1970～2015年间云南省地震时空特征分析

2018-10-17庄晓蓉王加胜覃振卓孙梦竹

地理信息世界 2018年6期

刘娜，庄晓蓉,4，王加胜,2，覃振卓，孙梦竹

（1. 云南师范大学信息学院，云南昆明 650500；2. 云南师范大学西部资源环境地理信息技术教育部工程研究中心，云南昆明650500；3. 云南师范大学旅游与地理科学学院，云南昆明 650500；4. 云南省地矿测绘院，云南昆明 650217）

0 引言

云南省地理位置特殊，地形复杂，是中国多震省份之一，地震灾害具有频度高、强度大、分布广和受灾重的特点，仅1995～2015年间震级≥4.5级的地震就发生了81次。目前，地震相关研究主要从地震灾害特性、地震类型、地震灾害影响因素、地震灾害损失评估等方面开展。周光全等结合云南省地震局的地震灾害评估资料分析了2008年云南地震灾害的特性[1]。和嘉吉等分析了2014年云南地震灾害情况[2]。皇甫刚等对云南地震序列和强震震源机制分析与研究[3]。殷志强等以2008年以来我国先后发生的汶川地震、玉树地震、芦山地震、岷县漳县地震和彝良地震触发的地质灾害为研究对象,分析了地震地质灾害的主控因素[4]。周光全等提出一种初步评估地震灾害经济损失的方法[5]。GIS时空分析技术是对用可视化手段对时空数据进行分析和表达的技术，目前已被广泛应用于灾害应急预案[6-7]、犯罪分析[8]、公共健康[9]、交通应用[10-11]、精准农业[12-13]、自然资源管理[14-15]等领域。时空分析技术能更好地呈现地震的时空特性，以便探索地震灾害的时空规律。目前采用多年地震数据对云南省地震进行时空分析的研究较少。

为此，本文拟应用GIS技术对云南省1970年到2015年间46年地震点数据进行时空分析，利用密度分析、近邻分析、州市统计分析等方法，尝试从不同的角度探索40多年来云南省地震灾害的时空规律，为相关部门提供决策参考。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

云南省地处中国西南边陲，位于青藏高原东南侧，处于印度洋板块与欧亚板块对中国大陆碰撞而成的东侧，板块之间的相互碰撞使云南省境内的地震构造运动剧烈。1970至2015年，云南省共发生震级值大于等于3.0的地震共3 517次，其中大于等于6.0的强震13次。由于处于特殊复杂的地理位置使得云南省境内地震活动频繁，呈现出分布广，震源浅，破坏性强的特点，对云南省的社会经济发展产生了巨大的影响。研究图如图1所示。

图1 研究区图Fig.1 Research area map

1.2 数据与预处理

1）地震数据。本文从中国地震台网中心收集了云南省1970-01-01至2015-12-31间的地震数据。该数据含有每次地震的发震时间、震中经纬度、震级大小、震源深度、参考地点等信息。从中筛选3级以上地震，共有3 517条地震记录，其中6～7级10条，7级以上3条。

2）断裂带数据。本文的断裂带数据来自于《云贵地区地震危险性研究文集》[16]中的云南主要活动断裂与强震震中分布图。对其中云南境内的断裂带进行矢量化，包括14条主要断裂带，包括哀牢山断裂带、程海断裂带、德钦—中甸断裂带、红河断裂带、金沙江断裂带、澜沧江断裂带、罗茨断裂带、绿叶江断裂带、弥勒断裂带、怒江断裂带、普渡河断裂带、无量山断裂带、小江断裂带和小金和断裂带。

3）其他数据。本文还收集了由天地图矢量化得到的云南省州市区划数据。

2 地震时空分析方法

论文从像元、断裂带、州市和整体4个空间尺度探索云南省地震时空特征。其中，像元尺度采用像元周围一定范围内的平均地震密度来分析云南省地震的空间分布，即地震密度分析；断裂带尺度则将地震点数据划分到断裂带分析各断裂带地震时空分布特征，即断裂带地震分析；州市尺度则将地震点划分到州市分析州市地震差异，即州市地震分析；整体尺度则按年有感地震次数分析云南省地震的演变特征，即年地震次数变化分析。

