山西中北部地區地殼垂直形變時空演化特征及與強震的關系

徐東卓 朱傳寶 孟憲綱 尹海權 孫非非

摘要：采用山西中北部地區2006期和2015期一等精密水準測量資料，利用經典動態平差方法，對區域近期地殼垂直形變時空演化特征進行了研究。結果表明：（1）山西中北部地區近期整體表現為山地隆升，盆地下沉的特點，以繼承性運動為主，但局部也存在差異性。呂梁斷塊和太行斷塊表現為隆升，活動速率分別為2～8 mm/a和2～6 mm/a；山西斷陷帶的系列盆地表現出相對下沉，沉降速率為-3～-10 mm/a；（2）汶川地震顯著影響了區域地殼垂直運動形變場。震前區域地殼運動表現為顯著拉張特點，震后張性減弱，擠壓增強；（3）大同—化稍營、呼和浩特和榆次—石家莊一帶存在地殼垂直形變高梯度帶，中長期尺度上存在地震危險性背景。

關鍵詞：山西中北部地區；水準測量；地殼垂直形變；地震危險性

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0446-05

0 引言

地震的孕育、發生和發展過程中，由于地殼深部構造的復雜性和介質的不均一性，會在某些區域出現大幅度的變形，而在震前某些特殊部位會出現強烈的異常變化。通過大地形變測量來獲取地殼形變異常用于地震的長、中期預報，具有積極有效的作用和實效（張祖勝等，1996）。區域精密水準測量作為經典的大地測量方法，具有覆蓋面積大、精度高、歷史資料豐厚、復測周期多的特點，在監測區域地殼垂直運動變化上的作用不可或缺（蘇建鋒，薄萬舉，2016；孫啟凱等，2017a；徐東卓等，2017a）。 山西地區是中國大陸新生代斷陷盆地的主要發育區之一，也是歷史破壞性地震多發區。自1989年大同—陽高6.1級地震后，山西中北部地區距今已近30年未發生6級以上地震，距上一次7級以上地震發生則更久，中強震地震危險性背景顯著。GPS研究結果表明，汶川8.0級地震對該區域地殼形變場產生了明顯影響。劉峽等（2013）認為汶川地震前區域呈相對均一的北西向拉張，震后以構造擠壓為主，南端為強烈拉張。汶川地震對太原盆地構造應力場的影響顯著，應力場的方向和應力值的大小均發生了變化（張淑亮等，2017）。

研究山西中北部地區現今地殼垂直形變的時空演化特征以及汶川地震對該區域地殼垂直運動的影響，有助于分析華北地區新生代構造最新活動特征、巖石圈動力過程與地震活動的關系。本文整理了山西中北部地區2006和2015共2期一等精密水準測量資料，利用經典動態平差方法，得出并分析了現今區域地殼垂直形變時空演化特征，對比研究了汶川地震前后的地殼形變，并對該地區未來地震危險性給出一定推測。

1 地質背景及資料概況

山西地區位于華北克拉通內部的鄂爾多斯地塊東緣，地震活動強烈且頻繁的山西地震帶縱貫全境，山西斷陷帶作為山西地震帶的主體由一系列狹長而不對稱的盆地組成，整體呈北東至北東東走向，右行斜列，是典型的“S型”或“多字型”構造體系（武烈等，1993）。其中，山西中北部地區主要包括延懷盆地、大同盆地、忻定盆地、太原盆地等，各盆地之間以橫向隆起相隔（圖1）。山西斷陷帶晚第四紀以來構造活動強烈，控盆的主邊界斷裂活動顯著，兩側垂直差異運動強烈，地形地貌高差較大（鄧起東等，2002；王秀文等，2010；王同慶等，2017）。山西斷陷帶歷史地震活動強烈，有記載以來共發生過10次7級以上地震，其中包括1303年洪洞8.0級地震、1556年華縣8.0級地震和1695年臨汾8.0級地震。

本文共使用2期精密水準數據進行處理和分析，第1期主要在2006年完成，第2期主要在2015年完成，水準路線共形成多個閉合環，覆蓋了晉中—陽泉以北的山西中北部地區。使用的光學水準儀、電子水準儀以及配套的銦瓦水準標尺和尺臺檢驗項目齊全，各項限差均符合相關規范要求，施測過程嚴格按照相關規范執行。

2 資料處理及分析

首先對2006期和2015期一等水準資料進行先期處理，再利用平差方法進行數據處理。主要采用分段動態線性速率模型（黃立人，匡紹君，2000），平差計算2期時間尺度內的地殼垂直形變速率，以穩定的基巖水準點作為參考基準，平差最終結果顯示單位權中誤差1.0 mm左右，效果優良。然后對平差得到的結果進行梳理，剔除單個量級過大或與相鄰點差異過大的突跳點。采用多面函數法對最終處理結果進行格網化，并計算每個格網點的梯度模值（孫啟凱等，2017b；徐東卓等，2017b），繪制出垂直形變速率等值線圖與梯度圖。

