山西地區現代地殼垂直運動研究*

塔 拉 陳阜超 周海濤 郭寶震 郭良遷

(中國地震局第一監測中心，天津 300180)

1 引言

山西地區尤其是山西斷陷帶是華北地區現代構造活動較強的區域之一，也是地震災害重點防御區之一。山西斷陷帶在歷史上發生過多次7級以上大地震，現在中等強度地震也有發生［1－4］。前人利用水準資料研究了山西局部地區的現代地殼活動性［5，6］，為了解山西現代地殼垂直運動全貌，本文對山西地區1980年以來的水準資料進行了整理分析。

2 構造概括

山西地區屬于華北活動塊體，西側為呂梁山區，東側是太行山區，山西地區中部從北至南分布著一系列新生代盆地(包括大同盆地、代縣-忻縣盆地、晉中-介休盆地、臨汾盆地和運城盆地等)，它們組成了山西斷陷帶［5－8］。山西斷陷帶是本區新構造活動強烈的地帶，它控制了汾河、滹沱河等河流的發育，控制著大地震的孕育和發生。根據前人地質構造研究結果［7－10］，結合本研究區的范圍，將山西地區劃分為呂梁山地塊(是次級構造鄂爾多斯塊體的一部分)、山西斷陷帶和太行山塊體三個構造單元(圖1)。山西地區的現代活動斷裂主要分布在山西斷陷帶上，斷裂走向多數為北北東和北東向，少數為北東東和近東西向。

圖1 山西地區構造及水準網略圖Fig.1 Sketch of tectonics and levelling net of Shanxi Area

3 垂直形變分析

1980年以前山西地區的水準測線主要有穿越山西斷陷帶和太行山區的幾條測線。1980年以后，隨著山西地區水準測線的增加，逐漸形成了覆蓋全區的垂直形變網(圖1)。

本次從1980—2010年觀測的水準資料中整理出兩期，第一期水準資料主要施測于1980—1986年，少數測線的資料是其前或者其以后的施測資料。第二期水準資料主要施測于2002—2008年，2008年以后至今山西地區的復測資料較少。本次整理水準測線18 277 km，重合水準點598 個。將兩期水準資料用經典動態平差方法計算，以北京原點為參考基準，得到各水準點的垂直形變速率。平差結果單位權中誤差為。計算得到的水準點形變速率繪制的垂直形變速率圖如圖2 所示。

從圖2 可見，山西地區從1980年以來，西部的呂梁山區以上升為主，上升速率為1 ～3 mm/a，其中西側靠近黃河的興縣-吉縣一帶的上升速率為3 mm/a，中東側的左云-朔州-偏關地區和呂梁地區的上升速率在1 ～2 mm/a。形變速率等值線在中南段相對密集。山西西部的差異變化量約4 mm/a。

圖2 山西地區1983—2006年垂直形變速率(單位:mm/a)Fig.2 Vertical deformation rates of Shanxi Area during 1983—2006(unit:mm/a)

山西中部地區的大同盆地、代縣-忻縣盆地、晉中-介休盆地、臨汾盆地和運城盆地是相對較強烈的下降區，最大下降速率達－15 mm/a，位于晉中-介休盆地內。其他盆地下降速率在－2.0 ～－5 mm/a，其中大同盆地的形變速率為－3 ～－5 mm/a，代縣-忻縣盆地的速率為－1 ～－5 mm/a，臨汾盆地的速率為－2 ～－3mm/a。運城盆地的下降速率為－3 ～－4 mm/a。山西斷陷帶的差異變化量在15 mm/a 以上。

山西東部地區的太行山區垂直形變有升有降，其中淶源-阜平地區和涉縣-磁縣地區為上升區，上升速率為1 ～2 mm/a，其余大部分地區為下降區，在太行山北部地區的下降速率較小，為－1 ～－2 mm/a，南部下降速率變化較大，為－1 ～－10 mm/a，長治-焦作一帶的下降速率在－5 mm/a 以下。太行山地區的差異變化量約12 mm/a。

綜上所述，山西地區地殼的連續垂直運動是西部上升東部下降，位于中部的山西盆地帶下降較顯著，差異變化量最大。整個區域的垂直形變差異變化達20 mm/a 以上。垂直形變連續形變場反映出山西斷陷帶活動性最強，太行山區活動性次之。

