北京地區地震時空分布特征研究

江 宜，殷 娜，2

(1.防災科技學院，河北 三河 065201；2.河北省地震動力學重點實驗室，河北 三河 065201)

0 引言

地震是指巖石斷裂釋放應變能產生的大地震動[1]，是中國歷史上造成人員傷亡和財產損失較嚴重的自然災害之一，與旱、澇、蝗、疫構成中國歷史自然災害的主體。歷史文獻中對地震的記錄是研究地震特征與發生規律的重要依據。中國歷史上關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。隨著科學技術的進步，對地震的記錄和研究日益深入。北京作為新中國的首都，歷史上也是遼、金、元、明、清五代的國都，是全國的政治、經濟、文化中心。據史料統計，歷史上北京及周邊地區曾發生過多次破壞性地震，對北京地區造成嚴重的損失。許多研究學者根據各種歷史文獻資料記載，從發震時間、震中位置、震級和震中烈度的角度研究北京歷史地震的活動特征[2-8]，為探討該區歷史地震的時空分布特征提供基礎資料。由于歷代對北京地區劃定范圍的不同，學者們對歷史地震活動特征的研究并不系統。該文對歷史文獻資料進行整理和分析，結合北京及周邊地區地震目錄，對北京地區地震災害的時空特征進行分析，為研究現今北京地區的地震活動規律提供參考資料。

1 北京地區概況

1.1 北京地區的劃定

現代的北京地區是指北京市(115.7°～117.4°E，39.4°～41.6°N)，是中華人民共和國的首都，是該文研究的地區。但在不同的歷史時期，“北京”地區的含義不同，其所具備的行政功能和空間特性也不同。如，在清代，“北京”對應的是順天府或京師地區，1679年的平谷-三河8級大地震，其震中位置位于今河北省三河市大廠縣夏墊鎮，該地區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的地震。因此，在查閱歷史資料的過程中，需要對“北京”區域范圍進行區分。

契丹人938年進據燕云十六州，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”立為國都。“北京”地區的政治功能日益凸顯，關于該地區的地震記錄資料也日益增多。因此，列舉遼、金、元、明、清及現代北京地區的行政區劃進行參考(見第2頁表1)。

表1 不同歷史時期“北京”地區的行政區劃[11]

1.2 北京地區地質概況

北京地區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，燕山以南，為燕山構造帶與太行山山前斷裂帶的交匯帶,大地構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為山區，主要出露前寒武系變質巖和燕山期花崗巖，中部和東南部地區為平原區，大部分被全新世松散沉積物覆蓋，部分地區出露上更新世沉積巖[10]。

北京地區活動斷裂以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-高麗營斷裂、順義-良鄉斷裂、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頁圖1)。新生代以來，由于裂陷作用使華北平原區的地殼強烈拉張斷陷，NE(或NNE)、NW向斷裂極其發育，使該區形成了X型斷塊構造[12]。其在生成階段上有先后，由于構造運動具有連帶效應，某一方向的活動會引起另一方向的構造變動。這種復雜的地質構造把北京地區切割的支離破碎，極具不穩定性，在地質作用下，具有發生潛在中強地震的危險。

圖1 北京地區斷裂帶圖

2 數據來源與分析方法

該文研究的地震事件數據來源于《中國地震目錄》[3]、《中國歷史有感地震目錄》[4]、《中國歷史強震目錄公元前23世紀-公元1911年》[5]、《北京地區地震史料》[6]、《北京歷史地震資料匯編》[7]、《北京志地震志》[8]等。結合中國地震局臺網中心的歷史地震目錄，通過篩選不同資料中北京地區的地震記錄，得到較完整的M≥3.0地震記錄共323條。對于歷史地震目錄，通過對史料的對比分析，增加地震事件35條。如，依據賀樹德的研究[13]，認為1626年5月30日的王恭廠大爆炸是由北京地區地震引起，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，中強地震(4.5≤M<6.0)18次，強震(6.0≤M<7.0)6次，分別占地震總數的92.57%、5.57%和1.86%。運用VBA程序，將篩選出的地震目錄轉換為分析預報軟件可使用的目錄格式[14]，通過MapSIS、ArcGIS軟件對北京地區地震的時空分布進行分析研究。

