北京地區(qū)地震時(shí)空分布特征研究

江 宜，殷 娜，2

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

0 引言

地震是指巖石斷裂釋放應(yīng)變能產(chǎn)生的大地震動(dòng)[1]，是中國(guó)歷史上造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失較嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，與旱、澇、蝗、疫構(gòu)成中國(guó)歷史自然災(zāi)害的主體。歷史文獻(xiàn)中對(duì)地震的記錄是研究地震特征與發(fā)生規(guī)律的重要依據(jù)。中國(guó)歷史上關(guān)于地震記載的資料詳盡豐富，為歷史地震研究提供重要史料。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)地震的記錄和研究日益深入。北京作為新中國(guó)的首都，歷史上也是遼、金、元、明、清五代的國(guó)都，是全國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。據(jù)史料統(tǒng)計(jì)，歷史上北京及周邊地區(qū)曾發(fā)生過多次破壞性地震，對(duì)北京地區(qū)造成嚴(yán)重的損失。許多研究學(xué)者根據(jù)各種歷史文獻(xiàn)資料記載，從發(fā)震時(shí)間、震中位置、震級(jí)和震中烈度的角度研究北京歷史地震的活動(dòng)特征[2-8]，為探討該區(qū)歷史地震的時(shí)空分布特征提供基礎(chǔ)資料。由于歷代對(duì)北京地區(qū)劃定范圍的不同，學(xué)者們對(duì)歷史地震活動(dòng)特征的研究并不系統(tǒng)。該文對(duì)歷史文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理和分析，結(jié)合北京及周邊地區(qū)地震目錄，對(duì)北京地區(qū)地震災(zāi)害的時(shí)空特征進(jìn)行分析，為研究現(xiàn)今北京地區(qū)的地震活動(dòng)規(guī)律提供參考資料。

1 北京地區(qū)概況

1.1 北京地區(qū)的劃定

現(xiàn)代的北京地區(qū)是指北京市(115.7°～117.4°E，39.4°～41.6°N)，是中華人民共和國(guó)的首都，是該文研究的地區(qū)。但在不同的歷史時(shí)期，“北京”地區(qū)的含義不同，其所具備的行政功能和空間特性也不同。如，在清代，“北京”對(duì)應(yīng)的是順天府或京師地區(qū)，1679年的平谷-三河8級(jí)大地震，其震中位置位于今河北省三河市大廠縣夏墊鎮(zhèn)，該地區(qū)在清代屬順天府管轄，今天隸屬河北省，不能被列為文章所述北京地區(qū)的地震。因此，在查閱歷史資料的過程中，需要對(duì)“北京”區(qū)域范圍進(jìn)行區(qū)分。

契丹人938年進(jìn)據(jù)燕云十六州，升幽州為幽都府，立為南京；元世祖忽必烈于元九年(1272年)在此建都；此后，明、清兩代也將“北京”立為國(guó)都?！氨本钡貐^(qū)的政治功能日益凸顯，關(guān)于該地區(qū)的地震記錄資料也日益增多。因此，列舉遼、金、元、明、清及現(xiàn)代北京地區(qū)的行政區(qū)劃進(jìn)行參考(見第2頁(yè)表1)。

表1 不同歷史時(shí)期“北京”地區(qū)的行政區(qū)劃[11]

1.2 北京地區(qū)地質(zhì)概況

北京地區(qū)地處華北地塹的北緣及燕山沉降帶的西部，位于太行山東側(cè)，燕山以南，為燕山構(gòu)造帶與太行山山前斷裂帶的交匯帶,大地構(gòu)造上隸屬于華北亞板塊[9]。研究表明，北京北部和東北部地區(qū)為山區(qū)，主要出露前寒武系變質(zhì)巖和燕山期花崗巖，中部和東南部地區(qū)為平原區(qū)，大部分被全新世松散沉積物覆蓋，部分地區(qū)出露上更新世沉積巖[10]。

北京地區(qū)活動(dòng)斷裂以NE向(或NNE向)和NW向(或NNW向)為主，NE向(或NNE向)斷裂自西向東依次為延慶-礬山盆地北緣斷裂、南口山前斷裂、黃莊-高麗營(yíng)斷裂、順義-良鄉(xiāng)斷裂、通縣-大興斷裂、東北旺-小湯山斷裂、夏墊斷裂、寶坻斷裂；NW向(或NNW向)斷裂包括南口-孫河斷裂和永定河斷裂(見第3頁(yè)圖1)。新生代以來，由于裂陷作用使華北平原區(qū)的地殼強(qiáng)烈拉張斷陷，NE(或NNE)、NW向斷裂極其發(fā)育，使該區(qū)形成了X型斷塊構(gòu)造[12]。其在生成階段上有先后，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有連帶效應(yīng)，某一方向的活動(dòng)會(huì)引起另一方向的構(gòu)造變動(dòng)。這種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造把北京地區(qū)切割的支離破碎，極具不穩(wěn)定性，在地質(zhì)作用下，具有發(fā)生潛在中強(qiáng)地震的危險(xiǎn)。

