基于GIS,的地震时空统计分析——以长三角地区为例
时间：2023-02-17 14:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
余其鹏，董建平
（镇江市地震台，江苏 镇江 212000）
长江三角洲地区（以下简称长三角地区），包括上海市、江苏省、浙江省、安徽省，包含地级市和直辖市共41 个，是中国经济发展最活跃、开放程度最高、创新能力最强的区域之一，在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位。同时，历史上长三角地区也是地震多发的地区，多年来一直被列为全国地震重点监视防御区，仅次于首都圈。该地区历史上发生过多次中强地震活动，其中5.0级以上地震38 次，6.0 级至7.0 级地震6 次，目前该地区没有7.0 级以上地震的记录[1]。因此针对该地区地震数据进行时空分析，研究地震活动规律，对科学指导防震减灾工作以及城市群规划和重大工程建设具有一定的指导意义和现实意义。
关于对地震数据进行时空统计分析的相关研究，国内外许多学者都对其进行过探索。如有学者在我国西南地区，通过对1500—1992 年4.7 级以上的地震进行统计分析，探索了地震活动的时间和空间变化情况[2]。对地震做时空统计分析，从而发现地震热点区域，也是一种普遍的研究方法，有学者通过对2005—2007 年四川地区地震数据做空间统计分析，从而发现明显的地震热点区域[3]。地震空间统计方法很多，有学者就利用核密度估计法来在大时间尺度上研究泾洛河流域的地震时空格局，最终发现该流域空间分布呈W 型，高密度地震区域与断裂区域有部分重叠的情况[4]。国外也有许多学者通过时空统计方法研究地震事件，著名的Gutenberg-Richter 定律，就是采用统计学方法对全球地震数据进行研究，得出震级和频率的关系[5]。有采用非广延统计方法研究连续地震的时空分布，研究时间分布表现和幂律统计关系[6]，也有采用GIS 中聚类分析方法研究地震的空间分布，通过Gutenberg-Richter 定律来分析地震发生的概率，探讨地震在空间分布上的聚集特征[7]。
这些研究都在地震时空统计分析方面作了深入的探索，为地震研究做出了重要的贡献。研究中针对地震数据使用的统计方法大多是空间统计中的某一种，对地震数据开展较为全面的分析相对较少。本文通过GIS 空间分析方法，对长三角地区近14 年的ML≥0.1 的地震数据进行时空统计分析，通过利用密度分析方法和空间统计分析方法，对研究区地震点的空间分布和地震事件震级、频率、位置、时间等进行全面研究，对区域内地震的分布规律研究具有一定的借鉴意义。
1.1 研究区概况
长三角地区位于中国长江的下游地区，濒临黄海与东海，地处江海交汇之地，沿江沿海港口众多，是长江入海之前形成的冲积平原。区域面积35.8 万平方千米，境内有多条地震带，如郯庐断裂带、扬州—南京—江南断裂带、上海—杭州断裂带、霍山断裂带等[8]，是地震多发区域，2008 年12 月30 至2021 年7 月20 日近14 年来，长三角地区大约发生了ML≥0.1 的地震4835 次，如图1 所示。
图1 长三角地区近14 年地震分布图Fig.1 Seismic distribution map of Yangtze River Delta region in recent 14 years
1.2 数据来源与处理
关于地震研究数据的获取，互联网上有着丰富的资源，比如美国地质调查局（USGS）、中国地震台网中心等。本文所用的研究区地震点数据和断层数据来源于中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）。地震点数据，详细记录了发震时间、经纬度、震源深度、震级、参考位置等信息。断层数据来源于中国大陆1/400 万中国活动构造空间数据库。本文获取的地震点数据，存储格式为.xls，由于数据多，为了方便管理，研究中将其点位信息（坐标、震级、发震时间、地点等）以及断层数据导入新建的Geodatabase 空间数据库[9]。
本文依托GIS 强大的空间分析方法，借助ArcGIS 软件，对长三角地区近14 年ML≥0.1 的地震数据进行时空统计分析，通过核密度分析、震级频率分析、区域-频率分析、空间统计分析方法等多种方法进行全面研究。
2.1 地震事件点密度分析
