2024, Vol. 45
2) 中国武汉 430071 中国地震局地震大地测量重点实验室;
3) 中国武汉 430071 湖北省地震局
2) Key Laboratory of Earthquake Geodesy, CEA, Wuhan 430071, China;
3) Hubei Earthquake Agency, Wuhan 430071, China
世界上绝大多数强震震中都分布于活动断裂带内，其产生的地表新断裂与现存断裂走向一致或完全重合，因此地震与活动断裂间具有密切的联系（刘玉国等，2022）。中国大陆断裂十分发育且分布广泛，这也使得中国成为世界上地震频发的国家之一。地震监测是地震工作的重要组成部分，可为地震预测预报提供基础资料。地震监测台站良好的观测环境和稳定的监测设备是地震监测的基础，能够为产出连续、可靠、完整的观测数据提供保障（杨亚运等，2021），进而为地震预测、应急响应、科学研究提供基础支撑。因此，地震监测台站合理选址对地震监测工作具有重要意义。
地理信息系统作为一种强大的空间信息存储和分析工具，在计算机硬件的支持下，可对空间数据进行采集、管理、分析、表达，使数据的价值和潜能得以发掘，并通过可视化进行展示（冯恩国等，2015；骆宜蒙，2022）。近年来，地理信息系统逐步被用于区域地质调查、地震风险灾害、地震信息统计等地学的空间分析研究领域中，均取得了较好效果（杨凡等，2019；廖微等，2021）。本研究依托地理信息系统，以ArcGIS软件为平台，通过地震监测台站分布与行政区划、活动断裂带、地震动峰值加速度区划间的空间关系，来定量研究湖北地震监测台站的空间分布特征，检验地震监测台站的空间布设质量，旨在为今后台站建设选点提供理论依据。
1 研究区概述湖北地处长江中游地区，在地质构造上跨越秦岭褶皱系与扬子准地台2大地质构造单元，处于南北分异、东西相接的关键构造部位，地壳结构、地质演化、断裂活动、新构造运动相对复杂。据不完全统计，自公元前143年有地震记载以来，湖北发生过破坏性地震33次，其中，6级以上强地震3次，分别是公元788年竹山6½级、1856年咸丰大路坝6¼级、1932年麻城6.0级地震。邻省交界的安徽霍山、湖南常德、河南南阳等地历史上发生的6级以上地震也曾严重波及湖北。
湖北境内主要活动断裂有30余条，其中，NWW向断裂规模最大，NNE向次之，NNW向及近EW向断裂相对较小（图 1）。NNW向襄樊—广济断裂和NNE向麻城—团风断裂是省内主要破坏性地震的发震构造，近EW向小规模断裂上偶有破坏性地震发生。多数断裂的最新活动时代为第四纪早、中更新世，如襄樊—广济断裂、麻城—团风断裂等。历史上的中强地震也大多沿重要活动构造及其附近分布，如襄樊—广济断裂、青峰断裂、郯庐断裂等。
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图 1 湖北主要断裂及历史中强地震震中分布 Fig.1 Distribution map of major faults and historical moderate earthquakes in Hubei Province |
湖北地震监测工作始于1959年，湖北是国内最早建有地球物理监测观象台、水库地震监测专用台网、固体潮汐观测站的少数几个省份之一。经“九五”至“十三五”不同时期的项目建设，基本建成了综合性、数字化、网络化、标准化、现代化的区域地震观测台网。目前，地球物理监测台站由地形变、电磁、地下流体3大学科专业台站构成，在运行观测台站24个，测震监测台站在运行38个。
2 研究目的及方法依托ArcGIS平台，通过将地震监测台站的空间分布分别与湖北行政区划图、活动断裂带图、地震峰值加速度区划图进行相应的叠加分析或缓冲区分析，以此研究湖北地震监测台站的空间分布特点。具体的技术路线见图 2。
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图 2 技术路线 Fig.2 The technical roadmap of the article |
研究中主要用到ArcGIS中的叠加分析和缓冲区分析。叠加分析是将代表不同主题的各个数据层面进行叠加，从而产生一个新的数据层，生成新的空间关系，叠加结果也综合了原来多个层面要素所具有的属性，将各个数据层的属性联系起来产生新的属性关系。缓冲区是对一类地图要素按照设定的距离条件，围绕这组要素而形成具有一定范围的多边形实体，从而实现数据在二维空间扩展的信息分析。缓冲区建立形态多种多样，如点状圆形和矩形、线状双侧和单侧、面状内侧和外侧等，这主要依据缓冲区建立的条件来确定（汤国安等，2012）。
