當(dāng)?shù)貢r(shí)間2020年8月4日下午，黎巴嫩首都貝魯特港區(qū)一倉庫發(fā)生劇烈化學(xué)爆炸。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局報(bào)道，該事件的發(fā)震時(shí)刻為UTC時(shí)間2020年8月4日15時(shí)8分18秒，震源深度0千米，震中位于北緯33.901度，東經(jīng)35.519度(圖1) ，爆炸引起的震動(dòng)相當(dāng)于一次ML3.3級地震。此次爆炸事件產(chǎn)生了廣泛影響，同時(shí)也留下大量觀測數(shù)據(jù)，為利用地震學(xué)方法檢測爆炸事件屬性及測量有關(guān)爆炸參數(shù)提供了條件。
圖1 黎巴嫩及周邊地區(qū)地圖，其中包括貝魯特爆炸爆心位置（紅色五角星）、鄰近的4次天然地震（橙色圓）和研究中使用的寬頻帶地震臺(tái)站的位置（黑色三角形）。右下角小圖顯示了研究區(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院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地震學(xué)學(xué)科組的博士研究生張蕾、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)德國地學(xué)研究中心運(yùn)營的全球地震寬頻帶臺(tái)網(wǎng)和美國地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)的全球地震臺(tái)網(wǎng)提供的76個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站記錄到的黎巴嫩爆炸和4個(gè)鄰近天然地震事件的區(qū)域波形資料(圖2)，使用中東地區(qū)寬頻帶高分辨率的Lg波衰減模型，調(diào)查了此次爆炸事件的地震學(xué)特征，檢驗(yàn)了地震學(xué)監(jiān)測方法，包括震級測定、爆炸當(dāng)量估計(jì)和屬性鑒別等方法的區(qū)域依賴性。同時(shí)將結(jié)果與其他類似爆炸事件和一些天然地震的特征進(jìn)行了比較。
結(jié)果表明，貝魯特爆炸事件的體波震級為mb(Lg)=3.30±0.46。如果采用完全耦合的埋藏震源的震級與爆炸當(dāng)量之間的公式可得貝魯特爆炸的當(dāng)量僅為112 t（噸）?？紤]到由存放在地表倉庫中的易爆物引起的爆炸與埋藏震源差別甚大，我們采用了爆炸當(dāng)量與爆坑直徑之間的經(jīng)驗(yàn)公式。取爆炸物質(zhì)心高度為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(yàn)關(guān)系獲得貝魯特爆炸的當(dāng)量為1220 t。考慮到這次爆炸的震源形式，顯然后者更為接近實(shí)際。我們也采用相同方法計(jì)算了發(fā)生在江蘇響水和天津港兩次化學(xué)爆炸的當(dāng)量，其中江蘇響水爆炸因?yàn)楸ㄎ锞o貼地表取爆炸物質(zhì)心高度為0.1 m，爆炸產(chǎn)生的爆坑直徑為120 m，天津港爆炸取爆炸物質(zhì)心高度為0.5 m，爆炸產(chǎn)生的爆坑直徑為97 m。 由此得到兩次爆炸的當(dāng)量分別為492 t和750 t，與國務(wù)院事故調(diào)查組提供的實(shí)際爆炸物數(shù)量接近，說明本研究所使用的方法對于近地表化學(xué)爆炸當(dāng)量估計(jì)的可靠性(圖3)。
圖2 貝魯特化學(xué)爆炸（紅色）與天然地震（黑色）在GE.EIL臺(tái)站記錄到的垂直分量速度波形的特征。
圖3 貝魯特、江蘇響水和天津化學(xué)爆炸的記錄波形以及爆炸產(chǎn)生爆坑的比較。爆坑直徑顯示在圖中。
為了檢驗(yàn)爆炸與天然地震的識(shí)別方法，我們比較了貝魯特爆炸與4次鄰近天然地震的頻譜特征。根據(jù)大陸路徑臺(tái)站的垂直位移記錄，計(jì)算了各臺(tái)Pg/Lg，Pn/Lg和Pn/Sn的傅立葉頻譜比，并求取了臺(tái)網(wǎng)平均值。結(jié)果表明，貝魯特爆炸與鄰近4次地震事件的頻譜比存在顯著差異，特征明顯，可清晰地區(qū)分為兩個(gè)群組(圖4)。將上述結(jié)果進(jìn)一步與2015年8月12日天津港化學(xué)爆炸、2019年江蘇響水化學(xué)爆炸、2018年中國西北地區(qū)13次2噸化學(xué)爆炸和2006年至2017年間朝鮮六次地下核爆炸的區(qū)域P/S譜比數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)區(qū)域P/S譜比結(jié)果與震源的各向同性程度密切相關(guān)。核爆的各向同性程度最高，化學(xué)爆炸次之，天然地震最低。我們提出一種歸一化的比較方法，使用小當(dāng)量化學(xué)爆炸的P/S譜比曲線對P/S振幅譜比曲線進(jìn)行歸一，并且在3.0-6.0, 6.0-9.0, 和9.0-15.0 Hz三個(gè)頻段中計(jì)算平均值，發(fā)現(xiàn)以歸一處理后的小當(dāng)量化學(xué)爆炸為界，以上為爆炸事件，以下為天然地震事件，建立了鑒別天然地震和核爆的新標(biāo)準(zhǔn) (圖5)。
圖4 貝魯特爆炸以及鄰近4個(gè)天然地震的區(qū)域震相譜比值Pg/Lg、Pn/Lg和Pn/Sn的比較。(a)-(c)貝魯特爆炸(紅色)與發(fā)生在2020年11月26日一個(gè)天然地震(黑色)單臺(tái)觀測譜比值和臺(tái)網(wǎng)平均譜比值的對比。(d)-(f)貝魯特爆炸與4個(gè)地震事件的臺(tái)網(wǎng)平均譜比值。
圖5 不同類型爆炸事件和天然地震的歸一化頻譜比的比較。(a)-(c)朝鮮核爆(綠色圓圈)、天津爆炸(淺紅色三角形)、江蘇響水爆炸(深紅色三角形)、貝魯特爆炸(棕紅色三角形)、新疆小當(dāng)量化學(xué)爆炸(灰色菱形)和天然地震(藍(lán)色正方形)的Pg/Lg, Pn/Lg和Pn/Sn頻譜比，所有觀測經(jīng)新疆小當(dāng)量化學(xué)爆炸的頻譜值進(jìn)行了歸一。(d)-(f)在3.0-6.0, 6.0-9.0, 和9.0-15.0 Hz頻段對歸一化的譜比值得到的平均值，圖例與(a)-(c)相同。
研究成果發(fā)表于國際地學(xué)學(xué)術(shù)期刊SRL(張蕾，趙連鋒*，謝小碧，何熹，姚振興. Yield estimation and event discrimination of the 4 August 2020 Beirut chemical explosion. Seismological Research Letter, 2022, doi: 10.1785/0220210363)。本項(xiàng)研究由國家自然科學(xué)基金(41974061, 41974054, U2139206和42104055)和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2017YFC060106)資助。