安徽“霍山窗”中强震分布与断裂关系研究*

骆佳骥 于书媛 赵希磊

(安徽省地震局， 合肥230031)

安徽“霍山窗”中强震分布与断裂关系研究*

骆佳骥※于书媛 赵希磊

(安徽省地震局， 合肥230031)

应用ArcGIS10.0软件平台， 建立“霍山窗”地区主要断裂、 地震资料的矢量数据和空间数据库， 运用缓冲区分析、 统计分析、 叠加分析等空间分析功能， 确定以25 km为半径的缓冲区包含93.9%以上地震， 并依据叠加结果， 计算得出单位断裂长度的地震数量。 分析数据表明， 落儿岭—土地岭断裂活动性最强， 青山—晓天断裂、 梅山—龙河口断裂的地震活动性次之。 最后， 通过断裂与地震缓冲区分析结果， 发现在断裂交汇处易发生强震。

霍山窗； 中强震； 空间分析

引言

甘芬芳等[2]利用四川省和重庆市1950年1月—2009年9月M≥4.0地震的地震数据和地质构造图， 对地震空间分布及其分维值与大地构造单元的关系进行研究。 彭自正等[3]基于GIS空间分析方法对江西活动断裂分布与地震活动关系进行了研究。 刘峰等[4]利用GIS方法研究了南北地震带和中央造山带交汇区活动断裂与地震的关系。 董丞妍等[5]基于GIS点格局方法， 从余震点分布的不确定性及烈度区与点空间距离格局的关系角度研究了汶川及芦山余震点格局。 上述工作的研究范围较大， 至今少见系统地针对“霍山窗”地区的强震与断裂的关系研究。 随着安徽省地震台网中心数据的广泛应用， 积累的地震目录资料可应用于强震研究。

1 “霍山窗”构造背景及强震分布特征

“霍山窗”位于大别山北部的霍山地区， 范围为31°00′N～31°50′N， 115°42′E～116°36′E， 著名的秦岭—大别造山带的东段(图1)。 大地构造位置为秦岭—大别断褶带。 大别断褶带是一个复杂的构造带， 基底由大别群、 佛子岭群、 梅山群组成。 研究区域地壳演变大致经历了大别运动、 扬子运动、 燕山运动和喜山运动。 燕山运动是继大别运动、 扬子运动后的一次极强烈的地壳运动， 主要表现为断裂—褶皱运动。 形成了黑石渡、 城关、 下符桥、 与儿街、 石河及磨子潭—东西溪等较开阔的山前盆地， 并由晚侏罗系、 白垩系火山岩和陆相碎屑岩建造形成。 第四纪以来研究区展布3组断裂， 分别是NW向的梅山—龙河口断裂(F1)、 青山—晓天断裂(F2)和NE向的落儿岭—土地岭断裂(F3)， 表1为3条断裂及活动性[6]。 其中落儿岭—土地岭断裂形成时代为晚更新世。 梅山—龙河口和青山—晓天断裂形成时代较晚， 为第四纪早期[7]。

F1: 梅山—龙河口断裂； F2: 青山—晓天断裂；F3: 落儿岭—土地岭断裂

图1 “霍山窗”地区断裂构造分布图(左上图小图中方框表示“霍山窗”的地理位置)

表1 “霍山窗”区域断裂及其活动性

2 研究内容及结果

本文的中强震特指安徽省内M4.0及以上地震。 在ArcGIS 10.0平台上， 对“霍山窗”的3条断裂及强震数据， 分别进行各断裂缓冲区与地震的叠加分析， 运用矢量数据的空间分析功能， 确定最佳缓冲区半径， 统计在每个断裂缓冲区内的地震数目与断裂长度等属性信息， 计算单位长度断裂地震发生数， 即单位长度地震频率， 进行断裂缓冲区与地震的叠加分析， 研究断裂活动程度、 中强地震活动性特征； 进行典型强震缓冲区与断裂的叠加分析， 研究强震与周围活动断裂的关系， 分析可能的发震断裂， 加深对研究区断裂的活动强度和中强地震活动性的理解。

