地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (2): 541-550   PDF    
2019年3月江苏响水化工厂爆炸当量的估计
江文彬1, 陈颙1,2, 彭菲2     
1. 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210023;
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
摘要:2019年3月21日江苏盐城响水化工厂发生爆炸,造成了巨大的人员伤亡和财产损失.人们很关心这次爆炸的规模以及它相当于多大当量的炸药爆炸.随着观测资料的增多与地震学方法的发展,利用地震学方法估算爆炸当量成为可能.本文收集了广岛核爆事件、美国化学爆炸试验、长白山人工震源勘探、朝鲜六次核试爆资料和前人研究成果,讨论了爆炸当量与爆炸所产生地震震级的关系,计算了爆炸能量转换地震波能量的比例.当某次爆炸发生时,如果其产生的地震事件被台站记录到,我们可以估算地震波的能量.进而根据地震波能量在爆炸总能量中的比例,估算爆炸事件释放的能量.本研究估计江苏响水爆炸事故所释放炸药量约为2.8~8.5 t TNT炸药.
关键词: 响水化工厂爆炸      当量估计      地震波能量      地震震级     
The yield estimation of the explosion at the Xiangshui, Jiangsu chemical plant in March 2019
JIANG WenBin1, CHEN Yong1,2, PENG Fei2     
1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing 210023, China;
2. Institute of Earthquake Forecasting, CEA, Beijing 100036, China
Abstract: A chemical plant explosion occurred at Xiangshui County, Jiangsu Province, China on 21 March 2019, causing massive casualties and property losses. The magnitude of explosion is a highly concerned issue. With the increase of observational data and the development of seismology, it is possible to estimate the explosive equivalent using seismic methods. We collected data from the nuclear explosion of Hiroshima, chemical explosion tests in the United States, active source exploration in the Changbai Mountains, and six North Korea underground nuclear tests to explore the relationship between the explosion equivalent and the magnitude of earthquakes. Furthermore, we calculated the energy conversion ratio between the explosion and seismic waves. The energy of the seismic waves thus can be estimated if the seismograms generated from an explosion are recorded. Then, the energy released by the explosion can be estimated based on the proportion of the seismic energy in the total energy of the explosion. Based on this method, the explosive equivalent was estimated as between 2.8 tons and 8.5 tons of TNT.
Keywords: Xiangshui chemical plant explosion    Yield estimation    Seismic energy    Earthquake magnitude    
0 引言

2019年3月21日14时48分,位于江苏盐城响水化工园区的化学储罐发生爆炸,事故造成78人死亡,566人受伤,并对当地设施和环境造成严重的破坏(新华社).

爆炸产生的地下振动以地震波的形式向外传播,通过对江苏省地震监测台网和中国数字地震台网(CDSN)地震台记录到的地震波形数据进行分析可以确定爆炸发生的时间、地点和引发地震波的震级,同时可以将爆炸事件与天然地震事件区分,并估算此次爆炸的当量.当量是描述爆炸能量的重要参数.近几十年来,学者们对爆炸当量与造成的地震震级关系进行了大量研究(张成科等,2002林鑫和姚振兴,2016Murphy,1996Nuttli,1986Patton,1988Ringdal et al., 1992Zhang and Wen, 2013Zhao et al., 2008, 2012Stroujkova et al., 2015).最直接的资料来源就是核爆试验和化学爆炸.在核爆与化学爆炸的初始阶段,两者物理过程差异明显;而在两者后续产生地震波的阶段,从地震学角度讲几乎没有差别.在爆炸源区附近可以定义“弹性半径”,弹性半径之外应力-应变关系接近线性,弹性半径之内的震源过程和应力-应变关系都表现出高度非线性(吴忠良等,1994).从弹性半径处的震源出发,利用地震学理论和方法,可以研究与爆炸地震效应有关的理论和观测问题.

爆炸产生的能量只有小部分转化为地震波,通过地震波能量与总能量之比可定义“爆炸地震效率”.相同当量的化学爆炸与核爆相比,其耦合到地震波的能量更多(Bennett and Murphy, 1986).对地下核爆炸,其爆炸地震效率一般为0.1%~1%,而化学爆炸地震波转换效率一般较高,约为1%~3%.相对来说,爆炸地震效率与爆炸源所处物理环境密切相关,地下爆炸最大,地面爆炸次之,地上爆炸最小.

核武器作为一种战略威慑武器具有巨大的破坏力,自发明以来就备受国际社会关注.早期核试验一般在大气层中和水下进行.早期的核试验都在位置已知的试验场进行,且当量巨大,核爆产生的地震波被各国地震台网记录到,为核爆当量估算研究提供了大量资料.而且美苏两国曾公布过核爆当量,由此计算的远震体波震级-当量经验公式得以标定调整,经验关系较为准确(Marshall and Basham, 1973Ringdal et al., 1992).区别于早期大当量核试爆,近年来多进行小当量核试验,难以获得高信噪比的远震记录.因此利用区域台网观测记录进行核爆监测及估计当量成为热点(Zhang and Wen, 2013Zhao et al., 2008, 2012).