2.1 地震密度分析

密度分析是通过对离散点或线数据进行插值，计算出栅格像元周围领域内输入要素密度的过程，可用于分析地震灾害的疏密分布特征。核密度估计（Kernel Density Estimation）是常用的密度分析方法之一，是一种用于估计概率密度函数的非参数方法[17-18]。考虑点要素对周围的影响随距离减弱，同一像元受到的影响则相互叠加，从而使计算出来的栅格数据结果较为平滑。设其周围h距离范围内有独立同分布的n个样本点，二维空间像元x的核密度估计值可表示为：

式中，h为窗口大小，K( )为核函数，常用的二维核函数可以表示为：

由公式（1）可知，核密度计算的关键参数为窗口大小h，根据《云南地震灾害特征及经济损失评估技术研究》[19]，云南地区的烈度衰减关系满足如下公式：

式中，Ia为烈度，M为震级，Ra表示烈度为I时地震烈度等震线的长半轴长，σ为标准差。以5级地震、烈度5度计算出长半轴长度约为30 km。

考虑到本次研究的地震点数据无法统计相同地点发生地震的次数，而震级值是最能直观反映地震情况的参数，故使用震级值字段作为等效地震频次（k级地震算发生了k次1级地震）。

2.2 断裂带地震分析

断裂带地震分析是将地震点划归至距其最近的断裂带中，从断裂带尺度分析地震分布特征。主要包括地震点按断裂带分类和统计分析两个步骤。

1）地震点按断裂带分类。首先给地震点数据建立一个断裂带字段DLD，用于存储所属断裂带的名称；然后对每一地震点，计算所有断裂带（线类型）至该点的距离；最后取距离值最短的断裂带名称作为属性字段DLD的值。这一过程可使用ArcGIS软件的近邻分析工具实现。

2）统计分析。根据断裂带属性DLD提取每一条断裂带的地震点，统计每一断裂带不同类型地震的次数及不同时间段的数量，根据数量采用等间隔分类方法将断裂带分为一般断裂带和活跃断裂带两类，再筛选出发生过强震及大地震的断裂带作为典型断裂带。通过分析活跃断裂带和典型断裂带的地震点数量及震级来判断该断裂带处地震的活跃程度，统计每5年该断裂带处的地震数量，绘制出折线图，分析这些地震带地震活动的时空特征。

2.3 州市地震分析

州市地震分析与断裂带地震分析类似，需要将地震点划分到不同州市，以分析不同州市地震灾害的差异。具体包括地震点按州市分类、州市统计分析和州市地震风险评价。

1）地震点按州市分类。首先将州市图层与地震点数据图层叠加进行相交分析，判断每一个地震点所属的州市，将地震点划分到不同州市。

2）州市统计分析。根据面波震级值（Ms）划分标准将云南省1970年至2015年3级以上地震划分为有感地震（3≤Ms＜4.5）、中强震（4.5≤Ms＜6）、强震（6≤Ms＜7）和大地震（Ms≥7）4种类型，用直方图直观地展示出各州市46年来各类型地震数量分布。

3）州市地震风险评价。在云南省各州市震级值分级统计的基础上，分别给以上列出的4个级别的震级赋予0%、10%、30%和60%的权重进行求和得出云南省46年来州市地震风险等级图进行风险评估。

2.4 年地震次数变化分析

对地震（Ms≥3.0）频次按年进行统计，制作地震随年份变化的折线统计图，统计该年发生的地震总数和比重，分析地震频次随着年份的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 云南省46年间地震密度分布

采用核密度计算云南省地震密度分布，结果如图2所示。可以看出云南省地震密度呈现出类似于斜“口”形的分布，其对称中心大概位于普洱市和楚雄州的交界处，4个角分别为德宏州、丽江市、红河州、普洱市，西北向的边密度最高，涉及德宏、保山、大理、丽江4个州的大部。此外，昭通市西部与迪庆州中部也有较高频次的地震分布。西北部的怒江州、东部的文山州和曲靖市3个地区发生的地震次数相对较少。

