基于倒譜的2015年天津港“8·12”爆炸分析1

葉慶東 毛遠(yuǎn)鳳 王生文 余大新 王 巖

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基于倒譜的2015年天津港“8·12”爆炸分析1

葉慶東 毛遠(yuǎn)鳳 王生文 余大新 王 巖

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

本文通過對記錄到2015年天津港“8·12”爆炸的32個臺站的三分量數(shù)字地震波形進(jìn)行倒譜分析，得到了以下結(jié)論：①2個主要爆炸的發(fā)生時間間隔約為32.3s；②爆炸-2發(fā)生在爆炸-1的西北側(cè)約353°處；③依據(jù)這些記錄的倒譜，無法判定在爆炸-1前是否還存在微小的爆炸。以上結(jié)論均與前人研究成果吻合。由于倒譜疊加采用的是全波形，對濾波頻帶不敏感，因此，在檢測發(fā)生在同一地點的多次爆炸或其它類似事件（如核爆）上有一定的優(yōu)勢。

“8·12”天津港爆炸 倒譜 疊加 方位角

引言

北京時間2015年8月12日23點34分左右，位于天津市濱海新區(qū)天津港的瑞海公司危險品倉庫發(fā)生化學(xué)爆炸事故，導(dǎo)致165人死亡、8人失蹤、798人受傷，并造成了爆炸附近大量建筑、車輛和集裝箱受損，直接經(jīng)濟損失達(dá)66.86億元（鳳凰資訊，2016）。京津冀地區(qū)的數(shù)字測震臺網(wǎng)和強震臺網(wǎng)的部分臺站記錄到了該爆炸的清晰波形。波形記錄顯示，這起爆炸事故包含了前后2次較大的明顯爆炸，本文記為爆炸-1和爆炸-2。Li等（2015）根據(jù)爆炸附近23個數(shù)字測震臺的波形記錄，采用波形互相關(guān)技術(shù)確定了各臺站接收到的2次爆炸的時間差，根據(jù)到時差的方位差異，利用相對定位方法確定出爆炸-2位于爆炸-1西北方向55—70m。Zhao等（2016）基于天津市地震局某工程師利用爆炸附近GPS裝置得到的爆炸-1的精確位置（117.7496°E，39.0439°N），進(jìn)一步分析了爆炸附近32個臺站的測震資料，得出了第1次爆炸發(fā)生在北京時間23時34分4.68秒，第2次爆炸發(fā)生在23時34分36.94秒，間隔約為32.3s；并基于互相關(guān)得到2次事件到時差隨方位的變化，推斷出第2次爆炸發(fā)生在第1次爆炸西北方向65m附近；此外基于強震臺網(wǎng)的資料，分析了2次爆炸的烈度分布。章鑫等（2016）分析了京津冀地區(qū)地電、地磁及地溫等多種地球物理場觀測對該爆炸事件的同震和震后響應(yīng)，但是并沒有涉及地震學(xué)的觀測研究。李曄等（2017）通過對爆炸形成的深坑進(jìn)行實地考察，認(rèn)為實際爆炸地點為117.7510°E、39.0465°N，與Zhao等（2016）得到的位置相差約300m；并進(jìn)一步利用118個測震臺的資料，分析了爆炸周邊Pg、Pn波的波速，其工作主要基于傳統(tǒng)震相識別，未能給出2次爆炸發(fā)生的時間差及相對位置。

爆炸激發(fā)的聲波在垂直和水平方向上分別以410m/s和560m/s的速度傳播（Zhao等，2016），且衰減較慢，導(dǎo)致爆炸-2的P波波頭被淹沒在爆炸-1的聲波中，在震中距較大的記錄中，無法清晰識別出爆炸-2的P波到時，影響了對爆炸-2的分析。2次爆炸的位置幾乎重合，機理相同，因此波形具有一定的相似性，通常采用互相關(guān)檢測方法（Schaff等，2005）來確定到時差。除了互相關(guān)檢測，倒譜方法也是一種檢測波形相似度和提取信號延時的方法，并且在地震學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用（Cohen，1970；Bakun等，1973；陳運泰等，2000；魏富勝等，2003，2010；郭祥云等，2010；高偉等，2013；解滔等，2016）。本文首先假定2次爆炸發(fā)生在同一位置，采用倒譜疊加法來確定2次爆炸的時間差；并根據(jù)到時差的方位差異，初步估算出爆炸-2相對爆炸-1的方位；同時基于倒譜的前3s特征，探討爆炸-1前存在更小爆炸的可能性。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