圖1 北京地區(qū)斷裂帶圖

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

該文研究的地震事件數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)地震目錄》[3]、《中國(guó)歷史有感地震目錄》[4]、《中國(guó)歷史強(qiáng)震目錄公元前23世紀(jì)-公元1911年》[5]、《北京地區(qū)地震史料》[6]、《北京歷史地震資料匯編》[7]、《北京志地震志》[8]等。結(jié)合中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心的歷史地震目錄，通過篩選不同資料中北京地區(qū)的地震記錄，得到較完整的M≥3.0地震記錄共323條。對(duì)于歷史地震目錄，通過對(duì)史料的對(duì)比分析，增加地震事件35條。如，依據(jù)賀樹德的研究[13]，認(rèn)為1626年5月30日的王恭廠大爆炸是由北京地區(qū)地震引起，在歷史地震目錄中無該地震的記錄。整理出的地震記錄中，有感地震(3.0≤M<4.5)299次，中強(qiáng)地震(4.5≤M<6.0)18次，強(qiáng)震(6.0≤M<7.0)6次，分別占地震總數(shù)的92.57%、5.57%和1.86%。運(yùn)用VBA程序，將篩選出的地震目錄轉(zhuǎn)換為分析預(yù)報(bào)軟件可使用的目錄格式[14]，通過MapSIS、ArcGIS軟件對(duì)北京地區(qū)地震的時(shí)空分布進(jìn)行分析研究。

3 空間分布特征

3.1 北京地區(qū)地震的空間特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京地區(qū)M≥3.0地震分布在北京16個(gè)市轄區(qū)中的15個(gè)，各市轄區(qū)的地震發(fā)生頻次從高到低依次為：海淀區(qū)180、東城區(qū)29、昌平區(qū)20、順義區(qū)18、延慶區(qū)15、懷柔區(qū)12、通州區(qū)12、房山區(qū)9、密云區(qū)9、朝陽(yáng)區(qū)7、門頭溝區(qū)4、平谷區(qū)4、大興區(qū)2、豐臺(tái)區(qū)1、石景山區(qū)1、西城區(qū)0次。為直觀反映北京各市轄區(qū)之間地震發(fā)生次數(shù)的對(duì)比關(guān)系，運(yùn)用ArcMap10.7軟件繪制自公元294年至2020年北京各市轄區(qū)M≥3.0地震次數(shù)分布圖(見第3頁(yè)圖2)?？梢钥闯?，北京地區(qū)地震的空間分布范圍廣泛，各市轄區(qū)之間有較大差異，從西城區(qū)最低的0次到海淀區(qū)最高的180次，表現(xiàn)出北京地區(qū)地震在區(qū)域分布上的不均衡。

圖2 北京各市轄區(qū)M≥3.0地震次數(shù)分布圖

根據(jù)歷史地震目錄數(shù)據(jù)及歷史地震資料篩選轉(zhuǎn)化的地震目錄數(shù)據(jù)，應(yīng)用MapSIS繪制北京地區(qū)公元294年至2020年M≥3.0地震空間分布圖(見圖3)?？梢钥闯?，北京地區(qū)地震的空間分布主要集中在活動(dòng)斷裂的交界處，呈現(xiàn)一種叢集分布的地域特征。其中，在南口山前斷裂帶、黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶、順義-良鄉(xiāng)斷裂帶、大興-通縣斷裂帶和夏墊斷裂帶是地震的高發(fā)區(qū)域，M≥4.5地震大多發(fā)生在這些斷裂帶上。研究還表明，中強(qiáng)地震的震中位置通常和第四紀(jì)斷陷盆地或地塹帶有關(guān)[15]。北京地區(qū)恰好處于華北地區(qū)幾大斷裂帶的結(jié)合部位，EW走向的陰山、燕山帶和NE走向的山西地塹帶、太行山山前斷裂帶、河北拗陷帶在此匯合，為中強(qiáng)地震的集中發(fā)生提供構(gòu)造因素。