采用核密度估计法，在同一面积尺度上对所有地震点进行密度分析，将分析结果用二维灰度进行可视化表达，这样可以直观简明展现研究区域内地震事件的聚集、离散情况。
本文对长三角地区2008 年12 月30 至2021 年7 月20 日近14 年来ML≥0.1 的地震事件进行统计分析，在ArcGIS 软件中进行具体操作，使用Spatial Analyst 工具的核密度分析，搜索半径为默认，Population 为震级字段，赋予震级比其他要求更大的权重，这样更加合理。将每一要素按照震级大小计算，最后对结果进行重分类，将生成的密度图分为6 个等级，最终生成近14 年来长三角地区地震热力图，如图2 所示。由图可以看出：长三角地区地震空间分布的核中心主要集中在六安、温州、盐城、扬州、宁波、合肥、淮安几个地方。
图2 ML≥0.1 的地震事件的空间分布Fig.2 Spatial distribution of seismic events
另外，将长三角地区断裂带分布和核密度分布进行叠加分析，如图3 所示，霍山断裂、余姚—丽水断裂、奉化—丽水断裂、镇海—温州断裂、洪泽—流均沟断裂、泾口—流均断裂、盐城断裂、颖上—定远断裂、昌化—普陀断裂为地震主要发生区域，重点区域均有地震断裂带穿过。
图3 断层和ML≥0.1 的地震事件空间分布图Fig.3 Spatial distribution of faults and seismic events
2.2 地震震级与频率分析
大量研究者通过对地震频率和震级（G-R）关系式的研究，发现地震震级和地震频率的对数有线性关系，如图4 所示。此关系式在地震活动性和危险性预测方面有比较好的效果[10]，而且一般关系模型中震级和频率的关系往往是幂律分布。根据Guterg 等[5]研究发现得出的一个经验公式，如公式（1）所示：
图4 一般G-R 关系分布图Fig.4 General G-R relationship distribution diagram
其中，N表示地震频率，M表示地震震级，a表示区域内一定事件的地震活动强度，b表示地震的危险程度，它通常是地震研究的一个重要参数，a、b两个值都可以通过最小二乘法计算得到[11]。
对长三角地区2008 年12 月30 日至2021年7 月20 日近14 年所有ML≥0.1 的震级和地震地点进行统计，得到震级和频率对应的表格，部分如表1 所示，由统计结果可以看出地震频率随震级增大而逐渐减小。
表1 长三角地区部分震级-频率表
利用表格绘制长三角地区地震震级和地震频率之间的关系图，如图5 所示，可以直观的看到随着震级增大，地震发生的频率在逐渐减小，2008 年12 月30 至2021 年7 月20 以来发生ML≥4.0 地震只有7 次，而ML＜4 的地震就有4828 次。利用最小二乘法计算得到a、b的值，进一步得到震级-频率的函数关系，得到其公式大致如公式（2） 所示，结果表明，研究区内地震频率和震级的关系符合Gutenberg-Richter定律，即G-R 关系式。
图5 研究区ML≥0.1 的地震震级-频率关系图Fig.5 Magnitude-frequency diagram of earthquakes in the study area
虽然利用这种震级-频率分布函数来准确预测地震并不科学，但这种研究方法对于研究地震数据的动力学和相关长期预测是有一定帮助的。
2.3 地震区域与频率分析
研究区区域面积35.8 万平方千米，包含40个地级市和1 个直辖市，共307 个县区，研究以41 个行政区为对象，通过台网中心提供的震中参考位置，对2008 年12 月30 日至2021 年7 月20 日期间各个地区发生的ML≥0.1 地震的频率进行统计，其部分结果如图6 所示。
图6 长三角部分地区ML≥0.1 的地震发生的数量图Fig.6 Numbes of earthquakes in parts of the Yangtze River Delta
同时结合41 个行政区域内发生的ML≥0.1地震的频率，按照由高到低的频率进行分级，划分为4 个等级，频率为0 的为一级，共2 个地区，占该区域的4.9%；
频率在1～100 的为一级，共32 个地区，占总区域的78%；
频率在101～500 的为一级，共5 个地区，占区域的12.2%；
频率在501～1640 的为一级，共2 个地区，占区域的4.9%。长三角地区地震频率的空间分布，如图7 所示。