4 垂直形變剖面分析

呼和浩特-大同-化稍營垂直形變速率剖面(圖3)在1981—2006年各個時間段中，大同盆地以西地帶曲線平緩，垂直形變速率在5 ～－5 mm/a 之間波動，呼和浩特附近地區下降明顯，經研究，開采地下水是其變化的主要原因。大同-陽原盆地地段，垂直形變速率曲線除1987—1991年有超過5 mm/a 的上升變化外，其他時間段多數表現為下降，少數在0 值線波動。1987—1991年的上升變化可能與1989年和1991年的大同兩次Ms5.9、5.8地震有關。1984—1987年的形變速率曲線在大同盆地西邊界的口泉斷裂帶附近差異顯著，在其西部上升，東部下降。1987—1991年形變速率曲線出現反向變化，為東部上升，西部下降。其變化反映了口泉斷裂帶在1984—1991年間活動性較強，也說明與大同震區附近的斷裂活動性增強。

圖3 呼和浩特-大同-化稍營垂直形變速率剖面Fig.3 Profile of vertical deformation rate of Huhehaote-Datong-Huashaoying

圖4 和林格爾-朔縣-代縣-淶源垂直形變速率剖面Fig.4 Profile of vertical deformation rate of Helingeershuoxian-daixian-laiyuan

和林格爾-朔縣-代縣-淶源水準測線速率剖面通過大同盆地南端和代縣-忻縣盆地北部(圖4)，在1989年和1991年大同地震區以南，震區距測線較近處約80 km。大同5.9級地震前，1984—1987年水準測線速率剖面在代縣以西至和林格爾地段垂直形變速率相對較小，變化于5 ～－5 mm/a 之間，代縣以東速率增大，地殼上升運動顯著，最大速率達17.9 mm/a。該時間段的地殼強烈上升可能是大同5.9級地震應變能積累的反映。1987—1991年測線速率在代縣以西波動于0 ～5 mm/a，代縣以東形變速率為2 ～8.8 mm/a，與上一時間段相比速率明顯減小，說明地震后應變能得到釋放。1991—1998年測線速率以下降變化為主，1998—2002年，測線東段的淶源地帶上升相對明顯，速率在10 mm/a 左右。2002—2006年，和林格爾到朔縣，形變速率下降量逐漸增加，在朔縣附近為－18 mm/a。朔縣至淶源形變速率為－15 ～－20 mm/a。和林格爾-朔縣-代縣-淶源的形變表明，1991—1998年和2002—2006年西段和林格爾-朔縣地殼呈現微弱下降，東段代縣-淶源地殼下降較顯著，1984—1987年、1987—1991年和1998—2002年和林格爾-朔縣地段呈現弱上升變化，代縣-淶源地段上升相對強烈。

呂梁-平遙-榆次-石家莊水準測線形變速率剖面位于研究區中南部(圖5)，穿過晉中-介休盆地。1986—1991年和2003—2006年表現為下降變化，呂梁-平遙段為相對較弱地下降，形變速率在－10 mm/a 以內，平遙-榆次-石家莊下降較強烈，形變速率為－10 ～－20 mm/a。反映出研究區中部地帶，西段相對上升，東段相對下降。1991—2003年平遙-榆次地段下降速率為－20 mm/a，呂梁-平遙地段和榆次-石家莊地段形變速率在0 mm/a 波動，反映出東西側地帶相對上升，中部盆地段下降。

河津-曲沃-高平-長治水準測線速率剖面位于研究區南部，穿過臨汾盆地南部和太行山南部(圖6)。1986—1991年的水準速率剖面曲線變化于1.6 ～－3.54 mm/a之間，西段的盆地區段相對上升，東段的太行山區段相對下降。1991—2004年時間段的水準速率剖面曲線變化在0 ～－3 mm/a，反映出該時間段整體都在下降。

