1970～2015年間云南省地震時空特征分析

劉 娜，莊曉蓉,4，王加勝,2，覃振卓，孫夢竹

（1. 云南師范大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南師范大學(xué) 西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程研究中心，云南 昆明650500；3. 云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；4. 云南省地礦測繪院，云南 昆明 650217）

0 引 言

云南省地理位置特殊，地形復(fù)雜，是中國多震省份之一，地震災(zāi)害具有頻度高、強度大、分布廣和受災(zāi)重的特點，僅1995～2015年間震級≥4.5級的地震就發(fā)生了81次。目前，地震相關(guān)研究主要從地震災(zāi)害特性、地震類型、地震災(zāi)害影響因素、地震災(zāi)害損失評估等方面開展。周光全等結(jié)合云南省地震局的地震災(zāi)害評估資料分析了2008年云南地震災(zāi)害的特性[1]。和嘉吉等分析了2014年云南地震災(zāi)害情況[2]?；矢偟葘υ颇系卣鹦蛄泻蛷娬鹫鹪礄C制分析與研究[3]。殷志強等以2008年以來我國先后發(fā)生的汶川地震、玉樹地震、蘆山地震、岷縣漳縣地震和彝良地震觸發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害為研究對象,分析了地震地質(zhì)災(zāi)害的主控因素[4]。周光全等提出一種初步評估地震災(zāi)害經(jīng)濟損失的方法[5]。GIS時空分析技術(shù)是對用可視化手段對時空數(shù)據(jù)進行分析和表達的技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案[6-7]、犯罪分析[8]、公共健康[9]、交通應(yīng)用[10-11]、精準農(nóng)業(yè)[12-13]、自然資源管理[14-15]等領(lǐng)域。時空分析技術(shù)能更好地呈現(xiàn)地震的時空特性，以便探索地震災(zāi)害的時空規(guī)律。目前采用多年地震數(shù)據(jù)對云南省地震進行時空分析的研究較少。

為此，本文擬應(yīng)用GIS技術(shù)對云南省1970年到2015年間46年地震點數(shù)據(jù)進行時空分析，利用密度分析、近鄰分析、州市統(tǒng)計分析等方法，嘗試從不同的角度探索40多年來云南省地震災(zāi)害的時空規(guī)律，為相關(guān)部門提供決策參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處中國西南邊陲，位于青藏高原東南側(cè)，處于印度洋板塊與歐亞板塊對中國大陸碰撞而成的東側(cè)，板塊之間的相互碰撞使云南省境內(nèi)的地震構(gòu)造運動劇烈。1970至2015年，云南省共發(fā)生震級值大于等于3.0的地震共3 517次，其中大于等于6.0的強震13次。由于處于特殊復(fù)雜的地理位置使得云南省境內(nèi)地震活動頻繁，呈現(xiàn)出分布廣，震源淺，破壞性強的特點，對云南省的社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。研究圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)圖Fig.1 Research area map

1.2 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

1）地震數(shù)據(jù)。本文從中國地震臺網(wǎng)中心收集了云南省1970-01-01至2015-12-31間的地震數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)含有每次地震的發(fā)震時間、震中經(jīng)緯度、震級大小、震源深度、參考地點等信息。從中篩選3級以上地震，共有3 517條地震記錄，其中6～7級10條，7級以上3條。

2）斷裂帶數(shù)據(jù)。本文的斷裂帶數(shù)據(jù)來自于《云貴地區(qū)地震危險性研究文集》[16]中的云南主要活動斷裂與強震震中分布圖。對其中云南境內(nèi)的斷裂帶進行矢量化，包括14條主要斷裂帶，包括哀牢山斷裂帶、程海斷裂帶、德欽—中甸斷裂帶、紅河斷裂帶、金沙江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、羅茨斷裂帶、綠葉江斷裂帶、彌勒斷裂帶、怒江斷裂帶、普渡河斷裂帶、無量山斷裂帶、小江斷裂帶和小金和斷裂帶。