3 空間分布特征

3.1 北京地區地震的空間特征

根據統計，北京地區M≥3.0地震分布在北京16個市轄區中的15個，各市轄區的地震發生頻次從高到低依次為：海淀區180、東城區29、昌平區20、順義區18、延慶區15、懷柔區12、通州區12、房山區9、密云區9、朝陽區7、門頭溝區4、平谷區4、大興區2、豐臺區1、石景山區1、西城區0次。為直觀反映北京各市轄區之間地震發生次數的對比關系，運用ArcMap10.7軟件繪制自公元294年至2020年北京各市轄區M≥3.0地震次數分布圖(見第3頁圖2)。可以看出，北京地區地震的空間分布范圍廣泛，各市轄區之間有較大差異，從西城區最低的0次到海淀區最高的180次，表現出北京地區地震在區域分布上的不均衡。

圖2 北京各市轄區M≥3.0地震次數分布圖

根據歷史地震目錄數據及歷史地震資料篩選轉化的地震目錄數據，應用MapSIS繪制北京地區公元294年至2020年M≥3.0地震空間分布圖(見圖3)。可以看出，北京地區地震的空間分布主要集中在活動斷裂的交界處，呈現一種叢集分布的地域特征。其中，在南口山前斷裂帶、黃莊-高麗營斷裂帶、順義-良鄉斷裂帶、大興-通縣斷裂帶和夏墊斷裂帶是地震的高發區域，M≥4.5地震大多發生在這些斷裂帶上。研究還表明，中強地震的震中位置通常和第四紀斷陷盆地或地塹帶有關[15]。北京地區恰好處于華北地區幾大斷裂帶的結合部位，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，為中強地震的集中發生提供構造因素。

圖3 北京地區M≥3.0地震的空間分布圖

3.2 北京地區各個時期地震的空間分布

自元定都大都之前，北京地區一直都是王朝的邊陲之地。金以北京地區為國都，時間較短(1153-1214年)，元以前的文獻資料關于北京地區地震的記載屈指可數。因此，將北京地區M≥3.0地震在時間上劃分為六個時期，元代之前(294-1270年)、元代(1271-1367年)、明代(1368-1643年)、清代(1644-1911年)、民國(1912-1948年)、新中國成立之后(1949-2020年)。

根據歷史地震目錄數據及歷史地震資料篩選轉化的地震目錄數據，分別繪制上述六個時期的地震分布圖(見第4頁圖4)。通過對比得出，在明代、清代及新中國成立后的這三個時期，北京地區3級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，即北京凹陷區。有儀器記錄以來，北京地區的M≥3.0地震多發生在中部地區及黃莊-高麗營斷裂帶西北緣附近，進一步證明北京中部地區是地震活躍區。

此外，由于地震造成的破壞受地質地形、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，也會對該區造成極大影響。如，1679年平谷-三河8級大地震，震中位于河北省大廠縣夏墊鎮，造成北京地區衙署、民房、宮殿、寺廟、會館嚴重破壞，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損壞房屋1 280萬 m2，死亡198人。因此,在研究北京地區地震的空間分布上，還需對其周邊地區的地震進行研究。

4 時間分布特征

4.1 北京地區地震的代際特點

根據上述六個時期的地震資料統計看出，在各個時期地震次數差異顯著(見第5頁表2)。其中，明代的M≥3.0地震次數最多，為150次，占總數的46.4%。

表2 北京地區M≥3.0地震統計

歷史文獻資料中對于北京地區地震的記載，與北京地區的政治功能和地區環境密不可分。自遼938年升幽州為幽都府之前，有關北京地區的地震記載有3次。金(1115-1234年)時期的記載全是在貞元元年(1153年)至貞祐二年(1214年)間，這一時期北京地區作為金朝首都，具有重要的政治地位。此后，直到元至元九年(1272年)遷都大都，在半個多世紀，北京地區處于動蕩和戰亂中，有關地震的記載是空白。明、清時期，北京作為國都且隨著地方志書寫的流行，關于地震的記載極為豐富。新中國成立后，以北京為中華人民共和國的首都，隨著科學技術的進步，1966年在北京建設的中國第一個遙測地震臺網投入使用[16]，關于北京地區的地震記錄也更為詳細。

