段美芳 陸麗娜 李瑩甄 李寶君 楊 明 賈建鵬

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張家口-渤海斷裂帶西段及中西段值時(shí)空掃描1

段美芳1，2）陸麗娜1）李瑩甄1）李寶君3）楊 明1，4）賈建鵬1）

1）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201 2）云南省地震局洱源地震臺，云南洱源 671200 3）遼寧金州地震臺，遼寧大連116100 4）中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

張家口-渤海斷裂帶作為華北平原地區(qū)重要的活動斷裂帶，地震活動頻繁，是我國地震監(jiān)測預(yù)測重點(diǎn)區(qū)域之一。本文選取該斷裂帶西段及中西段1970—2016年的地震目錄，采用最大似然法進(jìn)行時(shí)間掃描，分析顯示研究區(qū)值為0.28—1.52，其隨時(shí)間變化的特點(diǎn)是在大地震發(fā)生前降至最低，震后逐漸恢復(fù)；研究區(qū)空間掃描結(jié)果顯示，該區(qū)值的平均值為0.93，其中懷安-萬全盆地北緣斷裂和薊運(yùn)河斷裂平均值較低，反映該區(qū)域應(yīng)力水平較高。綜合以上結(jié)果，本次研究揭示出研究區(qū)地震危險(xiǎn)性的時(shí)間和空間差異，為對研究區(qū)地震危險(xiǎn)性評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

值 張渤斷裂帶西段及中西段 地震危險(xiǎn)性

引言

地震作為地球上最具破壞性的自然災(zāi)害，吸引著人們對其不斷地思考和探索。地震值就是源于前人（Ishimoto等，1939；Gutenberg等，1954）不斷探索的地震研究工作以及他們建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在著名的古登堡-里克特關(guān)系式中，值是震級和頻度關(guān)系中的比例系數(shù)，反映區(qū)域內(nèi)不同震級地震的相對分布。國內(nèi)外眾多學(xué)者對值的計(jì)算方法（張建中等，1981）、時(shí)空變化特征（王輝等，2012；謝卓娟等，2015）、與環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系（Khan等，2011）、與布格重力異常的關(guān)系（Khan等，2007）等方面做了大量研究工作，使得值已經(jīng)成為衡量區(qū)域應(yīng)力水平的重要指標(biāo)，亦成為地震危險(xiǎn)性評價(jià)和未來地震危險(xiǎn)性預(yù)測的重要參數(shù)。一次破壞性地震不是突然爆發(fā)的，它要在相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)，經(jīng)歷比較長時(shí)間的應(yīng)力積累（李全林等，1978）。因此對于地震參數(shù)不斷進(jìn)行時(shí)間和空間掃描，監(jiān)視和探尋異常區(qū)的存在和變化，理應(yīng)成為地震監(jiān)測預(yù)測的科學(xué)手段之一。所以，應(yīng)用值在地震和活動構(gòu)造上進(jìn)行時(shí)空特征分析，既有一定的物理學(xué)基礎(chǔ)，又符合地震監(jiān)測預(yù)測的基本原理。

張家口-渤海斷裂帶（張渤斷裂帶）西段及中西段是地震頻發(fā)區(qū)，且經(jīng)過北京、天津、河北等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的省市。中國東部曾發(fā)生過1679年9月2日三河—平谷8級和1976年7月28日唐山7.8級地震，其震中都位于張渤斷裂帶西段及中西段（賴曉玲等，2007）。此外，張渤斷裂帶西段和中西段內(nèi)常發(fā)生不同規(guī)模的中、小型地震，嚴(yán)重影響著京津唐發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。武敏捷等（2013）基于多地震活動參數(shù)對張渤斷裂帶整體進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析，認(rèn)為延懷盆地這樣的低值區(qū)應(yīng)為今后監(jiān)測預(yù)測的重點(diǎn)地區(qū)。韓孔艷（2009）對張渤斷裂帶的西段、中西段、中東段、東段分別進(jìn)行了布格重力異常研究。