为了得到江苏响水化工厂爆炸当量,我们首先需要计算此次爆炸产生的地震波能量,再根据爆炸地震效率推算总爆炸当量.其中的重点和难点在于爆炸地震效率的计算.本文利用日本广岛核弹事件、美国佛蒙特州和新墨西哥州化学爆炸试验、长白山人工勘探震源试验和朝鲜地下核试验等资料,综合分析不同当量爆炸产生地震波的效率,最终估算出江苏响水化工爆炸当量.其中长白山人工地震勘探爆炸所引发的面波震级与江苏响水爆炸相近,美国新墨西哥州化学爆炸试验爆炸物高度与江苏响水爆炸相似,地质条件接近,因此有较大参考意义.针对爆炸转换地震波能量效率计算,我们采用面波震级MS计算地震波能量,除以爆炸总能量进而计算地震波能量转换比例.当爆炸总当量未知时(如朝鲜核试爆),我们还需要根据区域地震震级mb(Lg)推算爆炸总当量.

1 理论 1.1 地震波的能量Es与面波震级MS经验公式

自20世纪30年代起,地震学家们就对地震波能量与震级的关系进行探索.根据不同地区的地质条件划分,利用线性回归的原理,建立了很多种经验公式.在此我们采用Gutenberg和Richter(1956)更改后的经验公式.面波震级MS与地震波的能量Es(erg,1 erg = 1×10-7J)转换的经验公式(时振梁等,1990)为

(1)

1.2 爆炸地震效率

利用地震波信号测量爆炸当量,重要的问题是要了解地震信号在爆炸能量中究竟占多大的比例,也就是爆炸能量转化为地震波能量的比例是多少.爆炸地震效率可定义为地震波能量与爆炸总能量的比值(Haskell,1967Stroujkova et al., 2015):

(2)

其中,Et表示爆炸所产生的总能量.

根据Haskell(1967)的估计,只有很少一部分的爆炸能量辐射为地震波能量.能量转换效率取决于震源附近岩石物理属性、震源能量密度及爆炸持续时间.其中,花岗岩中地震波能量转换效率最高,达到3.7%;凝灰岩中效率为1.2%;沉积岩中效率只有0.1%.由于核爆伴随着极度的高温高压环境,大量爆炸能量转化为热能,核心区域的岩石在爆炸瞬间发生汽化、熔融及相变.因此通常情况下,化学爆炸的能量转换效率高于相同当量的核爆(Stroujkova et al., 2015).

美国和苏联等国家曾公开过一些的核试验的爆炸当量,我们可以根据爆炸总当量Et直接计算地震能量转换效率.但是在很多情况下(如朝鲜核爆),我们无法得知准确的爆炸总当量,因此需要研究震级与爆炸总当量的关系,估算核爆总当量.

1.3 震级-爆炸总当量经验公式

如前所述,地震学家主要利用远震体波和面波数据研究早期大当量核爆试验.根据体波与面波震级差别区分天然地震与核试爆事件.随着全面禁止核试验条约(CTBT)的签署,小当量核试验被纳入监测范围.由于核爆当量减小,区域震相Lg和短周期瑞利波Rg成为核爆监测和分析的有效工具(林鑫和姚振兴,2016谢小碧和赵连锋,2018孔韩东和王婷婷,2018).地震波的传播和衰减受震源附近的介质影响很大,核爆炸事件的震级-当量经验关系因地而异.大部分现有的经验公式都是根据核大国在特定试验场进行的核试验数据得出.

Nuttli(1986)根据美国内华达州核爆试验场观测数据得到饱水岩石介质条件下地震震级mb与核试爆当量Y(单位:kt)经验关系:

(3)

研究表明,公式(3)可以相当精确地估算美国其他地区及撒哈拉地区的法国核试验当量.

Patton(1988)综合利用官方提供的核试爆当量数据及劳伦斯国家实验室地震仪收集的数据,进行了线性回归分析,给出如下结果:

(4)

为便于与Nuttli(1986)的结果比较,在删除部分数据后对69个观测数据进行分析,得到以下经验关系:

(5)

在震级较高的情况下(mb>5),Patton(1988)得到的结果与Nuttli(1986)提出的经验关系非常一致,验证了公式(3)的有效性.本文选取公式(5)作为Patton(1988)的经验关系式进行分析.

Ringdal等(1992)Murphy(1996)研究了苏联在Shagan河区域进行的核试验,并给出完全耦合情况下震级-当量经验关系:

(6)

该公式在4.5≤mb≤6.5的情况下与核爆观测数据较为一致.

基于公式(6),针对Pn波速度略低的苏联新地岛区域,Bowers等(2001)提出另一套公式并将经验关系推广至更低当量的爆炸的地震事件(低至mb约为2.3):

(7a)

(7b)

图 1为上述地震震级-核爆总当量公式的曲线,两条黑色水平虚线之间对应的震级范围为4.2~6.7级,在此区间内有大量观测资料支持.4.2~6.7级范围内的地震事件,不同经验公式计算的地震当量非常一致.对于震级小于4.2级的事件,观测资料较少,不同经验公式的结果差异较大.

