0 引言

地震活动性分析是地震危险性概率分析中基础且重要的方法。在进行地震活动性分析时，按照构造演化模式划分空间范围，地震活动性的物理意义更明确，且在同一区域内，地震活动性对同一断裂系上远大震的应力传递作用的影响反映比较明显（中国地震局监测中国地震局监测预报司，2007）。对于地震不密集成带，也无重大构造特征的地区，地震带的划分往往有较大的不确定性。不仅地震带的划分有一定任意性，实际上，对于地震带的定义也不完全统一（潘华等，2003；沈建文等，2007）。因此，研究地震活动性分区特征对于地震危险评价有着重要意义。时振梁等（1995）在全国范围内，以明确的强震活动性指标，采用定量方法进行强震活动区域划分，探讨了强震活动的区域性分布特征，认为强震活动的差异和周围板块构造运动和板内各块体运动有着密切的关系。对于局部区域地震活动性的分区特征，开展的相关研究并不多。近年来，局部地质构造研究逐渐深入，为地震活动性分区特征的精细研究提供了重要基础。

DBSCAN是一种基于密度的聚类算法，是不需要先验知识且无监督的学习算法，对数据簇分布具有普适性（周水庚等，2000）。为了避免人为选取地震活动性空间范围的随意性和不确定性，本文采用基于地震密度的空间聚类方法（DBSCAN），利用计算机技术，根据区域地震分布的数据簇给出华北板块南缘及邻近区域的地震活动性分区，进而结合该区域的地质构造进行验证分析，以达到使地震活动性分析更加精准、物理意义更明确的目的。

1 华北板块南缘及邻区地质构造背景

华北板块南缘及邻区（110°—118°E，30°—34°N）地理位置较为特殊，大部分区域位于秦岭—大别造山带，地质构造背景较为复杂，大背景处于全球现今3大重要板块的汇聚拼合部位，受到西太平洋板块向西、印度板块向北和西伯利亚板块向南共同汇聚作用。

华北板块南缘及邻区地震活动较频繁，在进行地震活动性分析时，一般将该区作为一个相对独立区域，但在地质构造上，其可划分为3个不同区域，虽然具有相同的多期造山的前陆复合构造特征，但各区段有其各自不同的构造特征（张国伟等，2013）。研究区分区及1965—2017年地震活动分布见图 1。

该区东部（图 1中区域1）为沿着郯城—庐江断裂向东北平移的苏鲁前陆复合构造区段，其起源于华北—下扬子陆块印支期的碰撞，经历了强烈的左行平移、伸展、挤压等复杂的演化过程（朱光等，2004），第四纪以来表现为右旋走滑兼逆冲的活动性质（国家地震局地质研究所，1987）。

该区西南部（图 1中区域2）的桐柏—大别区段为因华南板块推覆逆掩作用而残存的前陆复合构造带。该区域构造演化过程为，受华南板块的逆冲推覆影响，在板块的前缘挠曲部位形成前陆盆地，同期形成NW向和NEE—EW向2组断裂，从而奠定了盆地棋盘格网构造体系；在断陷盆地发育阶段，断裂由原逆冲或逆走滑转变为正断性质，且控制盆地沉积中心，同时盆地发生顺时针旋转，岩浆活动强烈；第三纪以来，盆地发育以坳陷为主，整体下降，表现为断裂对盆地沉积控制明显减弱，岩浆活动停止，应力场以NE向挤压为主（杨攀新等，2009）。

研究区北缘（图 1中区域3）为始终保持稳定古陆块基本特征的华北陆块，该陆块南界为“台槽”分界断裂，西段经洛南—栾川—固始断裂与秦岭造山带相连，呈NWW向，东段经六安断裂与大别地块相接，呈近EW向。华北陆块北缘经太要—三门峡断裂和济源—焦作断裂与晋冀地块相接。华北地块呈近EW向延伸，东界止于郯庐断裂带，向西尖灭于西安临潼附近（李俊建等，2010）。

2 基于DBSCAN方法的空间范围划分

不同的地层和地质结构，所处应力场和孕震过程不同，最终的地震时空分布也不同。而目前地震学参数扫描的本质就是，根据震级大小和时空分布得到统计量。在时空扫描时，若不结合空间位置的构造特征进行分析，将难以解释该统计量的物理意义。目前，地震相关研究均是人为选取目标范围。根据同一类性质的地震其时空分布上趋于一致的特点，利用机器学习方法，按照M_L≥3.0地震的空间分布密度进行空间聚类，进而选取目标范围。具体做法如下：扫描整个地震目录，找到任意一个地震的震中位置p；以p为中心点，半径为r的区域称为p的r邻域；在此区域内，若M_L≥3.0地震样本数大于给定阈值MinPts，则称p为核心点；遍历该核心点的r邻域内所有核心点（边界点无法扩充），寻找与这些数据点疏密程度相近的点，直至无可扩充的数据点为止。聚类成的簇的边界节点均为非核心数据点；重新扫描数据集，寻找未被聚类的核心点，重复以上步骤，对该核心点进行扩充，直至数据集中无新的核心点。其中，未包含在任何簇中的数据点就构成数据集的异常点。

