京津冀地區(qū)多種地球物理觀測對天津爆炸事件的響應(yīng)

章 鑫 杜學(xué)彬 張元生 張麗峰

1) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所 2) 中國蘭州730000蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站

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京津冀地區(qū)多種地球物理觀測對天津爆炸事件的響應(yīng)

章 鑫1)杜學(xué)彬1,2),張元生1,2)張麗峰1)

1) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所 2) 中國蘭州730000蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站

本文利用京津冀地區(qū)地球物理觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)， 研究了2015年8月12日天津港地面爆炸時的地球物理響應(yīng)， 獲得了爆炸點(diǎn)周邊的地球物理場擾動信息． 結(jié)果表明： ① 事件點(diǎn)附近地電阻率對地面爆炸的響應(yīng)較為明顯， 事件發(fā)生后地電阻率觀測曲線幅值急劇變小， 且持續(xù)很長時間； ② 事件發(fā)生的前后兩天， 地電場觀測曲線出現(xiàn)了小幅升降異常， 且與空間電子流量微小幅度下降的時間相同， 而相應(yīng)時段的地磁場則無相關(guān)擾動； ③ 衛(wèi)星熱紅外亮溫在事件發(fā)生后明顯增強(qiáng)， 持續(xù)數(shù)天后恢復(fù)至事件前水平； ④ 事件點(diǎn)周圍的地下水位和形變測量未見明顯響應(yīng)． 上述結(jié)果表明不同的地球物理觀測對該事件的響應(yīng)有差異， 這對于分析和研判與地震等相關(guān)的異常具有參考意義， 同時本文討論的觀測結(jié)果也有利于深入認(rèn)知天津爆炸事件的過程．

地面爆炸 地電場 衛(wèi)星紅外遙感 地下流體 地電阻率 形變

引言

2015年8月12日23時34分， 天津市濱海區(qū)發(fā)生了地面爆炸事件(以下簡稱"事件")(中國發(fā)展觀察， 2015)， 該事件激發(fā)的震動波及到整個京津冀地區(qū)． 中國地震局在京津冀地區(qū)布設(shè)了大量的測震、 地面電磁(地電場、 地電阻率、 地磁場)、 地下流體和地形變等地球物理觀測臺站， 獲得了多種地球物理觀測數(shù)據(jù)； 同時中國氣象局靜止氣象衛(wèi)星(FY-2系列)在事件發(fā)生前后也產(chǎn)出了熱紅外觀測數(shù)據(jù)． 在事件發(fā)生時， 測震臺站的記錄明顯響應(yīng)該事件， 但其它地球物理觀測是否也響應(yīng)了該事件， 是值得研究的問題， 這將有助于認(rèn)知事件本身及其所激發(fā)的地球物理場變化和不同地球物理手段對地震等災(zāi)害事件的監(jiān)測能力．

在以地震監(jiān)測預(yù)報為目的地面電磁觀測和衛(wèi)星熱紅外觀測中， 已記錄了豐富的與地震發(fā)生、 火山噴發(fā)有關(guān)的前兆異常(屈春燕等， 2006； 杜學(xué)彬， 2010； 譚大誠等， 2010， 2014； 張元生等， 2010， 2011)， 同時在地面和電離層還觀測到了同震和震前電磁參量的擾動(湯吉等， 2008； 張學(xué)民等， 2010； 閆相相等， 2013)． 在地下流體的水位觀測中， 也得到了大量的與地震有關(guān)的前兆異常、 同震變化以及水位對潮汐的響應(yīng)(車用太等， 2006， 2011； 晏銳等， 2012). 地形變觀測直接測量地殼介質(zhì)的運(yùn)動和變形， 在長期觀測中也記錄了與地震有關(guān)的前兆異常和大量的同震變化以及潮汐響應(yīng)(薄萬舉等， 1994； 孫伶俐等， 2013)． 縱觀上述多學(xué)科手段的觀測事實， 無論前兆異常、 同震變化還是潮汐響應(yīng)等均為地下介質(zhì)運(yùn)動和變形的直接測量或由此激發(fā)的地球物理現(xiàn)象． 從這個角度來講， 天津地面爆炸事件也可能引起多學(xué)科觀測手段的地球物理響應(yīng)， 因此， 本文利用距離此次爆炸事件點(diǎn)鄰近的京津冀地區(qū)的地面電磁觀測、 衛(wèi)星熱紅外、 地下流體、 地形變觀測數(shù)據(jù)以及空間天氣觀測數(shù)據(jù)， 分析和研究該區(qū)域地球物理觀測對該事件的響應(yīng)．