圖3 北京地區(qū)M≥3.0地震的空間分布圖

3.2 北京地區(qū)各個(gè)時(shí)期地震的空間分布

自元定都大都之前，北京地區(qū)一直都是王朝的邊陲之地。金以北京地區(qū)為國(guó)都，時(shí)間較短(1153-1214年)，元以前的文獻(xiàn)資料關(guān)于北京地區(qū)地震的記載屈指可數(shù)。因此，將北京地區(qū)M≥3.0地震在時(shí)間上劃分為六個(gè)時(shí)期，元代之前(294-1270年)、元代(1271-1367年)、明代(1368-1643年)、清代(1644-1911年)、民國(guó)(1912-1948年)、新中國(guó)成立之后(1949-2020年)。

根據(jù)歷史地震目錄數(shù)據(jù)及歷史地震資料篩選轉(zhuǎn)化的地震目錄數(shù)據(jù)，分別繪制上述六個(gè)時(shí)期的地震分布圖(見第4頁(yè)圖4)。通過對(duì)比得出，在明代、清代及新中國(guó)成立后的這三個(gè)時(shí)期，北京地區(qū)3級(jí)以上地震在空間分布上無明顯差異，均集中在北京市中部地區(qū)，即北京凹陷區(qū)。有儀器記錄以來，北京地區(qū)的M≥3.0地震多發(fā)生在中部地區(qū)及黃莊-高麗營(yíng)斷裂帶西北緣附近，進(jìn)一步證明北京中部地區(qū)是地震活躍區(qū)。

此外，由于地震造成的破壞受地質(zhì)地形、人口密度等因素影響，因此，有的大地震震中雖不在北京地區(qū)，也會(huì)對(duì)該區(qū)造成極大影響。如，1679年平谷-三河8級(jí)大地震，震中位于河北省大廠縣夏墊鎮(zhèn)，造成北京地區(qū)衙署、民房、宮殿、寺廟、會(huì)館嚴(yán)重破壞，傾房12 793間，壞房18 028間，壓死人員485名。1976年唐山大地震共造成北京地區(qū)損壞房屋1 280萬 m2，死亡198人。因此,在研究北京地區(qū)地震的空間分布上，還需對(duì)其周邊地區(qū)的地震進(jìn)行研究。

4 時(shí)間分布特征

4.1 北京地區(qū)地震的代際特點(diǎn)

根據(jù)上述六個(gè)時(shí)期的地震資料統(tǒng)計(jì)看出，在各個(gè)時(shí)期地震次數(shù)差異顯著(見第5頁(yè)表2)。其中，明代的M≥3.0地震次數(shù)最多，為150次，占總數(shù)的46.4%。

表2 北京地區(qū)M≥3.0地震統(tǒng)計(jì)

歷史文獻(xiàn)資料中對(duì)于北京地區(qū)地震的記載，與北京地區(qū)的政治功能和地區(qū)環(huán)境密不可分。自遼938年升幽州為幽都府之前，有關(guān)北京地區(qū)的地震記載有3次。金(1115-1234年)時(shí)期的記載全是在貞元元年(1153年)至貞祐二年(1214年)間，這一時(shí)期北京地區(qū)作為金朝首都，具有重要的政治地位。此后，直到元至元九年(1272年)遷都大都，在半個(gè)多世紀(jì)，北京地區(qū)處于動(dòng)蕩和戰(zhàn)亂中，有關(guān)地震的記載是空白。明、清時(shí)期，北京作為國(guó)都且隨著地方志書寫的流行，關(guān)于地震的記載極為豐富。新中國(guó)成立后，以北京為中華人民共和國(guó)的首都，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，1966年在北京建設(shè)的中國(guó)第一個(gè)遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)投入使用[16]，關(guān)于北京地區(qū)的地震記錄也更為詳細(xì)。