3）其他數(shù)據(jù)。本文還收集了由天地圖矢量化得到的云南省州市區(qū)劃數(shù)據(jù)。

2 地震時空分析方法

論文從像元、斷裂帶、州市和整體4個空間尺度探索云南省地震時空特征。其中，像元尺度采用像元周圍一定范圍內(nèi)的平均地震密度來分析云南省地震的空間分布，即地震密度分析；斷裂帶尺度則將地震點數(shù)據(jù)劃分到斷裂帶分析各斷裂帶地震時空分布特征，即斷裂帶地震分析；州市尺度則將地震點劃分到州市分析州市地震差異，即州市地震分析；整體尺度則按年有感地震次數(shù)分析云南省地震的演變特征，即年地震次數(shù)變化分析。

2.1 地震密度分析

密度分析是通過對離散點或線數(shù)據(jù)進行插值，計算出柵格像元周圍領(lǐng)域內(nèi)輸入要素密度的過程，可用于分析地震災(zāi)害的疏密分布特征。核密度估計（Kernel Density Estimation）是常用的密度分析方法之一，是一種用于估計概率密度函數(shù)的非參數(shù)方法[17-18]。考慮點要素對周圍的影響隨距離減弱，同一像元受到的影響則相互疊加，從而使計算出來的柵格數(shù)據(jù)結(jié)果較為平滑。設(shè)其周圍h距離范圍內(nèi)有獨立同分布的n個樣本點，二維空間像元x的核密度估計值可表示為：

式中，h為窗口大小，K( )為核函數(shù)，常用的二維核函數(shù)可以表示為：

由公式（1）可知，核密度計算的關(guān)鍵參數(shù)為窗口大小h，根據(jù)《云南地震災(zāi)害特征及經(jīng)濟損失評估技術(shù)研究》[19]，云南地區(qū)的烈度衰減關(guān)系滿足如下公式：

式中，Ia為烈度，M為震級，Ra表示烈度為I時地震烈度等震線的長半軸長，σ為標準差。以5級地震、烈度5度計算出長半軸長度約為30 km。

考慮到本次研究的地震點數(shù)據(jù)無法統(tǒng)計相同地點發(fā)生地震的次數(shù)，而震級值是最能直觀反映地震情況的參數(shù)，故使用震級值字段作為等效地震頻次（k級地震算發(fā)生了k次1級地震）。

2.2 斷裂帶地震分析

斷裂帶地震分析是將地震點劃歸至距其最近的斷裂帶中，從斷裂帶尺度分析地震分布特征。主要包括地震點按斷裂帶分類和統(tǒng)計分析兩個步驟。

1）地震點按斷裂帶分類。首先給地震點數(shù)據(jù)建立一個斷裂帶字段DLD，用于存儲所屬斷裂帶的名稱；然后對每一地震點，計算所有斷裂帶（線類型）至該點的距離；最后取距離值最短的斷裂帶名稱作為屬性字段DLD的值。這一過程可使用ArcGIS軟件的近鄰分析工具實現(xiàn)。

2）統(tǒng)計分析。根據(jù)斷裂帶屬性DLD提取每一條斷裂帶的地震點，統(tǒng)計每一斷裂帶不同類型地震的次數(shù)及不同時間段的數(shù)量，根據(jù)數(shù)量采用等間隔分類方法將斷裂帶分為一般斷裂帶和活躍斷裂帶兩類，再篩選出發(fā)生過強震及大地震的斷裂帶作為典型斷裂帶。通過分析活躍斷裂帶和典型斷裂帶的地震點數(shù)量及震級來判斷該斷裂帶處地震的活躍程度，統(tǒng)計每5年該斷裂帶處的地震數(shù)量，繪制出折線圖，分析這些地震帶地震活動的時空特征。

2.3 州市地震分析

州市地震分析與斷裂帶地震分析類似，需要將地震點劃分到不同州市，以分析不同州市地震災(zāi)害的差異。具體包括地震點按州市分類、州市統(tǒng)計分析和州市地震風(fēng)險評價。

1）地震點按州市分類。首先將州市圖層與地震點數(shù)據(jù)圖層疊加進行相交分析，判斷每一個地震點所屬的州市，將地震點劃分到不同州市。

2）州市統(tǒng)計分析。根據(jù)面波震級值（Ms）劃分標準將云南省1970年至2015年3級以上地震劃分為有感地震（3≤Ms＜4.5）、中強震（4.5≤Ms＜6）、強震（6≤Ms＜7）和大地震（Ms≥7）4種類型，用直方圖直觀地展示出各州市46年來各類型地震數(shù)量分布。