1 觀測方法和背景資料

本文使用京津冀地區(qū)多種地球物理觀測數(shù)據(jù)， 包括2個地電場臺站、 3個地電阻率臺站、 3個地磁場臺站、 3個地下流體臺站(點(diǎn))和1個形變觀測臺站記錄的數(shù)據(jù)以及8天連續(xù)的衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)和1周空間天氣監(jiān)測數(shù)據(jù). 研究區(qū)各觀測臺站分布如圖1所示， 箭頭所指為實際爆炸場景(中國發(fā)展觀察， 2015). 另外， 使用2014年相應(yīng)農(nóng)歷時段的地電阻率觀測值作時間參考， 使用與該事件相距1000 km外的杭州地磁臺2015年8月6—20日觀測值作遠(yuǎn)空間參考．

圖1 研究區(qū)觀測臺站分布圖Fig.1 Distribution of stations in studied region

1.1 地電和地磁觀測

在地電場和地電阻率觀測中引入自然電場測量和對稱四極測量探測方法， 監(jiān)測地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)隨時間的變化．

地電場臺站在地表布設(shè)NS和EW兩個水平正交測量方向和一個斜交測量方向， 每個方向有長、 短兩種極距， 長極距一般為200—400 m， 短極距約為長極距的一半； 測量儀器頻帶為0—0.005 Hz， 儀器分辨率為10 μV/km， 數(shù)據(jù)產(chǎn)出不低于1次/(min·測道)， 每日數(shù)據(jù)量為1440個． 近年來增加了地電場測量頻率， 采樣率為1 Hz， 能夠記錄到更加豐富的地電場變化信息．

地電阻率觀測采用對稱四極的布極方式， 觀測臺站在地表布設(shè)NS和EW兩個水平正交測項， 供電極距一般約為1000 m． 測量儀器分辨率為0.01 Ω·m， 數(shù)據(jù)產(chǎn)出為1次/h， 每日產(chǎn)出24個地電阻率數(shù)據(jù)． 數(shù)據(jù)處理時對地電阻率曲線取幅值計算， 表達(dá)式為

(1)

式中，S(i)為采樣序列曲線，i為數(shù)據(jù)點(diǎn)，k為區(qū)間[m,n]內(nèi)取最值(最大值和最小值)的個數(shù)．

地磁場觀測為水平分量H、 磁偏角D和地磁場總量F觀測， 其記錄頻率為1 Hz， 每日產(chǎn)出8萬6400個數(shù)據(jù)． 地磁觀測采樣率較高， 記錄到的磁變化信息豐富， 并且與空間電離層擾動和電流系的關(guān)系密切．

1.2 衛(wèi)星熱紅外遙感探測

衛(wèi)星熱紅外遙感儀器能直接觀測地表物體的熱輻射度， 經(jīng)定標(biāo)處理和幾何校正后的數(shù)據(jù)為相應(yīng)通道(波段)的輻射亮度． 應(yīng)用普朗克輻射定理的黑體輻射公式能計算獲得輻射物的輻射溫度(張元生等， 2010)． 為了與物體的真實溫度區(qū)別， 稱之為亮溫， 代表把輻射物體當(dāng)作黑體時的輻射溫度． 熱輻射強(qiáng)度除了與物體溫度和比輻射率有關(guān)， 還與物體表面曲率有關(guān)． 短時間內(nèi)， 同一物體在同一方向的熱輻射變化主要取決于物體本身的溫度．

本文選取靜止氣象衛(wèi)星FY-2C的遠(yuǎn)熱紅外亮溫數(shù)據(jù)(國家衛(wèi)星氣象中心， 2015)． FY-2C衛(wèi)星于2004年10月發(fā)射， 定點(diǎn)于105°E上空， 距地面約3.5萬千米， C衛(wèi)星的有效觀測范圍為(45°E—165°E， 60°S—60°N)． 靜止衛(wèi)星自旋掃描輻射儀熱紅外1， 2通道所對應(yīng)的波段為10.3—11.3 μm和11.5—12.5 μm， 星下點(diǎn)分辨率為5 km， 一次觀測范圍約為地球表面積的1/3(張元生等， 2011)． 相鄰兩次觀測的時間間隔為30分鐘或1小時， 每天至少進(jìn)行24次觀測． 為了減小太陽的影響， 選擇當(dāng)日23:00至次日4:00的多次觀測數(shù)據(jù)， 并用補(bǔ)窗法去除或減弱云層的影響， 對相同像元計算其日平均值， 構(gòu)成最終的亮溫日值．

