駱佳驥 于書媛 趙希磊

(安徽省地震局， 合肥230031)

安徽“霍山窗”中強震分布與斷裂關(guān)系研究*

駱佳驥※于書媛 趙希磊

(安徽省地震局， 合肥230031)

應(yīng)用ArcGIS10.0軟件平臺， 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， 運用緩沖區(qū)分析、 統(tǒng)計分析、 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， 計算得出單位斷裂長度的地震數(shù)量。 分析數(shù)據(jù)表明， 落兒嶺—土地嶺斷裂活動性最強， 青山—曉天斷裂、 梅山—龍河口斷裂的地震活動性次之。 最后， 通過斷裂與地震緩沖區(qū)分析結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)在斷裂交匯處易發(fā)生強震。

霍山窗； 中強震； 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空間分析方法對江西活動斷裂分布與地震活動關(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)活動斷裂與地震的關(guān)系。 董丞妍等[5]基于GIS點格局方法， 從余震點分布的不確定性及烈度區(qū)與點空間距離格局的關(guān)系角度研究了汶川及蘆山余震點格局。 上述工作的研究范圍較大， 至今少見系統(tǒng)地針對“霍山窗”地區(qū)的強震與斷裂的關(guān)系研究。 隨著安徽省地震臺網(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)用于強震研究。

1 “霍山窗”構(gòu)造背景及強震分布特征

“霍山窗”位于大別山北部的霍山地區(qū)， 范圍為31°00′N～31°50′N， 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)歷了大別運動、 揚子運動、 燕山運動和喜山運動。 燕山運動是繼大別運動、 揚子運動后的一次極強烈的地殼運動， 主要表現(xiàn)為斷裂—褶皺運動。 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條斷裂及活動性[6]。 其中落兒嶺—土地嶺斷裂形成時代為晚更新世。 梅山—龍河口和青山—曉天斷裂形成時代較晚， 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)域斷裂及其活動性

2 研究內(nèi)容及結(jié)果

本文的中強震特指安徽省內(nèi)M4.0及以上地震。 在ArcGIS 10.0平臺上， 對“霍山窗”的3條斷裂及強震數(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)計在每個斷裂緩沖區(qū)內(nèi)的地震數(shù)目與斷裂長度等屬性信息， 計算單位長度斷裂地震發(fā)生數(shù)， 即單位長度地震頻率， 進(jìn)行斷裂緩沖區(qū)與地震的疊加分析， 研究斷裂活動程度、 中強地震活動性特征； 進(jìn)行典型強震緩沖區(qū)與斷裂的疊加分析， 研究強震與周圍活動斷裂的關(guān)系， 分析可能的發(fā)震斷裂， 加深對研究區(qū)斷裂的活動強度和中強地震活動性的理解。

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)， 對后續(xù)的疊加分析至關(guān)重要。 本文對給定寬度為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)的小震和中強地震要素可以反映斷裂的活動程度。 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， 可見斷裂處于較高的活躍階段， 同時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)斷裂的活動性， 下一步比較單位長度內(nèi)的地震個數(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)計距離半徑25 km建立的斷裂帶緩沖區(qū)內(nèi)的地震個數(shù)， 其中n1為1970年后M≥1.5全部地震個數(shù)，n2為現(xiàn)代M≥4.0全部中強地震個數(shù)。

(2) 統(tǒng)計3條斷裂的長度， 得統(tǒng)計長度L(km)。

(3)計算單位長度內(nèi)的地震個數(shù)：N1=n1/L、N2=n2/L。 計算結(jié)果與對比結(jié)果如表3和圖2所示。

表3反映， 土地嶺—落兒嶺斷裂兩項參數(shù)均為最高， 說明其活動性最強； 梅山—龍河口斷裂N1計算結(jié)果稍大于青山—曉天斷裂， 其N2參數(shù)計算結(jié)果稍小于青山—曉天斷裂， 表明兩條斷裂活動相當(dāng)。 鑒于青山—曉天斷裂與土地嶺—落兒嶺交匯處曾發(fā)生過多次中強地震， 筆者認(rèn)為其活動性可能強于梅山—龍河口斷裂。

表3 單位長度的活動斷裂對應(yīng)的現(xiàn)代地震個數(shù)