3）州市地震風(fēng)險評價。在云南省各州市震級值分級統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，分別給以上列出的4個級別的震級賦予0%、10%、30%和60%的權(quán)重進行求和得出云南省46年來州市地震風(fēng)險等級圖進行風(fēng)險評估。

2.4 年地震次數(shù)變化分析

對地震（Ms≥3.0）頻次按年進行統(tǒng)計，制作地震隨年份變化的折線統(tǒng)計圖，統(tǒng)計該年發(fā)生的地震總數(shù)和比重，分析地震頻次隨著年份的變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 云南省46年間地震密度分布

采用核密度計算云南省地震密度分布，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯鲈颇鲜〉卣鹈芏瘸尸F(xiàn)出類似于斜“口”形的分布，其對稱中心大概位于普洱市和楚雄州的交界處，4個角分別為德宏州、麗江市、紅河州、普洱市，西北向的邊密度最高，涉及德宏、保山、大理、麗江4個州的大部。此外，昭通市西部與迪慶州中部也有較高頻次的地震分布。西北部的怒江州、東部的文山州和曲靖市3個地區(qū)發(fā)生的地震次數(shù)相對較少。

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

3.2 云南省地震分布州市統(tǒng)計分析

按州市統(tǒng)計近46年來云南省中強震以上地震次數(shù)，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，全省地震次數(shù)最多的5個州市從多到少依次為楚雄、麗江、紅河、普洱、大理，這5個州地震頻發(fā)，近46年來，發(fā)生中強震以上地震次數(shù)超過27次。臨滄州和西雙版納州地震頻次較少，分別為3次和1次，怒江和曲靖則46年來未發(fā)生過4.5級以上地震。云南省共發(fā)生10次強震和3次大地震，涉及到保山、楚雄、德宏、麗江、普洱、玉溪和昭通7個州市，其中普洱市發(fā)生強震次數(shù)最多（5次），保山、麗江、玉溪分別發(fā)生過大地震。

圖3 云南省中強震以上地震次數(shù)州市統(tǒng)計圖（1970～2015）Fig.3 Statistics chart of earthquake numbers in Yunnan Province districts(1970～2015)

為評價各州市綜合風(fēng)險，綜合考慮有感地震、中強震、強震和大地震的破壞力，制作了云南省地震風(fēng)險等級圖，如圖4所示，將綜合風(fēng)險按照等間隔分為高中低3級?？梢钥闯鲈颇鲜∮?/2的州市處于地震高風(fēng)險區(qū)，涉及保山、大理、麗江、楚雄、玉溪、普洱、紅河、昭通8個州市；曲靖、文山、西雙版納、臨滄、怒江處于低風(fēng)險區(qū)；昆明、迪慶、德宏處于中風(fēng)險區(qū)。

圖4 云南省地震風(fēng)險等級圖Fig.4 Earthquake risk level map of Yunnan Province

3.3 云南省地震頻次時間變化特征

統(tǒng)計云南省近46年地震災(zāi)害年際變化情況，如圖5所示，云南省地震70年代以來頻次呈現(xiàn)出遞增的趨勢。1970年至1992年地震活動較少，平均每年地震次數(shù)約為25次，本文稱之為平靜期，1992年之后地震活動變得頻繁了起來，平均每年地震次數(shù)約為128次，本文稱之為活躍期。從總體情勢來看，在1996年（圖5中A點）和2014年（圖5中B點）出現(xiàn)了兩個峰值，分別達到192次和507次。這可能是由于1996年發(fā)生了一次強震和一次大地震，2014年也發(fā)生了兩次強震，所以這兩年地震頻次高的原因可能是余震較多。云南省20世紀70年代發(fā)生地震次數(shù)較少，但發(fā)生過兩次大地震。2014年累計發(fā)生507次地震，占總次數(shù)的14.42%，是46年間地震發(fā)生最多的年份。

圖5 云南省1970～2015年地震（Ms≥3.0）年際變化圖Fig.5 Interannual change chart of earthquake in Yunnan Province from 1970 to 2015 (Ms≥3)

