基于ArcGIS的山東地震臺(tái)站空間分布特征研究

馮恩國(guó) 連凱旋 陳其鋒 王偉孫丕鋒 李月強(qiáng) 溫麗媛 劉保華

山東省聊城地震水化試驗(yàn)站，山東聊城高新區(qū)中華南路24號(hào) 252000

0 引言

地震大部分發(fā)生在地殼的中上部，且震中易密集成帶，并常與一定斷裂帶相吻合（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007），這也是中國(guó)地震活動(dòng)的一個(gè)特征，因此地震活動(dòng)與活動(dòng)斷裂的關(guān)系一直備受關(guān)注。活動(dòng)斷裂又稱活斷層，是距今10萬(wàn)年以來有充分位移證據(jù)證明曾活動(dòng)過或現(xiàn)今仍在活動(dòng)，并在未來一定時(shí)期內(nèi)仍有可能活動(dòng)的斷層，其與地震活動(dòng)及其它的地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)。

地震臺(tái)站的主要工作目標(biāo)是保證觀測(cè)儀器正常工作，并及時(shí)準(zhǔn)確地提供可靠、連續(xù)、完整的觀測(cè)資料。地震臺(tái)站位置的選擇是產(chǎn)出高質(zhì)量資料的一個(gè)重要前提。

地理信息系統(tǒng)是近些年來引入地震研究領(lǐng)域的新技術(shù)之一，該系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，把各種地理信息按照空間分布及屬性，以一定的格式輸入、存儲(chǔ)、檢索、更新、顯示、制圖、綜合分析和應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)（鄧炯等，2004）。它是為地理研究和地理決策服務(wù)而建立起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，其強(qiáng)大的空間分析功能正逐漸應(yīng)用于地震各學(xué)科的研究中。

本文以ArcGIS Desktop為主要技術(shù)平臺(tái)，通過對(duì)山東省地震臺(tái)站和行政區(qū)圖、活動(dòng)斷裂帶圖層、地震峰值加速度區(qū)劃等圖層進(jìn)行疊加分析及緩沖區(qū)分析來研究山東省地震臺(tái)站的分布特點(diǎn)。

1 研究區(qū)概述

山東內(nèi)陸及其附近沿海分布有3條大型活動(dòng)斷裂帶，即NNE向的郯廬斷裂帶、NE向聊考斷裂帶和NW向的渤海至威海斷裂帶。此外，還有NW向、NE向、近NS向等多組中小型活動(dòng)斷裂構(gòu)造。它們共同構(gòu)成了山東內(nèi)陸及附近沿海斷裂構(gòu)造的主要格局。有歷史地震記載以來，山東及近海共發(fā)生5級(jí)以上地震70余次，其中20世紀(jì)發(fā)生了10次。公元1668年郯城8.5級(jí)地震是中國(guó)東部強(qiáng)度最大的地震，據(jù)記載死5萬(wàn)余人。

作為本文研究樣本的山東省地震臺(tái)網(wǎng)由省級(jí)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站與國(guó)家級(jí)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站共同構(gòu)建而成，是山東省地震監(jiān)測(cè)的骨干資源，涵括測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、前兆臺(tái)網(wǎng)等。截止到2012年止，據(jù)山東地震臺(tái)網(wǎng)中心相關(guān)資料顯示（季愛東等，2011），測(cè)震臺(tái)網(wǎng)有63個(gè)臺(tái)站；前兆臺(tái)網(wǎng)由流體、形變、電磁等不同學(xué)科測(cè)項(xiàng)共39個(gè)臺(tái)站構(gòu)成。

2 研究思路與數(shù)據(jù)選擇

首先通過ArcGIS建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一坐標(biāo)系，通過外部數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及紙介質(zhì)圖件掃描數(shù)字化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集入庫(kù)。本研究所需要的資料包括：山東省行政區(qū)劃圖，采用Mapsis里的中國(guó)縣界Tab文件，通過通用轉(zhuǎn)換器工具轉(zhuǎn)存為shp格式文件，并將這個(gè)縣級(jí)的行政區(qū)劃圖，通過Dissolve命令合并成山東省地級(jí)市要素圖層；Dissolve命令可以把多個(gè)要素，通過相同的字段建立連接，溶解成一個(gè)要素。山東省活動(dòng)斷裂分布圖，主要是依據(jù)《中國(guó)巖石圈動(dòng)力學(xué)地圖集》（馬杏垣，1989）中的山東地震構(gòu)造圖及其相關(guān)資料，通過掃描數(shù)字化進(jìn)行入庫(kù)。山東省地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖，是通過對(duì)Mapsis中的中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行裁剪獲得的。同樣方法可獲得山東省地震烈度區(qū)劃圖。山東省前兆臺(tái)網(wǎng)以及測(cè)震臺(tái)網(wǎng)分布圖，則通過臺(tái)站經(jīng)緯度直接導(dǎo)入到ArcGIS并入庫(kù)。之后對(duì)斷裂帶圖層做緩沖區(qū)，再對(duì)點(diǎn)圖層與行政區(qū)劃圖、斷裂緩沖區(qū)、地震峰值加速度圖等進(jìn)行疊置分析，統(tǒng)計(jì)上述各個(gè)圖層中不同區(qū)間的臺(tái)站個(gè)數(shù)，定量研究山東省地震臺(tái)站空間分布特征。

