山西斷裂帶跨斷層形變觀測資料動態特征分析*

賈曉東 武艷強 閆 偉 杜雪松

(1)遼寧省地震局，沈陽 110031 2)中國地震局預測研究所，北京 100036 3)中國地震臺網中心，北京 100045 4)中國地震局第一監測中心，天津300180)

山西斷裂帶跨斷層形變觀測資料動態特征分析*

賈曉東1)武艷強2)閆 偉3)杜雪松4)

(1)遼寧省地震局，沈陽 110031 2)中國地震局預測研究所，北京 100036 3)中國地震臺網中心，北京 100045 4)中國地震局第一監測中心，天津300180)

利用多種分析方法對山西斷裂帶跨斷層形變觀測資料進行了分析。長趨勢分析結果表明，山西斷裂帶南北兩段以拉張變形為主，中段以剪切變形為主。時間分段結果表明，1989—2000年間，位于山西斷裂帶中部的下達枝、代縣、廣勝寺3個測點出現斷層逆繼承性轉折變化，斷層垂直運動速率絕對值明顯減小，反映下達枝、代縣和廣勝寺地區斷層活動呈閉鎖狀態。另外，跨斷層形變觀測資料和GPS應變率場結果均表明山西斷裂帶以近NW向拉張變形為主，但由于觀測尺度不同，在量值上二者不具有可比性。

跨斷層形變;山西斷裂帶;時空分段特性;逆繼承性;GPS應變率場

1 引言

山西地震活動帶主要活動斷裂為NNE、NE和NEE，它們既控制了每個盆地的主要邊界，也控制了盆地的發育;次要的活動斷裂為NW、NWW向斷裂。斷陷盆地之間被橫向隆起所隔，以太原盆地為中心，南北對稱分布，中間為剪切段，南北兩段為拉張帶。震源機制解結果表明，山西斷陷帶南北兩端為拉張帶，中部斷層活動仍然以拉張型正斷層為主［1］，反映出山西斷陷帶整體的張性活動。郭良遷等［2］研究結果顯示，大同盆地相對兩側山地向北北東向位移，總體上具有張扭性;忻代盆地南北兩部分具有相對張扭性運動;太原盆地相對兩側山地具有走滑運動;臨汾盆地南北兩部分相對具有走滑運動。王秀文［3］研究山西斷裂帶的水平運動特征，整體呈現逆時針的差異運動，主壓應力場的方位角約為72°，斷裂兩側不存在明顯的走滑運動。

跨斷層形變觀測提供了地殼運動的定量化結果。謝覺民［4］將形變資料和地質構造展布聯系進行分析，認為在1984—1987年期間，大同-陽高盆地未呈現確切的斷裂活動跡象，各段測線的高差剖面圖沒有出現可能表明斷裂位移的階梯變化，表明在這一時段斷裂處于閉鎖狀態。李杰［5］利用跨斷層形變觀測年速率比值對大同震前時空微動態特征進行分析，表明震源區速率比值較小似處于閉鎖狀態。已有的研究結果表明［2，6］山西斷裂帶南部各點運動一致性較好，中部顯示正斷運動，但量值不大;北部地區活動情況復雜，大同-應縣地區東側斷裂呈左旋活動，西側斷裂呈右旋活動。在有跨斷層觀測期間，山西帶的地震活動表現出明顯的分段特征。其中，1989年10月Ms6.1大同-陽高地震的發生，標志著山西地震帶的地震活動進入了新的活躍時段。其后5級左右的地震較為活躍。

從地震形變角度來看，我們更關心的是差異運動，對于山西帶這樣一個斷層多、走向各異、介質條件差別大的地區，分析該帶的差異運動對地震預測是極為重要的。本文利用山西斷裂帶跨斷層形變觀測資料，在對跨斷層形變曲線基本特征進行分析的基礎上，重點討論了該區垂直形變的分段性特征。

2 資料概況

跨斷層形變觀測臺站或流動測點見圖1。這些測點最早從20世紀70年代觀測，最短的也有10年以上的觀測資料，觀測精度優于±0.45 mm/km。根據已有研究，共選取13個形變場地(臺站)16條跨斷層測項分析斷層垂直形變活動特征(表1)。

圖1 山西跨斷層形變觀測點的分布Fig.1 Distribution of cross-fault deformation observation stations in Shanxi

3 山西斷裂帶跨斷層形變觀測異常提取及分析

考慮山西斷裂帶跨斷層形變觀測最早為1972年，結合山西斷裂帶中強地震平靜-活躍-平靜特點［7］，對山西斷裂帶跨斷層形變觀測數據分3個時段進行分析:第一時段，1989年前，中強地震平靜時段;第二時段，1989—2000年，中強地震活躍時段;第三時段，2000—2010年底，中強地震平靜時段。

