駱佳驥 于書(shū)媛 趙希磊

(安徽省地震局， 合肥230031)

安徽“霍山窗”中強(qiáng)震分布與斷裂關(guān)系研究*

駱佳驥※于書(shū)媛 趙希磊

(安徽省地震局， 合肥230031)

應(yīng)用ArcGIS10.0軟件平臺(tái)， 建立“霍山窗”地區(qū)主要斷裂、 地震資料的矢量數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)， 運(yùn)用緩沖區(qū)分析、 統(tǒng)計(jì)分析、 疊加分析等空間分析功能， 確定以25 km為半徑的緩沖區(qū)包含93.9%以上地震， 并依據(jù)疊加結(jié)果， 計(jì)算得出單位斷裂長(zhǎng)度的地震數(shù)量。 分析數(shù)據(jù)表明， 落兒嶺—土地嶺斷裂活動(dòng)性最強(qiáng)， 青山—曉天斷裂、 梅山—龍河口斷裂的地震活動(dòng)性次之。 最后， 通過(guò)斷裂與地震緩沖區(qū)分析結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)在斷裂交匯處易發(fā)生強(qiáng)震。

霍山窗； 中強(qiáng)震； 空間分析

引言

甘芬芳等[2]利用四川省和重慶市1950年1月—2009年9月M≥4.0地震的地震數(shù)據(jù)和地質(zhì)構(gòu)造圖， 對(duì)地震空間分布及其分維值與大地構(gòu)造單元的關(guān)系進(jìn)行研究。 彭自正等[3]基于GIS空間分析方法對(duì)江西活動(dòng)斷裂分布與地震活動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了研究。 劉峰等[4]利用GIS方法研究了南北地震帶和中央造山帶交匯區(qū)活動(dòng)斷裂與地震的關(guān)系。 董丞妍等[5]基于GIS點(diǎn)格局方法， 從余震點(diǎn)分布的不確定性及烈度區(qū)與點(diǎn)空間距離格局的關(guān)系角度研究了汶川及蘆山余震點(diǎn)格局。 上述工作的研究范圍較大， 至今少見(jiàn)系統(tǒng)地針對(duì)“霍山窗”地區(qū)的強(qiáng)震與斷裂的關(guān)系研究。 隨著安徽省地震臺(tái)網(wǎng)中心數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用， 積累的地震目錄資料可應(yīng)用于強(qiáng)震研究。

1 “霍山窗”構(gòu)造背景及強(qiáng)震分布特征

“霍山窗”位于大別山北部的霍山地區(qū)， 范圍為31°00′N(xiāo)～31°50′N(xiāo)， 115°42′E～116°36′E， 著名的秦嶺—大別造山帶的東段(圖1)。 大地構(gòu)造位置為秦嶺—大別斷褶帶。 大別斷褶帶是一個(gè)復(fù)雜的構(gòu)造帶， 基底由大別群、 佛子嶺群、 梅山群組成。 研究區(qū)域地殼演變大致經(jīng)歷了大別運(yùn)動(dòng)、 揚(yáng)子運(yùn)動(dòng)、 燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)。 燕山運(yùn)動(dòng)是繼大別運(yùn)動(dòng)、 揚(yáng)子運(yùn)動(dòng)后的一次極強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)， 主要表現(xiàn)為斷裂—褶皺運(yùn)動(dòng)。 形成了黑石渡、 城關(guān)、 下符橋、 與兒街、 石河及磨子潭—東西溪等較開(kāi)闊的山前盆地， 并由晚侏羅系、 白堊系火山巖和陸相碎屑巖建造形成。 第四紀(jì)以來(lái)研究區(qū)展布3組斷裂， 分別是NW向的梅山—龍河口斷裂(F1)、 青山—曉天斷裂(F2)和NE向的落兒嶺—土地嶺斷裂(F3)， 表1為3條斷裂及活動(dòng)性[6]。 其中落兒嶺—土地嶺斷裂形成時(shí)代為晚更新世。 梅山—龍河口和青山—曉天斷裂形成時(shí)代較晚， 為第四紀(jì)早期[7]。