為了探究張渤斷裂帶西段及中西段值時(shí)空分布特征，本文收集1970—2016年近50年地震目錄資料，對張渤斷裂帶西段及中西段值特征進(jìn)行分析。通過對張渤斷裂帶西段及中西段回溯性地進(jìn)行值時(shí)空掃描，以期對研究區(qū)內(nèi)潛在地震危險(xiǎn)性評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

張家口-渤海斷裂帶是華北活動地塊和燕山活動地塊邊界一條規(guī)模巨大的北西西向活動斷裂帶，長約700km（方穎等，2008；索艷慧等，2013）。斷裂帶西起河北省張北和尚義一帶，經(jīng)張家口向東南延伸，穿過懷來、順義、三河以及天津等地，再由渤海繼續(xù)延伸至蓬萊以北的黃海海域，主要受太平洋板塊北西西向俯沖以及印度洋板塊北北東向俯沖作用，這使得郯廬斷裂、太行山山前斷裂帶發(fā)生右旋走滑，從而在渤海灣盆地形成拉分盆地（侯貴廷等，1999）。拉分盆地又導(dǎo)致了張渤斷裂帶發(fā)生北北東向的左旋走滑，故新生代渤海灣盆地內(nèi)的次級斷陷都成雁行排列，且新生代以來一直處于活動中。

研究表明，張渤斷裂帶處于地殼運(yùn)動活躍地帶，以正斷層為主。前人將張渤斷裂帶按構(gòu)造特征、斷裂形態(tài)等分為4段，分別是：張北-南口段（西段），南口-寧河段（中西段），渤海段（中東段）和蓬萊-煙臺段（東段）（高戰(zhàn)武等，2001；韓孔艷，2009）。本文選取張渤斷裂帶的西段和中西段（圖1）作為研究區(qū)。

2 資料和方法

2.1 資料

考慮到張渤斷裂帶西段和中西段的斷裂和地震臺網(wǎng)的分布情況，本文選取斷裂帶內(nèi)38.5°—41.5°N，114°—118°E為研究區(qū)，從西北至東南依次包括張家口斷裂、新保安-沙城斷裂帶、蔚縣盆地南緣斷裂、順義-良鄉(xiāng)斷裂、夏墊斷裂和海西斷裂等。

地震目錄資料來自于國家地震前兆臺網(wǎng)中心。選取的時(shí)間段為1970年1月1日至2016年5月4日，共7596個(gè)地震目錄（表1）。在我國地震區(qū)劃和地震安全性評價(jià)工作中，通常使用面波震級S，最新研究表明，面波震級S與近震震級L表示的地震震級基本一致（汪素云等，2009）。由于本文獲得的地震目錄中近震震級L較完整，所以直接采用L進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

根據(jù)研究區(qū)地震目錄統(tǒng)計(jì)，隨著地震震級的增高，發(fā)生地震的頻率逐漸降低，且研究區(qū)1到2級地震發(fā)生頻率較高，5級以上的地震相對較少，說明此區(qū)地震活動頻繁，并以小震為主。前人認(rèn)為小地震復(fù)發(fā)周期較短，地震活動性較強(qiáng)（陳培善等，2003）。數(shù)據(jù)顯示，全國1996年之前記錄到的最小震級為2.0級，1996年以后，記錄到的最小震級精確到1.0級，原因可能是由于早期地震臺網(wǎng)分布的不完善、地震分析方法和監(jiān)測技術(shù)具有局限性，導(dǎo)致缺少小地震記錄（任雪梅等，2011；謝卓娟等，2012）。從研究區(qū)-圖（圖2）可看出，隨著時(shí)間的推移，記錄到的地震次數(shù) 逐漸增加，1996年地震目錄總數(shù)迅速上升至303條，說明自該年后我國的地震監(jiān)測水平有了明顯提高。

表1 研究區(qū)地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（據(jù)國家地震前兆臺網(wǎng)中心測定）