1.3 地下流體和形變觀測

地下流體觀測包括地下靜水位、 逸出氣氡濃度、 水溫、 電導(dǎo)率和水中氡濃度變化等測項， 一般在井下觀測， 受地表人為活動的干擾較少． 這些數(shù)據(jù)中含有豐富的地殼動力信息， 特別是井水位動態(tài)數(shù)據(jù)中含有地球固體潮、 大氣壓力變化、 地震波、 前驅(qū)波、 地表水體荷載作用和斷層蠕動等信息， 為地球科學(xué)研究提供了有價值的信息資源(車用太等， 2006)． 本文采用塘沽臺、 靜海臺和王3井的流體觀測數(shù)據(jù)， 流體觀測采樣頻率為1次/min， 單測道每日產(chǎn)出1440個數(shù)據(jù). 處理數(shù)據(jù)時應(yīng)盡可能尊重原始數(shù)據(jù)， 對時序曲線僅作必要的去突跳處理．

地應(yīng)變和地傾斜等定點(diǎn)形變測量指標(biāo)能直接反映地殼介質(zhì)的微動態(tài)變化， 捕捉到地殼介質(zhì)破裂前的力學(xué)變化信息． 觀測項目包括地傾斜、 洞體應(yīng)變、 鉆孔應(yīng)變和臺站重力等; 觀測儀器有DSQ 型水管傾斜儀、 VS 型垂直擺傾斜儀和DZW 型微伽重力儀等(孫伶俐等， 2013)． 本文所用數(shù)據(jù)為2015年8月12—13日天津薊縣小辛莊山洞形變觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 該臺站距離事件點(diǎn)約120 km， 每日產(chǎn)出1440個數(shù)據(jù)， 其測量頻率為1次/min．

2 地球物理觀測對事件的響應(yīng)

2.1 地電阻率和地電場響應(yīng)

塘沽地電阻率臺站距事件點(diǎn)約18 km． 圖2a給出了2015年8月10—15日塘沽臺地電阻率觀測值的原始曲線． 通過對比圖2b--d可以看出， 事件發(fā)生前數(shù)天地電阻率具有較大的波動幅度， NS道達(dá)3 Ω·m， EW道較小， 為1 Ω·m. 地電阻率曲線存在明顯的白天波動大、 夜間波動小的特征， 其大、 小幅值變化的時間轉(zhuǎn)換點(diǎn)與輕軌列車開始運(yùn)行和最后收車的時間點(diǎn)相吻合， 因此該現(xiàn)象是輕軌列車運(yùn)營通電(或漏電)的響應(yīng)(謝凡等， 2011； 張宇等， 2014). 總體來看， 在該事件發(fā)生后的數(shù)日內(nèi)， 地電阻率幅值大幅度減小， 而其平均值與事件發(fā)生前數(shù)日的平均值相近．

表1為2015年8月6—20日期間每日的地電阻率幅值(1天計算1次幅值)統(tǒng)計結(jié)果． 可以看出， 12—13日塘沽臺所有測向的幅值均發(fā)生大幅度的變化， 13日NS測道地電阻率幅值僅為12日幅值的1/2， 幅值減小近1.1 Ω·m． EW測道幅值減小更大， 最大的為自然電位差和EW向地電阻率均方差， 12日為13日的近3倍． 但是， 距事件點(diǎn)60 km的青光臺并未出現(xiàn)幅值減小的現(xiàn)象， 其地電阻率觀測值和地電阻率均方差均保持平穩(wěn)過渡或略有增大．

圖3給出了2015年8月6—20日及2014年7月18日—8月1日(時間參考段)地電阻率和地電阻率均方差幅值變化情況. 可以看出： 從事件發(fā)生的12日夜間， 塘沽臺地電阻率幅值大幅減小， 12日前和13日后幅值均處于平穩(wěn)水平； 地電阻率均方差由于本身數(shù)值較小， 幅值減小的現(xiàn)象不夠明顯， 但其減小倍數(shù)與地電阻率減小倍數(shù)(表1加黑行)近似． 青光臺地電阻率及其均方差幅值曲線并未出現(xiàn)幅值減小的現(xiàn)象．

地電場觀測臺站距事件點(diǎn)較遠(yuǎn)， 其中靜海臺距事件點(diǎn)約65 km， 寶坻臺離事件點(diǎn)約80 km． 圖4給出了事件發(fā)生前幾十分鐘內(nèi)靜海臺和寶坻臺測得的地電場響應(yīng)情況． 可以看出， EW測道地電場曲線出現(xiàn)了增大波動(簡稱“突增”)， 但與事件本身無關(guān)， 作為地表突發(fā)事件， 不可能出現(xiàn)地電場前兆． 張世中等(2013)和沈紅會等(2014)的研究指出， 由于受到城鐵輕軌漏電的干擾， 地電場觀測曲線在6:00—23:00時段內(nèi)疊加了高頻成分， 如圖4a中靜海臺EW測道的地電場觀測曲線在6:00—23:00時段內(nèi)疊加了大量的高頻信號， 使得天然場源的高頻部分難以被識別． 圖4中除了靜海臺NS測道外， 兩個臺站的其它測道在事件發(fā)生前幾十分鐘內(nèi)均疊加了該信號， 地電場曲線從下降的趨勢上突增， 形成一個較大的不明信號源(圖4中8月13日前)．