图 1 震级-爆炸总当量经验关系曲线(修改自谢小碧和赵连锋,2018) 横坐标为对数当量,纵坐标为mb震级;黑色星号表示长白山三次人工勘探震源试验.红色误差棒表示六次朝鲜核爆试验震级-当量关系. Fig. 1 Empirical relations between earthquake magnitude and yield estimation (Modified from Xie and Zhao, 2018) The horizontal coordinate represents the logarithmic Yield. The vertical coordinate denotes the body wave magnitude. The black stars show the active source exploration in Changbai Mountain. The red error bars are the magnitude-yield relation of six North Korea nuclear tests.
1.4 核爆埋深对当量估计的影响

爆炸产生的地震波能量不仅与当量有关,爆炸物埋深或高度会造成爆炸物与大地之间的耦合作用不同,进而影响到爆炸物能量转化为地震波能量的整体转换效率和不同形式地震波的分配比例.例如,较浅的震源倾向于产生更多的面波辐射,而较深的震源则产生更多的体波辐射.因此,根据观测到的地震波振幅或体波和面波震级反推当量时也必须考虑爆炸方式问题.

Patton和Taylor(2011)根据Ringdal等(1992)提出的震级-爆炸总当量经验公式(6),引入爆炸物埋深h,得出以下震级-当量-埋深经验公式:

(8)

以2006年朝鲜第一次核试验为例,体波震级取不同数据来源的平均值约4.08(Patton and Taylor, 2011),可以得到以下埋深-当量经验关系:

(9)

根据公式(8)和(9),对某次爆炸事件,当爆炸物埋深越深,相应的当量估计应该越大.

朝鲜核爆平均埋深约为500 m(谢小碧和赵连锋,2018),因此针对朝鲜核爆,震级-当量-埋深经验公式(8)可调整为

(10)

经过深度校正的经验公式(10)能更好的拟合六次朝鲜地下核爆数据(图 1),验证了该公式深度校正项的可靠性.

2 爆炸产生地震波的效率

收集了广岛核爆事件、美国佛蒙特州和新墨西哥州化学爆炸试验、长白山人工震源勘探、朝鲜六次核试爆资料计算爆炸产生地震波的效率.

2.1 本广岛核弹事件

1945年美国在日本广岛投下了一颗原子弹“小男孩”,直径71 cm,长305 cm,装有高浓缩铀235,爆炸威力15000 t TNT,产生了5级地震1).按照面波震级MS与地震波的能量Es转换的经验公式(1),可以计算出原子弹爆炸产生的地震波能量约为2×1012J.1 g TNT炸药爆炸释放的能量为4.18×103J,广岛原子弹总当量约为15000 t TNT炸药,总能量为6.27×1013 J.因此,广岛原子弹爆炸产生地震波的效率约为3%.

1) 炸药当量和地震震级不同报道均有不同,本文取各种报道的中值.

由于广岛原子弹在离地面600 m低空爆炸,且年代久远,缺少详细的地震观测资料,该计算可能存在较大误差.联系到其他几次不同条件下核爆的案例(言志信和王后裕,2011),对空腔解耦的地下核爆炸,其爆炸地震效率一般为0.1%~1%,地面核爆炸产生地震波的效率取(3 ± 2)%应该是更为合适的估计.

2.2 美国佛蒙特州化学爆炸试验

Stroujkova等(2015)在美国佛蒙特州进行了一系列的化学爆炸试验以研究不同类型爆炸所产生的地震波差异并研究这种差异的形成机制.该研究使用黑火药(BP)、硝酸铵燃料油炸药(ANFO)和B炸药(COMP B),炸药当量均为68 kg TNT炸药,炸药埋深约为12.5 m.

由于化学爆炸产生能量较弱,该研究中使用体波地震数据计算转换地震波能量Es,其理论表达式为(Denny and Johnson, 1991):

(11)

其中,VP为P波速度,ρ为密度,η为与泊松比有关的衰减因子,fc为截止频率,M0表示静地震矩.

研究发现,黑火药的能量密度低,爆燃速率较低,产生的P波振幅较小,地震波主频也较低.此外,相比于硝酸铵燃料油炸药和B炸药爆炸过程中产生大量微小裂隙,黑火药爆炸由于爆燃速率低,爆炸时间长会产生更大的裂隙,甚至破坏地表,能量耗散大(Sammis, 2011Stroujkova et al., 2015).因此,黑火药的地震能量转换效率最低,约为0.2%;而硝酸铵燃料油炸药和B炸药的能量密度较高,爆燃速率高,地震能量转换效率分别为1.3%和1.9%(表 1).后两者的爆炸能量转换地震波效率与地面核爆转换效率相近,但都远低于Haskell (1967)估算出花岗岩环境中3.7%的地震波能量转换效率.这可能是由于地震波能量计算方式以及爆炸环境的不同造成的误差.

表 1 美国佛蒙特州化学爆炸试验震源参数(修改自Stroujkova et al., 2015) Table 1 Event parameters of the chemical explosion in Vermont, USA (Modified from Stroujkova et al., 2015)
2.3 美国新墨西哥州化学爆炸试验

Flynn和Stump(1988)报道了在美国新墨西哥州Kirtland空军基地附近进行的五个化学爆炸试验,爆炸当量为115 kg TNT,炸药埋深分别为1.8 m,3.2 m,4.0 m,5.6 m和11.5 m.其目的是为了研究不同埋深(部分耦合至完全耦合)条件对观测地震波形及爆炸地震效率的影响.爆炸物所处的近地表环境为干燥沉积层.计算结果表明,浅埋震源的爆炸地震效率约为0.7%~1%,深埋震源的爆炸地震效率为1.5%~2.9%.

