余其鵬，董建平

（鎮(zhèn)江市地震臺，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

長江三角洲地區(qū)（以下簡稱長三角地區(qū)），包括上海市、江蘇省、浙江省、安徽省，包含地級市和直轄市共41 個，是中國經(jīng)濟發(fā)展最活躍、開放程度最高、創(chuàng)新能力最強的區(qū)域之一，在國家現(xiàn)代化建設(shè)大局和全方位開放格局中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。同時，歷史上長三角地區(qū)也是地震多發(fā)的地區(qū)，多年來一直被列為全國地震重點監(jiān)視防御區(qū)，僅次于首都圈。該地區(qū)歷史上發(fā)生過多次中強地震活動，其中5.0級以上地震38 次，6.0 級至7.0 級地震6 次，目前該地區(qū)沒有7.0 級以上地震的記錄[1]。因此針對該地區(qū)地震數(shù)據(jù)進行時空分析，研究地震活動規(guī)律，對科學指導防震減災工作以及城市群規(guī)劃和重大工程建設(shè)具有一定的指導意義和現(xiàn)實意義。

關(guān)于對地震數(shù)據(jù)進行時空統(tǒng)計分析的相關(guān)研究，國內(nèi)外許多學者都對其進行過探索。如有學者在我國西南地區(qū)，通過對1500—1992 年4.7 級以上的地震進行統(tǒng)計分析，探索了地震活動的時間和空間變化情況[2]。對地震做時空統(tǒng)計分析，從而發(fā)現(xiàn)地震熱點區(qū)域，也是一種普遍的研究方法，有學者通過對2005—2007 年四川地區(qū)地震數(shù)據(jù)做空間統(tǒng)計分析，從而發(fā)現(xiàn)明顯的地震熱點區(qū)域[3]。地震空間統(tǒng)計方法很多，有學者就利用核密度估計法來在大時間尺度上研究涇洛河流域的地震時空格局，最終發(fā)現(xiàn)該流域空間分布呈W 型，高密度地震區(qū)域與斷裂區(qū)域有部分重疊的情況[4]。國外也有許多學者通過時空統(tǒng)計方法研究地震事件，著名的Gutenberg-Richter 定律，就是采用統(tǒng)計學方法對全球地震數(shù)據(jù)進行研究，得出震級和頻率的關(guān)系[5]。有采用非廣延統(tǒng)計方法研究連續(xù)地震的時空分布，研究時間分布表現(xiàn)和冪律統(tǒng)計關(guān)系[6]，也有采用GIS 中聚類分析方法研究地震的空間分布，通過Gutenberg-Richter 定律來分析地震發(fā)生的概率，探討地震在空間分布上的聚集特征[7]。

這些研究都在地震時空統(tǒng)計分析方面作了深入的探索，為地震研究做出了重要的貢獻。研究中針對地震數(shù)據(jù)使用的統(tǒng)計方法大多是空間統(tǒng)計中的某一種，對地震數(shù)據(jù)開展較為全面的分析相對較少。本文通過GIS 空間分析方法，對長三角地區(qū)近14 年的ML≥0.1 的地震數(shù)據(jù)進行時空統(tǒng)計分析，通過利用密度分析方法和空間統(tǒng)計分析方法，對研究區(qū)地震點的空間分布和地震事件震級、頻率、位置、時間等進行全面研究，對區(qū)域內(nèi)地震的分布規(guī)律研究具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長三角地區(qū)位于中國長江的下游地區(qū)，瀕臨黃海與東海，地處江海交匯之地，沿江沿海港口眾多，是長江入海之前形成的沖積平原。區(qū)域面積35.8 萬平方千米，境內(nèi)有多條地震帶，如郯廬斷裂帶、揚州—南京—江南斷裂帶、上?！贾輸嗔褞А⒒羯綌嗔褞У萚8]，是地震多發(fā)區(qū)域，2008 年12 月30 至2021 年7 月20 日近14 年來，長三角地區(qū)大約發(fā)生了ML≥0.1 的地震4835 次，如圖1 所示。