綜上所述，研究區北部的呼和浩特-大同-化稍營地帶的西部各個時間段的形變速率主要在0 ～5 mm/a 之間變化，呈現相對穩定的上升態勢;該測線的東部地帶1984—1987年、1991—1998年 和1998—2002年呈現下降變化，1987—1991年上升，2002—2006年相對穩定。中北部的和林格爾-朔縣-代縣-淶源地帶復測次數相對較多，其中1984—1987年、1987—1991年和1998—2002年西部相對下降，東部相對上升。1991—1998年和2002—2006年則相反，西部相對上升，東部相對下降。中南部的離石-平遙-榆次-石家莊地帶1986—1991年和2003—2006年時間段為西部上升，東部下降，1991—2003年期間是中部盆地區段下降，東西兩側山區上升。南部河津-曲沃-高平-長治地帶1991年以前西部上升，東部下降。1991年以后整個地帶都處于弱下降變化中。通過強震區的呼和浩特-大同-化稍營和和林格爾-朔縣-代縣-淶源兩條測線的顯示在兩次大同地震前震區地殼出現上升變化，可能是地震孕育的反映。

圖5 呂梁-平遙-榆次-石家莊垂直形變速率剖面Fig.5 Profile of vertical deformation rate of Lishi-Pingyao-Yuci-Shijiazhuang

圖6 河津-曲沃-高平-長治垂直形變速率剖面Fig.6 Profile of vertical deformation rate of Hejing-Quwuo-Gaoping-Changzhi

5 構造活動

把山西地區的水準點速率按照呂梁山塊體、太行山塊體和山西斷陷帶不同的構造單元分組，用進行擬合計算［11］，擬合結果如圖7 所示。式中Δh是水準點的變化速率，h0是塊體的垂直運動參(函)數，x 和y 分別是與水準點的坐標有關的函數。

圖7 山西地區的垂直形變速率(模型擬合，單位:mm/a)Fig.7 Vertical deformation rate of Shanxi Area(model fitting unit:mm/a)

5.1 塊體活動

西部呂梁山地塊整體上升，整體變化趨勢是西側上升相對強烈，東部和東北部上升減弱。在吳堡-永和一帶上升速率為3 ～4 mm/a，東部和東北部的邊緣上升速率減小至0 mm/a。垂直形變擬合結果反映出呂梁山地塊從西南向東和東北掀斜抬升。東部太行山塊體的東北部易縣-曲陽一帶顯示相對上升，速率在0 mm/a 以上。向西、向南垂直形變速率逐漸減小，至太行山塊體南部的晉城-焦作一帶下降速率為－4 mm/a。擬合結果反映出太行山塊體整體由東北向西和西南掀斜變化。

山西斷陷帶的擬合結果顯示，下降相對強烈的地帶位于斷陷帶的東側，其中大同盆地東側為－4 ～－5 mm/a，代縣-忻縣盆地在定襄地段為－5 mm/a，晉中-介休盆地在太谷及其以北為－6 mm/a，臨汾盆地東側為－6 mm/a。山西斷陷帶的活動表現為由西向東的掀斜性下降，而且中、南段下降速率大于北段。擬合結果表明，作為塊體活動趨勢，各個塊體都具有差異變化，呈現掀斜活動。

5.2 斷裂活動

呂梁地塊、山西斷陷帶和太行山塊體之間的分界帶主要由活動斷裂構成(圖1)。由塊體擬合參數計算得到山西斷陷帶兩側邊界斷裂的垂直活動速率如下:

大同盆地西邊界口泉斷裂帶走向北北東，傾向南東，垂直活動速率為1.87 mm/a，西北盤上升，東南盤下降，斷裂為正斷活動。東南邊界的六棱山北麓斷裂走向北東東，傾向北北西，現在垂直活動速率為2.09 mm/a，西北盤下降，東南盤上升，斷層表現為正斷活動。南部的恒山北麓斷裂走向北東，傾向北西，垂直活動速率為1.14 mm/a，西北盤下降，東南盤上升。東邊界的六棱山北麓斷裂的垂直活動速率大于口泉斷裂和恒山北麓斷裂，顯示出活動性相對較強。圍繞大同盆地的邊界斷裂現今活動均為正斷，與第四紀時期活動狀態基本一致［7］。六棱山北麓斷裂第四紀中晚期垂直活動速率為0.43 ～0.75 mm/a［8］，較現今活動速率小。恒山北麓斷裂第四紀晚期活動速率為1.57 mm/a［9］，略大于現代活動速率。