Ford等(2014)通过在同一地点进行的一系列低当量近地表化学爆炸试验数据,研究了近场观测条件下(< 10 km)爆炸物埋深/高度对地震波和冲击波能量分配比例的影响.爆炸物最大埋深为10 m,最大爆炸高度为5 m.对地震波振幅-震中距-爆炸物埋深/高度得出以下经验关系:

(12)

其中,d表示地震仪测量的位移,r为震中距,h表示爆炸物埋深(h < 0)或高度(h>0).公式(11)中的三个变量都是按照当量比例换算后得到,其单位均为m/kg1/3.研究表明,爆炸高度与产生的地震波能量呈反比例关系,爆炸高度越高,与固体介质耦合越差,相应的爆炸地震效率越低.

此次化学爆炸试验虽然未获得震级-当量-爆炸高度的经验关系,但对爆炸地震效率进行了估算.并且在地震波能量计算中通过式(12)中的爆炸高度校正项考虑了爆炸高度对震源球面处速度估计的影响.计算结果表明,对浅地表和地面之上化学爆炸,爆炸地震效率范围约为0.5%~2%,平均值约为1%.

2.4 长白山人工勘探震源试验

1998年中国地震局地球物理勘探中心在长白山天池火山区及邻近区域进行了地震勘探试验以研究壳幔速度结构及天池火山岩浆活动(张成科等,2002).表 2为该次试验的震源参数(谢小碧和赵连锋,2018).该主动源试验使用约2 t左右硝氨炸药,当量约为1.5 t TNT炸药,比广岛核弹的当量小了4个数量级.

表 2 长白山人工勘探震源试验震源参数(谢小碧和赵连锋,2018) Table 2 Event parameters of the active source exploration in Changbai Mountain (Xie and Zhao, 2018)

对于能量较大的天然地震和核爆炸,可根据远震P波计算体波震级mb(P).然而对当量较小的人工震源,很难获得信噪比较高的远震P波数据.因此通常用Lg波振幅定义区域地震震级mb(Lg).面波震级MS是通过计算周期约为20 s的面波振幅得到.因此,体波震级与面波震级的区别本质上是计算地震信号在不同频率范围上的振幅比,它们具有一定的相关性(Bonner et al., 2008Chun et al., 2011Murphy et al., 2013范娜等,2013).

根据表 2中震源TNT当量,我们可以分别计算三炮的总能量Et,分别为6.27×109 J, 7.52×109 J, 6.06×109 J.由公式(1),可以得到三炮对应的地震波能量Es分别为:1.66×108 J, 1.78×108 J, 2.04×108 J.因此,地震能量转换效率分别为:2.65%, 2.36%, 3.37%.可以观察到由于第三炮震源埋深较前两炮深,第三炮的地震波能量转换效率高于前两炮.

图 1中黑色星号表示三个人工勘探震源的参数,它们介于Murphy(1996)Bowers等(2001)给出的经验关系之间.由于Bowers等(2001)的经验关系适用于低当量爆炸的情况,我们根据区域地震震级mb(Lg)和经验关系分别计算三炮对应的理论当量,分别为2.7 t, 4.6 t, 3.3 t.可以看到,产生表 1中震级mb(Lg)所需的理论当量要大于实际使用的炸药当量.这是因为在地震勘探中我们希望爆炸化学能尽量转化为地震波能量,炸药埋藏在地下十几米处,与地下介质耦合较好,爆炸地震效率高.而核弹与地下介质的耦合情况可能较差,甚至需要专门设计地下试验空腔,通过空气或者填充衰减冲击波材料吸收地震波能量,减少对周边环境的破坏,降低核试验的视当量,逃避国际组织的监测(Latter et al., 1959).现场试验表明,通过空腔解耦方法可以使观测的地震波振幅降低1~2个数量级(吴忠良等,1994).因此经验关系式(7b)用在人工勘探震源时会过高估计爆炸总当量.

2.5 朝鲜地下核试验

2006年至2017年间,朝鲜在中朝边境处进行了6次地下核试验(以下简称NKT1,2,3,4,5和6).朝鲜地下核试验基地临近我国东北地区,离中朝边境仅约100 km.中国东北地区的地震台网记录到了大量的地震数据,随后学者们利用地震观测数据进行了定位、当量测定及地震学特征研究(范娜等,2013Zhang and Wen, 2013田有等,2015林鑫和姚振兴,2016谢小碧和赵连锋,2018).由于朝鲜官方没有给出核试验当量数据,我们只能根据区域地震震级mb(Lg)通过经验关系估算爆炸产生的地震当量(Bowers et al., 2001Murphy,1996Nuttli,1986Ringdal et al., 1992Zhang and Wen, 2013Zhao et al., 2008, 2012),进而计算地震当量与核试验总当量的比值获得地震波能量转换比例.不同学者根据不同方法和地震数据测定的核爆总当量差异较大.本文采用谢小碧和赵连锋(2018)统计的数据.表 3为朝鲜六次核试验的震源参数及当量估计范围(谢小碧和赵连锋,2018).