圖2 2015年8月10—15日地電阻率臺站記錄的原始曲線， 圖中虛線表示天津爆炸事件發(fā)生時刻

寶坻臺位于事件點(diǎn)正北偏西方向， 靜海臺位于事件點(diǎn)S80°W附近(圖1)． 值得指出的是， 事件發(fā)生后位于事件點(diǎn)正北附近的寶坻臺NS和EW兩個方向均接收到了這一突增信號(圖4b)， 而位于正西的靜海臺只有EW向測道接收到了該信號(圖4a)， 這一現(xiàn)象說明該突增信號具有明顯的方向性， 即EW向強(qiáng)， NS向弱． 另外， 8月13日對應(yīng)時間點(diǎn)未出現(xiàn)相似的突增信號， 且位于事件點(diǎn)約N45°E方向的昌黎臺NS和EW兩個方向在相應(yīng)時間點(diǎn)也未出現(xiàn)突增信號(圖中未給出)． 由于地電場和地磁場的變化成分很大程度上與空間電流體系的擾動相關(guān)(孫正江， 王華俊， 1984)， 故有必要參考相應(yīng)時段的空間天氣情況．

表1 2015年8月6—20日塘沽臺和青光臺地電阻率幅值統(tǒng)計結(jié)果

注：ρ為地電阻率，αρ為地電阻率均方差，Vsp為自然電位差．

圖3 2015年8月6—20日塘沽臺(a)、 青光臺(b)和2014年7月18日—8月1日塘沽臺(c)地電阻率ρ及其均方差αρ幅值變化曲線

圖4 2015年8月12—13日靜海臺(a)和寶坻臺(b)記錄的地電場觀測曲線

2.2 空間電離層和地磁響應(yīng)

圖5給出了國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心(2015)發(fā)布的風(fēng)云衛(wèi)星監(jiān)測周報， 包括電子流量和地磁場Kp指數(shù)監(jiān)測圖． 可以看出：Kp指數(shù)在事件發(fā)生時間附近均未出現(xiàn)明顯的異常， 8月15日夜間至16日凌晨發(fā)生Kp=7的中強(qiáng)磁暴， 與該事件無關(guān)； 8月12日23:00—24:00時段電子流量E2曲線出現(xiàn)微小幅度下降， 時間點(diǎn)為事件發(fā)生時刻附近； 8月13日凌晨2:00—3:00時段兩曲線均出現(xiàn)小幅向下波動，E1曲線波動幅度大于E2曲線， 時間節(jié)點(diǎn)約為事件發(fā)生后2.5小時， 可能與地面爆炸沖擊電離層進(jìn)而影響電子流量有關(guān)． 與之對應(yīng)的鄰近事件點(diǎn)的地磁觀測并未出現(xiàn)磁擾(圖6)． 8月13日12時左右， 寶坻臺、 徐莊子臺和遠(yuǎn)距離的杭州臺H分量均出現(xiàn)小型擾動， 但該時段Kp指數(shù)僅為4， 由此可見該擾動的原因并不明確； 圖4中靜海臺和寶坻臺地電場觀測曲線在13日12時左右也出現(xiàn)了小幅上升， 相同的變化在12日12時左右并未出現(xiàn)， 故推斷此次磁擾與事件本身無關(guān)．

圖5 2015年8月10—16日空間天氣情況(引自國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心， 2015)

圖6 2015年8月12—13日地磁變化時序曲線

2.3 衛(wèi)星熱紅外響應(yīng)