圖2 研究區(qū)T-N圖Fig. 2 T-N diagram of the study area

刪除余震可以消除地震之間的相關(guān)因素，使地震的發(fā)生盡量滿足平穩(wěn)性，并降低地震之間的相關(guān)性，即滿足泊松模型（陳凌等，1998），對值的研究分析起著至關(guān)重要的作用。本文選用K-K法（Keilis-Borok等，1980）給出的時(shí)空尺度進(jìn)行去余震處理，刪除的余震有1710個(gè)，占全部地震的22.52%。圖3顯示刪除余震后的震級-頻度關(guān)系（圖3（b））比刪除余震前（圖3（a））更好地符合G-R關(guān)系式。本文采用最大曲率法獲得最小完整震級c，最大曲率處c為2.0（圖3（b））。基于上述研究，本文用于計(jì)算的數(shù)據(jù)為刪除余震后的地震目錄，取震級下限為2.0，上限為4.6，共2279個(gè)有效地震。表2為刪除余震后研究區(qū)L≥5.0的地震基本參數(shù)。

表2 研究區(qū)ML≥5.0的地震序列（據(jù)國家地震前兆臺網(wǎng)中心測定）

圖3 刪除余震前（a）和刪除余震后（b）震級-累計(jì)頻次關(guān)系圖

2.2 方法

計(jì)算地震值最通用的方法是線性最小二乘法和最大似然法（孫文福等，1992）。線性最小二乘法基于1949年Gutenbery-Richter提出的G-R公式，即：

其中，為震級以上地震的頻度，和均為常數(shù)，值代表區(qū)域內(nèi)不同大小地震頻度的比例關(guān)系。

計(jì)算值常用的另外一種方法是最大似然法。值的最大似然估計(jì)公式為：

標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

空間掃描分析上，我們將研究區(qū)以0.5°×0.5°進(jìn)行大網(wǎng)格劃分，計(jì)算得出每個(gè)網(wǎng)格的值，刪除地震數(shù)目少于20的區(qū)域，取步長為0.1，最小值取0.4，最大值取1.5?；诘卣痤A(yù)報(bào)分析系統(tǒng)，對前文所得的有效地震目錄的全部時(shí)段進(jìn)行空間掃描，并繪制出研究區(qū)值等值線圖（圖5）。為了保證掃描結(jié)果的可靠性，即每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的有效地震數(shù)目應(yīng)達(dá)到20以上，圖5中將地震數(shù)小于20的網(wǎng)格處理為空白區(qū)域。

3 結(jié)果與討論

3.1 b值時(shí)間掃描特征

時(shí)間掃描結(jié)果顯示，1970年以來，研究區(qū)值的變化范圍較大，總體在0.28—1.25之間波動。根據(jù)擬合曲線計(jì)算出值平均值為0.88，以此作為最大似然法值的參考臨界值，將1.25和0.51分別作為高、低值的警戒線。如圖4顯示，張渤斷裂帶值一直處于起伏消長狀，值大小隨時(shí)間分布不均勻。值得注意的是，1976年值降到最低（A點(diǎn)），而研究區(qū)內(nèi)歷史上1976年7月28日唐山曾發(fā)生4次5級以上地震（包括余震）。從圖中還可以觀察出，B、E、F處，地震值低于平均值，而與之對應(yīng)的幾年之間5級以上地震頻發(fā)，如1980年2月7日，天津?qū)幒涌h發(fā)生5.2級地震（B點(diǎn)）；1990年7月21日，北京延慶發(fā)生5.0級地震（D點(diǎn)）；1998年1月10日河北尚義縣發(fā)生6.2級地震（E點(diǎn)）；2006年7月28日河北文安縣發(fā)生5.5級地震（F點(diǎn)）。而且這幾次強(qiáng)震發(fā)生前值都有一定幅度的下降，震后逐漸回升。2004—2011年間，值都在平均值以上，在相應(yīng)的地震目錄中，都以小震為主，且復(fù)發(fā)間隔較小。由此，我們初步判斷，強(qiáng)震的發(fā)生與值隨時(shí)間的變化趨勢基本吻合，即：強(qiáng)震發(fā)生一定時(shí)段內(nèi)，值較?。恍≌痤l發(fā)的時(shí)段內(nèi)，值較大。這為根據(jù)值分析地震危險(xiǎn)性提供了有利依據(jù)。