表 3 朝鲜核爆试验震源参数(谢小碧和赵连锋,2018) Table 3 Event parameters of the North Korean underground nuclear tests (Xie and Zhao, 2018)

我们将六次朝鲜核爆的数据绘制在图 1中,可以看到,尽管与美国和苏联的核爆试验场地质条件不同,但是近期学者们对的朝鲜核爆地震当量的估计很好地拟合了前人计算的经验关系,验证了经验关系在核爆试验中的有效性.

1 kt当量TNT炸药能量约为4.18×1012 J,记为1 ETNT (1 ETNT=4.18×1012 J).根据测算的核爆当量,我们可以得出六次核爆的总能量分别为:0.5~1 ETNT,2.5~6 ETNT,8~12 ETNT,4~9 ETNT,6~16 ETNT,56~72 ETNT.

根据公式(1),核弹爆炸产生的地震波能量分别约为:3.6×10-4 ETNT, 4.5×10-3 ETNT, 1.23×10-2 ETNT, 1.79×10-2 ETNT, 3.34×10-2 ETNT, 5.67×10-1 ETNT.

由公式(2)即可得六次核爆地震波能量转换率:0.036%~0.072%, 0.075%~0.18%, 0.1%~0.15%, 0.2%~0.45%, 0.21%~0.56%, 0.79%~1.01%.朝鲜核爆计算出的地震波能量转换率比人工勘探震源试验低一个数量级.这可能是由两个原因引起的,一是总当量测算存在误差;二是核试验中为了逃避国际组织的监测,通过地下空腔的设计降低爆炸能量转换为地震波的比例.而在人工震源勘探试验中,一般都尽量希望炸药的化学能更多地转化为地震波能量,得到高信噪比的数据.

3 响水化工厂爆炸事件 3.1 响水化工爆炸产生的地震数据

响水化工爆炸产生的地震波,被江苏省、安徽省和山东省的41个宽频带地震台记录了下来, 最大震中距约为300 km.图 2为响水及周边地区地图,其中化工厂位置用黄五星标出,记录地震事件的台站为江苏省地震监测台网和中国数字地震台网(CDSN),用红三角标出.根据中国地震台网快报目录,此次爆炸面波震级为MS2.2,震源深度为0 km.根据江苏省地震局测算,此次爆炸产生的近震震级ML2.7,震源深度为0 km.谢卓娟等(2012)根据1990—2007年间中国地震台网的观测资料建立了适合华北地震区的面波震级MS和近震震级ML之间的经验关系式(MS=1.0112 ML-0.2591, 标准差为0.1802),据此换算面波震级为MS2.47.因此,本研究取两者平均值,响水化工爆炸事件的面波震级为MS2.3.

图 2 响水及周边地区地图 黄五星为化工厂爆炸地点,红三角为记录到地震事件的台站分布. Fig. 2 Map of Xiangshui and surrounding regions The yellow star represents the chemical plant explosion site, and the red triangles are recording stations.

响水全境由黄河、淮河冲积而成,地势平坦,结构均匀.爆炸区位于扬子地层区北部,地层发育齐全,第四系广泛发育,以冲积相为主,其下扬子地台基底为区域浅变质岩系(江苏省地质矿产局,1984).图 3a所示为此次爆炸事件地震台记录到的垂向速度分量,数据按照震中距排序,震中距范围约为25~300 km.图 4为所有台站数据的垂向分量振幅谱,相比于天然地震数据,其频率成分比较简单.低频面波能量强,能量主要集中在0.1~2 Hz,P波能量相对较弱,集中在4~8 Hz.图 3b为去除仪器响应并经1~10 Hz滤波后的地震图.在不同震中距上,地震图具有明显的P波初至,而S波发育较弱,长周期瑞利面波比较发育,台站最小震中距较大(约25 km),未观测到冲击波.由于爆炸是瞬间膨胀点源,各个台站记录的垂向初动方向相同,其初始波形为脉冲波,频率高于同等震中距的天然地震波形.天然地震在震中距较小时面波一般不发育,而爆炸事件的波形图可以观测到明显的面波震相.此次响水爆炸事件的地震记录具有明显的浅源爆炸特征.

图 3 (a) 地震台记录到的响水爆炸产生的垂向地震图;(b)数据去除仪器响应并经过1~10 Hz滤波的波形 纵坐标为震中距,横坐标为时间.走时曲线标明了P波及Rayleigh面波的到时. Fig. 3 (a) Normalized vertical component seismograms of Xiangshui explosion recorded by seismic stations; (b) The data are removed instrument response and filtered with a bandpass of 1~10 Hz The vertical and horizontal coordinates are time and epicenter distance, respectively.
图 4 响水爆炸地震事件振幅谱 Fig. 4 Amplitude spectrum of Xiangshui explosion seismograms
3.2 根据爆炸地震效率估计响水化工爆炸当量

