北京时间2019年3月21日14时48分44秒，江苏省盐城市响水县化工厂发生爆炸事故，位于34.334°N 119.776°E，引发地震事件（图1）。中国地震台网报道此次事件的震级为2.2，震源深度为0 km。根据政府部门的事故调查报告，该爆炸系由存贮在厂区内的600 t (吨)硝化废料导致自燃进而引发的爆炸事故，毁伤半径约为300 m；爆炸冲击波造成周边建筑、门窗及玻璃受损，严重受损半径约为2 km；爆炸形成了直径约为120 m的圆形深坑，深1.7 m；北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室和中国兵器工业集团二一七研究所采用经验公式和数值模拟方法，获得此次爆炸事故的总能量约为260 t TNT当量。此次爆炸事件产生了广泛影响，同时也留下了大量观测数据，为利用地震学方法检测爆炸事件属性以及测量有关爆炸参数提供了条件。
图1 江苏响水爆炸（红色实心五角星）位置图，同时包括在其中的还有2次邻近的化学爆炸（红色十字丝）、4次天然地震（蓝色实心圆）和中国国家数字地震台网、全球地震台网、日本F-net台网的台站位置（黑色实心三角形）。各次事件在台站XZ（绿色三角形）产生的地震记录在图2中进行了比较。插入小图标明了研究区域的地理位置。
中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室地震学学科组的博士研究生宋怡杉、导师赵连锋研究员、美国加州大学圣克鲁兹分校的谢小碧研究员与其他合作者一起，根据中国国家地震台网、全球地震台网和日本F-NET台网记录到的区域波形资料，包括来自江苏响水爆炸、2个已知参数的化学爆炸和4个邻近天然地震事件的140个数字台站获得的703个宽频带垂直分量地震图（图2），使用中国华北地区宽频带高分辨率的Lg波衰减模型（图3），调查了这些事件的地震学特征，检测了地震学监测方法，包括震级测定、爆炸当量估计和属性鉴别等方法的区域依赖性。
图2 江苏响水爆炸（红色），2次邻近化学爆炸（绿色）和4次天然地震（黑色）在台站XZ的垂直分量速度记录比较。其中，事件起始时间、最大振幅值和震中距离列于左侧，波形上的竖线表示群速度值。
图3 地壳Lg波Q值分布图。
结果表明，江苏响水化工厂爆炸事件的体波震级mb(Lg)=3.39±0.24，面波震级为Ms=1.95±0.27。根据完全耦合埋藏震源的震级-当量公式得到江苏响水化学爆炸的地震学当量为133 t。考虑到响水爆炸事故并非由埋藏震源造成，同时根据化工废料因紧贴地表堆放取其中心为爆炸高度0.1 m，爆炸产生的爆坑直径为120 m，根据爆坑直径与爆炸当量的经验关系获得响水爆炸的当量为492 t（图4）。考虑到这次爆炸的震源形式，显然后者更为接近实际。
图4 当量估计的经验关系式。 (a)震级与当量的经验公式。(b)爆坑直径与当量的经验关系。其中，实线是实验数据支持的部分，虚线是根据实验观测向外拓展所获得的关系曲线。
为了检测爆炸与天然地震的识别方法，我们比较了江苏响水化工爆炸与4次邻近天然地震的频谱特征。根据大陆路径台站的垂直位移记录，计算了各台Pg/Lg，Pn/Lg，和Pn/Sn的傅立叶频谱比，并求取了台网平均值。结果表明，江苏响水爆炸与邻近的4次地震事件频谱比特征差异明显，可清晰地分为两个群组。通过进一步将华东地区的结果与中国西北和东北地区的类似结果进行比较可以得到：利用经台网平均的频谱比值鉴别爆炸与地震的方法，不仅适用于响水爆炸，而且能够清晰识别俄罗斯塞米巴拉金斯克核试验场和朝鲜核试验场的核爆事件和邻近的化学爆炸事件（图5）。
图5 中国不同地区和不同类型震源经台网平均的谱比值Pg/Lg、Pn/Lg和Pn/Sn的比较。(a-c)华东地区响水爆炸和2次化学爆炸（紫线）与4次天然地震事件（蓝线）；(d-f)西北地区记录到的5次塞米巴拉金斯克核试验（红线）、13次化学爆炸（紫线）和6次天然地震事件（蓝线）；(g-i)东北地区记录到的6次朝鲜地下核试验（红线）、3次化学爆炸（紫线）和4次天然地震事件（蓝线）。
研究成果发表于国际地学学术期刊GJI (宋怡杉，赵连锋*，谢小碧，马潇，杜桂林，田晓峰，姚振兴. 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 )。本项研究由中国地震科学实验场 (2019CSES0103, 2016CESE0203)，国家自然科学基金 (41630210, 41674060, 41974054, 41974061)提供资助。