代縣-忻縣盆地的西邊界云中山山前斷裂走向北北東，傾向南東，現在垂直活動速率為3.68 mm/a，西北盤上升，東南盤下降，斷裂為正斷活動。云中山山前斷裂第四紀晚期的垂直滑動速率為0.33 mm/a，較現代活動速率小。東邊界的五臺山北麓斷裂走向北東東，傾向北北西，五臺山西麓斷裂走向北北東，傾向北西西，它們的垂直活動速率為2.15 mm/a，斷裂的西北盤下降，東南盤上升。五臺山北麓斷裂第四紀晚期活動速率為0.95 mm/a，較現代為小。東南部的系舟山山前斷裂走向北東，傾向北西，垂直活動速率為4.33 mm/a，垂直形變表明西北盤下降，東南盤上升，而第四紀中晚期活動速率為0.9 ～1.41 mm/a，遠小于現代。

圍繞代縣-忻縣盆地的邊界斷裂現代活動亦表現為正斷，東邊界的系舟山山前斷裂的垂直活動速率最大，五臺山北麓斷裂和西麓斷裂的垂直活動速率相對較小，表明系舟山山前斷裂活動性相對較強。代縣-忻縣盆地的邊界斷裂現代活動性均強于第四紀晚期。

晉中-介休盆地的西邊界交城斷裂走向北東，傾向南東，現代垂直活動速率為3.24 mm/a，西北盤上升，東南盤下降。東邊界的太谷斷裂走向為北東，傾向北西，垂直活動速率為3.99 mm/a，西北盤下降，東南盤相對上升。晉中-介休盆地東邊界的太谷斷裂垂直活動速率大于西邊界的交城斷裂，反映出太谷斷裂活動性強于交城斷裂。第四紀中晚期交城斷裂活動速率為1.38 mm/a，太谷斷裂的為0.97 mm/a，遠小于現代活動速率。

臨汾盆地的西邊界羅云山山前斷裂主體走向北北東，傾向南東，垂直活動速率為1.47 mm/a，垂直形變顯示斷裂東南盤下降，西北盤上升。在第四紀中晚期羅云山山前斷裂活動速率為1.4 mm/a，和現代活動速率基本相等。東邊界的霍山山前斷裂和浮山斷裂走向北北東，傾向北西，垂直活動速率為2.86 mm/a，西北盤下降，東南盤上升。霍山山前斷裂第四紀晚期活動速率為0.7 mm/a，小于現代活動速率。臨汾盆地東邊界霍山斷裂的現代垂直活動速率大于西邊界的羅云山山前斷裂。

綜上所述，垂直形變顯示出山西斷陷帶的主要邊界斷裂均為正斷活動，反映其現代構造活動總體上為裂陷運動。每個盆地的邊界斷裂垂直活動速率相對較大的都位于東邊界，反映出山西斷陷帶的活動強度東部大于西部。山西斷陷帶主要邊界斷裂的現代垂直活動性質與新構造時期基本相同，表現出繼承性活動特點，相當多的邊界斷裂現代活動性強于第四紀晚期。

6 結論

1)圖2 反映出山西地殼自1980年起近30年來總體上為西部上升，東部下降。西部呂梁山地區上升速率1 ～3 mm/a，中部山西盆地帶下降顯著，下降速率為－4 ～－20 mm/a，東部太行山大部分地區下降，局部地帶上升，垂直形變速率－10 ～2 mm/a［11］。呂梁地塊的上升和山西帶的下降變化與新構造時期活動態勢基本一致，屬于繼承性運動。太行山塊體大部分地段下降變化，可能與大震活動有關，經過1966—1976年東部平原地震帶多次大震，能量大釋放，受其影響，應力相對松弛，垂直形變呈現下降為主。

2)分塊擬合結果揭示出呂梁山地塊為掀斜抬升，太行山塊體為掀斜活動，山西斷陷帶呈現出掀斜下降活動。山西斷陷帶的邊界帶斷裂都表現為正斷，顯示出山西中部地殼為裂陷活動。從斷層垂直活動速率可知，大同盆地地段的裂陷速率為1.70 mm/a，代縣-忻縣盆地地段的裂陷速率為3.39 mm/a，晉中-介休盆地地段的裂陷速率為3.62 mm/a，臨汾盆地地段的裂陷速率為2.16 mm/a。山西斷陷帶平均裂陷速率為2.68 mm/a。山西斷陷帶的下降變化可能與該帶深部地幔上隆，地殼上部受拉張作用有關。