F1: 梅山—龍河口斷裂； F2: 青山—曉天斷裂；F3: 落兒嶺—土地嶺斷裂

圖1 “霍山窗”地區(qū)斷裂構(gòu)造分布圖(左上圖小圖中方框表示“霍山窗”的地理位置)

表1 “霍山窗”區(qū)域斷裂及其活動(dòng)性

2 研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

本文的中強(qiáng)震特指安徽省內(nèi)M4.0及以上地震。 在ArcGIS 10.0平臺(tái)上， 對(duì)“霍山窗”的3條斷裂及強(qiáng)震數(shù)據(jù)， 分別進(jìn)行各斷裂緩沖區(qū)與地震的疊加分析， 運(yùn)用矢量數(shù)據(jù)的空間分析功能， 確定最佳緩沖區(qū)半徑， 統(tǒng)計(jì)在每個(gè)斷裂緩沖區(qū)內(nèi)的地震數(shù)目與斷裂長(zhǎng)度等屬性信息， 計(jì)算單位長(zhǎng)度斷裂地震發(fā)生數(shù)， 即單位長(zhǎng)度地震頻率， 進(jìn)行斷裂緩沖區(qū)與地震的疊加分析， 研究斷裂活動(dòng)程度、 中強(qiáng)地震活動(dòng)性特征； 進(jìn)行典型強(qiáng)震緩沖區(qū)與斷裂的疊加分析， 研究強(qiáng)震與周?chē)顒?dòng)斷裂的關(guān)系， 分析可能的發(fā)震斷裂， 加深對(duì)研究區(qū)斷裂的活動(dòng)強(qiáng)度和中強(qiáng)地震活動(dòng)性的理解。

2.1 各緩沖區(qū)內(nèi)地震數(shù)目

斷裂的緩沖區(qū)半徑是重要的分析參數(shù)， 對(duì)后續(xù)的疊加分析至關(guān)重要。 本文對(duì)給定寬度為10 km、 15 km、 20 km、 25 km的距離建立緩沖區(qū)， 統(tǒng)計(jì)落入斷裂緩沖區(qū)內(nèi)的全省地震次數(shù)及占全省地震總數(shù)的百分比， 得到表2所示的結(jié)果。 分析表2可知， 在1970年以后有地震儀器記錄的地震中，M≥1.5以上的地震和M≥4.0以上的地震的97%以上落在25 km建立的活動(dòng)斷裂緩沖區(qū)內(nèi)， 這表明25 km緩沖區(qū)內(nèi)的小震和中強(qiáng)地震要素可以反映斷裂的活動(dòng)程度。 以上分析數(shù)據(jù)表明， 安徽省現(xiàn)代M≥4.0地震發(fā)生與斷裂關(guān)系密切， 可見(jiàn)斷裂處于較高的活躍階段， 同時(shí)也表明安徽省的地震與斷裂密切相關(guān)。 綜合以上數(shù)據(jù)分析， 最終確定25 km研究“霍山窗”地區(qū)緩沖區(qū)寬度效果最佳。

2.2 斷裂的地震活動(dòng)性

由上節(jié)分析得出， 97.57%以上的地震都發(fā)生在距斷裂25 km范圍內(nèi)， 表明25 km緩沖區(qū)內(nèi)的地震可以反映研究區(qū)內(nèi)斷裂的活動(dòng)性， 下一步比較單位長(zhǎng)度內(nèi)的地震個(gè)數(shù)， 具體步驟為：

表2 緩沖區(qū)內(nèi)地震數(shù)占地震總數(shù)百分比

(1) 統(tǒng)計(jì)距離半徑25 km建立的斷裂帶緩沖區(qū)內(nèi)的地震個(gè)數(shù)， 其中n1為1970年后M≥1.5全部地震個(gè)數(shù)，n2為現(xiàn)代M≥4.0全部中強(qiáng)地震個(gè)數(shù)。

(2) 統(tǒng)計(jì)3條斷裂的長(zhǎng)度， 得統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度L(km)。

(3)計(jì)算單位長(zhǎng)度內(nèi)的地震個(gè)數(shù)：N1=n1/L、N2=n2/L。 計(jì)算結(jié)果與對(duì)比結(jié)果如表3和圖2所示。

