当地时间2020年8月4日下午，黎巴嫩首都贝鲁特港区一仓库发生剧烈化学爆炸。据美国地质调查局报道，该事件的发震时刻为UTC时间2020年8月4日15时8分18秒，震源深度0千米，震中位于北纬33.901度，东经35.519度(图1) ，爆炸引起的震动相当于一次ML3.3级地震。此次爆炸事件产生了广泛影响，同时也留下大量观测数据，为利用地震学方法检测爆炸事件属性及测量有关爆炸参数提供了条件。
图1 黎巴嫩及周边地区地图，其中包括贝鲁特爆炸爆心位置（红色五角星）、邻近的4次天然地震（橙色圆）和研究中使用的宽频带地震台站的位置（黑色三角形）。右下角小图显示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院重点实验室地震学学科组的博士研究生张蕾、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，根据德国地学研究中心运营的全球地震宽频带台网和美国地震学研究联合会的全球地震台网提供的76个宽频带地震台站记录到的黎巴嫩爆炸和4个邻近天然地震事件的区域波形资料(图2)，使用中东地区宽频带高分辨率的Lg波衰减模型，调查了此次爆炸事件的地震学特征，检验了地震学监测方法，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。同时将结果与其他类似爆炸事件和一些天然地震的特征进行了比较。
结果表明，贝鲁特爆炸事件的体波震级为mb(Lg)=3.30±0.46。如果采用完全耦合的埋藏震源的震级与爆炸当量之间的公式可得贝鲁特爆炸的当量仅为112 t（吨）。考虑到由存放在地表仓库中的易爆物引起的爆炸与埋藏震源差别甚大，我们采用了爆炸当量与爆坑直径之间的经验公式。取爆炸物质心高度为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贝鲁特爆炸的当量为1220 t。考虑到这次爆炸的震源形式，显然后者更为接近实际。我们也采用相同方法计算了发生在江苏响水和天津港两次化学爆炸的当量，其中江苏响水爆炸因为爆炸物紧贴地表取爆炸物质心高度为0.1 m，爆炸产生的爆坑直径为120 m，天津港爆炸取爆炸物质心高度为0.5 m，爆炸产生的爆坑直径为97 m。 由此得到两次爆炸的当量分别为492 t和750 t，与国务院事故调查组提供的实际爆炸物数量接近，说明本研究所使用的方法对于近地表化学爆炸当量估计的可靠性(图3)。
图2 贝鲁特化学爆炸（红色）与天然地震（黑色）在GE.EIL台站记录到的垂直分量速度波形的特征。
图3 贝鲁特、江苏响水和天津化学爆炸的记录波形以及爆炸产生爆坑的比较。爆坑直径显示在图中。
为了检验爆炸与天然地震的识别方法，我们比较了贝鲁特爆炸与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，贝鲁特爆炸与邻近4次地震事件的频谱比存在显著差异，特征明显，可清晰地区分为两个群组(图4)。将上述结果进一步与2015年8月12日天津港化学爆炸、2019年江苏响水化学爆炸、2018年中国西北地区13次2吨化学爆炸和2006年至2017年间朝鲜六次地下核爆炸的区域P/S谱比数据进行比较，发现区域P/S谱比结果与震源的各向同性程度密切相关。核爆的各向同性程度最高，化学爆炸次之，天然地震最低。我们提出一种归一化的比较方法，使用小当量化学爆炸的P/S谱比曲线对P/S振幅谱比曲线进行归一，并且在3.0-6.0, 6.0-9.0, 和9.0-15.0 Hz三个频段中计算平均值，发现以归一处理后的小当量化学爆炸为界，以上为爆炸事件，以下为天然地震事件，建立了鉴别天然地震和核爆的新标准 (图5)。
图4 贝鲁特爆炸以及邻近4个天然地震的区域震相谱比值Pg/Lg、Pn/Lg和Pn/Sn的比较。(a)-(c)贝鲁特爆炸(红色)与发生在2020年11月26日一个天然地震(黑色)单台观测谱比值和台网平均谱比值的对比。(d)-(f)贝鲁特爆炸与4个地震事件的台网平均谱比值。
图5 不同类型爆炸事件和天然地震的归一化频谱比的比较。(a)-(c)朝鲜核爆(绿色圆圈)、天津爆炸(浅红色三角形)、江苏响水爆炸(深红色三角形)、贝鲁特爆炸(棕红色三角形)、新疆小当量化学爆炸(灰色菱形)和天然地震(蓝色正方形)的Pg/Lg, Pn/Lg和Pn/Sn频谱比，所有观测经新疆小当量化学爆炸的频谱值进行了归一。(d)-(f)在3.0-6.0, 6.0-9.0, 和9.0-15.0 Hz频段对归一化的谱比值得到的平均值，图例与(a)-(c)相同。
研究成果发表于国际地学学术期刊SRL(张蕾，赵连锋*，谢小碧，何熹，姚振兴. Yield estimation and event discrimination of the 4 August 2020 Beirut chemical explosion. Seismological Research Letter, 2022, doi: 10.1785/0220210363)。本项研究由国家自然科学基金(41974061, 41974054, U2139206和42104055)和国家重点研发项目(2017YFC060106)资助。