圖1 長三角地區(qū)近14 年地震分布圖Fig.1 Seismic distribution map of Yangtze River Delta region in recent 14 years

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

關(guān)于地震研究數(shù)據(jù)的獲取，互聯(lián)網(wǎng)上有著豐富的資源，比如美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、中國地震臺網(wǎng)中心等。本文所用的研究區(qū)地震點數(shù)據(jù)和斷層數(shù)據(jù)來源于中國地震臺網(wǎng)中心國家地震科學數(shù)據(jù)中心（http://data.earthquake.cn）。地震點數(shù)據(jù)，詳細記錄了發(fā)震時間、經(jīng)緯度、震源深度、震級、參考位置等信息。斷層數(shù)據(jù)來源于中國大陸1/400 萬中國活動構(gòu)造空間數(shù)據(jù)庫。本文獲取的地震點數(shù)據(jù)，存儲格式為.xls，由于數(shù)據(jù)多，為了方便管理，研究中將其點位信息（坐標、震級、發(fā)震時間、地點等）以及斷層數(shù)據(jù)導入新建的Geodatabase 空間數(shù)據(jù)庫[9]。

2 研究框架和分析方法

本文依托GIS 強大的空間分析方法，借助ArcGIS 軟件，對長三角地區(qū)近14 年ML≥0.1 的地震數(shù)據(jù)進行時空統(tǒng)計分析，通過核密度分析、震級頻率分析、區(qū)域-頻率分析、空間統(tǒng)計分析方法等多種方法進行全面研究。

2.1 地震事件點密度分析

采用核密度估計法，在同一面積尺度上對所有地震點進行密度分析，將分析結(jié)果用二維灰度進行可視化表達，這樣可以直觀簡明展現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)地震事件的聚集、離散情況。

本文對長三角地區(qū)2008 年12 月30 至2021 年7 月20 日近14 年來ML≥0.1 的地震事件進行統(tǒng)計分析，在ArcGIS 軟件中進行具體操作，使用Spatial Analyst 工具的核密度分析，搜索半徑為默認，Population 為震級字段，賦予震級比其他要求更大的權(quán)重，這樣更加合理。將每一要素按照震級大小計算，最后對結(jié)果進行重分類，將生成的密度圖分為6 個等級，最終生成近14 年來長三角地區(qū)地震熱力圖，如圖2 所示。由圖可以看出：長三角地區(qū)地震空間分布的核中心主要集中在六安、溫州、鹽城、揚州、寧波、合肥、淮安幾個地方。

圖2 ML≥0.1 的地震事件的空間分布Fig.2 Spatial distribution of seismic events

另外，將長三角地區(qū)斷裂帶分布和核密度分布進行疊加分析，如圖3 所示，霍山斷裂、余姚—麗水斷裂、奉化—麗水斷裂、鎮(zhèn)?！獪刂輸嗔?、洪澤—流均溝斷裂、涇口—流均斷裂、鹽城斷裂、穎上—定遠斷裂、昌化—普陀斷裂為地震主要發(fā)生區(qū)域，重點區(qū)域均有地震斷裂帶穿過。

圖3 斷層和ML≥0.1 的地震事件空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of faults and seismic events

2.2 地震震級與頻率分析

大量研究者通過對地震頻率和震級（G-R）關(guān)系式的研究，發(fā)現(xiàn)地震震級和地震頻率的對數(shù)有線性關(guān)系，如圖4 所示。此關(guān)系式在地震活動性和危險性預測方面有比較好的效果[10]，而且一般關(guān)系模型中震級和頻率的關(guān)系往往是冪律分布。根據(jù)Guterg 等[5]研究發(fā)現(xiàn)得出的一個經(jīng)驗公式，如公式（1）所示：

圖4 一般G-R 關(guān)系分布圖Fig.4 General G-R relationship distribution diagram

其中，N表示地震頻率，M表示地震震級，a表示區(qū)域內(nèi)一定事件的地震活動強度，b表示地震的危險程度，它通常是地震研究的一個重要參數(shù)，a、b兩個值都可以通過最小二乘法計算得到[11]。

