北京時間2019年3月21日14時48分44秒，江蘇省鹽城市響水縣化工廠發(fā)生爆炸事故，位于34.334°N 119.776°E，引發(fā)地震事件（圖1）。中國地震臺網(wǎng)報道此次事件的震級為2.2，震源深度為0 km。根據(jù)政府部門的事故調(diào)查報告，該爆炸系由存貯在廠區(qū)內(nèi)的600 t (噸)硝化廢料導(dǎo)致自燃進(jìn)而引發(fā)的爆炸事故，毀傷半徑約為300 m；爆炸沖擊波造成周邊建筑、門窗及玻璃受損，嚴(yán)重受損半徑約為2 km；爆炸形成了直徑約為120 m的圓形深坑，深1.7 m；北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室和中國兵器工業(yè)集團(tuán)二一七研究所采用經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬方法，獲得此次爆炸事故的總能量約為260 t TNT當(dāng)量。此次爆炸事件產(chǎn)生了廣泛影響，同時也留下了大量觀測數(shù)據(jù)，為利用地震學(xué)方法檢測爆炸事件屬性以及測量有關(guān)爆炸參數(shù)提供了條件。
圖1 江蘇響水爆炸（紅色實心五角星）位置圖，同時包括在其中的還有2次鄰近的化學(xué)爆炸（紅色十字絲）、4次天然地震（藍(lán)色實心圓）和中國國家數(shù)字地震臺網(wǎng)、全球地震臺網(wǎng)、日本F-net臺網(wǎng)的臺站位置（黑色實心三角形）。各次事件在臺站XZ（綠色三角形）產(chǎn)生的地震記錄在圖2中進(jìn)行了比較。插入小圖標(biāo)明了研究區(qū)域的地理位置。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室地震學(xué)學(xué)科組的博士研究生宋怡杉、導(dǎo)師趙連鋒研究員、美國加州大學(xué)圣克魯茲分校的謝小碧研究員與其他合作者一起，根據(jù)中國國家地震臺網(wǎng)、全球地震臺網(wǎng)和日本F-NET臺網(wǎng)記錄到的區(qū)域波形資料，包括來自江蘇響水爆炸、2個已知參數(shù)的化學(xué)爆炸和4個鄰近天然地震事件的140個數(shù)字臺站獲得的703個寬頻帶垂直分量地震圖（圖2），使用中國華北地區(qū)寬頻帶高分辨率的Lg波衰減模型（圖3），調(diào)查了這些事件的地震學(xué)特征，檢測了地震學(xué)監(jiān)測方法，包括震級測定、爆炸當(dāng)量估計和屬性鑒別等方法的區(qū)域依賴性。
圖2 江蘇響水爆炸（紅色），2次鄰近化學(xué)爆炸（綠色）和4次天然地震（黑色）在臺站XZ的垂直分量速度記錄比較。其中，事件起始時間、最大振幅值和震中距離列于左側(cè)，波形上的豎線表示群速度值。
圖3 地殼Lg波Q值分布圖。
結(jié)果表明，江蘇響水化工廠爆炸事件的體波震級mb(Lg)=3.39±0.24，面波震級為Ms=1.95±0.27。根據(jù)完全耦合埋藏震源的震級-當(dāng)量公式得到江蘇響水化學(xué)爆炸的地震學(xué)當(dāng)量為133 t。考慮到響水爆炸事故并非由埋藏震源造成，同時根據(jù)化工廢料因緊貼地表堆放取其中心為爆炸高度0.1 m，爆炸產(chǎn)生的爆坑直徑為120 m，根據(jù)爆坑直徑與爆炸當(dāng)量的經(jīng)驗關(guān)系獲得響水爆炸的當(dāng)量為492 t（圖4）?？紤]到這次爆炸的震源形式，顯然后者更為接近實際。
圖4 當(dāng)量估計的經(jīng)驗關(guān)系式。 (a)震級與當(dāng)量的經(jīng)驗公式。(b)爆坑直徑與當(dāng)量的經(jīng)驗關(guān)系。其中，實線是實驗數(shù)據(jù)支持的部分，虛線是根據(jù)實驗觀測向外拓展所獲得的關(guān)系曲線。
為了檢測爆炸與天然地震的識別方法，我們比較了江蘇響水化工爆炸與4次鄰近天然地震的頻譜特征。根據(jù)大陸路徑臺站的垂直位移記錄，計算了各臺Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn的傅立葉頻譜比，并求取了臺網(wǎng)平均值。結(jié)果表明，江蘇響水爆炸與鄰近的4次地震事件頻譜比特征差異明顯，可清晰地分為兩個群組。通過進(jìn)一步將華東地區(qū)的結(jié)果與中國西北和東北地區(qū)的類似結(jié)果進(jìn)行比較可以得到：利用經(jīng)臺網(wǎng)平均的頻譜比值鑒別爆炸與地震的方法，不僅適用于響水爆炸，而且能夠清晰識別俄羅斯塞米巴拉金斯克核試驗場和朝鮮核試驗場的核爆事件和鄰近的化學(xué)爆炸事件（圖5）。
圖5 中國不同地區(qū)和不同類型震源經(jīng)臺網(wǎng)平均的譜比值Pg/Lg、Pn/Lg和Pn/Sn的比較。(a-c)華東地區(qū)響水爆炸和2次化學(xué)爆炸（紫線）與4次天然地震事件（藍(lán)線）；(d-f)西北地區(qū)記錄到的5次塞米巴拉金斯克核試驗（紅線）、13次化學(xué)爆炸（紫線）和6次天然地震事件（藍(lán)線）；(g-i)東北地區(qū)記錄到的6次朝鮮地下核試驗（紅線）、3次化學(xué)爆炸（紫線）和4次天然地震事件（藍(lán)線）。
研究成果發(fā)表于國際地學(xué)學(xué)術(shù)期刊GJI (宋怡杉，趙連鋒*，謝小碧，馬瀟，杜桂林，田曉峰，姚振興. Seismological observations on the 2019 March 21 accidental explosion at Xiangshui chemical plant in Jiangsu, China, Geophysical Journal International, 2022, 228 (1), 538–550, https://doi.org/10.1093/gji/ggab356 )。本項研究由中國地震科學(xué)實驗場 (2019CSES0103, 2016CESE0203)，國家自然科學(xué)基金 (41630210, 41674060, 41974054, 41974061)提供資助。