圖7為2015年8月11—18日研究區(qū)衛(wèi)星熱紅外遙感亮溫異常分布情況. 為了消除太陽的影響， 對當(dāng)日23:00至次日4:00的數(shù)據(jù)取平均作為該日的亮溫值， 故圖中所示的亮溫均為已去掉背景值的亮溫異常． 可以看出： 8月11日無亮溫異常； 12日出現(xiàn)了小幅亮溫異常； 13日和14日的亮溫異常范圍增加、 幅度增大； 15日以后異常范圍和幅度逐步減小； 至18日幾乎恢復(fù)至事件發(fā)生前11日的亮溫水平． 綜上可知， 異常出現(xiàn)的演變過程為“無(11日)→出現(xiàn)(12日)→增加/穩(wěn)定(13—15日)→衰減(16—17日)→基本消失(18日)”． 由于熱輻射的波段不同， 在大氣中傳播的速度也不相等， 所以熱輻射的最大能量并不在第一時間出現(xiàn)在亮溫異常上， 事件發(fā)生時間與異常出現(xiàn)時間之間有一小段時間滯后． 該亮溫異常過程可以理解為： ① 事件發(fā)生前幾乎無熱紅外亮溫異常； ② 事件發(fā)生后， 地面出現(xiàn)強(qiáng)烈的熱輻射， 但衛(wèi)星只探測到輻射的一部分， 亮溫圖出現(xiàn)異常； ③ 地面事件的輻射開始變?nèi)酰?衛(wèi)星探測到大部分強(qiáng)烈輻射， 出現(xiàn)了較大幅度和范圍的熱紅外異常； ④ 在事件發(fā)生3—4天后， 地面事件的熱輻射極弱， 衛(wèi)星探測到的異常逐步衰減； ⑤ 事件發(fā)生7天后， 衛(wèi)星幾乎探測不到熱紅外亮溫， 亮溫異常消失．

圖7 研究區(qū)2015年8月11—18日熱紅外亮溫異常分布

事件引起熱輻射的原因可能有兩種： 一是化學(xué)品爆炸直接產(chǎn)生的熱量， 包括化學(xué)品和廠房等其它物質(zhì)劇烈燃燒生成的大量熱； 二是未爆炸的化學(xué)品持續(xù)遇水反應(yīng)生成的熱， 化學(xué)反應(yīng)的能量沒有爆炸的能量大， 但其持續(xù)時間極長， 對采樣率較低的衛(wèi)星熱紅外亮溫貢獻(xiàn)較大．

2.4 地下形變響應(yīng)

天津薊縣小辛莊臺的形變觀測包括水平擺傾斜、 垂直擺傾斜、 水管傾斜和洞體形變等測項， 該臺距離事件發(fā)生點(diǎn)約120 km． 圖8為其觀測結(jié)果的原始時序曲線. 可以看出: 8月12日水平擺傾斜的兩個方向均未出現(xiàn)明顯的異常； 14日0時， 兩個方向的曲線均較12日0時呈小幅下降， 且NS向下降更為明顯(圖8a)． 垂直擺傾斜測項也出現(xiàn)類似的變化形態(tài)， 其中NS向的測量值下降較大， 而EW向測量值則無明顯的下降趨勢(圖8b)， 這可能是由于事件引起的地面震動主要體現(xiàn)在垂直擺NS方向上， 而小辛莊測量點(diǎn)正好位于事件點(diǎn)正北方向略偏西(圖1)， 所以垂直擺EW方向測量值未出現(xiàn)明顯響應(yīng)． 距離事件發(fā)生點(diǎn)更近的地區(qū)沒有形變測量點(diǎn)， 而小辛莊測點(diǎn)距離事件發(fā)生點(diǎn)較遠(yuǎn)， 所以尚難明確是否觀測到事件的形變響應(yīng)． 由于這兩個測道的時序觀測曲線在事件發(fā)生時間點(diǎn)前后數(shù)十分鐘均無明顯的跳動出現(xiàn)， 曲線保持平滑， 故不能確定NS向測值下降是否與該事件有關(guān)．

圖8 2015年8月12—13日小辛莊臺形變觀測時序曲線

由圖8c可以看出， 13日水管傾斜曲線幅度大于12日， 但前后數(shù)日的趨勢均是如此， 這可能是由儀器零點(diǎn)漂移等因素引起的， 與本次事件無關(guān)． 由圖8d可以看出， 洞體應(yīng)變觀測結(jié)果中未出現(xiàn)明顯的突變異常， 13日EW方向觀測值與12日相比呈小幅降低， 但由于引起洞體應(yīng)變變化的因素很多， 諸如大氣壓、 地震等， 所以不能確定該形變測量的變化是否與此次事件有關(guān)． 形變測量的所有測項中均不能明確看出與該事件相關(guān)的應(yīng)變響應(yīng)， 這可能是由于臺站距離事件發(fā)生點(diǎn)太遠(yuǎn)， 處于事件能量波及范圍以外．

2.5 地下流體響應(yīng)