對長三角地區(qū)2008 年12 月30 日至2021年7 月20 日近14 年所有ML≥0.1 的震級和地震地點進行統(tǒng)計，得到震級和頻率對應的表格，部分如表1 所示，由統(tǒng)計結(jié)果可以看出地震頻率隨震級增大而逐漸減小。

表1 長三角地區(qū)部分震級-頻率表

利用表格繪制長三角地區(qū)地震震級和地震頻率之間的關(guān)系圖，如圖5 所示，可以直觀的看到隨著震級增大，地震發(fā)生的頻率在逐漸減小，2008 年12 月30 至2021 年7 月20 以來發(fā)生ML≥4.0 地震只有7 次，而ML＜4 的地震就有4828 次。利用最小二乘法計算得到a、b的值，進一步得到震級-頻率的函數(shù)關(guān)系，得到其公式大致如公式（2） 所示，結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)地震頻率和震級的關(guān)系符合Gutenberg-Richter定律，即G-R 關(guān)系式。

圖5 研究區(qū)ML≥0.1 的地震震級-頻率關(guān)系圖Fig.5 Magnitude-frequency diagram of earthquakes in the study area

雖然利用這種震級-頻率分布函數(shù)來準確預測地震并不科學，但這種研究方法對于研究地震數(shù)據(jù)的動力學和相關(guān)長期預測是有一定幫助的。

2.3 地震區(qū)域與頻率分析

研究區(qū)區(qū)域面積35.8 萬平方千米，包含40個地級市和1 個直轄市，共307 個縣區(qū)，研究以41 個行政區(qū)為對象，通過臺網(wǎng)中心提供的震中參考位置，對2008 年12 月30 日至2021 年7 月20 日期間各個地區(qū)發(fā)生的ML≥0.1 地震的頻率進行統(tǒng)計，其部分結(jié)果如圖6 所示。

圖6 長三角部分地區(qū)ML≥0.1 的地震發(fā)生的數(shù)量圖Fig.6 Numbes of earthquakes in parts of the Yangtze River Delta

同時結(jié)合41 個行政區(qū)域內(nèi)發(fā)生的ML≥0.1地震的頻率，按照由高到低的頻率進行分級，劃分為4 個等級，頻率為0 的為一級，共2 個地區(qū)，占該區(qū)域的4.9%；頻率在1～100 的為一級，共32 個地區(qū)，占總區(qū)域的78%；頻率在101～500 的為一級，共5 個地區(qū)，占區(qū)域的12.2%；頻率在501～1640 的為一級，共2 個地區(qū)，占區(qū)域的4.9%。長三角地區(qū)地震頻率的空間分布，如圖7 所示。

圖7 長三角地區(qū)ML≥0.1 的地震頻率空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of seismic frequency in Yangtze River Delta region

由統(tǒng)計結(jié)果和空間分布圖可以看出，在統(tǒng)計時間內(nèi)，研究區(qū)共7 個區(qū)域（占研究區(qū)17.1%）發(fā)生了100 次以上ML≥0.1 的地震，這7 個區(qū)域地震總體頻率達到3662 次。研究表明，這7個區(qū)域是地震發(fā)生的高頻地區(qū)。

2.4 地震發(fā)生時間和頻率分析

基于以上研究，本文將長三角區(qū)域在不同時間內(nèi)發(fā)生的ML≥0.1 的地震事件進行統(tǒng)計，通過統(tǒng)計長三角地區(qū)2009—2021 年每一年發(fā)生地震的次數(shù)（統(tǒng)計中X 軸表示時間，以年為單位，Y 軸表示一年當中發(fā)生地震的次數(shù)），以研究長三角地區(qū)每年地震序列的變化情況，最終的統(tǒng)計結(jié)果如圖8 所示。由圖中可以看出：長三角地區(qū)在2009—2021 年每年發(fā)生地震的頻率相對比較一致，略有起伏。據(jù)中國地震局統(tǒng)計顯示，2014 年大陸地區(qū)發(fā)生地震災害事件10次，其中特別重大地震災害事件1 次，較大地震災害事件4 次，一般地震災害5 次。而其中10 月25 日在浙江省文成縣發(fā)生了4.2 級地震，在這個時間點前后，該地區(qū)發(fā)生了多次小震和余震，故2014 年長三角地區(qū)的地震頻率高達1592 次，遠多于其他年份。由此可見，在某些較大地震前后，發(fā)生地震的頻率也會增高。