圖4 研究區(qū)b值隨時(shí)間變化

據(jù)劉艷輝等（2015）用汶川地震、蘆山地震驗(yàn)證，得出大震發(fā)生前后值變化規(guī)律為“正?！椭怠咧怠芈洹l(fā)震—正?！薄Ｍㄟ^研究區(qū)值隨時(shí)間變化（圖4）可以看出，1970—1975年此地區(qū)值一直處于平均水平，反映了研究區(qū)的孕震狀態(tài)，1976年河北唐山豐南一帶（118.2°E，39.6°N）發(fā)生了里氏7.8級（W7.5）地震，并引發(fā)多次5級以上余震，大震頻發(fā)，此年值從高于平均值突降到1970—2016年的最低谷（A點(diǎn)），其后逐漸回升至平均值。1980年2月7日天津?qū)幒涌h發(fā)生5.2級地震，值降到低于平均值，1年后恢復(fù)正常。此震例周期性的特征印證了“正?！椭怠咧怠芈洹l(fā)震—正?！钡囊?guī)律。2010年值達(dá)到峰值（1.52），此后一直處于下降水平，2016年降到0.65，已低于平均值，那么在未來的幾年內(nèi)值是否會繼續(xù)下降呢？關(guān)于這個(gè)問題，還需進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)測。

3.2 b值空間掃描特征

空間掃描是為了研究值在空間上的分布特征，為預(yù)測地震提供相應(yīng)的依據(jù)。研究區(qū)值隨空間變化圖（圖5）揭示出研究區(qū)值分布不均勻，總體在0.4到1.5之間，平均值為0.93，呈現(xiàn)出西北部和東南部相對偏低的特征。張渤斷裂帶西段及中西段的斷裂密集，該帶內(nèi)大部分地區(qū)值達(dá)到0.78，低于平均值。結(jié)合研究區(qū)地震分布特點(diǎn)（圖1），5級以上的地震多位于研究區(qū)東南部薊運(yùn)河斷裂和西北部懷安-萬全盆地北緣斷裂附近，而此地區(qū)所對應(yīng)的值相對較低。這與本文值低異常區(qū)的分布是吻合的。

值在空間上的分布可以大致反映應(yīng)力的積累情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)（表1），此研究區(qū)的地震孕震層主要在0—10km，即上地殼。而地殼越厚處值越?。∕aden等，2015）。全面了解區(qū)域活動斷裂的發(fā)育程度及其活動和構(gòu)造體系，是開展值危險(xiǎn)區(qū)研究和大震危險(xiǎn)性分析的必要前提（謝卓娟等，2015）。由空間掃描圖像（圖5）結(jié)合斷裂帶值分布特征（表3）反映出研究區(qū)內(nèi)值隨斷裂帶的分布有較大的差異，低值區(qū)主要分布于西北部的懷安-萬全盆地北緣斷裂和東南部的薊運(yùn)河斷裂；高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中部的新保安-沙城斷裂、永定河斷裂和廊坊-武清斷裂。

（1）張家口斷裂（F1）：張家口斷裂總體呈北西西向展布，是一條高角度北傾逆沖或南傾正斷的左旋走滑斷層，也是張家口附近一條重要的地質(zhì)地貌構(gòu)造分界線，控制著第四紀(jì)構(gòu)造演化和地質(zhì)發(fā)育（周月玲等，2010）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此斷裂平均值為0.80。1970年以來，張家口斷裂附近發(fā)生過38次3級以上地震。結(jié)合圖1可看出，該斷裂附近中強(qiáng)震較多，表明目前張家口斷裂平均應(yīng)力較低，未來發(fā)生中強(qiáng)震的可能性較小。