在爆炸事件發(fā)生前后， 京津冀地區(qū)的地下流體觀測并未出現(xiàn)明顯的異常， 如圖9所示． 塘沽地下流體觀測點(diǎn)位于事件附近， 自7月下旬靜水位處于持續(xù)下降狀態(tài)， 其響應(yīng)情況類似于小辛莊臺形變觀測的水平擺和垂直擺傾斜測項的NS測道， 14日0時測值較12日0時有所下降. 靜海臺氣壓也出現(xiàn)同樣的變化規(guī)律， 但其下降趨勢并非事件后才出現(xiàn)， 而是持續(xù)時間較長． 其余測點(diǎn)的靜水位則比較平穩(wěn)， 如王3井． 塘沽臺靜水位下降的原因可能是儀器零點(diǎn)漂移或局部氣壓的影響， 與此次事件無關(guān)． 值得指出的是， 小辛莊臺垂直擺傾斜NS測道觀測曲線與塘沽臺靜水位曲線具有相同的趨勢， 該現(xiàn)象似乎表明靜水位測項的變化趨勢也具有方向性， 但與圖4中地電場觀測到的方向變化是否具有統(tǒng)一的機(jī)制， 還有待進(jìn)一步深入研究．

圖9 2015年8月6—20日各臺站流體觀測曲線. 右圖為左圖虛線部分的放大圖

3 討論與結(jié)論

本文通過分析天津港爆炸事件點(diǎn)鄰近地區(qū)的地面電磁、 衛(wèi)星熱紅外、 地下流體和地形變臺站在事件前后的觀測記錄， 得到了不同的地球物理觀測對本次事件的響應(yīng)： ① 從事件發(fā)生時刻起， 距離事件點(diǎn)18 km的塘沽臺地電阻率曲線每日幅值減小， 其自然電位差和地電阻率均方差的幅值和均值均大幅下降， 但距離事件點(diǎn)60 km外的青光臺和寶坻臺并未觀測到類似現(xiàn)象； ② 在事件發(fā)生后幾分鐘內(nèi)， 距事件點(diǎn)65—80 km的靜海臺、 寶坻臺和較遠(yuǎn)的昌黎臺等地電場觀測曲線同步出現(xiàn)了瞬間脈沖變化， 在事件發(fā)生前幾十分鐘內(nèi)， 靜海臺和寶坻臺EW測道地電場觀測曲線出現(xiàn)了先小幅度增大(突增)后又恢復(fù)的波動變化， 寶坻臺NS測道也出現(xiàn)類似信號； ③ 在上述靜海臺等地電場觀測曲線出現(xiàn)擾動時， 地磁場觀測曲線并未出現(xiàn)擾動響應(yīng)， 但在事件發(fā)生后的2.5小時， 電離層電子流量E2曲線出現(xiàn)了小幅度下降， 4小時候后E1和E2曲線均出現(xiàn)中等幅度的下降擾動， 此時地磁場和地電場均未觀測到擾動； ④ 衛(wèi)星熱紅外亮溫于12日11時開始增強(qiáng)， 13—14日亮溫持續(xù)增強(qiáng)， 直到16日后亮溫開始衰減， 18日后亮溫恢復(fù)至事件發(fā)生前水平； ⑤ 地下流體觀測未出現(xiàn)明確的與此次事件對應(yīng)的擾動變化， 形變觀測點(diǎn)距事件點(diǎn)超過120 km， 也未出現(xiàn)異常變化． 這些地球物理響應(yīng)的可能原因如下：

1) 電離層高能電子流量的波動與衛(wèi)星熱紅外亮溫異常的機(jī)理是吻合的． 地面大能量的爆炸沖擊以及因注水形成的物質(zhì)間的持續(xù)化學(xué)反應(yīng)放熱， 其能量擴(kuò)散到空間引起衛(wèi)星熱紅外亮溫增加和電離層電子流量的微小幅度下降(林大超等， 2001； 閆相相等， 2013)． 空間電子流量微小幅度下降的影響是瞬時和小范圍的， 可能未影響到地磁場或者引起的地磁場變化不在觀測頻段內(nèi)． 首先， 在事件發(fā)生后幾分鐘內(nèi)， 事件點(diǎn)周圍的靜海、 寶坻和昌黎臺記錄到同步地電場脈沖變化， 而在遠(yuǎn)距離的其它臺站則未觀測到同步脈沖變化， 顯然此脈沖變化不是由空間電磁擾動引起的； 其次， 靜海、 寶坻和昌黎臺均記錄到了同步脈沖， 說明不是由臺站觀測環(huán)境所引起的． 因此， 上述3個臺站出現(xiàn)的同步脈沖變化是緣于檢測到了由本次爆炸事件激發(fā)出的局部空間范圍的電磁效應(yīng)． 在事件發(fā)生前幾十分鐘內(nèi)， 靜海臺和寶坻臺的地電場觀測曲線出現(xiàn)小幅波動變化， 其原因可能是直接觀測到了爆炸事件前其它事件對地電場的影響， 或者是地電場對電離層電子流量微小幅度下降的響應(yīng)． 在13日電子流量大幅度下降時， 地電場上升變化幅度沒有地磁場下降幅度明顯， 因此可以排除后一種可能性． 對爆炸事件后亮溫增加、 電子流量下降的另一種解釋為， 與地磁暴類似， 空間電子流量下降擾動引起了地磁場水平分量H大幅下降， 對應(yīng)的地電場垂直分量受影響最大， 而對地電場水平分量影響則較小． 衛(wèi)星熱紅外亮溫增強(qiáng)能夠證實地面事件的沖擊確實存在熱輻射(馬曉靜等， 2009； 張元生等， 2010)， 這將引起空間電子流量波動， 所以認(rèn)為該事件引起了強(qiáng)烈的熱輻射， 此后是持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)放熱， 二者疊加使熱輻射量增加， 導(dǎo)致熱紅外亮溫異常于14—15日達(dá)到最強(qiáng)， 至16日后逐漸消散．