圖8 長三角地區(qū)2009—2021 年每年ML≥0.1 的地震發(fā)生次數(shù)Fig.8 Annual number of earthquakes in the Yangtze River Delta region from 2009 to 2021

另外，針對2014 年地震頻率較高的情況，我們對2014 年1 月1 日至12 月31 日長三角地區(qū)每日ML≥0.1 的地震發(fā)生頻率進行統(tǒng)計，其中Y 軸表示每天發(fā)生地震的頻率，X 軸表示時間，統(tǒng)計結(jié)果如圖9 所示，由統(tǒng)計圖可以看出：長三角地區(qū)2014 年8 月份之前發(fā)生地震的頻率都比較低，每天幾乎都是個位數(shù)，但8 月以后地震次數(shù)明顯增加，最高一天多達65 次地震。在10 月25 日浙江省文成縣發(fā)生的4.2 級地震前后，地震頻率明顯變高。從地質(zhì)構(gòu)造角度來解釋，一般在強震發(fā)生后，由于受到地震斷裂帶影響，造成板塊之間相互碰撞、相互擠壓，這就造成了地殼中的應力在一定程度上會產(chǎn)生集聚，隨著應力不斷積累，達到一定臨界點就會釋放，原來地質(zhì)構(gòu)造中的系統(tǒng)平衡就會被打破。所以，板塊構(gòu)造中的應力場也會隨之進行新的調(diào)整和分配，因此導致震中區(qū)域的應力場會隨著新的調(diào)整產(chǎn)生新的變化，這樣就會造成一系列小的地震。因此，從分析中我們可以得出，在2014 年該地區(qū)在較大地震發(fā)生之前，每天地震發(fā)生的頻率不高，相對比較穩(wěn)定，發(fā)生較大地震后，地震頻率會明顯發(fā)生變化，由統(tǒng)計結(jié)果可以看出每天能發(fā)生幾十次甚至上百次地震。

圖9 長三角地區(qū)2014 年每天發(fā)生ML≥0.1 的地震的頻率圖Fig.9 Frequency chart of daily earthquakes in the Yangtze River Delta region in 2014

3 結(jié)論與討論

本文通過GIS 空間統(tǒng)計和分析方法，詳細介紹了利用ArcGIS 軟件對長三角地區(qū)近14 年ML≥0.1 的地震數(shù)據(jù)進行時空統(tǒng)計分析方法，闡述了通過利用核密度分析方法和空間統(tǒng)計分析方法，對研究區(qū)地震點的空間分布和地震事件震級、頻率、位置等進行全面研究。研究表明，長三角地區(qū)地震頻率的對數(shù)和地震震級之間存在線性關(guān)系，符合Gutenberg-Richter 定律。大部分地震事件主要發(fā)生在比較集中的幾個區(qū)域，且較大地震發(fā)生前后，存在區(qū)域內(nèi)的地震頻率有較明顯變化。研究對探尋一定時期內(nèi)長三角地區(qū)地震活動規(guī)律，以及對該地區(qū)城市群規(guī)劃及重大工程建設(shè)有一定指導意義，對科學指導防災減災工作具有一定現(xiàn)實意義。

本文的研究還有不足和需要改進的地方，比如受限于臺網(wǎng)中心提供的數(shù)據(jù)，用到的地震數(shù)據(jù)事件時間的跨度還不大，地震斷裂數(shù)據(jù)庫比例尺較小、驅(qū)動機制分析不足，分析還存?zhèn)€例性和片面性等問題，如何根據(jù)各地區(qū)更加詳細的地震資料，結(jié)合地震造成的房屋破壞、人員傷亡、經(jīng)濟損失，依托規(guī)劃、交通、人口等數(shù)據(jù)進行更加深入分析將是進一步思考的方向。