2.1 各缓冲区内地震数目

断裂的缓冲区半径是重要的分析参数， 对后续的叠加分析至关重要。 本文对给定宽度为10 km、 15 km、 20 km、 25 km的距离建立缓冲区， 统计落入断裂缓冲区内的全省地震次数及占全省地震总数的百分比， 得到表2所示的结果。 分析表2可知， 在1970年以后有地震仪器记录的地震中，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建立的活动断裂缓冲区内， 这表明25 km缓冲区内的小震和中强地震要素可以反映断裂的活动程度。 以上分析数据表明， 安徽省现代M≥4.0地震发生与断裂关系密切， 可见断裂处于较高的活跃阶段， 同时也表明安徽省的地震与断裂密切相关。 综合以上数据分析， 最终确定25 km研究“霍山窗”地区缓冲区宽度效果最佳。

2.2 断裂的地震活动性

由上节分析得出， 97.57%以上的地震都发生在距断裂25 km范围内， 表明25 km缓冲区内的地震可以反映研究区内断裂的活动性， 下一步比较单位长度内的地震个数， 具体步骤为：

表2 缓冲区内地震数占地震总数百分比

(1) 统计距离半径25 km建立的断裂带缓冲区内的地震个数， 其中n1为1970年后M≥1.5全部地震个数，n2为现代M≥4.0全部中强地震个数。

(2) 统计3条断裂的长度， 得统计长度L(km)。

(3)计算单位长度内的地震个数：N1=n1/L、N2=n2/L。 计算结果与对比结果如表3和图2所示。

表3反映， 土地岭—落儿岭断裂两项参数均为最高， 说明其活动性最强； 梅山—龙河口断裂N1计算结果稍大于青山—晓天断裂， 其N2参数计算结果稍小于青山—晓天断裂， 表明两条断裂活动相当。 鉴于青山—晓天断裂与土地岭—落儿岭交汇处曾发生过多次中强地震， 笔者认为其活动性可能强于梅山—龙河口断裂。

表3 单位长度的活动断裂对应的现代地震个数

图2 “霍山窗”区域3条断裂单位长度M≥1.5和M≥4.0现代地震个数

图1中单位长度地震数很好地说明晚更新世断裂的活动性较弱、 中更新世断裂活动强， 与理论相符。 其中， 在研究区的3条主要断裂中， 以N1和N2为标准， 将断裂的活动程度分为2个等级。 落儿岭—土地岭断裂的N1、N2值都最高， 说明在这条断裂25 km范围缓冲区内的小震频发、 中强震次数高， 其断裂活动性最强。 其次是青山—晓天断裂和梅山—龙河口断裂， 在这两条断裂25 km范围缓冲区的小震频发， 但历史及现代中强震次数较落儿岭—土地岭断裂低， 综合以上数据分析， 其两条断裂总体活动性较落儿岭—土地岭断裂弱。

总的来说， 上述3条断裂基本控制了“霍山窗”地区中强震的分布格局， 并且沿落儿岭—土地岭与其余两断裂交汇部位小震有集中现象， 一反映了落儿岭—土地岭断裂为区域地震活动的主控断裂， 二反映了两条断裂交汇部位应力具有集中特点。 地震地质研究结果也支持以上分析， 姚大全等[8]认为， 落儿岭—土地岭断裂最新活动时代为晚更新世， 为一地震活动断裂， 其余两条断裂与落儿岭—土地岭交汇部位更是未来发生中强地震的危险部位。

2.3 中强震与断裂叠加分析

叠加分析是GIS中用来提取空间隐含信息的方法之一。 叠加分析不仅生成了新的空间关系， 而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生新的属性关系[9]。

本文综合运用ArcGIS的空间分析功能， 将围绕断裂形成的半径25 km缓冲区图层与中强震中点图层叠加， 形成新的图层， 统计全省每条断裂缓冲区内中强地震数与长度等属性信息， 并添加字段存储， 可视化显示4个等级的断裂活动程度， 得到半径25 km缓冲区单位长度全省中强震目录分类渲染图(图3)。 从图3的对比可见， 中强震在“霍山窗”最为密集(黑色标出)。 就断裂活动性而言， “霍山窗”区域内的3条断裂单位长度发生中强震的次数较高， 其中落儿岭—土地岭断裂的活动性最强， 梅山—龙河口和青山—晓天断裂次之。 刘东旺等[10]研究表明， 霍山地区深大断裂十分发育， 青山—晓天断裂与落儿岭—土地岭断裂交汇处存在中强震多发、 小震密集特点。