首先，收集研究区的行政区划图、活动断裂图、地震峰值加速度区划图等底图，将之统一转换为shp格式文件，并裁剪出相应研究区范围，建立空间数据库，统一设定坐标系后导入ArcGIS中；然后，将地震监测台站通过经纬度坐标导入ArcGIS平台，分别建立地球物理监测台站和测震台站矢量图层；最后，将台站的矢量图层分别叠加至所需底图上，对台站空间分布密度与活动断裂、峰值加速度区划间的空间关系分别进行研究。
3 湖北地震监测台站空间分布 3.1 台站空间分布密度通过将湖北地震监测台站与湖北行政区划图进行叠加分析，统计落入湖北不同地级行政区内的地震监测台站数量，得到湖北地震监测台站空间分布图（图 3），据此对湖北地震监测台站空间分布密度进行研究。
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图 3 湖北地震监测台站空间分布 Fig.3 The space distribution of the site of the Hubei Earthquake Monitor |
湖北共有24个地球物理监测台站、38个测震台站。从数量上看，地球物理监测台站最多的地区是十堰市，共有5个站点；其次为黄冈市，共有4个站点；鄂州市、咸宁市、仙桃市、天门市、潜江市、随州市、神农架林区等7个地区未设地球物理监测站点；测震台站在鄂东、鄂西地区稍多，在江汉平原地区稍少，最多的地区也是十堰市，共有7个测震站点；其次为黄冈市、荆州市、襄阳市，各有4个站点；鄂州市、仙桃市、天门市、神农架林区等4个地区未设测震站点（表 1）。
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表 1 湖北地、市地震台站数量 Table 1 Statistics on the number of stations in various cities in Hubei Province |
通过统计每万m2面积上的台站数量得到地震监测台站的空间分布密度（图 4）。按空间分布密度看，湖北地球物理监测台站的平均分布密度为1.29个，密度最大的地区为荆门市（2.41个），其次为武汉市（2.32个），除无地球物理监测台站的地区以外，仅有荆州市（0.71个）和恩施州（0.41个）的分布密度低于平均水平。测震台站的平均分布密度为2.04个，密度最大的地区为黄石市（6.55个），其次为潜江市（4.99个），除无测震台站的地区以外，其他地区测震站点的分布密度均大于1.00，密度最小的地区为随州市（1.03个）。
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图 4 湖北地震监测台站空间分布密度 Fig.4 Histogram of spatial distribution density of seismic monitoring stations in Hubei Province |
地震与活动断裂间的关系极为密切，绝大多数强震震中都位于活动断裂带内部，且当地震来临时，能量沿着活动断裂释放，因而带来地震灾害及次生灾害（刘玉国等，2022）。湖北境内主要活动断裂以NNE向、NNW向2组断裂为主，NW向、近EW向断裂也较发育。中强地震活动主要受NNE向、NNW向、NW向等3组断裂活动控制，有的中强震还与近EW向断裂的活动有关。
针对地震台站不同的观测手段，在台站建设时也有不同的规范要求（表 2）。参考上述规范要求，本研究使用ArcGIS软件，分别以0.5 km、3.0 km、10.0 km的宽度建立断裂缓冲区（图 5），通过统计落入缓冲区范围内地震台站的数量，来对地震台站与活动断裂间的空间关系进行分析。通过统计发现，地球物理监测台站落入0.5 km缓冲区的有3个，分别为2个地下流体监测站、1个地磁监测站；落入3.0 km缓冲区的有4个，分别为2个地下流体监测站、1个地形变台站、1个地磁重力监测站；落入10.0 km缓冲区的有8个，分别为3个重力形变监测站、2个地磁监测站、1个地下流体监测站、1个形变监测站、1个重力流体监测站。测震台站落入0.5 km缓冲区的有1个；落入3.0 km缓冲区的有2个；落入10.0 km缓冲区的有11个。
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表 2 不同观测手段的场地布设要求 Table 2 Different observation methods of site layout requirements |