3)水準測線速率剖面變化顯示不同地段的地殼運動隨時間變化而變化。在強震發生前的數年中地震區地殼表現為明顯地上升變化(圖3、4)，同時地震區的斷裂活動明顯增強。

4)山西斷陷帶兩側的邊界斷裂垂直活動速率顯示，系舟山山前斷裂的垂直變化速率最大，達4.33 mm/a，恒山北麓斷裂垂直活動速率最小，為1.14 mm/a，其他斷裂帶的垂直活動速率介于二者之間。山西斷陷帶的邊界斷裂現代垂直活動速率平均為2.68 mm/a，均為正斷層活動。主要斷裂帶的正斷、山西帶的相對下降和兩側山區的相對上升，反映了現代構造活動對新構造運動的繼承性態勢。

1 鄧起東，等.鄂爾多斯塊體新生代構造活動和動力學的討論［J］.地質力學學報，1999，(3):13－21.(Deng Qidong，el al.Discussion on Cenozoic tectonics and dynamics of Ordos Block［J］.Journal of geomechanics，1999，(3):13－21)

2 徐錫偉，鄧起東，尤惠川.山西系舟山西麓斷裂右旋錯動證據及全新世滑動速率［J］.地震地質，1986，(3):44－46.(Xu Xiwei，Deng Qidong and You Huichuan.Evidence of dextral dilocation of Xizhoushanxilu Fault，Shanxi and its slip rate during the holocene［J］.Seismology and Geology，1986，(3):44－46)

3 張岳橋，等.鄂爾多斯盆地周邊地帶新構造演化及其區域動力學背景［J］.高校地質學報，2006，(3):285－297.(Zhang Yueqiao，et al.Neotectonic evolution of the peripheral zones of the Ordos Basin and geodynamic setting［J］.Geological Journal of China Universities，2006，(3):285－297)

4 徐錫偉，鄧起東.山西霍山山前斷裂晚第四紀活動特征和1303年洪洞8級地震［J］.地震地質，1990，(1):21－30.(Xu Xiwei and Deng Qidong.The features of late quaternary activity of the piedmont faults of MT.Huoshan，Shanxi and 1303 Hongdong earthquake(Ms8.0)［J］.Seismology and Geology，1990，(1):21－30)

5 王若柏，等.華北地區地殼垂直形變場及動態演化特征［J］.地震學報，1995，17(2):148－155.(Wang Ruobai，et al.The characteristics of vertical deformation field of North China and its dynamic evolution［J］.Acta Seismologica Sinica，1995，17(2):148－155)

6 楊國華，王若柏，萬素凡.華北北部(大首都圈)地區近十年來的地殼垂直運動的演化［J］.地殼形變與地震，1994，(2):41－46.(Yang Guohua，Wang Ruobai and Wan Sufan.Evolution of vertical movement in late decade in the North China(The Capital circle)［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1994，(2):41－46)

7 國家地震局鄂爾多斯周緣活動斷裂系課題組.鄂爾多斯周緣活動斷裂系［M］.北京:地震出版社，1988.(Study Group of“Active Fault System of Surrounding Ordos Block”of State Seismological Bureau.The active fault system surrounding Ordos Block［M］.Beijing:Seismolgical Press，1988)

8 山西省地質礦產局.山西省區域地質志［M］.北京:地質出版社，1989.(Bureau of Geology and Mineral Resoures of Shanxi Province.Regional geological annals of Shanxi province［M］.Beijing:Geological Publishing House，1989)

9 馬杏垣.中國巖石圈動力學綱要［M］.北京:地質出版社，1987.(Ma Xingyuan.Schema of lithosphere dynamics of China［M］.Beijing:Geological Publishing House，1987)

10 張培震，等.中國大陸的強震活動與活動地塊［J］.中國科學(D 輯)，2003，33(增刊):12－20.(Zhang Peizhen，et al.Strong earthquakes in of Chin and avtive block［J］.Science in China(Series D)，2003，33(Sup.):12－20)

11 郭良遷，黃立人.蘇魯皖地區現代構造活動性研究［J］.大地測量與地球動力學，2009，(4):17－24.(Guo Liangqian and Huang Liren.On current tectonic activity in Jiangsu-Shandong-Anhui area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(4):17－24)