选取1965—2017年华北板块南缘及邻区发生的M_L≥3.0地震，以基于密度的空间聚类方法对地震进行自动分类，结果见图 2。

图 2中绿色、蓝色和红色图形所在区域，记为分区1（绿色覆盖区域）、分区2（蓝色覆盖区域）、分区3（红色覆盖区域），与图 1中基于构造背景的3个分区范围的中心位置基本一致，说明3个地震震中聚集区域与各自所属的断裂构造紧密相关。因此，按照其构造特征不同，可将研究区划分为3个区域，研究每个区域地震活动与各自所属断裂构造演化之间的关系。具体分区如下：如图 2所示，分区1为郯庐断裂与大别地块相接区域，分区2为桐柏—大别南缘与江汉盆地相接区域，分区3为桐柏—大别北缘与南襄盆地相接相接区域。

3 目标区域地震活动性分析

地震学参数是一种统计量，力求对区域地震活动性的某些特征进行刻画或给出定量表征。其中，b值主要反映震级分布特征，与岩石均匀程度和应力强度有关；加卸载响应比即固体潮汐对震源区的加载和卸载响应率之比，可反映区域内应力水平的变化；地震频度指的是，在一定时间范围内，单位时间所发生的地震活动次数，是地震活动性的标志之一。因此，选用b值、响应比及地震频度来表征区域地壳应力变化。

3.1 郯庐断裂与大别地块相接区域

在郯庐断裂与大别地块相接区域（分区1）内，M_L≥4.5地震活动及近代小震活动（M_L 4.5以下）主要发生在秦岭—大别断裂带与郯庐断裂带交会区。1965—2017年，该区域发生8次M_L≥4.5地震活动。

对分区1内1965—2017年地震的b值、频度、响应比进行时间扫描，结果见图 3。

由图 3可见，3个参数的变化具有一定同步性，其中：①1973年起，b值和频度开始大幅度变化，呈急剧上升和下降态势，响应比也具有平静到明显起伏的变化特征。②1979年，该区域发生M_S 5.4地震（研究时段分区1最大地震），此后b值和频度呈逐步恢复趋势变化，而响应比在此次地震过程中出现明显的同步变化特征。③1993—2008年，b值和响应比变化幅度较大，在1994年、2003年、2008年呈一定同步性的大幅起伏变化，但从该区域地震频度和震级分析，无显著地震事件与之对应。值得注意的是，1994年我国台湾地区连续发生3次M_S 7.0左右强震，2003年俄中蒙交界区域连续发生3次平均震级M_S 7.5以上的强震，而2008年汶川地震前后，区域1地震学参数具有同步变化（缪鹏等，2010）。④2014年，频度、b值和响应比发生显著变化，与霍山M_L 4.8地震的发生同步性较好。

分区1的地震学参数变化同步性较好，其异常变化与中国大陆发生的中强地震具有较好的对应关系。该区小震以浅层地震为主，震源深度集中在8 km以内，以此为基础计算的地震学参数主要反映了地壳浅部的应力活动水平。基于断裂带应力作用，选取1965年以来区域1应力作用方向上发生的历史大震，有1973年吉林M_S 7.7、1975年海城M_S 7.3、1976年唐山M_S 7.8、1976年滦县M_S 7.1、1976年松潘M_S 7.2、1976年松潘M_S 7.2、1976年天津M_S 6.9、1990年青海M_S 7.0、1999年吉林M_S 7.0、2002年吉林M_S 7.2、2008年汶川M_S 8.0、2013年芦山M_S 7.0地震，绘制该区域内b值变化与远大震的应力传递作用对应关系图，结果见图 4，明显可见所选地震与b值对应关系较好，说明该区域地震活动性对远大震的应力传递作用影响反映更为明显。

3.2 桐柏—大别南缘与江汉坳陷盆地相接区域（分区2）

在桐柏—大别南缘与江汉坳陷盆地相接区域（分区2）内，M_L≥4.5地震活动主要发生在汉水断裂带（远安断裂、天阳坪断裂）及沿线地区，近代小震活动（M_L 4.5以下）也主要分布于此（远安断裂、南漳断裂、武安断裂、钟祥断裂）。1965—2017年，分区2内发生5次M_L 4.5以上地震活动，分别是1979年M_S 5.5、2008年M_L 4.6、2013年M_S 5.4、2014年M_L 4.7、2014年M_S 5.1地震。