图3 “霍山窗”区域断裂活动性渲染图

自1970年有地震仪器记录到的安徽省M≥4.0以上的中强震共15次， 其中有8次发生在“霍山窗”， 分别是1971年2月1日霍山4.0级地震、 1973年3月11日霍山4.8级地震和4.9级地震、 1973年3月12日霍山4.5级地震、 1982年9月27日霍山4.3级地震、 1985年5月10日霍山4.0级地震、 2002年7月14日霍山4.0级地震和2014年4月20日霍山4.3级地震。 本文通过GIS空间分析方法建立以历史中强震为圆心的缓冲区， 与周边活动断裂进行叠加分析(图4)。 分析图4发现， “霍山窗”区域强震多数发生在落儿岭—土地岭断裂西侧不到2 km， 即青山—晓天断裂与落儿岭—土地岭的交汇区域。 对该区域范围内的中强地震建立缓冲区分析发现， 缓冲区几乎重叠且余震走向分布呈现以交汇区为圆心向四周扩散的放射状并沿着落儿岭—土地岭断裂。 在缓冲区范围内， 青山—晓天断裂带被北东向落儿岭—土地岭断裂切割， 且据前人研究资料表明， 自晚更新世以来落儿岭—土地岭断裂活动频繁， 所以笔者从图中分析认为， 落儿岭—土地岭断裂运动是“霍山窗”地区中强地震及其余震发生的直接原因， 而该地区历史强震多、 小震密集则是受到落儿岭—土地岭断裂与青山—晓天断裂交汇切割的影响。

图4 现代强震缓冲区与地震叠加结果

3 结论

运用地理信息的空间分析方法， 将地震属性数据转化为具有空间概念的属性信息进行地震与活动断裂关系的相关性分析研究， 为断裂活动对地震的定量分析提供了有效的手段。

通过建立合适的“霍山窗”区域发震断裂缓冲区与现代中强震的叠加统计分析表明， 100%中强地震的发生受到断裂活动的影响。 在此基础上， 通过计算落入给定距离缓冲区内的单位长度的地震数目比较分析各发震断裂的活动性强弱。 其中， 落儿岭—土地岭断裂的活动性最强， 青山—晓天断裂和梅山—龙河口断裂的活动性次之。

落儿岭—土地岭断裂和青山—晓天断裂交汇处是历史及现今中强地震活动比较显著的区域， 根据研究区内历史及1970年以来M≥4.0以上地震的空间分布， 得出研究区内的中强地震发震主要受区内断裂构造的控制， 中强地震沿着断裂交汇处呈现带状分布特征， 落儿岭—土地岭断裂沿线特征最明显， 表明该断裂在第四纪还有一定程度的活动性。 其中北东向的落儿岭—土地岭断裂与近东西向的青山—晓天断裂交汇处最为密集， 反映了该处为构造的薄弱点， 应力易于积累释放。

结合断裂活动性渲染图与历史及现代中强地震进行叠加分析图， 结果表明， 沿着断裂交汇区域， 断裂密集分布及次级、 隐伏断裂分布区， 晚更新世断裂易发生中强地震。 笔者认为， 中强地震的发生与活动断裂的关系密切， 需要继续加强对“霍山窗”区域断裂活动的探测与活动性鉴定工作。

[1] 邓起东， 张培震， 冉永康， 等. 中国活动构造与地震活动. 地学前缘， 2003， 10(增刊)： 66-73

[2] 甘芬芳， 徐刚， 徐羽， 等.基于GIS的构造单元地震空间分形研究. 西南师范大学学报， 2015， 40(6)： 80-84

[3] 彭自正， 赵爱平， 胡翠娥， 等. 基于GIS的江西活动断裂分布与地震活动关系研究. 华南地震， 2002， 22(4)： 43-48

[4] 刘峰， 张家声， 黄雄南， 等. 利用GIS方法研究南北地震带和中央造山带交汇区. 中国地震， 2009， 25(4)： 394-403

[5] 董丞妍， 罗明良， 昌小莉， 等. 汶川及芦山地震余震分布的空间尺度效应. 地震学报， 2015， 37(1)： 113-124

[6] 邓起东， 冉永康， 杨晓平， 等. 中国活动构造图. 北京： 地震出版社， 2007

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[9] 汤国安， 杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程. 北京： 科学出版社， 2007

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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。

※通讯作者： 骆佳骥， e-mail: 598254253@qq.com。 基金资助： 安徽省地震局青年扶持基金项目(20150503)和安徽省地震局科研合同制项目(201511)共同资助。

P315.5；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.12.005