2) 塘沽臺地電阻率每日幅值和均方差減小的原因可能有兩方面： 其一是近距離的地鐵津濱線停止運(yùn)行， 由該線路所引起的干擾消失； 其二是爆炸事件的沖擊可能造成了該臺站地下介質(zhì)微裂隙的變化． 在塘沽臺地電阻率觀測中， 每日5時附近地電阻率及其均方差和自然電場開始出現(xiàn)大幅度的變化， 此時間段與每日地鐵津濱線運(yùn)行時間是一致的． 根據(jù)張世中等(2013)和沈紅會等(2014)的研究可知， 每日在地鐵津濱線運(yùn)營時段內(nèi)疊加在塘沽臺地電阻率日均值上的跳動變化屬于地鐵干擾， 是由地鐵運(yùn)行時線路供電所引起的對地漏電所致． 爆炸事件發(fā)生后地鐵津濱線隨即停運(yùn)， 相應(yīng)的塘沽臺地電阻率每日幅值和均方差均明顯減小(圖2)， 證明了從爆炸事件開始的這些變化是由地鐵停運(yùn)造成的． 但是， 在事件發(fā)生72小時后， 塘沽臺地電阻率觀測中的地鐵干擾仍未完全消失， 僅干擾幅度明顯減小(圖2—3)， 其減小但仍未消失的原因可能是該臺站除了受最近距離(6 km)的地鐵津濱線影響外， 還受較遠(yuǎn)距離的其它地鐵運(yùn)營的影響， 但因其距離較遠(yuǎn)， 所以造成的干擾幅度較?。?由此看來， 地電阻率觀測中避開或抑制地鐵干擾是相當(dāng)重要的． 其次， 錢書清等(2003)根據(jù)巖石實驗推斷， 若地下相對穩(wěn)定的介質(zhì)裂隙受到地震等大的不可逆應(yīng)力作用后， 裂隙將受力貫通， 宏觀上地電阻率減小， 且長時間保持低地電阻率水平． 據(jù)地下各向異性介質(zhì)中電阻率變化與微裂隙和裂隙水的本構(gòu)關(guān)系可知， 介質(zhì)中微裂隙貫通和水進(jìn)入微裂隙是引起視電阻率減小的直接原因(杜學(xué)彬等， 2007； 杜學(xué)彬， 2010)． 天津濱海地區(qū)東北部沿海岸向南沉積物粒度逐漸變細(xì)， 從砂和粉砂質(zhì)砂到砂質(zhì)粉砂， 再到黏土質(zhì)粉砂(岳軍等， 2011)， 具有富水條件， 水中含鹽量也高(即低阻水)， 造成了介質(zhì)具有良好的導(dǎo)電性． 塘沽臺地下介質(zhì)就屬于這種情況， 該臺地電阻率觀測供電極距AB=1500 m， 探測深度/范圍較大(杜學(xué)彬等， 2007)， 探測層介質(zhì)是水飽和或趨于飽和的， 兩個測道的實測地電阻率值在10—14 Ω·m之間， 并存在明顯的方向性． 由阿契(Archie)定律可知， 當(dāng)介質(zhì)飽和或趨于飽和的情況下， 再增加水含量對巖石電阻率的影響并不大． 在這種情況下， 根據(jù)杜學(xué)彬等(2007)和杜學(xué)彬(2010)給出的本構(gòu)關(guān)系， 介質(zhì)電阻率變化主要取決于介質(zhì)微裂隙發(fā)育和優(yōu)勢取向． 所以本文認(rèn)為爆炸事件所引起的震動波及到近距離的塘沽臺， 可能導(dǎo)致了該臺站地下介質(zhì)中微裂隙的發(fā)育和擴(kuò)張， 在宏觀上微裂隙優(yōu)勢取向， 同時低阻水進(jìn)入微裂隙， 改變了地電阻率對每日潮汐的響應(yīng)， 進(jìn)而導(dǎo)致每日地電阻率幅值減小等現(xiàn)象． 在地鐵津濱線恢復(fù)試運(yùn)行后， 該臺站的干擾影響又再次增加， 但干擾幅度卻明顯小于爆炸事件之前， 因此也不完全排除介質(zhì)微裂隙變化和低阻水進(jìn)入微裂隙的影響．