对分区2内1965—2017年地震的b值、频度、响应比进行时间扫描，结果见图 5，可见各参数变化同样具有较好的同步性，但与区域1存在明显差异。由图 5可见：①1993年以前，3个指标的变化相对平静。②1997—1999年，b值和响应比出现明显起伏变化，对应该区域1979年发生的M_S 5.5地震（研究时段分区2最大地震），与分区1的最大地震，即1979年M_S 5.4地震几乎同期发生，且地震学指标显示，二者的映震关系相似。③1994—2004年，3个指标均呈大幅度转折起伏变化，且b值和响应比变化幅度出现异常高值，地震活动性虽有所增强，但整体表现仍较弱，期间无典型中强地震发生。④2005—2017年，b值变化趋于平静，响应比虽有多次明显起伏变化，但幅度变小。从地震频度可知，该阶段地震活动性显著增强，其中2013—2014年发生3次M_S 5左右地震。据杨攀新等（2009）的相关研究，该区域地震集中在沉降最大的潜江—沔阳凹陷带附近，震源深度优势分布在15 km左右，即盆地基底附近。因此，推测地震可能是由沉积地层在正断裂附近不均匀沉降导致应力集中而引起的。b值和响应比在映震关系上并不明显，区域地震活动受远大震的应力传递作用影响不明显。这可能是因为，现今盆地仍处于拉张状态，由于盆地处于整体坳陷阶段，断裂对地震活动性和盆地沉积的控制作用明显减弱。

3.3 桐柏—大别北缘与南襄盆地相接区域（分区3）

据相关文献，如王定一等（1987）的研究，桐柏—大别北缘与南襄盆地相接区域（分区3）主要位于南襄盆地南阳凹陷带。南襄盆地横跨在秦岭褶皱带和扬子地台北缘断裂带之上，与分区2内江汉盆地的基底和盖层特征基本一致。2个盆地均历经秦岭大别逆冲推覆形成前陆盆地，之后经断陷发育及坳陷发育形成现今构造格局。但南襄盆地受NW向和NE向断层共同控制而形成扇状断陷。其应力场除受到NW—SE向的拉张作用，还受到NE—SW向的挤压作用。

在分区3内，M_L≥4.5地震活动主要发生在南襄盆地的南阳凹陷带，近代小震活动（M_L＜4.5）也主要分布南阳凹陷带及南阳凹陷与新野凸起相接区域。1965—2017年，该区域发生4次M_L≥4.5地震活动，分别是1973年M_L 4.8、1973年M_L 4.7、1973年M_S 5.0、2000年M_L 4.7地震。通过对分区3内1965—2017年地震的b值、频度、响应比进行时间扫描，可知各参数变化具有较好的同步性，但地震活动性整体较弱，期间无典型中强地震发生。因此，本区域地震学指标对区域地震的发生无明显指示意义。这可能与该区域长期以来地震活动性弱有关，应为对地震活动和盆地沉积起到控制作用的断裂系比较单一的缘故。但南襄盆地处秦岭—大别褶皱区的薄弱带上，本区域地震活动性在远大震应力传递上应有一定指示意义。从1965—2017年全国M_S≥7.0强震的发生时间、地点、震级变化幅度与地震强度的对应关系以及龙门山断裂带向秦岭造山带的应力传导方向进行综合比对，可知分区3各参数的变化与1976年四川松潘连续2次M_S 7.2地震、2008年四川汶川M_S 8.0地震、2013年四川芦山M_S 7.0地震、2017年九寨沟M_S 7.0地震相对应，且地震位置相当吻合，需收集更多数据做进一步相关性计算予以验证。

4 结论与讨论

通过对华北板块南缘及邻区地震活动性与构造模式演化关系的分析，可以得出以下结论：①在做小区域范围地震活动性分析时，按照与同一构造模式的空间分布选取研究范围和地震震级更为合适；②研究区域地震学指标频繁的同步变化与其复杂的断裂系较为吻合；③地处分区3的南襄盆地和分区2的江汉盆地为同一时期的2个大的断陷盆地，由于盆地处于整体坳陷阶段，因此断裂在地震活动性和对盆地沉积的控制方面均明显较弱，但2个区域近年来地震活动呈增强趋势。

华北板块南缘及邻区构造特征复杂，在地震学指标扫描的空间范围划分时尝试采用机器自动聚类方式，划分区域与其各自构造特征基本一致。按照该方式划分的3个区域进行地震活动性分析，得到完全不同的结果，与将3个区域做为一个整体来分析的传统方式相比，尽管在蕴含价值信息上无明显优势，但分区域分析可以根据同一构造作用的区域地震活动性与其构造模式和演化关系进行分别解释，且地震大小和时空分布能够较好地与其所属的构造模式及演化进行相互解释。

分区1位于2大断裂带交会区域，控制其应力集中的断裂较多，应力作用复杂。从地震频度来看，此为华北板块南缘及邻区地震活动性最强区域；从b值、加卸载响应比来看，2个指标的同步变化频繁，若将每个同步起伏变化看作对应的应力变化，则除本区域中强地震的影响外，还受到远大震应力传递的影响。

从历史上地震学指标同步异常变化与映震关系看，分区1近几年无明显地震学指标同步异常变化，分区2的地震学指标由频繁的同步变化逐渐恢复平静，分区3从2014年开始出现了近50年最大的起伏变化，但目前处于变化结束趋于平衡的状态。然而，从以往映震关系可知，大幅度同步异常变化并未在本区域发生与之对应的中强地震，因此暂不对分区3进行分析。

分区1、2、3的地震活动性均明显反映了所属断裂系上远大震的应力传导作用。因此，对于地震学指标的同步异常变化与远大震应力传递作用的对应关系，是一个值得探索的问题，目前尚无衡量其相关度的较好的指标，需要积累数据进行深入研究。