表3反映， 土地嶺—落兒嶺斷裂兩項(xiàng)參數(shù)均為最高， 說(shuō)明其活動(dòng)性最強(qiáng)； 梅山—龍河口斷裂N1計(jì)算結(jié)果稍大于青山—曉天斷裂， 其N(xiāo)2參數(shù)計(jì)算結(jié)果稍小于青山—曉天斷裂， 表明兩條斷裂活動(dòng)相當(dāng)。 鑒于青山—曉天斷裂與土地嶺—落兒嶺交匯處曾發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震， 筆者認(rèn)為其活動(dòng)性可能強(qiáng)于梅山—龍河口斷裂。

表3 單位長(zhǎng)度的活動(dòng)斷裂對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代地震個(gè)數(shù)

圖2 “霍山窗”區(qū)域3條斷裂單位長(zhǎng)度M≥1.5和M≥4.0現(xiàn)代地震個(gè)數(shù)

圖1中單位長(zhǎng)度地震數(shù)很好地說(shuō)明晚更新世斷裂的活動(dòng)性較弱、 中更新世斷裂活動(dòng)強(qiáng)， 與理論相符。 其中， 在研究區(qū)的3條主要斷裂中， 以N1和N2為標(biāo)準(zhǔn)， 將斷裂的活動(dòng)程度分為2個(gè)等級(jí)。 落兒嶺—土地嶺斷裂的N1、N2值都最高， 說(shuō)明在這條斷裂25 km范圍緩沖區(qū)內(nèi)的小震頻發(fā)、 中強(qiáng)震次數(shù)高， 其斷裂活動(dòng)性最強(qiáng)。 其次是青山—曉天斷裂和梅山—龍河口斷裂， 在這兩條斷裂25 km范圍緩沖區(qū)的小震頻發(fā)， 但歷史及現(xiàn)代中強(qiáng)震次數(shù)較落兒嶺—土地嶺斷裂低， 綜合以上數(shù)據(jù)分析， 其兩條斷裂總體活動(dòng)性較落兒嶺—土地嶺斷裂弱。

總的來(lái)說(shuō)， 上述3條斷裂基本控制了“霍山窗”地區(qū)中強(qiáng)震的分布格局， 并且沿落兒嶺—土地嶺與其余兩斷裂交匯部位小震有集中現(xiàn)象， 一反映了落兒嶺—土地嶺斷裂為區(qū)域地震活動(dòng)的主控?cái)嗔眩?二反映了兩條斷裂交匯部位應(yīng)力具有集中特點(diǎn)。 地震地質(zhì)研究結(jié)果也支持以上分析， 姚大全等[8]認(rèn)為， 落兒嶺—土地嶺斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世， 為一地震活動(dòng)斷裂， 其余兩條斷裂與落兒嶺—土地嶺交匯部位更是未來(lái)發(fā)生中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)部位。

2.3 中強(qiáng)震與斷裂疊加分析

疊加分析是GIS中用來(lái)提取空間隱含信息的方法之一。 疊加分析不僅生成了新的空間關(guān)系， 而且還將輸入的多個(gè)數(shù)據(jù)層的屬性聯(lián)系起來(lái)產(chǎn)生新的屬性關(guān)系[9]。

本文綜合運(yùn)用ArcGIS的空間分析功能， 將圍繞斷裂形成的半徑25 km緩沖區(qū)圖層與中強(qiáng)震中點(diǎn)圖層疊加， 形成新的圖層， 統(tǒng)計(jì)全省每條斷裂緩沖區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震數(shù)與長(zhǎng)度等屬性信息， 并添加字段存儲(chǔ)， 可視化顯示4個(gè)等級(jí)的斷裂活動(dòng)程度， 得到半徑25 km緩沖區(qū)單位長(zhǎng)度全省中強(qiáng)震目錄分類(lèi)渲染圖(圖3)。 從圖3的對(duì)比可見(jiàn)， 中強(qiáng)震在“霍山窗”最為密集(黑色標(biāo)出)。 就斷裂活動(dòng)性而言， “霍山窗”區(qū)域內(nèi)的3條斷裂單位長(zhǎng)度發(fā)生中強(qiáng)震的次數(shù)較高， 其中落兒嶺—土地嶺斷裂的活動(dòng)性最強(qiáng)， 梅山—龍河口和青山—曉天斷裂次之。 劉東旺等[10]研究表明， 霍山地區(qū)深大斷裂十分發(fā)育， 青山—曉天斷裂與落兒嶺—土地嶺斷裂交匯處存在中強(qiáng)震多發(fā)、 小震密集特點(diǎn)。