3) 地下流體臺站(包括塘沽臺)未觀測到對應(yīng)此次事件的明確響應(yīng)， 其原因可能是爆炸事件本身未造成地下流體的“變異”現(xiàn)象． 地下水位等流體觀測與固體潮汐和大氣壓的相關(guān)性高(晏銳等， 2012； 劉紹華等， 2014)， 地面爆炸的瞬時能量遠(yuǎn)大于正常大氣壓值(林大超等， 2001； 胡宏偉等， 2014)． 南方周末(2015)報道該事件造成了附近2 km范圍內(nèi)部分建筑物的門窗玻璃破碎、 墻壁受損等， 說明爆炸事件激發(fā)了強(qiáng)烈的沖擊能量． 沖擊能量由地面向四周傳播的同時也向地下傳播， 但是包括近距離的塘沽臺(不超過20 km)在內(nèi)的地下流體臺站卻未出現(xiàn)地下水位等響應(yīng)， 由此推測其可能原因是該地區(qū)地下介質(zhì)對沖擊能量的衰減較強(qiáng)(李洪濤等， 2010； 張先武等， 2014)， 此次爆炸的沖擊能量未能激發(fā)出地下水位等響應(yīng)， 這與電磁和熱紅外對本次事件的響應(yīng)機(jī)制不同． 再者， 除塘沽臺外其它地下流體臺站均位于60 km以外， 地下水位等也無異常． 地形變測量也有類似原因， 小辛莊臺距事件點(diǎn)約120 km， 通過地下介質(zhì)的衰減作用， 事件的沖擊能量未能傳播至很遠(yuǎn)距離． 對本次事件， 包括近距離的塘沽臺在內(nèi)的靜水位觀測未出現(xiàn)對該事件的響應(yīng)， 其原因目前尚不明確． 實際上， 在地震監(jiān)測中僅從地磁場觀測曲線上識別出同震變化的情況也不多， 這與地電場是不同的．

另外， 天津爆炸事件發(fā)生前幾十分鐘靜海臺和寶坻臺均出現(xiàn)了地電場小幅“突增”現(xiàn)象， 是否與事件發(fā)生前的其它事件有關(guān)， 還有待進(jìn)一步深入研究．

中國地震前兆臺網(wǎng)提供了相關(guān)前兆數(shù)據(jù)， 國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心提供了空間天氣周報， 審稿專家提出了寶貴意見， 作者在此一并表示感謝．

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Zhang Xin1)Du Xuebin1,2),Zhang Yuansheng1,2)Zhang Lifeng1)

1)LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,China2)LanzhouNationalObservatoryofGeophysics,Lanzhou730000,China

The surface explosion occurred in Tanggu district of Tianjin on August 12, 2015 caused wide attention. This paper presented the geophysical observation response to this explosion based on the data from a number of geophysical observation stations in Beijing-Tianjin-Hebei region as well as the satellite infrared remote sensing data, and obtained the geophysical disturbances information around the point. The results showed that the response of georesistivity to the explosion near the event site is apparent, that is, the georesistivity curve declined rapidly after this event and lasted for a long time. It was also observed that the geoelectric field anomalies appeared with a small amplitude two days before and after the event, and the space electronic flow declined slightly synchronously, however, no disturbances of geomagnetic field appeared at the same period. Meanwhile, the satellite infrared brightness temperature significantly increased after the event, and lasted for several days. In addition, there was no obvious response of underground water level and deformation to the event. The results indicate that different types of observations have different responses to this event, it will be valuable for analyzing and determing the anomalies related to earthquake in the future. What is more, it is also useful for a deeper cognition for the process of Tianjin explosion.

surface explosion; geoelectric field; satellite infrared remote sensing; underground fluid; georesistivity; deformation

章鑫， 杜學(xué)彬， 張元生， 張麗峰. 2016. 京津冀地區(qū)多種地球物理觀測對天津爆炸事件的響應(yīng). 地震學(xué)報, 38(2): 283--297. doi:10.11939/jass.2016.02.012.

Zhang X, Du X B, Zhang Y S, Zhang L F. 2016. Multiple geophysical observation response to the Tianjin explosion in Beijing-Tianjin-Hebei region.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 283--297. doi:10.11939/jass.2016.02.012.

國家自然科學(xué)基金(41374080)資助

2015-10-14收到初稿， 2016-02-24決定采用修改稿.

e-mail: duxb@163.com

10.11939/jass.2016.02.012

P315.72

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