本研究调研了不同爆炸形式(包括地下核爆,近地表爆炸和地上爆炸)的地震能量转换效率.我们发现,在长白山人工勘探中,爆炸源与地下介质耦合较好(震源埋深分别为7 m,11 m,29 m),爆炸地震效率很高,处于2.6%~3.4%之间.美国佛蒙特州化学爆炸试验震源埋深为12.5 m,地震波能量转化效率略低,处于1.3%~1.9%之间,其中黑火药震源试验由于爆燃速率低,爆炸产生较大的地下裂隙,能量转化效率低至0.2%.美国新墨西哥州1988年进行的不同埋深(1.8 m,3.2 m,4.0 m,5.6 m和11.5 m)的化学爆炸试验表明,浅埋震源爆炸地震效率较低,约为0.7%~1%,深埋震源爆炸地震效率较高,约为1.5%~2.9%.美国新墨西哥州2014年进行的浅表化学爆炸试验震源最大埋深为10 m,最大爆炸高度为地上5 m,与地下介质耦合性差于佛蒙特州化学爆炸试验.爆炸地震效率范围约为0.5%~2%,平均爆炸地震效率为1%.朝鲜核爆由于地下空腔解耦,爆炸产生的冲击波在地下空腔中急速衰减,地震波能量转换率较低,约0.05%~1%.

此次响水爆炸产生的地震震级为MS2.3,属于小当量化学爆炸.按(1)式估计,化工爆炸产生的地震波能量约为42.5 kg炸药当量.考虑到易爆化学品是存在储罐中的,属于地面之上爆炸.爆炸中心高度为罐中易爆物的质心高度,略高于地面,爆炸对地震波的耦合效应小于地下埋藏震源,其爆炸地震效率应该低于美国佛蒙特州化学爆炸试验,与2014年的美国新墨西哥州化学爆炸试验相当,略高于朝鲜地下核爆试验.此外,响水地区地表以沉积岩为主,接近新墨西哥州化学爆炸试验场地地质条件,因此2014年美国新墨西哥州化学爆炸试验数据有较大参考意义.

按照爆炸能量转换比例约1%计算,化工爆炸总能量的估计相当于约4.3 t TNT炸药.如果考虑到更一般的情况,按效率在0.5%~1.5%取值,总当量的估计在2.8~8.5 t TNT炸药之间.

3.3 根据震级-当量经验公式估计响水化工爆炸当量

杨智娴和张培震(1998)利用中国大陆、台湾和中国周边的震级数据建立了面波震级MS和体波震级mb之间的经验关系:MS=0.9884 mb-0.0420.据此经验关系得出响水爆炸事件体波震级约为mb 2.37.

根据图 1,对于体波震级mb 4~6之间的爆炸事件,不同研究者给出的震级-当量经验公式结果相当一致,当量估算结果比较接近.而由于小当量爆炸事件数据较少,不同震级-当量经验公式结果相差1~2个数量级.选择合适的经验公式尤为重要.考虑到响水化工爆炸当量较小,我们采用Bowers等(2001)提出的低当量爆炸经验公式,该公式适用于低至mb 2.3的爆炸事件.根据公式(7b)计算,化工爆炸总当量约为13.2 t TNT炸药,对应的爆炸地震效率为0.32%.

4 讨论

目前,已有的爆炸当量估算研究主要基于核爆试验得到适用于标定试验场的震级-当量经验公式.而小当量化学爆炸资料大部分来自于地下埋藏爆炸.小当量地面/地上化学爆炸研究较少,其当量估算也包含较大不确定因素.例如,地上爆炸高度和震源与地面耦合情况对当量估算的影响,爆炸地震效率和震级测定的不确定性,等等.直接套用较大当量的核爆的震级-当量经验公式必然会引入较大误差.

本研究估计响水化工爆炸当量时,考虑到地上爆炸的爆炸地震效率较低,参考浅表及地上化学爆炸和朝鲜地下核爆资料,按效率在0.5%~1.5%取值应是较合理的估计.根据震级-当量经验公式估计响水爆炸当量不确定性较高,其误差主要来源于体波震级及经验公式的不确定性.首先,我们使用的面波震级MS和体波震级mb之间的经验关系可能存在误差, 其次,利用区域体波震级代替远震体波震级存在系统误差.最后,使用的震级-当量经验公式不包含爆炸高度校正项.因此,根据震级-当量经验公式估计的当量数据可靠性不高.Ford等(2014)根据低当量化学爆炸研究了爆炸埋深/高度、距离和地震仪记录的位移之间的经验关系.然而此次试验未获取体波震级数据,无法得到震级-当量-爆炸高度经验公式.目前,地上化学爆炸的震级-当量-爆炸高度经验关系仍待解决.幸运的是,相比于核爆数据,小当量的化学爆炸数据更容易获取.因此,适用于地上爆炸的震级-当量-爆炸高度经验公式有待于将来进行更多的标定当量和爆炸高度的化学爆炸试验.

5 结论

本文综合报道了利用地震学方法估算不同尺度的爆炸事件总当量估算结果.结果表明,爆炸转换地震波能量的效率变化范围较大,主要受爆炸物质类型、埋深或爆炸高度、与周围介质的耦合情况等因素影响.一般情况下,大部分浅表和地上化学爆炸(埋深约10 m至地上5 m)地震波转换效率在0.5%~3%之间.空腔解耦核爆炸地震波转换效率较低,约0.05%~1%.当某次爆炸发生时,根据台网中心计算的地震震级和地震波转换效率可以快速估算爆炸事件释放的总能量.因此,该方法具有重要的现实意义和应用价值.考虑到响水化工爆炸在地上发生,根据爆炸地震效率0.5%~1.5%之间估算,2019年江苏响水化工厂爆炸当量范围在2.8~8.5 t TNT之间.根据震级-当量经验公式粗略估计,当量达13.2 t TNT炸药.