4.2 地震目錄完整性檢驗(yàn)與時(shí)間特征分析

在搜集整理研究數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)地震記錄出現(xiàn)的最早時(shí)間為公元294年，集中出現(xiàn)在公元1400年以后的時(shí)段，表明記錄存在一定的不完整性。為保證研究的可靠性，對(duì)篩選出的地震目錄完整性進(jìn)行分析。采用該地震目錄，應(yīng)用MapSIS軟件分別繪制出北京地區(qū)M≥3.0的M-T、N-T和N-M圖。通過第5頁(yè)圖5a和5b可看出，北京地區(qū)在1400年后地震記錄逐漸增多，至1600年達(dá)到一個(gè)峰值后逐漸減小，到1970年再次達(dá)到一個(gè)峰值。1400年后地震目錄繪制的N-M圖5c看出，M3.5地震數(shù)最高，3.0≤M<3.5地震數(shù)低于M3.5的，不符合G-R關(guān)系式的規(guī)律。3.5≤M<7.0分檔的地震數(shù)總體呈指數(shù)衰減，基本符合G-R關(guān)系式的規(guī)律[17]。認(rèn)為，北京地區(qū)自1400年以來的地震目錄中，3.0≤M<3.5地震存在缺震，M≥3.5地震相對(duì)完整。

圖5 北京地區(qū)M≥3.0地震M-T、T-N和N-M圖

第6頁(yè)圖6是北京地區(qū)經(jīng)過地震目錄完整性分析后，篩選出的自公元1400年以來的地震目錄數(shù)據(jù)，繪制M≥3.5地震M-T圖和累計(jì)頻度圖?？梢钥闯觯@一時(shí)期的地震以頻度可分為4個(gè)階段：1413-1730年地震活動(dòng)頻繁，共發(fā)生M≥3.5地震190次；1731-1852年發(fā)生1次4級(jí)地震和2次5級(jí)地震，出現(xiàn)一個(gè)地震活動(dòng)平靜期；1853-1970年共發(fā)生23次M≥3.5地震；1971-2020年是一個(gè)較活躍時(shí)期，共發(fā)生15次M≥3.5地震。值得注意的是，強(qiáng)震全部分布在第一階段，且呈現(xiàn)不均勻分布。由此可見，北京地區(qū)強(qiáng)震事件的次數(shù)少，不均勻的分布于各個(gè)階段，整體上呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。

圖6 北京地區(qū)M≥3.5地震M-T圖和累計(jì)頻度圖

將上述北京地區(qū)地震活動(dòng)時(shí)段與華北地區(qū)地震活動(dòng)期[18]進(jìn)行對(duì)比分析(見第6頁(yè)表3)，結(jié)合相關(guān)研究[15]表明，北京地區(qū)的地震活動(dòng)主要發(fā)生在華北第三活動(dòng)期中(1484-1730年)，正是上述的第一階段，北京地區(qū)自1400年以來M≥6.0地震全部發(fā)生在該時(shí)期；在第四活動(dòng)期中(1815年至今)，北京地區(qū)的地震活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)減弱，最大地震活動(dòng)水平為4.5級(jí)左右；北京地區(qū)地震活動(dòng)的時(shí)間(第三階段、第四階段)相對(duì)晚于華北第四活動(dòng)期。

表3 北京地震活動(dòng)時(shí)段及華北地震活動(dòng)期中的北京地震活動(dòng)對(duì)比

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)北京地區(qū)地震的歷史文獻(xiàn)資料和現(xiàn)代地震記錄數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出，在過去1 727年的時(shí)間里，共發(fā)生323次M≥3.0地震，以有感地震為主，強(qiáng)震發(fā)生的頻率較低。各歷史時(shí)期地震次數(shù)差異顯著，一是由于不同歷史時(shí)期北京地區(qū)地震活動(dòng)性不同，主要發(fā)生在華北第三活動(dòng)期中(1484-1730年)；二是因不同歷史時(shí)期北京地區(qū)的政治功能和地區(qū)環(huán)境的變化，導(dǎo)致部分地震記錄的空白與缺失；三是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和地震監(jiān)測(cè)能力的提高，記錄到的地震數(shù)據(jù)更加詳實(shí)。

在空間分布上，北京地區(qū)地震的分布較為集中，絕大多數(shù)地震位于北京地區(qū)中部等構(gòu)造環(huán)境較復(fù)雜的區(qū)域，對(duì)北京地區(qū)造成的破壞較大；其次，北京地區(qū)受其鄰區(qū)強(qiáng)震的波及較嚴(yán)重，如，1679年的平谷-三河地震和1976年唐山大地震，對(duì)北京地區(qū)造成的破壞較嚴(yán)重。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，北京市也列于地震重點(diǎn)監(jiān)視防御城市之首[19]。雖然，近三百年未發(fā)生M≥6.0地震，隨著地震活動(dòng)的活躍，其潛在危險(xiǎn)依然存在。因此，通過對(duì)北京地區(qū)歷史地震的研究，可為該地區(qū)的地震區(qū)位分析、地震預(yù)測(cè)或未來防震抗震工作提供參考借鑒。