图7 长三角地区ML≥0.1 的地震频率空间分布图Fig.7 Spatial distribution of seismic frequency in Yangtze River Delta region
由统计结果和空间分布图可以看出，在统计时间内，研究区共7 个区域（占研究区17.1%）发生了100 次以上ML≥0.1 的地震，这7 个区域地震总体频率达到3662 次。研究表明，这7个区域是地震发生的高频地区。
2.4 地震发生时间和频率分析
基于以上研究，本文将长三角区域在不同时间内发生的ML≥0.1 的地震事件进行统计，通过统计长三角地区2009—2021 年每一年发生地震的次数（统计中X 轴表示时间，以年为单位，Y 轴表示一年当中发生地震的次数），以研究长三角地区每年地震序列的变化情况，最终的统计结果如图8 所示。由图中可以看出：长三角地区在2009—2021 年每年发生地震的频率相对比较一致，略有起伏。据中国地震局统计显示，2014 年大陆地区发生地震灾害事件10次，其中特别重大地震灾害事件1 次，较大地震灾害事件4 次，一般地震灾害5 次。而其中10 月25 日在浙江省文成县发生了4.2 级地震，在这个时间点前后，该地区发生了多次小震和余震，故2014 年长三角地区的地震频率高达1592 次，远多于其他年份。由此可见，在某些较大地震前后，发生地震的频率也会增高。
图8 长三角地区2009—2021 年每年ML≥0.1 的地震发生次数Fig.8 Annual number of earthquakes in the Yangtze River Delta region from 2009 to 2021
另外，针对2014 年地震频率较高的情况，我们对2014 年1 月1 日至12 月31 日长三角地区每日ML≥0.1 的地震发生频率进行统计，其中Y 轴表示每天发生地震的频率，X 轴表示时间，统计结果如图9 所示，由统计图可以看出：长三角地区2014 年8 月份之前发生地震的频率都比较低，每天几乎都是个位数，但8 月以后地震次数明显增加，最高一天多达65 次地震。在10 月25 日浙江省文成县发生的4.2 级地震前后，地震频率明显变高。从地质构造角度来解释，一般在强震发生后，由于受到地震断裂带影响，造成板块之间相互碰撞、相互挤压，这就造成了地壳中的应力在一定程度上会产生集聚，随着应力不断积累，达到一定临界点就会释放，原来地质构造中的系统平衡就会被打破。所以，板块构造中的应力场也会随之进行新的调整和分配，因此导致震中区域的应力场会随着新的调整产生新的变化，这样就会造成一系列小的地震。因此，从分析中我们可以得出，在2014 年该地区在较大地震发生之前，每天地震发生的频率不高，相对比较稳定，发生较大地震后，地震频率会明显发生变化，由统计结果可以看出每天能发生几十次甚至上百次地震。
图9 长三角地区2014 年每天发生ML≥0.1 的地震的频率图Fig.9 Frequency chart of daily earthquakes in the Yangtze River Delta region in 2014
本文通过GIS 空间统计和分析方法，详细介绍了利用ArcGIS 软件对长三角地区近14 年ML≥0.1 的地震数据进行时空统计分析方法，阐述了通过利用核密度分析方法和空间统计分析方法，对研究区地震点的空间分布和地震事件震级、频率、位置等进行全面研究。研究表明，长三角地区地震频率的对数和地震震级之间存在线性关系，符合Gutenberg-Richter 定律。大部分地震事件主要发生在比较集中的几个区域，且较大地震发生前后，存在区域内的地震频率有较明显变化。研究对探寻一定时期内长三角地区地震活动规律，以及对该地区城市群规划及重大工程建设有一定指导意义，对科学指导防灾减灾工作具有一定现实意义。
本文的研究还有不足和需要改进的地方，比如受限于台网中心提供的数据，用到的地震数据事件时间的跨度还不大，地震断裂数据库比例尺较小、驱动机制分析不足，分析还存个例性和片面性等问题，如何根据各地区更加详细的地震资料，结合地震造成的房屋破坏、人员伤亡、经济损失，依托规划、交通、人口等数据进行更加深入分析将是进一步思考的方向。
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