前人在核爆当量估算方面已经进行了大量的研究,给出很多经验公式.但是这些方法和公式大都针对特定区域、地质条件和爆炸形式,需要选取合适的关系式并且进行校正,否则估算结果将不可避免地出现较大误差.此外,目前大部分经验公式是根据大当量核爆地震事件计算得到,不适合小当量的化学爆炸.需要收集更多的化学爆炸地震数据,分析爆炸物的种类、埋深和地质条件,针对性地计算经验关系.利用地震学的方法准确计算化学爆炸当量依然是一个难题.

致谢  地震波形数据由江苏省地震局提供,图件绘制采用GMT软件(www.soest.hawai i.edu/gmt)(Wessel and Smith,1998).感谢审稿专家的审定意见.
References
Bennett T J, Murphy J R. 1986. Analysis of seismic discrimination capabilities using regional data from western United States events. Bulletin of the Seismological Society of America, 76(4): 1069-1086.
Bonner J, Herrmann R B, Harkrider D, et al. 2008. The surface wave magnitude for the 9 October 2006 North Korean nuclear explosion. Bulletin of the Seismological Society of America, 98(5): 2498-2506. DOI:10.1785/0120080929
Bowers D, Marshal P D, Douglas A. 2001. The level of deterrence provided by data from the SPITS seismometer array to possible violations of the Comprehensive Test Ban in the Novaya Zemlya region. Geophysical Journal International, 146(2): 425-438. DOI:10.1046/j.1365-246x.2001.01462.x
Chun K Y, Wu Y, Henderson G A. 2011. Magnitude estimation and source discrimination: A close look at the 2006 and 2009 North Korean underground nuclear explosions. Bulletin of the Seismological Society of America, 101(3): 1315-1329. DOI:10.1785/0120100202
Denny M D, Johnson L R. 1991. The explosion seismic source function: Models and scaling laws reviewed. //Taylor S R, Patton H J, Richards P G eds. Explosion Source Phenomenology. Washington, D. C.: Geophysical Monograph Series, 1-24.
Fan N, Zhao L F, Xie X B, et al. 2013. Measurement of Rayleigh-wave magnitudes for North Korean nuclear tests. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(3): 906-915. DOI:10.6038/cjg20130319
Flynn E C, Stump B W. 1988. Effects of source depth on near-source seismograms. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 93(B5): 4820-4834. DOI:10.1029/JB093iB05p04820
Ford S R, Rodgers A J, Xu H M, et al. 2014. Partitioning of seismoacoustic energy and estimation of yield and height-of-burst/depth-of-burial for near-surface explosions. Bulletin of the Seismological Society of America, 104(2): 608-623. DOI:10.1785/0120130130
Haskell N A. 1967. Analytic approximation for the elastic radiation from a contained underground explosion. Journal of Geophysical Research, 72(10): 2583-2587. DOI:10.1029/JZ072i010p02583
Gutenberg B, Richter C F. 1956. Earthquake magnitude, intensity, energy, and acceleration: (Second paper). Bulletin of the seismological society of America, 46(2): 105-145.
Jiangsu Geological and Mineral Exploration Bureau. 1984. Regional Geology of Jiangsu and Shanghai (in Chinese). Beijing: Geological Publishing House.
Kong H D, Wang T T. 2018. Review of explosive yield estimation. Recent Developments in World Seismology (in Chinese), (2): 9-25.
Latter A L, Martinelli E A, Teller E. 1959. Seismic scaling law for underground explosions. The Physics of Fluids, 2(3): 280-282. DOI:10.1063/1.1705923
Lin X, Yao Z X. 2016. Yield and burial depth of the North Korean underground nuclear tests constrained by amplitude envelopes of regional seismic waveforms. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 59(6): 2066-2079. DOI:10.6038/cjg20160613
Marshall P D, Basham P W. 1973. Rayleigh wave magnitude scale MS. Pure and Applied Geophysics, 103(1): 406-414. DOI:10.1007/BF00876419
Murphy J R. 1996. Types of seismic events and their source descriptions. // Husebye E S, Dainty A M eds. Monitoring a Comprehensive Test Ban Treaty. Dordrecht: Springer.
Murphy J R, Stevens J L, Kohl B C, et al. 2013. Advanced seismic analyses of the source characteristics of the 2006 and 2009 North Korean nuclear tests. Bulletin of the Seismological Society of America, 103(3): 1640-1661. DOI:10.1785/0120120194
Nuttli O W. 1986. Yield estimates of Nevada test site explosions obtained from seismic Lg waves. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 91(B2): 2137-2151. DOI:10.1029/JB091iB02p02137