圖3 “霍山窗”區(qū)域斷裂活動(dòng)性渲染圖

自1970年有地震儀器記錄到的安徽省M≥4.0以上的中強(qiáng)震共15次， 其中有8次發(fā)生在“霍山窗”， 分別是1971年2月1日霍山4.0級(jí)地震、 1973年3月11日霍山4.8級(jí)地震和4.9級(jí)地震、 1973年3月12日霍山4.5級(jí)地震、 1982年9月27日霍山4.3級(jí)地震、 1985年5月10日霍山4.0級(jí)地震、 2002年7月14日霍山4.0級(jí)地震和2014年4月20日霍山4.3級(jí)地震。 本文通過(guò)GIS空間分析方法建立以歷史中強(qiáng)震為圓心的緩沖區(qū)， 與周邊活動(dòng)斷裂進(jìn)行疊加分析(圖4)。 分析圖4發(fā)現(xiàn)， “霍山窗”區(qū)域強(qiáng)震多數(shù)發(fā)生在落兒嶺—土地嶺斷裂西側(cè)不到2 km， 即青山—曉天斷裂與落兒嶺—土地嶺的交匯區(qū)域。 對(duì)該區(qū)域范圍內(nèi)的中強(qiáng)地震建立緩沖區(qū)分析發(fā)現(xiàn)， 緩沖區(qū)幾乎重疊且余震走向分布呈現(xiàn)以交匯區(qū)為圓心向四周擴(kuò)散的放射狀并沿著落兒嶺—土地嶺斷裂。 在緩沖區(qū)范圍內(nèi)， 青山—曉天斷裂帶被北東向落兒嶺—土地嶺斷裂切割， 且據(jù)前人研究資料表明， 自晚更新世以來(lái)落兒嶺—土地嶺斷裂活動(dòng)頻繁， 所以筆者從圖中分析認(rèn)為， 落兒嶺—土地嶺斷裂運(yùn)動(dòng)是“霍山窗”地區(qū)中強(qiáng)地震及其余震發(fā)生的直接原因， 而該地區(qū)歷史強(qiáng)震多、 小震密集則是受到落兒嶺—土地嶺斷裂與青山—曉天斷裂交匯切割的影響。

圖4 現(xiàn)代強(qiáng)震緩沖區(qū)與地震疊加結(jié)果

3 結(jié)論

運(yùn)用地理信息的空間分析方法， 將地震屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有空間概念的屬性信息進(jìn)行地震與活動(dòng)斷裂關(guān)系的相關(guān)性分析研究， 為斷裂活動(dòng)對(duì)地震的定量分析提供了有效的手段。

通過(guò)建立合適的“霍山窗”區(qū)域發(fā)震斷裂緩沖區(qū)與現(xiàn)代中強(qiáng)震的疊加統(tǒng)計(jì)分析表明， 100%中強(qiáng)地震的發(fā)生受到斷裂活動(dòng)的影響。 在此基礎(chǔ)上， 通過(guò)計(jì)算落入給定距離緩沖區(qū)內(nèi)的單位長(zhǎng)度的地震數(shù)目比較分析各發(fā)震斷裂的活動(dòng)性強(qiáng)弱。 其中， 落兒嶺—土地嶺斷裂的活動(dòng)性最強(qiáng)， 青山—曉天斷裂和梅山—龍河口斷裂的活動(dòng)性次之。

落兒嶺—土地嶺斷裂和青山—曉天斷裂交匯處是歷史及現(xiàn)今中強(qiáng)地震活動(dòng)比較顯著的區(qū)域， 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)歷史及1970年以來(lái)M≥4.0以上地震的空間分布， 得出研究區(qū)內(nèi)的中強(qiáng)地震發(fā)震主要受區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的控制， 中強(qiáng)地震沿著斷裂交匯處呈現(xiàn)帶狀分布特征， 落兒嶺—土地嶺斷裂沿線特征最明顯， 表明該斷裂在第四紀(jì)還有一定程度的活動(dòng)性。 其中北東向的落兒嶺—土地嶺斷裂與近東西向的青山—曉天斷裂交匯處最為密集， 反映了該處為構(gòu)造的薄弱點(diǎn)， 應(yīng)力易于積累釋放。