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图 5 湖北活动断裂缓冲区与地震监测台站分布叠加结果 Fig.5 Superposition results of active fault buffer zone and seismic monitoring station in Hubei Province |
通过以上的统计结果可以发现，湖北共有15个地球物理监测台站点、14个测震台站点在距活动断裂10.0 km的范围内，形变监测站距活动断裂的距离均大于0.5 km，地下流体监测站距活动断裂的距离未超过10.0 km的有6个，占湖北地下流体台站的60%；重力监测站距活动断裂的距离未超过10.0 km的有5个，占湖北重力台站的83.3%；绝大多数测震台站距活动断裂的距离大于0.5 km。
3.3 台站分布与峰值加速度区划间的关系地震动峰值加速度是地震时地面运动的加速度，数值越大表示发生地震时建筑物的潜在受损程度越大，因此该值也可作为确定烈度的依据。表 3为地震动峰值加速度与烈度间的对照表。
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表 3 地震动峰值加速度与地震烈度 Table 3 Comparison table of ground motion peak acceleration and seismic intensity |
图 6为湖北地震动峰值加速度与地震监测台站分布叠加结果。由图 6可见，湖北大部分地区地震动峰值加速度为0.05 g，对应地震烈度为Ⅵ度；仅在十堰中部和黄冈东北部少部分地区为0.10—0.15 g，即地震最大烈度为Ⅶ度；襄阳东部至武汉西部部分地区的峰值加速度甚至小于0.05 g。由图 6还可见，湖北所有地震台站均位于地震烈度Ⅵ度以上区域，大部分台站分布在地震动峰值加速度≤0.05 g的地区，台站数占湖北地球物理监测台站的95.83%和测震台站的92.11%；有3个测震监测台站和1个地球物理监测台站分布在地震烈度Ⅶ度区，但是在黄冈东北部英山县地震动峰值加速度为0.10 g的地区和十堰西部竹山县地震动峰值加速度为0.15 g的地区还没有地震监测站点的分布。
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图 6 湖北地震动峰值加速度与地震监测台站分布叠加结果 Fig.6 Superposition results of peak ground motion acceleration and seismic monitoring station in Hubei Province |
通过将地震监测台站的空间分布分别与湖北行政区划图、活动断裂带图、地震峰值加速度区划图进行相应的叠加分析或缓冲区分析，得到以下结论。
（1）湖北地球物理监测台站和测震台站最多的地区是十堰市，地球物理监测台站空间分布密度最大的是荆门市，测震台站空间分布密度最大的是黄石市，但部分地市未设置或只设置1个地球物理监测台站或测震台站，存在监测空白或薄弱区域。
（2）在与活动断裂间的空间关系上，共有15个地球物理监测台站和14个测震台站在距活动断裂10.0 km的范围内。形变监测站距活动断裂的距离均大于0.5 km；地下流体监测站与活动断裂间的距离未超过10.0 km的占地下流体台站的60%；重力监测站与活动断裂间的距离未超过10.0 km的占重力台站的83.3%；绝大多数测震台站与活动断裂间的距离大于0.5 km。因此，湖北地震监测台站的布设大致符合地震台站建设规范要求。
（3）在与峰值加速度区划的空间关系上，湖北所有台站均位于地震烈度Ⅵ度以上区域，但是在黄冈东北部英山县地震动峰值加速度为0.10 g的地区和十堰西部竹山县地震动峰值加速度为0.15 g的地区还没有地震监测台站的分布，建议应对Ⅶ度高烈度地区增设地震监测台站。
（4）除活动构造断裂和地震烈度等级较高的地区以外，地震重点监视区、大型水库、能源开采区等重要区域也应增设地震监测台站，并优先选择同场址区域具有其他观测手段的站点，采用多学科联合观测和多测项对比观测的模式，通过不同学科、不同测项相互映证，确保产出真实、可靠的地震信息。
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