為方便相關(guān)人員進(jìn)行研究，在天津港“8·12”爆炸發(fā)生后第2天，中國地震局國家測震臺網(wǎng)備份中心（鄭秀芬等，2009）立即向社會發(fā)布了記錄到這2次爆炸100km范圍內(nèi)的32個臺站的三分量波形數(shù)據(jù)。其中，29個臺站位于天津市內(nèi)，3個位于河北省境內(nèi)（圖1）；除BAD、DOH、SJT、SJZ、ZTZ為寬頻帶記錄臺站外，其余27個臺站均為短周期記錄，數(shù)據(jù)采樣率均為100sps。

圖1 爆炸（紅色星號）附近地震臺站（黑色三角形）分布

1.2 方法

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

首先按照同一參考時間（北京時間8月12日23時34分0.68秒）截取32個臺站的三分量記錄，然后去掉線性趨勢和均值。對于各臺記錄的每1個分量，采用2—10Hz的4階巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波，并基于快速傅里葉變換，采用周期圖法計算功率譜密度函數(shù)，最后對功率譜密度函數(shù)的對數(shù)做傅里葉反變換得到倒譜。圖2（a）給出了DOH臺垂直分量記錄，由于震中距較大（約93km），波形信噪比較低。圖2（b）展示了該記錄的倒譜前100s的波形，圖2（c）、（d）分別為圖2（b）中0—3s和31—34s的放大波形。由圖2（b）、（c）可以看出，倒譜振幅在0s最大，在0.6s后衰減至0附近，反映了爆炸與天然地震的區(qū)別（魏富勝等，2003，2010；郭祥云等，2010）；由圖2（d）可以看出，在32—32.5s出現(xiàn)了較為明顯的峰值，對應(yīng)2次爆炸的時間差?？紤]到2次爆炸位置并不完全重合，爆炸激發(fā)的波在各方向的傳播速度有微小差異，同時各記錄信噪比不同，峰值對應(yīng)的時刻也有微小的差異，我們采用疊加來求2次爆炸發(fā)生的平均時差。計算中為了減小幾何擴散和非彈性衰減的影響，對各記錄進(jìn)行了歸一化處理；同時，為了壓制0時刻的峰值，對倒譜兩端采用了1s的漢寧窗。圖3（a）給出了32個臺站垂向記錄的倒譜及疊加的結(jié)果，圖3（c）為其31—34s的放大，可以看出在32—33s峰值明顯增強，噪聲得到明顯壓制，可以判定32—33s間的峰值對應(yīng)于2次爆炸的時間差，準(zhǔn)確值為32.32s。將同樣的方法應(yīng)用到東西分量和南北分量，得到的時間差均為32.31s，忽略掉百分位，可以判定2次爆炸發(fā)生的時間間隔為32.3s，這與Li等（2015）、Zhao等（2016）的結(jié)果完全一致。Li等（2015）與Zhao等（2016）采用的互相關(guān)檢測主要利用的是2—10Hz的窗長為4s的回音壁波（whispering gallery wave），而本文利用的是全波形，采用不同的濾波頻段進(jìn)行處理結(jié)果幾乎相同，說明相比于Li等（2015）與Zhao等（2016）采用的互相關(guān)檢測方法，本文采用的倒譜疊加法更為穩(wěn)健可靠。

（a）DOH臺垂向分量波形記錄；（b）DOH臺垂向分量波形記錄的倒譜；（c）圖（b）中0—3s的放大；（d）圖（b）中31—34s的放大

圖3（b）給出了0—3s的疊加結(jié)果，可以看出在0.5s附近存在1個明顯的峰值。李曄等（2017）根據(jù)爆炸-1前DAG臺與BET臺波形的微小起伏，認(rèn)為在爆炸-1之前存在1個微小的爆炸。如果認(rèn)為這個微小的爆炸與隨后2次爆炸機制相同且發(fā)生的位置相近，則理論上也可以通過本文的倒譜疊加方法來獲得它與其后2次爆炸的時間間隔。但是，0.5s附近的峰值是否對應(yīng)爆炸-1與其前面微小爆炸的時間差值得商榷。理由之一是雖然由公式（5）可知倒譜在0s時刻出現(xiàn)最大的脈沖值，但因為序列的長度有限，“脈沖”有一定的寬度且會出現(xiàn)旁瓣，因此無法確定該峰值反映的是爆炸-1與其前面微小爆炸的時間延遲，還是因為信號有限長度造成的假象。加窗操作能在一定程度上抑制這種影響，但同時也會破壞原始振幅。由頻率域車廂函數(shù)（box car function）的傅里葉反變換可知，旁瓣寬度與頻帶寬度成反比，衰減與時間成反比（Papoulis，1962），當(dāng)旁瓣峰值與延時峰值對應(yīng)則出現(xiàn)極大值，當(dāng)旁瓣極小值與延時峰值相對應(yīng)則可能出現(xiàn)相互抵消的情形，因此很難進(jìn)行定量分析。圖4分別給出了20—40Hz和10—20Hz濾波后32個臺站三分量記錄的倒譜單獨疊加和總體疊加的結(jié)果，在0.5s附近并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的峰值。理由之二是假設(shè)0.5s附近的峰值對應(yīng)于爆炸-1前微小爆炸與爆炸-1的時間差，那么該微小爆炸與爆炸-2有約32.8s的時間差，在32.8s附近也應(yīng)該出現(xiàn)1個峰值，但是圖3顯示在32.8s附近并不存在峰值。需要指出的是，以上2個理由并不能否認(rèn)在爆炸-1前存在微小爆炸的可能，由于微小爆炸能量太小，導(dǎo)致對它的記錄信噪比極低，削弱了它與后續(xù)2次爆炸記錄的相干性；同時，受到倒譜0值處峰值旁瓣的影響，故而難以出判定。

