基于ArcGIS的山东地震台站空间分布特征研究

2015-09-03冯恩国连凯旋陈其锋王伟孙丕锋李月强温丽媛刘保华

中国地震 2015年3期

冯恩国连凯旋陈其锋王伟孙丕锋李月强温丽媛刘保华

山东省聊城地震水化试验站，山东聊城高新区中华南路24号 252000

0 引言

地震大部分发生在地壳的中上部，且震中易密集成带，并常与一定断裂带相吻合（中国地震局监测预报司，2007），这也是中国地震活动的一个特征，因此地震活动与活动断裂的关系一直备受关注。活动断裂又称活断层，是距今10万年以来有充分位移证据证明曾活动过或现今仍在活动，并在未来一定时期内仍有可能活动的断层，其与地震活动及其它的地质灾害密切相关。

地震台站的主要工作目标是保证观测仪器正常工作，并及时准确地提供可靠、连续、完整的观测资料。地震台站位置的选择是产出高质量资料的一个重要前提。

地理信息系统是近些年来引入地震研究领域的新技术之一，该系统是在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统（邓炯等，2004）。它是为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统，其强大的空间分析功能正逐渐应用于地震各学科的研究中。

本文以ArcGIS Desktop为主要技术平台，通过对山东省地震台站和行政区图、活动断裂带图层、地震峰值加速度区划等图层进行叠加分析及缓冲区分析来研究山东省地震台站的分布特点。

1 研究区概述

山东内陆及其附近沿海分布有3条大型活动断裂带，即NNE向的郯庐断裂带、NE向聊考断裂带和NW向的渤海至威海断裂带。此外，还有NW向、NE向、近NS向等多组中小型活动断裂构造。它们共同构成了山东内陆及附近沿海断裂构造的主要格局。有历史地震记载以来，山东及近海共发生5级以上地震70余次，其中20世纪发生了10次。公元1668年郯城8.5级地震是中国东部强度最大的地震，据记载死5万余人。

作为本文研究样本的山东省地震台网由省级地震监测台站与国家级地震监测台站共同构建而成，是山东省地震监测的骨干资源，涵括测震台网、前兆台网等。截止到2012年止，据山东地震台网中心相关资料显示（季爱东等，2011），测震台网有63个台站；前兆台网由流体、形变、电磁等不同学科测项共39个台站构成。

2 研究思路与数据选择

首先通过ArcGIS建立空间数据库，统一坐标系，通过外部数据格式转换以及纸介质图件扫描数字化进行数据采集入库。本研究所需要的资料包括：山东省行政区划图，采用Mapsis里的中国县界Tab文件，通过通用转换器工具转存为shp格式文件，并将这个县级的行政区划图，通过Dissolve命令合并成山东省地级市要素图层；Dissolve命令可以把多个要素，通过相同的字段建立连接，溶解成一个要素。山东省活动断裂分布图，主要是依据《中国岩石圈动力学地图集》（马杏垣，1989）中的山东地震构造图及其相关资料，通过扫描数字化进行入库。山东省地震动峰值加速度区划图，是通过对Mapsis中的中国地震动峰值加速度区划图进行格式转换，并进行裁剪获得的。同样方法可获得山东省地震烈度区划图。山东省前兆台网以及测震台网分布图，则通过台站经纬度直接导入到ArcGIS并入库。之后对断裂带图层做缓冲区，再对点图层与行政区划图、断裂缓冲区、地震峰值加速度图等进行叠置分析，统计上述各个图层中不同区间的台站个数，定量研究山东省地震台站空间分布特征。