3.4 云南省地震頻次斷裂帶分布

按照斷裂帶對云南省地震進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1，從斷裂帶分布上來看，地震活動主要集中在程海斷裂帶、怒江斷裂帶、小江斷裂帶和瀾滄江斷裂帶，46年來地震次數(shù)超過400次，其中程海斷裂帶和怒江斷裂帶地震次數(shù)最多，分別發(fā)生了575次和626次，約占地震總次數(shù)的16.3%和17.8%；程海斷裂帶、怒江斷裂帶、普渡河斷裂帶、無量山斷裂帶、小江斷裂帶是較為危險的斷裂帶，均發(fā)生過6級以上的地震（強震及大地震）；3次大地震分別發(fā)生在普渡河斷裂帶、怒江斷裂帶和程海斷裂帶上；強震則主要集中在無量山斷裂帶上，占強震總數(shù)的50%。

表1 斷裂帶地震分布表Tab.1 Seismic distribution sheet of fault zone

分析地震次數(shù)最多的5條斷裂帶地震次數(shù)5年間隔的變化，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，1995年以后，程海斷裂帶、怒江斷裂帶和小江斷裂帶地震次數(shù)較多，處于活躍狀態(tài)；怒江斷裂帶與小江斷裂帶地震次數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，程海斷裂帶地震數(shù)有下降趨勢；無量山斷裂帶一直都處于地震活躍的狀態(tài)，有兩個地震特別活躍時期，中間間隔大概30年，需要格外注意，可能醞釀出大地震；程海斷裂帶自1995年以來時常都有地震發(fā)生，1996年至2000年地震活動十分活躍，但近年來次數(shù)不多，趨于平靜；而普渡河斷裂帶地震高發(fā)期在1996年，近些年來都很平穩(wěn)較少發(fā)生4.5級以上地震，總體趨于平靜，但由于其爆發(fā)過大地震，不排除還會爆發(fā)震級較高地震的可能。

圖6 主要斷裂帶地震分布圖Fig.6 Seismic distribution map of main fault zone

4 結(jié)束語

本文基于1970～2015年三級以上地震數(shù)據(jù)，利用密度分析、鄰近分析、州市統(tǒng)計分析、斷裂帶統(tǒng)計分析等方法對云南省近46年來的地震進行時空特征分析，得到如下結(jié)論：

1）云南省地震頻發(fā)區(qū)呈斜“口”型分布。其對稱中心大概位于普洱市和楚雄州的交界處，4個角分別為德宏州、麗江市、紅河州、普洱市，以西北向的邊密度最高，涉及德宏、保山、大理、麗江4個州的大部。

2）云南省有1/2的州市為地震高風(fēng)險區(qū)。保山、大理、麗江、楚雄、玉溪、普洱、紅河、昭通8個州市為高風(fēng)險區(qū)，曲靖、文山、西雙版納、臨滄、怒江為低風(fēng)險區(qū)，昆明、迪慶、德宏為中風(fēng)險區(qū)。

3）云南省70年代以來地震次數(shù)呈現(xiàn)出遞增的趨勢。1970年至1992年為地震平靜期，平均每年地震次數(shù)約為25次。1992年之后為活躍期，平均每年地震次數(shù)約為128次。

4）程海斷裂帶、怒江斷裂帶和小江斷裂帶近20年處于活躍狀態(tài)。強地震和大地震都位于程海斷裂帶、怒江斷裂帶、普渡河斷裂帶、無量山斷裂帶、小江斷裂帶上，無量山斷裂帶雖然地震次數(shù)不多，但出現(xiàn)了5次強震，應(yīng)加大監(jiān)測力度。怒江斷裂帶和小江斷裂帶地震次數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，也應(yīng)加強地震災(zāi)害的監(jiān)測和救援工作。

本文應(yīng)用多種GIS空間分析技術(shù)分析了近46年來云南省地震時空分布特征，可為地震局等相關(guān)部門提供參考。然而，由于本文使用的斷裂帶數(shù)據(jù)精度較低，導(dǎo)致斷裂帶分析可能存在一些偏差；另外，由于分析的時間跨度較短，得到的這些分布特征還需用更長時間跨度的數(shù)據(jù)來檢驗。