表3 研究區(qū)主要活動斷裂和平均b值

（2）新保安-沙城斷裂（F2）：新保安-沙城斷裂西起河北懷來新保安以西的梁家莊附近，向西南經(jīng)新保安北、良田屯、懷來縣城、土木火車站北，止于官廳水庫西北的八營村附近（盛艷蕊等，2015）。1970年以來在該斷裂附近發(fā)生3次L4.0以上地震。該斷裂平均值為0.76，處于高值區(qū)。

（3）南口-孫河斷裂（F3）：南口-孫河斷裂是北京平原地區(qū)唯一一條北西向的活動斷裂。該斷裂北西端起自昌平縣南口鎮(zhèn)，向南東方向經(jīng)七間房、百泉莊、東三旗、孫河至通州（張磊等，2014）。平均值為0.78，該斷裂附近3.0—3.9級地震較多，初步推測未來發(fā)生小震的可能性較大。

（4）夏墊斷裂（F4）：夏墊斷裂是首都東部地區(qū)一條NNE向的巖石圈尺度的區(qū)域性深斷裂帶。其形成和演化對北京平原地區(qū)的構(gòu)造演化起著至關(guān)重要的作用（何付兵等，2013）。公元1679年在該斷裂帶上曾經(jīng)發(fā)生歷史上最大的一次地震，即三河-平谷8級地震。本文計(jì)算得出夏墊斷裂平均值為0.78，結(jié)合地震地質(zhì)簡圖（圖1）可知，該斷裂目前處于低應(yīng)力狀態(tài)，未來發(fā)生強(qiáng)震的可能性較小。

（5）薊運(yùn)河斷裂（F7）：通過統(tǒng)計(jì)顯示該斷裂平均值為0.68（表3），是中強(qiáng)震高發(fā)區(qū)。該段歷史上曾發(fā)生108次3級以上地震，1976年7月28日發(fā)生了4次5級以上的地震（包括唐山地震的余震）。最大的一次地震是1976年7月28日6.2級（117.78°E，37.45°N）。由此可見，此斷裂應(yīng)力較為集中，1976年積聚的能量被釋放，很可能產(chǎn)生破裂，其后小震不斷（王熠熙等，2015；劉靜偉等，2016）。

基于由空間掃描獲得的值隨空間變化特征，結(jié)合研究區(qū)主要活動斷裂帶上值空間分布特征（表3），對張渤斷裂帶西段和中西段的綜合分析認(rèn)為，未來的短期時(shí)間內(nèi)，小震多發(fā)生在研究區(qū)中部的高值區(qū)，而中強(qiáng)震多發(fā)生在低值區(qū)。

3.3 b值影響因素的討論

時(shí)間掃描（圖4）和空間掃描（圖5）分析顯示，不同時(shí)間段有不同的值，研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)值亦不相同。而導(dǎo)致這種差異存在的影響因素非常復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)方面：人為因素，主要包括研究區(qū)的選擇、地震資料的完整性、計(jì)算方法等；自然因素，包括當(dāng)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)、介質(zhì)的性質(zhì)、地殼異質(zhì)性、震源深度、孔隙壓力、地溫梯度和存在構(gòu)造體等（李紀(jì)漢，1987；El-Isa等，2014）。其中介質(zhì)的性質(zhì)包括巖石的特性和種類，環(huán)境因素包括第四紀(jì)覆蓋物較厚等。這一現(xiàn)象的物理機(jī)制可以用地殼介質(zhì)的復(fù)雜程度和應(yīng)力狀態(tài)變化來解釋，即在地殼介質(zhì)相對均勻、巖石靜壓力較高的地殼深處容易成核形成大地震（沈小七等，2010）。

圖5 研究區(qū)b值隨空間變化

張渤斷裂帶作為首都圈地殼運(yùn)動最為活躍的斷裂帶，由于長期處于伸展環(huán)境的大型拉分盆地中，導(dǎo)致地殼相對減薄，巖漿活動頻繁（方穎等，2008；劉志宏等，2011）?；讛嗔寻l(fā)育，地殼深部速度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造在縱向與橫向上有明顯的不均勻性（王帥軍等，2005）。上述復(fù)雜的構(gòu)造特征導(dǎo)致研究區(qū)介質(zhì)的不均勻、應(yīng)力的不集中，從而使得值不穩(wěn)定，波動范圍較大。

