo)為Pg/Sg振幅譜比值的對(duì)數(shù)，圓形表示爆炸事件中各臺(tái)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(tái)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）