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

圖1中單位長度地震數(shù)很好地說明晚更新世斷裂的活動性較弱、 中更新世斷裂活動強， 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)， 將斷裂的活動程度分為2個等級。 落兒嶺—土地嶺斷裂的N1、N2值都最高， 說明在這條斷裂25 km范圍緩沖區(qū)內(nèi)的小震頻發(fā)、 中強震次數(shù)高， 其斷裂活動性最強。 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性較落兒嶺—土地嶺斷裂弱。

總的來說， 上述3條斷裂基本控制了“霍山窗”地區(qū)中強震的分布格局， 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)域地震活動的主控斷裂， 二反映了兩條斷裂交匯部位應(yīng)力具有集中特點。 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時代為晚更新世， 為一地震活動斷裂， 其余兩條斷裂與落兒嶺—土地嶺交匯部位更是未來發(fā)生中強地震的危險部位。

2.3 中強震與斷裂疊加分析

疊加分析是GIS中用來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數(shù)據(jù)層的屬性聯(lián)系起來產(chǎn)生新的屬性關(guān)系[9]。

本文綜合運用ArcGIS的空間分析功能， 將圍繞斷裂形成的半徑25 km緩沖區(qū)圖層與中強震中點圖層疊加， 形成新的圖層， 統(tǒng)計全省每條斷裂緩沖區(qū)內(nèi)中強地震數(shù)與長度等屬性信息， 并添加字段存儲， 可視化顯示4個等級的斷裂活動程度， 得到半徑25 km緩沖區(qū)單位長度全省中強震目錄分類渲染圖(圖3)。 從圖3的對比可見， 中強震在“霍山窗”最為密集(黑色標(biāo)出)。 就斷裂活動性而言， “霍山窗”區(qū)域內(nèi)的3條斷裂單位長度發(fā)生中強震的次數(shù)較高， 其中落兒嶺—土地嶺斷裂的活動性最強， 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震多發(fā)、 小震密集特點。

圖3 “霍山窗”區(qū)域斷裂活動性渲染圖

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級地震、 1973年3月11日霍山4.8級地震和4.9級地震、 1973年3月12日霍山4.5級地震、 1982年9月27日霍山4.3級地震、 1985年5月10日霍山4.0級地震、 2002年7月14日霍山4.0級地震和2014年4月20日霍山4.3級地震。 本文通過GIS空間分析方法建立以歷史中強震為圓心的緩沖區(qū)， 與周邊活動斷裂進(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。 對該區(qū)域范圍內(nèi)的中強地震建立緩沖區(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， 自晚更新世以來落兒嶺—土地嶺斷裂活動頻繁， 所以筆者從圖中分析認(rèn)為， 落兒嶺—土地嶺斷裂運動是“霍山窗”地區(qū)中強地震及其余震發(fā)生的直接原因， 而該地區(qū)歷史強震多、 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)代強震緩沖區(qū)與地震疊加結(jié)果

3 結(jié)論

運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)行地震與活動斷裂關(guān)系的相關(guān)性分析研究， 為斷裂活動對地震的定量分析提供了有效的手段。

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

落兒嶺—土地嶺斷裂和青山—曉天斷裂交匯處是歷史及現(xiàn)今中強地震活動比較顯著的區(qū)域， 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)歷史及1970年以來M≥4.0以上地震的空間分布， 得出研究區(qū)內(nèi)的中強地震發(fā)震主要受區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的控制， 中強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， 應(yīng)力易于積累釋放。

結(jié)合斷裂活動性渲染圖與歷史及現(xiàn)代中強地震進(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、 隱伏斷裂分布區(qū)， 晚更新世斷裂易發(fā)生中強地震。 筆者認(rèn)為， 中強地震的發(fā)生與活動斷裂的關(guān)系密切， 需要繼續(xù)加強對“霍山窗”區(qū)域斷裂活動的探測與活動性鑒定工作。

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

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[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， 2015， 37(1)： 113-124

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[9] 湯國安， 楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程. 北京： 科學(xué)出版社， 2007

[10] 劉東旺， 陳安國， 王健. 安徽霍山歷史地震調(diào)查新進(jìn)展∥中國地震學(xué)會地震預(yù)報與歷史地震專業(yè)委員會2011聯(lián)合學(xué)術(shù)交流會論文集. 西安： 中國地震學(xué)會， 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目(20150503)和安徽省地震局科研合同制項目(201511)共同資助。

P315.5；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.12.005