华北华县1556年地震地表破裂的高分辨率地形测量：对大陆内部大型正断层地震的启示

为解决历史地震震级评估偏差问题，研究人员利用Pléiades立体卫星影像构建高分辨率DEM，系统测量了1556年华县地震的地表破裂与断层陡坎。研究发现平均垂直位移为6.3±0.7 m，震级修正为Mw 7.3–7.9，远低于此前基于烈度数据估算的8?–8?。该研究为大陆内部正断层地震的震级上限提供了关键约束，并呼吁重新评估华北其他历史地震参数。

　　

论文解读

背景与问题
1556年华县地震是人类历史上致死人数最多的地震事件（超83万人死亡），但其震级长期存在争议：基于烈度数据估算为M 8?–8?，而地质参数推算仅M 7.5–8.0。这种差异源于缺乏对整个破裂带滑移分布的系统测量。此外，大陆内部正断层地震是否可能突破M_w
8的全球性规律尚不明确。华北地区作为中国文明的发源地，历史上多次发生M≥7地震（如1303年洪洞、1739年平罗地震），但仪器记录时代的地震活动显著减少，使得历史地震研究对灾害评估至关重要。

研究设计与方法
研究人员通过Pléiades立体卫星影像构建1米分辨率数字高程模型（DEM），结合野外调查与Google Earth历史影像，对渭河地堑南缘的华山断裂和渭南断裂全长约90 km的1556年地震地表破裂进行系统测绘。采用累积位移概率密度（COPD）方法区分单次与累积地震事件位移，并通过垂直位移测量约束震级参数。研究区域覆盖>570 km2，获取125个垂直位移数据点，其中50个被归类为“可能单次事件陡坎”。

关键技术与样本

1. 高分辨率DEM构建：利用Pléiades双立体影像（0.5米全色/2米多光谱波段）生成1米网格DEM，通过Erdas Imagine软件进行像素匹配与地形提取。
2. 位移测量：在QGIS中提取垂直断层走向的地形剖面，采用线性回归拟合上下盘坡度，计算陡坎高度（误差±0.4–4.5 m）。
3. COPD分析：通过三角概率密度函数堆叠位移数据，识别地震事件相关的位移峰值。

研究结果

4.1 华山与渭南断裂的地表破裂形貌
破裂带沿华山断裂中段（40 km）和渭南断裂（50 km）展布，分为5个几何段落（灵口、渭南市、赤水、华县、华阴）。典型发现包括：

• 赤水段：T₁
  阶地保留6.5±0.4 m陡坎（图4），与探槽揭露的7 m垂直位移一致，确认为1556年事件产物。
• 华县段：Shidiyu站点显示7.0–8.2 m单次事件陡坎（图8），支持COPD分析得出的6.3 m平均位移。
• 渭南市段：受城市改造影响，仅存10–20 m复合陡坎，年轻破裂痕迹消失。

4.2 位移分布与COPD分析

• 位移范围：2.4–39.8 m，78%集中在4.5–15.5 m（图10）。
• 段落差异：华山断裂（CV=0.1）位移均匀性高于渭南断裂，反映破裂传播的规律性。
• COPD峰值：最小峰值对应1556年事件，各段落分别为灵口段5.5 m、赤水段6.5 m、华县段7.0 m、华阴段6.0 m（图12–15）。

5.1 震级估算
基于两种情景：

1. 破裂长度90 km：Wells & Coppersmith公式得M_w
   7.3，Leonard标度律得M_w
   7.3–7.4，地震矩计算得M_w
   7.6–7.8。
2. 破裂延伸至120 km：震级上限修正为M_w
   7.9。

5.2 大陆正断层地震的启示

• 全球对比：华县地震以最大垂直位移（10 m）和平均位移（6.3 m）成为记录最详尽的陆内正断层地震，但仍符合M_w
  <8的规律（表2）。例外仅见于马拉维Bilila-Mtakataka断裂（潜在M_w
  8.1）。
• 历史震级修正：华北其他“M8+”历史地震（如1668郯城、1679三河）可能同样被高估，需基于断层参数重新评估。

结论与意义
该研究通过高精度地形测量，将1556年华县地震震级修正为M_w
7.3–7.9，揭示了大陆正断层地震的规模上限，为华北地震危险性评估提供了断层运动学约束。研究强调需结合直接地质参数（而非烈度与伤亡数据）重新评估历史地震，这对人口稠密区的防灾规划具有深远意义。成果发表于《Quaternary Science Advances》，数据公开于OpenTopography平台，助力全球活动构造研究。