結(jié)合斷裂活動(dòng)性渲染圖與歷史及現(xiàn)代中強(qiáng)地震進(jìn)行疊加分析圖， 結(jié)果表明， 沿著斷裂交匯區(qū)域， 斷裂密集分布及次級(jí)、 隱伏斷裂分布區(qū)， 晚更新世斷裂易發(fā)生中強(qiáng)地震。 筆者認(rèn)為， 中強(qiáng)地震的發(fā)生與活動(dòng)斷裂的關(guān)系密切， 需要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)“霍山窗”區(qū)域斷裂活動(dòng)的探測(cè)與活動(dòng)性鑒定工作。

[1] 鄧起東， 張培震， 冉永康， 等. 中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造與地震活動(dòng). 地學(xué)前緣， 2003， 10(增刊)： 66-73

[2] 甘芬芳， 徐剛， 徐羽， 等.基于GIS的構(gòu)造單元地震空間分形研究. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 40(6)： 80-84

[3] 彭自正， 趙愛(ài)平， 胡翠娥， 等. 基于GIS的江西活動(dòng)斷裂分布與地震活動(dòng)關(guān)系研究. 華南地震， 2002， 22(4)： 43-48

[4] 劉峰， 張家聲， 黃雄南， 等. 利用GIS方法研究南北地震帶和中央造山帶交匯區(qū). 中國(guó)地震， 2009， 25(4)： 394-403

[5] 董丞妍， 羅明良， 昌小莉， 等. 汶川及蘆山地震余震分布的空間尺度效應(yīng). 地震學(xué)報(bào)， 2015， 37(1)： 113-124

[6] 鄧起東， 冉永康， 楊曉平， 等. 中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造圖. 北京： 地震出版社， 2007

[7] 姚大全， 劉加燦， 李杰， 等. 六安—霍山地震危險(xiǎn)區(qū)地震活動(dòng)和地震構(gòu)造. 地震地質(zhì)， 2003， 25(2)： 211- 217

[8] 姚大全， 湯有標(biāo)， 劉加燦， 等. 大別山東北部基巖區(qū)斷裂活動(dòng)習(xí)性的綜合研究. 地震地質(zhì)， 1999， 21(1)： 63-68

[9] 湯國(guó)安， 楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程. 北京： 科學(xué)出版社， 2007

[10] 劉東旺， 陳安國(guó)， 王健. 安徽霍山歷史地震調(diào)查新進(jìn)展∥中國(guó)地震學(xué)會(huì)地震預(yù)報(bào)與歷史地震專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2011聯(lián)合學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集. 西安： 中國(guó)地震學(xué)會(huì)， 2011： 31

Relationship between moderate-strong earthquake and faults in “Huoshan seismic window”， Anhui Province

Luo Jiaji， Yu Shuyuan， Zhao Xilei

(Earthquake Administration of Anhui Province， Hefei 230031， China)

Take arcgis10.0 software as a platform， the main faults， seismic data of vector data and spatial database in “Huoshan seismic window” area are established. It shows there more than 93.9% of the earthquake in 25 km radius buffer by using buffer analysis， statistical analysis， overlay analysis and spatial analysis function. The number of earthquakes per unit fracture length are calculated according to the superposition of the results. Analysis of the data shows that Luoerling—Tudiling fault activity is the strongest， followed by Qingshan—Xiaotian ， Meishan—Longhekou fault. Finally， through the analysis of the fault and seismic buffer， it is found that the strong earthquake occurred at the intersection of the fault.

Huoshan seismic window； moderate-strong earthquake； spatial analysis

2016-07-08； 采用日期： 2016-07-25。

※通訊作者： 駱佳驥， e-mail: 598254253@qq.com。 基金資助： 安徽省地震局青年扶持基金項(xiàng)目(20150503)和安徽省地震局科研合同制項(xiàng)目(201511)共同資助。

P315.5；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.12.005