（a）32條垂向波形記錄的倒譜（黑色）及其疊加（紅色），其中D為震中距（km）；（b）圖（a）中0—3s的放大；（c）圖（a）中31—34s的放大

圖4 20—40Hz（a）與10—20Hz（b）后0—3s的倒譜疊加波形

倒譜疊加獲得的32.3s處的峰值對應(yīng)于爆炸-2與爆炸-1的延時，由于2次爆炸的位置可能略有差異以及地殼介質(zhì)的各向異性，各臺站峰值對應(yīng)的延時也略有差異。對于每1條倒譜記錄，在32—33s的窗內(nèi)搜索倒譜幅值的最大值，其對應(yīng)的時間為各臺站的延遲時間。圖5分別給出了各臺站延時與震中距和方位角（相對于爆炸-1）的關(guān)系，可見延時與震中距沒有明顯的關(guān)系。由于渤海海域內(nèi)沒有地震臺站，致使在方位角90°—190°范圍內(nèi)沒有延時觀測，但依然可見延時隨方位角變化明顯。各臺站延時與方位角的關(guān)系可以用如下函數(shù)擬合：

圖5 2次爆炸延遲時間隨震中距（a）和方位角（b）的變化

Fig. 5 The observed time intervals between the two explosions varied with epicentral distances (a) and the station azimuths (b)

3 結(jié)論

本文通過對記錄到的天津港“8·12”爆炸的32個臺站波形數(shù)據(jù)進(jìn)行倒譜疊加分析，得到以下結(jié)論：①2次明顯爆炸發(fā)生的時間間隔為32.3s；②依靠倒譜疊加無法確定在爆炸-1前是否存在1個微小的爆炸事件；③爆炸-2發(fā)生在爆炸-1西北側(cè)約353°處；④與相關(guān)檢測相比，倒譜方法在檢測識別發(fā)生在同一地點的多次爆炸及類似事件方面具有一定的優(yōu)勢。

致謝：感謝中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心為本研究提供了地震波形數(shù)據(jù)。

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Cepstrum-based Analysis on the “8·12” Explosions of Tianjin Harbor, 2015

Ye Qingdong, MaoYuanfeng, Wang Shengwen, Yu Daxin and Wang Yan

(The First Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China)

By analyzing the cepstra of three component waveforms from 32 stations, which recorded the “8·12” explosions in Tianjin harbor, we found that: ① the time difference between the two massive explosions was 32.3s; ② the second explosion occurred on northwest of the first explosions, with azimuth about 353°; ③ it was not able to determine whether there existed a small explosion before the explosion-1 or not. All the above findings are consisted well with previous studies. However, in the cepstra-stacking method used in this paper, we applied full waveforms instead of partial waveforms in other studies, and it is not sensitive to filters band. Therefore, our cepstra-stacking method in this study is more efficient than correlation detection method in detecting the explosions with similar events (such as nuclear explosions) happened at the same site.

“8·12” explosions of Tianjin Harbor; Cepstrum; Stacking; Azimuth

葉慶東，毛遠(yuǎn)鳳，王生文，余大新，王巖，2018．基于倒譜的2015年天津港“8·12”爆炸分析．震災(zāi)防御技術(shù)，13（3）：627—635．

10.11899/zzfy20180314

測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項（20170629），2018年震情跟蹤定向任務(wù)（2018010117）和國家自然科學(xué)基金（41504073）聯(lián)合資助

2018-01-09

葉慶東，男，生于1985年。工程師。主要從事噪聲成像與微小地震震源參數(shù)確定等方面研究。 E-mail：yeqingdongg@126.com