4 結(jié)論

本文主要基于地震目錄，應(yīng)用最大似然法獲得張渤斷裂帶西段和中西段的地震值，進(jìn)而進(jìn)行時(shí)空掃描分析，得出如下結(jié)論：

（1）利用最大似然法對地震目錄進(jìn)行時(shí)間掃描，顯示張渤斷裂帶西段及中西段地區(qū)的地震值在大震時(shí)降至最低，震后逐漸恢復(fù)為正常，且中強(qiáng)震發(fā)生時(shí)段內(nèi)值較低。

（2）通過對研究區(qū)進(jìn)行空間掃描，得到研究區(qū)內(nèi)值為0.4—1.5，平均值為0.93，呈現(xiàn)出西北部和東南部相對偏低的特征，應(yīng)力積累程度較高的斷裂附近平均值較低，這可能是受巖石的性質(zhì)和構(gòu)造復(fù)雜的影響。

（3）綜合以上分析，值在時(shí)間上突然下降之處，以及在空間上平均值較低之處，如懷安-萬全盆地北緣斷裂段和薊運(yùn)河斷裂段（平均值分別為0.56和0.68左右），應(yīng)作為今后張渤斷裂帶西段及中西段地震監(jiān)測預(yù)測的重點(diǎn)對象。

致謝：感謝防災(zāi)科技學(xué)院地震預(yù)測實(shí)驗(yàn)室給予的幫助和支持。感謝盛書中博士、吳萍萍老師在成文過程中給予的指導(dǎo)。審稿專家提出了寶貴意見；編輯老師給予了成文過程中的幫助，在此一并表示感謝。

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The Spatial and Temporal Scanning of the-value in the Western and Mid-western Section of the Zhangjiakou-Bohai Fault Belt

Duan Meifang1, 2）, Lu Lina1）, Li Yingzhen1）, Li Baojun3）,Yang Ming1, 4）and Jia Jianpeng1）

1) Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China 2) Eryuan Seismic Station of Yunnan Earthquake Agency, Eryuan 671200, Yunnan, China 3) Jinzhou Seismic Station of Liaoning Earthquake Agency, Dalian 116100, Liaoning, China 4) State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

The Zhangjiakou-Bohai fault belt, as one of the important active faults in North China, as well as earthquake-prone area, becomes one of the crucial region to monitor the earthquake activities in China. In this paper we select the western and mid-western section of the Zhangjiakou-Bohai fault belt as the study region, and apply the maximum likelihood as calculating method to conduct analysis of earthquake catalogue during 1970-2016. The temporal analyses indicate that the seismic-value ranges from 0.28 to 1.52 and drops to the lowest before the great earthquake and gradually recovers after the earthquake. The spatial analyses illustrate that the-value shows 0.93 in average, and that in the lower average-value region, such as north rim fault of the Huai 'an–Wanquan basin and Jiyunhe fault shows stronger regional stress level. The spatiotemporal characteristic analyses of the-value, indicates that the degree of seismic risk varies in time and space in the study area. Our results provide basic data for seismic hazard assessment for the Zhangjiakou-Bohai fault belt.

-value;The western and mid-western section of the Zhang-Bo fault belt; Seismic hazard

段美芳，陸麗娜，李瑩甄，李寶君，楊明，賈建鵬，2018．張家口-渤海斷裂帶西段及中西段值時(shí)空掃描．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：138—148．

10.11899/zzfy20180112

防災(zāi)科技學(xué)院教研教改項(xiàng)目（JY2016A01）資助

2016-12-27

段美芳，女，生于1994年。本科生。主要研究方向：地震地質(zhì)學(xué)。E-mail：lulina@cidp.edu.cn

陸麗娜，女，生于1983年。博士，講師。主要從事礦床學(xué)和地震地質(zhì)的教科研工作。E-mail：lulina@cidp.edu.cn