3.1 原始數據分析

大同3-1測段(圖2(a))，自觀測以來表現為持續張性變化，在3個時段均表現為與地質構造背景運動一致的繼承性特點，但在進入第二、第三時段后有明顯的加速特征;小磨2-1測段(圖2(b))，自觀測以來表現為持續的張性變化，在3個時段上均表現為與地質構造背景運動一致的繼承性特點，異常主要表現為第二時段中強震前明顯的繼承性加速異常;應縣1-3測段(圖2(c))，自觀測(第二時段)以來逆繼承性活動特性明顯，在第二時段中強震前有明顯的短期異常變化;下達枝1-3測段(圖2(d))，第一時段繼承性變化，在進入第二活躍時段前發生逆繼承性變化轉折，并在第二、三時段持續逆繼承性變化特征;茶房口2-1測段(圖2(e))，自觀測以來總體表現為繼承性變化特點，在第二時段中強震前有明顯的短期異常變化;眉音口3-1測段(圖2(f))，自觀測以來總體表現為繼承性變化特點，第二時段中強震前有明顯的短期異常變化;廣勝寺1-2測段(圖2(g))，地震活躍的第二時段逆繼承性變化特性顯著，進入第三時段后轉向為繼承性變化并持續加速;風柏峪2-3測段(圖2(h))，自觀測以來持續繼承性變化，進入第三時段后有明顯的持續加速。

表1 山西跨斷層形變測點概況Tab.1 Overview of cross-fault deformation observation stations in Shanxi

圖2 跨斷層觀測曲線Fig.2 Cross-fault observation curves

由原始數據圖示法結果看，山西斷陷帶斷層活動以繼承性正斷運動為主，與背景資料有很好的一致性，13個場地、16條跨斷層測線中僅有位于恒山北麓斷裂上的應縣、下達枝2個測段顯示斷層活動為逆繼承性逆斷運動。在空間上，山西斷裂帶中段下達枝、原平、茶房口、眉音口的變化速率較小，表現出一定的變形閉鎖特性，區域內中強震前短期異常變化顯著，是區域中強地震敏感測點;山西斷裂帶南、北兩段測點曲線趨勢變化明顯，表現為明顯的持續張性變化，與地質構造背景具有很好的一致性，但中強震前短期異常變化不明顯。分時段結果顯示:第一個時段繼承性變化特征明顯，短期異常不顯著;第二個時段，逆繼承性轉折變化明顯，短期異常明顯增多，并多出現在中強震前;第三時段，與第一時段特征相似，繼承性趨勢變化特征明顯，短期異常不顯著。

3.2 斷層垂直運動速率分析

以斷層上盤的測點為基準點計算各測段的垂直形變速率，速率為正時表示正斷張性，為負時表示逆斷壓性。在計算過程中，利用最小二乘直線擬合求出了斷層活動速率，結果見表2。

表2 斷層垂直運動速率(單位：mm/a)Tab.2 Vertical movement of the fault(unit：mm/a)

表2結果表明:山西斷裂帶南北兩段拉張帶垂直形變速率明顯大于中段;計算結果反映的斷裂帶斷層活動特性以繼承性正斷運動為主，均與地質調查結果具有很好的一致性(圖1);以下達枝、代縣為分界南北兩側斷層垂直運動速率明顯增強，表現出明顯的分段差異活動。

4 垂直運動速率時空分段特性分析

4.1 時間分段特征分析

第一時段反映斷層具有一致性較好的繼承性正斷運動，但速率較小(表3);第二時段，下達枝、代縣、廣勝寺3個測點出現斷層逆繼承性轉折變化，斷層垂直運動速率絕對值明顯減小，反映山西斷裂帶斷層活動差異變化局部地區斷層活動趨于閉鎖的狀態;第三時段仍有應縣、下達枝、原平3個測點反映斷層逆繼承性運動，其中下達枝延續第二時段變化，應縣、原平為斷層活動繼承性轉折變化為逆繼承性。

4.2 空間分段特征分析

圖3為分時段計算出的斷層活動速率，從圖3可以看出其結果較好地反映了山西斷裂帶張壓特性;第二時段出現空間分布相對集中的逆繼承性變化并出現中強地震活躍，空間集中位置主要為中強震頻發的大同盆地、忻代盆地南部;第三時段逆繼承性變化空間分布更趨于集中，主要位于山西斷裂帶南段大同盆地、忻代盆地南部的恒山斷裂、恒山山前斷裂、五臺山山前斷裂，但與第二時段的中強地震頻發不同，中強地震異常平靜。

4.3 與GPS結果的對比分析

根據中國大陸地殼觀測網絡1999—2007年區域網結果［8，9］，采用最小二乘配置球面方法計算得到的山西帶主應變率結果見圖4。將第三時段跨斷層結果與GPS結果對比，發現二者差別明顯，主要表現在:1)GPS主應變率反映出整個山西帶以近NW-NS向拉張為主，且由南到北拉張變形由弱到強的變化特征;2)跨斷層結果表明南北兩端的拉張變形的強度高于中段。差異的原因可能在于二者所代表的變形的空間范圍大小不同所致。