4.2 地震目錄完整性檢驗與時間特征分析

在搜集整理研究數據的過程中發現，北京地區地震記錄出現的最早時間為公元294年，集中出現在公元1400年以后的時段，表明記錄存在一定的不完整性。為保證研究的可靠性，對篩選出的地震目錄完整性進行分析。采用該地震目錄，應用MapSIS軟件分別繪制出北京地區M≥3.0的M-T、N-T和N-M圖。通過第5頁圖5a和5b可看出，北京地區在1400年后地震記錄逐漸增多，至1600年達到一個峰值后逐漸減小，到1970年再次達到一個峰值。1400年后地震目錄繪制的N-M圖5c看出，M3.5地震數最高，3.0≤M<3.5地震數低于M3.5的，不符合G-R關系式的規律。3.5≤M<7.0分檔的地震數總體呈指數衰減，基本符合G-R關系式的規律[17]。認為，北京地區自1400年以來的地震目錄中，3.0≤M<3.5地震存在缺震，M≥3.5地震相對完整。

圖5 北京地區M≥3.0地震M-T、T-N和N-M圖

第6頁圖6是北京地區經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據，繪制M≥3.5地震M-T圖和累計頻度圖。可以看出，這一時期的地震以頻度可分為4個階段：1413-1730年地震活動頻繁，共發生M≥3.5地震190次；1731-1852年發生1次4級地震和2次5級地震，出現一個地震活動平靜期；1853-1970年共發生23次M≥3.5地震；1971-2020年是一個較活躍時期，共發生15次M≥3.5地震。值得注意的是，強震全部分布在第一階段，且呈現不均勻分布。由此可見，北京地區強震事件的次數少，不均勻的分布于各個階段，整體上呈現出遞減的趨勢。

圖6 北京地區M≥3.5地震M-T圖和累計頻度圖

將上述北京地區地震活動時段與華北地區地震活動期[18]進行對比分析(見第6頁表3)，結合相關研究[15]表明，北京地區的地震活動主要發生在華北第三活動期中(1484-1730年)，正是上述的第一階段，北京地區自1400年以來M≥6.0地震全部發生在該時期；在第四活動期中(1815年至今)，北京地區的地震活動強度相對減弱，最大地震活動水平為4.5級左右；北京地區地震活動的時間(第三階段、第四階段)相對晚于華北第四活動期。

表3 北京地震活動時段及華北地震活動期中的北京地震活動對比

5 結論與討論

通過對北京地區地震的歷史文獻資料和現代地震記錄數據的統計得出，在過去1 727年的時間里，共發生323次M≥3.0地震，以有感地震為主，強震發生的頻率較低。各歷史時期地震次數差異顯著，一是由于不同歷史時期北京地區地震活動性不同，主要發生在華北第三活動期中(1484-1730年)；二是因不同歷史時期北京地區的政治功能和地區環境的變化，導致部分地震記錄的空白與缺失；三是隨著科學技術的進步和地震監測能力的提高，記錄到的地震數據更加詳實。

在空間分布上，北京地區地震的分布較為集中，絕大多數地震位于北京地區中部等構造環境較復雜的區域，對北京地區造成的破壞較大；其次，北京地區受其鄰區強震的波及較嚴重，如，1679年的平谷-三河地震和1976年唐山大地震，對北京地區造成的破壞較嚴重。

相關文獻表明，北京市也列于地震重點監視防御城市之首[19]。雖然，近三百年未發生M≥6.0地震，隨著地震活動的活躍，其潛在危險依然存在。因此，通過對北京地區歷史地震的研究，可為該地區的地震區位分析、地震預測或未來防震抗震工作提供參考借鑒。