图2 云南省2009～2015地震密度图Fig. 2 Earthquake density map of Yunnan Province in 2009 to 2015

3.2 云南省地震分布州市统计分析

按州市统计近46年来云南省中强震以上地震次数，结果如图3所示。可以看出，全省地震次数最多的5个州市从多到少依次为楚雄、丽江、红河、普洱、大理，这5个州地震频发，近46年来，发生中强震以上地震次数超过27次。临沧州和西双版纳州地震频次较少，分别为3次和1次，怒江和曲靖则46年来未发生过4.5级以上地震。云南省共发生10次强震和3次大地震，涉及到保山、楚雄、德宏、丽江、普洱、玉溪和昭通7个州市，其中普洱市发生强震次数最多（5次），保山、丽江、玉溪分别发生过大地震。

图3 云南省中强震以上地震次数州市统计图（1970～2015）Fig.3 Statistics chart of earthquake numbers in Yunnan Province districts(1970～2015)

为评价各州市综合风险，综合考虑有感地震、中强震、强震和大地震的破坏力，制作了云南省地震风险等级图，如图4所示，将综合风险按照等间隔分为高中低3级。可以看出云南省有1/2的州市处于地震高风险区，涉及保山、大理、丽江、楚雄、玉溪、普洱、红河、昭通8个州市；曲靖、文山、西双版纳、临沧、怒江处于低风险区；昆明、迪庆、德宏处于中风险区。

图4 云南省地震风险等级图Fig.4 Earthquake risk level map of Yunnan Province

3.3 云南省地震频次时间变化特征

统计云南省近46年地震灾害年际变化情况，如图5所示，云南省地震70年代以来频次呈现出递增的趋势。1970年至1992年地震活动较少，平均每年地震次数约为25次，本文称之为平静期，1992年之后地震活动变得频繁了起来，平均每年地震次数约为128次，本文称之为活跃期。从总体情势来看，在1996年（图5中A点）和2014年（图5中B点）出现了两个峰值，分别达到192次和507次。这可能是由于1996年发生了一次强震和一次大地震，2014年也发生了两次强震，所以这两年地震频次高的原因可能是余震较多。云南省20世纪70年代发生地震次数较少，但发生过两次大地震。2014年累计发生507次地震，占总次数的14.42%，是46年间地震发生最多的年份。

图5 云南省1970～2015年地震（Ms≥3.0）年际变化图Fig.5 Interannual change chart of earthquake in Yunnan Province from 1970 to 2015 (Ms≥3)

3.4 云南省地震频次断裂带分布

按照断裂带对云南省地震进行统计，结果见表1，从断裂带分布上来看，地震活动主要集中在程海断裂带、怒江断裂带、小江断裂带和澜沧江断裂带，46年来地震次数超过400次，其中程海断裂带和怒江断裂带地震次数最多，分别发生了575次和626次，约占地震总次数的16.3%和17.8%；程海断裂带、怒江断裂带、普渡河断裂带、无量山断裂带、小江断裂带是较为危险的断裂带，均发生过6级以上的地震（强震及大地震）；3次大地震分别发生在普渡河断裂带、怒江断裂带和程海断裂带上；强震则主要集中在无量山断裂带上，占强震总数的50%。

表1 断裂带地震分布表Tab.1 Seismic distribution sheet of fault zone

分析地震次数最多的5条断裂带地震次数5年间隔的变化，结果如图6所示。可以看出，1995年以后，程海断裂带、怒江断裂带和小江断裂带地震次数较多，处于活跃状态；怒江断裂带与小江断裂带地震次数呈现上升趋势，程海断裂带地震数有下降趋势；无量山断裂带一直都处于地震活跃的状态，有两个地震特别活跃时期，中间间隔大概30年，需要格外注意，可能酝酿出大地震；程海断裂带自1995年以来时常都有地震发生，1996年至2000年地震活动十分活跃，但近年来次数不多，趋于平静；而普渡河断裂带地震高发期在1996年，近些年来都很平稳较少发生4.5级以上地震，总体趋于平静，但由于其爆发过大地震，不排除还会爆发震级较高地震的可能。