5 認識與討論

1)山西斷裂帶跨斷層形變觀測長趨勢曲線和垂直運動速率反映斷層活動特性與背景資料具有很好的一致性，表明跨斷層形變觀測能夠反映斷層活動的真實特性，表現為:以下達枝、代縣、原平為分界南北兩側斷層活動性質為張性正斷，與斷裂帶兩端受NW、NWW向拉張的構造應力一致;中部斷層垂直運動速率較小，與斷裂帶中段正斷走滑并受WWNN向區域應力場主壓應力具有一致性，反映局部地區斷層閉鎖活動狀態。

2)山西斷裂帶跨斷層形變觀測分區段、分時段分析結果與背景資料存在差異性，即部分測點反映斷層活動的逆繼承性特點，表現為:空間上，主要分布于山西斷裂帶南段大同盆地、忻代盆地南部的恒山斷裂、恒山山前斷裂、五臺山山前斷裂;時間上，逆繼承性變化在第二時段集中，第三時段更趨于集中，但第二時段中強地震頻發，異于第三時段的中強地震異常平靜。

表3 斷層垂直形變速率分時段統計結果(單位：mm/a)Tab.3 Sub-period statistical results of fault’s vertical deformation rate(unit：mm/a)

圖3 分時段資料結果反映的斷層活動特性Fig.3 Fault activity characteristics in different period

圖4 跨斷層觀測結果與GPS觀測結果Fig.4 Comparison between results of principal strain rates from cross-fault and GPS observation

3)跨斷層測量結果獲取的斷層運動速率與地質結果及GPS結果在性質上表現出一致特征，但在量值上存在一定差異。造成該差異的原因在于它們所反映變形的尺度不同，其中GPS資料反映了較寬范圍內變形的平均結果，地質結果和跨斷層觀測均表現出斷層變形的局部特征，因此它們在量值上不具有可比性。

致謝 感謝邵志剛、張浪平博士和李瑞莎的幫助和有益討論!

1 安美建，李方全.山西地塹系現今構造應力場［J］.地震學報，1998，20(5):461-465.(An Meijian and Li Fangquan.Current tectonic stress field of Shanxi garben system［J］.Acta Seismologica Sinica，1998，20(5):461-465)

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3 王秀文，趙文星，楊國華.山西地塹系的最新水平運動［J］.山西地震，2004，(1):19-24.(Wang Xiuwen，Zhao Wenxing and Yang Guohua.The latest horizontal movement of Shanxi graben system［J］.Earthquake Research in Shanxi，2004，(1):19-24)

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8 武艷強，等.利用最小二乘配置在球面上整體解算GPS應變場的方法及應用［J］.地球物理學報，2009，52(7):1 707-1 714.(Wu Yanqiang，et al.The application and method of GPS strain calculation in whole mode using least square collocation in sphere［J］.Chinese J.Geophics，2009，52 (7):1 707-1 714)

9 Yanqiang Wu，et al.Comparison of GPS strain rate computing methods and their reliability［J］.Geophys.J.2nt，201，185: 793-717.doi:10.1111/j.1365-246X.2011.04976x.

DYNAMIC ANALYSIS OF SHANXI FAULT ZONE CROSS-FAULT DEFORMATION OBSERVATIONAL DATA

Jia Xiaodong1)，Wu Yanqiang2)，Yan Wei3)and Du Xuesong4)

On the basis of analysis of the fault-crossing deformation observation data on Shanxi fault zone，this paper discussed the deformation characteristics of the zone.According to the long-term trend analysis，tensional deformation has been the main deformation of both the north and the south part of the Shanxi fault.On the middle part shearing is the main deformation.The time subsection results indicates that from 1989 to 2000，faulting inverse inheritance turning changes appeared in three stations:Xiadazhi，Daixian，Guangsheng temple，in the central part of Shanxi fault zone.In the same time，the absolute value of the fault’s vertical movement rate significantly reduced，which reflectes a locking condition of the fault activity in Xiadazhi，Daixian，Guangsheng temple area.In addition，the fault-crossing deformation observation data and GPS strain rate field results indicate that the Shanxi fault deformed mainly with a near NW tensional deformation.However，as the different observation dimension，the value between them are not be comparable.

cross fault deformation;Shanxi faults zone;spatio-temporal subsection characteristics;inverse inheritance;GPS strain rate field

1671-5942(2012)03-0031-06

2011-09-11

中國地震局地震科技星火計劃(XH12011Y);中國地震局監測預報司合同制定向跟蹤任務(2011020203)

賈曉東，男，1980年生，工程師，主要從事地形變地震分析預報和研究工作.E-mail:jxd.dx@163.com

P315.72+5

A

(1)Earthquake Administration of Liaoning Province，Shenyang 110031 2)Institute of Earthquake Science，CEA，Beijing 100036 3)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045 4)First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180)