3 空间分布特征研究

3.1 台站空间分布密度

通过对山东省地震台站站点图层与山东省地级市行政区划进行叠加分析，统计落入山东省不同地级行政区内地震站点的个数（图1、表1），依此研究山东省地震台站空间分布密度。

由图1和表1可知，山东省地震台站分布是不均匀的，前兆台站最多的地市是临沂，有9个，其次为菏泽和潍坊（各4个），而淄博没有前兆台站；统计每万平方千米面积上的前兆台站数，全省平均值为2.55个，其中密度最高的是威海市（5.52个），其次为临沂和莱芜，均多于4个，每万平方千米平均前兆台站个数超过3个的有日照、菏泽、济南，不足1个的地市有淄博、济宁和青岛。测震台站数最多的依然为临沂市（9个），其次为烟台和济宁（各8个），莱芜市没有测震台站；全省的测震台站（补同前的统计范围）平均值为4.01个，其中密度最高的为日照（7.53个），密度超过5的还有威海、济宁、烟台、青岛和临沂，不足1个的为莱芜市。从总数上来说，全省17地市中地震台站最多的为临沂市（18个），其次为烟台和潍坊，均有10个或10以上地震台站，除淄博和莱芜仅有1个外，其他地市均有2个以上的地震台站.从全省地震台站分布密度来看，最高的为威海市（12.88个），其次为日照和临沂，均超过10个，其余地市除烟台和济宁超过全省平均值（6.56个）外，均低于全省平均水平。

图1 山东省各地市级行政区划与地震台站分布图

表1 各地市台站分布数统计

3.2 台站分布与活动断裂的空间关系

世界上90%以上的地震以及几乎所有的破坏性地震均为构造地震。构造地震由地壳断裂发生突然错动而引起。山东省范围内分布着郯庐活动断裂带、渤海-威海活动断裂带、聊考活动断裂带等3大断裂带，共计80多条活动断裂（晁洪太等，1997）。

地震台站布设原则之一是要在活动断裂带上或其两侧，最好是布在活动断裂带的端点、拐点处，这些点位是未来地震可能发生的部位，也可能是观测地震信息敏感的部位（汪成民等，1990）。因此，可以通过研究地震台站分布和断裂带的空间关系来检验地震台站的空间布设质量。

通过对山东省活动断裂带图层进行宽度分别为3km、6km的缓冲区分析，统计落入山东省活动断裂带图层缓冲区内地震站点的个数（图2、表2），依此研究台站与活动断裂的关系。断裂的缓冲区半径是重要参数，对于以后的叠加分析至关重要。台站布设距断裂原则是≤3km，但考虑到一定的误差范围，我们认定6km也是合理的。依此，分别做半径为3km、6km的断层缓冲区（图2）。通过对图2的统计分析发现，前兆台站距断裂＜3km的有18个，占46.2%；测震台站距断裂＜3km的有22个，占34.9%。前兆台站距断裂＜6km的有24个，占61.5%；测震台站距断裂＜6km的有36个，占57.1%。前兆、测震台站距断裂＜6km的台站比例均超过了半数。刘峰等（2009）通过研究活动断裂与地震的关系后发现，80%的破坏性地震都落入到距活动断裂25km缓冲区内。由表3可知，山东省的全部前兆台站和绝大部分测震台站都落入到距活动断裂25km缓冲区内。

图2 活动断裂缓冲区与台站叠加结果

表2 活动断裂不同缓冲区台站分布

表3 活动断裂不同缓冲区台站分布

图3 地震峰值加速度区划图与台站叠加结果

表4 各地震峰值加速度区内的台站分布

表5 地震峰值加速度与烈度对照

3.3 台站分布与峰值加速度区划的关系

以《中国地震动参数区划图》（中国地震局，2001）为背景，统计区划图上在一定程度上代表未来地震危险性的地震动峰值加速度值达到0.1g以上的区域中地震台站的分布，依此研究台站与地震峰值加速度区的关系。

山东省内地震动峰值加速度值均在0.2g以下（图3、表4），即山东省最大基本烈度为Ⅷ度（表5）。山东省地震台站分布在地震动峰值加速度值达到0.1g以上区域（即烈度区大于Ⅶ度）的个数，前兆台站为27个，占69.2%；测震台站为39个，占61.9%。山东省地震台站位于地震动峰值加速度值达到0.1g及以上（即地震烈度Ⅶ度区及以上）的区域超过了60%。