Patton H J. 1988. Application of Nuttli′s method to estimate yield of Nevada Test Site explosions recorded on Lawrence Livermore National Laboratory′s digital seismic system. Bulletin of the Seismological Society of America, 78(5): 1759-1772.
Patton H J, Taylor S R. 2011. The apparent explosion moment: Inferences of volumetric moment due to source medium damage by underground nuclear explosions. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 116(B3): B03310. DOI:10.1029/2010JB007937
Ringdal F, Marshall P D, Alewine R W. 1992. Seismic yield determination of Soviet underground nuclear explosions at the Shagan River test site. Geophysical Journal International, 109(1): 65-77. DOI:10.1111/j.1365-246X.1992.tb00079.x
Sammis C G. 2011. Effect of the burn rate on the spatial extent of fracture damage in an underground explosion, in Proceedings of the 2011 Monitoring Research Review on Nuclear Monitoring Technologies, Tucson, Arizona, 572-577.
Shi Z L, Zhang S Q, Zhao R G, et al. 1990. Workbook of Seismology (in Chinese). Beijing: Seismological Press: 129-130.
Stroujkova A, Leidig M, Bonner J L. 2015. Effect of the detonation velocity of explosives on seismic radiation. Bulletin of the Seismological Society of America, 105(2A): 599-611. DOI:10.1785/0120140115
Tian Y, Liu Y L, Liu C, et al. 2015. Comparative study on seismological characteristics of 2009 and 2013 nuclear explosions in North Korea. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(3): 809-820. DOI:10.6038/cjg20150311
Wessel P, Smith W H F. 1998. New, improved version of generic mapping tools released. EOS, 79(47): 579. DOI:10.1029/98EO00426
Wu Z L, Chen Y T, Mou Q D, et al. 1994. Outline of Nuclear Explosion Seismology (in Chinese). Beijing: Seismological Press.
Xie X B, Zhao L F. 2018. The seismic characterization of North Korea underground nuclear tests. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 61(3): 889-904. DOI:10.6038/cjg2018L0677
Xie Z J, Lv Y J, Peng Y J, et al. 2012. Study on the empirical relations between surface wave magnitude and local earthquake magnitude in Chinese mainland and neighboring region (in Chinese). //Bulletin of the Institute of Crustal Dynamic, 74-79.
Yan Z X, Wang H Y. 2011. Blasting Seismic Effect and Safety (in Chinese). Beijing: Science Press.
Yang Z X, Zhang P Z. 1998. Emperical relationship and uncertainty between MS, MB and regional magnitude. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 20(5): 454-460.
Zhang C K, Zhang X K, Zhao J R, et al. 2002. Study on the crustal and upper mantle structure in the Tianchi volcanic region and its adjacent area of ChangbaiShan. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 45(6): 812-820.
Zhang M, Wen L X. 2013. High-precision location and yield of North Korea′s 2013 nuclear test. Geophysical Research Letters, 40(12): 2941-2946. DOI:10.1002/grl.50607
Zhao L F, Xie X B, Wang W M, et al. 2008. Regional seismic characteristics of the 9 October 2006 North Korean nuclear test. Bulletin of the Seismological Society of America, 98(6): 2571-2589. DOI:10.1785/0120080128
Zhao L F, Xie X B, Wang W M, et al. 2012. Yield estimation of the 25 May 2009 North Korean nuclear explosion. Bulletin of the Seismological Society of America, 102(2): 467-478. DOI:10.1785/0120110163
范娜, 赵连锋, 谢小碧, 等. 2013. 朝鲜核爆的Rayleigh波震级测量. 地球物理学报, 56(3): 906-915. DOI:10.6038/cjg20130319
江苏省地质矿产局. 1984. 江苏省及上海市区域地质志. 北京: 地质出版社.
孔韩东, 王婷婷. 2018. 爆破当量研究综述. 国际地震动态: 9-25.
林鑫, 姚振兴. 2016. 利用区域地震波形振幅包络约束朝鲜地下核试验的埋深和当量. 地球物理学报, 59(6): 2066-2079. DOI:10.6038/cjg20160613
时振梁, 张少泉, 赵荣国, 等. 1990. 地震工作手册. 北京: 地震出版社: 129-130.
田有, 柳云龙, 刘财, 等. 2015. 朝鲜2009年和2013年两次核爆的地震学特征对比研究. 地球物理学报, 58(3): 809-820. DOI:10.6038/cjg20150311
吴忠良, 陈运泰, 牟其铎. 1994. 核爆炸地震学概要. 北京: 地震出版社.
谢小碧, 赵连锋. 2018. 朝鲜地下核试验的地震学观测. 地球物理学报, 61(3): 889-904. DOI:10.6038/cjg2018L0677
谢卓娟, 吕悦军, 彭艳菊等. 2012.中国大陆及邻区面波震级与近震震级之间的经验关系研究. //地壳构造与地壳应力文集, 74-88.
言志信, 王后裕. 2011. 爆破地震效应及安全. 北京: 科学出版社: 75.
杨智娴, 张培震. 1998. 面波震级与体波震级、地方震震级间的经验关系及不确定性评价. 地震学报, 20(5): 454-460. DOI:10.3321/j.issn:0253-3782.1998.05.002
张成科, 张先康, 赵金仁, 等. 2002. 长白山天池火山区及邻近地区壳幔结构探测研究. 地球物理学报, 45(6): 812-820. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2002.06.008