3 空間分布特征研究

3.1 臺(tái)站空間分布密度

通過對(duì)山東省地震臺(tái)站站點(diǎn)圖層與山東省地級(jí)市行政區(qū)劃進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)落入山東省不同地級(jí)行政區(qū)內(nèi)地震站點(diǎn)的個(gè)數(shù)（圖1、表1），依此研究山東省地震臺(tái)站空間分布密度。

由圖1和表1可知，山東省地震臺(tái)站分布是不均勻的，前兆臺(tái)站最多的地市是臨沂，有9個(gè)，其次為菏澤和濰坊（各4個(gè)），而淄博沒有前兆臺(tái)站；統(tǒng)計(jì)每萬(wàn)平方千米面積上的前兆臺(tái)站數(shù)，全省平均值為2.55個(gè)，其中密度最高的是威海市（5.52個(gè)），其次為臨沂和萊蕪，均多于4個(gè)，每萬(wàn)平方千米平均前兆臺(tái)站個(gè)數(shù)超過3個(gè)的有日照、菏澤、濟(jì)南，不足1個(gè)的地市有淄博、濟(jì)寧和青島。測(cè)震臺(tái)站數(shù)最多的依然為臨沂市（9個(gè)），其次為煙臺(tái)和濟(jì)寧（各8個(gè)），萊蕪市沒有測(cè)震臺(tái)站；全省的測(cè)震臺(tái)站（補(bǔ)同前的統(tǒng)計(jì)范圍）平均值為4.01個(gè)，其中密度最高的為日照（7.53個(gè)），密度超過5的還有威海、濟(jì)寧、煙臺(tái)、青島和臨沂，不足1個(gè)的為萊蕪市。從總數(shù)上來說，全省17地市中地震臺(tái)站最多的為臨沂市（18個(gè)），其次為煙臺(tái)和濰坊，均有10個(gè)或10以上地震臺(tái)站，除淄博和萊蕪僅有1個(gè)外，其他地市均有2個(gè)以上的地震臺(tái)站.從全省地震臺(tái)站分布密度來看，最高的為威海市（12.88個(gè)），其次為日照和臨沂，均超過10個(gè)，其余地市除煙臺(tái)和濟(jì)寧超過全省平均值（6.56個(gè)）外，均低于全省平均水平。

圖1 山東省各地市級(jí)行政區(qū)劃與地震臺(tái)站分布圖

表1 各地市臺(tái)站分布數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 臺(tái)站分布與活動(dòng)斷裂的空間關(guān)系

世界上90%以上的地震以及幾乎所有的破壞性地震均為構(gòu)造地震。構(gòu)造地震由地殼斷裂發(fā)生突然錯(cuò)動(dòng)而引起。山東省范圍內(nèi)分布著郯廬活動(dòng)斷裂帶、渤海-威海活動(dòng)斷裂帶、聊考活動(dòng)斷裂帶等3大斷裂帶，共計(jì)80多條活動(dòng)斷裂（晁洪太等，1997）。

地震臺(tái)站布設(shè)原則之一是要在活動(dòng)斷裂帶上或其兩側(cè)，最好是布在活動(dòng)斷裂帶的端點(diǎn)、拐點(diǎn)處，這些點(diǎn)位是未來地震可能發(fā)生的部位，也可能是觀測(cè)地震信息敏感的部位（汪成民等，1990）。因此，可以通過研究地震臺(tái)站分布和斷裂帶的空間關(guān)系來檢驗(yàn)地震臺(tái)站的空間布設(shè)質(zhì)量。

通過對(duì)山東省活動(dòng)斷裂帶圖層進(jìn)行寬度分別為3km、6km的緩沖區(qū)分析，統(tǒng)計(jì)落入山東省活動(dòng)斷裂帶圖層緩沖區(qū)內(nèi)地震站點(diǎn)的個(gè)數(shù)（圖2、表2），依此研究臺(tái)站與活動(dòng)斷裂的關(guān)系。斷裂的緩沖區(qū)半徑是重要參數(shù)，對(duì)于以后的疊加分析至關(guān)重要。臺(tái)站布設(shè)距斷裂原則是≤3km，但考慮到一定的誤差范圍，我們認(rèn)定6km也是合理的。依此，分別做半徑為3km、6km的斷層緩沖區(qū)（圖2）。通過對(duì)圖2的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，前兆臺(tái)站距斷裂＜3km的有18個(gè)，占46.2%；測(cè)震臺(tái)站距斷裂＜3km的有22個(gè)，占34.9%。前兆臺(tái)站距斷裂＜6km的有24個(gè)，占61.5%；測(cè)震臺(tái)站距斷裂＜6km的有36個(gè)，占57.1%。前兆、測(cè)震臺(tái)站距斷裂＜6km的臺(tái)站比例均超過了半數(shù)。劉峰等（2009）通過研究活動(dòng)斷裂與地震的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，80%的破壞性地震都落入到距活動(dòng)斷裂25km緩沖區(qū)內(nèi)。由表3可知，山東省的全部前兆臺(tái)站和絕大部分測(cè)震臺(tái)站都落入到距活動(dòng)斷裂25km緩沖區(qū)內(nèi)。

圖2 活動(dòng)斷裂緩沖區(qū)與臺(tái)站疊加結(jié)果

表2 活動(dòng)斷裂不同緩沖區(qū)臺(tái)站分布

表3 活動(dòng)斷裂不同緩沖區(qū)臺(tái)站分布

圖3 地震峰值加速度區(qū)劃圖與臺(tái)站疊加結(jié)果

表4 各地震峰值加速度區(qū)內(nèi)的臺(tái)站分布

表5 地震峰值加速度與烈度對(duì)照

3.3 臺(tái)站分布與峰值加速度區(qū)劃的關(guān)系

以《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（中國(guó)地震局，2001）為背景，統(tǒng)計(jì)區(qū)劃圖上在一定程度上代表未來地震危險(xiǎn)性的地震動(dòng)峰值加速度值達(dá)到0.1g以上的區(qū)域中地震臺(tái)站的分布，依此研究臺(tái)站與地震峰值加速度區(qū)的關(guān)系。

山東省內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度值均在0.2g以下（圖3、表4），即山東省最大基本烈度為Ⅷ度（表5）。山東省地震臺(tái)站分布在地震動(dòng)峰值加速度值達(dá)到0.1g以上區(qū)域（即烈度區(qū)大于Ⅶ度）的個(gè)數(shù)，前兆臺(tái)站為27個(gè)，占69.2%；測(cè)震臺(tái)站為39個(gè)，占61.9%。山東省地震臺(tái)站位于地震動(dòng)峰值加速度值達(dá)到0.1g及以上（即地震烈度Ⅶ度區(qū)及以上）的區(qū)域超過了60%。

4 結(jié)語(yǔ)

基于以上分析，可對(duì)山東省地震臺(tái)站空間分布得出以下結(jié)論：

（1）山東省地震臺(tái)網(wǎng)在空間分布上是不均勻的，臺(tái)站總數(shù)臨沂最多，為18個(gè)，其次為煙臺(tái)和濰坊；全省每萬(wàn)平方千米面積上的地震臺(tái)站分布值最高的為威海市（12.88個(gè)），其次為日照和臨沂，均超過10個(gè)。

（2）前兆、測(cè)震臺(tái)站距離斷裂＜6km的臺(tái)站比例均超過了半數(shù)，全部前兆臺(tái)站和絕大部分測(cè)震臺(tái)站都落入到距活動(dòng)斷裂25km緩沖區(qū)內(nèi)。前兆臺(tái)站距活動(dòng)斷裂越近其映震能力越強(qiáng)，從這一點(diǎn)來講，山東地震臺(tái)網(wǎng)的布局尚有一定的提升空間，新布設(shè)的臺(tái)站應(yīng)盡可能靠近活動(dòng)斷裂。

（3）山東省地震臺(tái)站位于地震動(dòng)峰值加速度值達(dá)到0.1g以上（或地震烈度Ⅶ度區(qū)及以上的）數(shù)量超過了60%。根據(jù)測(cè)震臺(tái)站的性質(zhì)，應(yīng)布設(shè)在未來地震活動(dòng)危險(xiǎn)性較大的區(qū)域。

致謝：在本文的修改過程中，匿名審稿專家提出了詳盡而中肯的修改意見和建議，謹(jǐn)此表示誠(chéng)摯的感謝。