由計算得出的研究區域垂直形變速率結果可知，山西中北部地區表現出斷陷盆地下沉，斷陷帶兩側斷塊山地隆升的特征。其中，由一系列盆地組成的南北向展布的山西斷陷帶北段整體呈現出下沉特點，其兩側的太行山和呂梁山斷塊多顯示為隆升（圖2a）。汶川地震前后2期水準測量數據的解算結果與前期資料相較，結果顯示，汶川地震前后區域地殼運動表現為拉張伸展減弱，擠壓縮短增強。具體結果如下：

（1）太行斷塊和呂梁斷塊表現出大范圍差異性隆升。太行斷塊整體隆升速率2～6 mm/a，同時也存在差異性，其北部速率為2～5 mm/a，其南部速率為3～6 mm/a；呂梁斷塊整體隆升速率為2～8 mm/a。王敏（2009）利用自主導出的62個IGS站的位置與速率為基準，通過14參數的相似變換將處理獲得的綜合松弛解轉換到IGS05框架，由此獲得了中國大陸及周邊地區GPS點的垂直運動速率，其中分別位于太行斷塊和呂梁斷塊的JB01和JB07的垂直運動速率分別為（5.0±1.9）mm/a和（4.2±1.6）mm/a，與本文結果基本吻合。研究區域受太平洋板塊和印度板塊相對于亞歐板塊的俯沖推擠作用，深部地幔物質上涌，造成裂谷體系的斷陷帶顯著下沉，重力均衡作用下，也造成兩側地殼形變上升，形成現今盆山組合的構造樣式。

（2）山西斷陷盆地主要表現出下沉特征。其中，表現為下沉的區域主要有呼包盆地、大同盆地、陽原—蔚縣盆地、太原盆地和石家莊—定州所在的華北平原區。呼包盆地的沉降速率為-3～-5 mm/a，成因是鄂爾多斯地塊旋轉造成了周緣拉伸走滑，形成一系列裂陷盆地，并受不斷俯沖推擠的印度板塊和太平洋板塊的互相作用，持續下陷。大同盆地沉降年變速率為-3～-10 mm/a，與瞿偉等（2013）利用區域內GPS數據解算得出的-10.8 mm/a的下沉速率吻合，陽原—蔚縣盆地沉降速率為-3～-8 mm/a，太原盆地沉降速率為-2～-6 mm/a，總體特征與地質背景一致。受整體性的拉張運動影響，由多個盆地構成的山西斷陷帶垂直形變呈現出晚第四紀以來的繼承性下沉運動。并且，全新世的沉降速率大于歷史各期，其量值為1～3 mm/a（武烈等，1993）。這一特征與地球物理資料所揭示的斷陷盆地深部地幔物質上涌造成莫霍面局部上隆的結果一致（吳乾蕃等，1991；張崇立，1993；陳兆輝等，2018）。盆地周緣布設的多處跨斷層短水準測量也顯示出斷陷盆地下沉運動（李臘月等，2014）。忻定盆地表現為隆升特征，上升速率為2～5 mm/a，表現出了異于地質背景的特點，原因有待分析。另外，斷陷盆地和華北平原區人口密度高，人類活動過多抽取地下水也加劇了地面沉降。

（3）汶川地震前后兩期資料顯示，區域地殼運動整體表現為拉張伸展減弱，擠壓縮短增強。1985—2006年2期水準測量結果顯示呂梁斷塊的隆升速率為1～3 mm/a，中部斷陷盆地的沉降下陷速率為-4～-20 mm/a，太行斷塊具有差異性隆升和下降特點（塔拉等，2014），顯示區域整體性拉張運動強烈。最新2期資料結果顯示盆地沉降速率減小，伸展運動放緩，斷塊山地隆升速率上升，擠壓運動增強。汶川地震前后的GPS結果也顯示震前區域地殼形變以拉張為主，震后伸展運動減弱、縮短增強。可見汶川地震后，受到大規模地球動力學變化影響，鄂爾多斯地塊與華北平原相對擠壓和剪切運動增強，導致山西地區地殼形變演化表現為拉張減弱、擠壓增強。

（4）在研究區域北部的大同—化稍營、呼和浩特附近和南部的榆次—石家莊一帶，存在地殼垂直形變速率的高梯度帶（圖2b）。由大面積水準計算得出的形變高梯度帶在指示7級以上強震發生區域上，具有歷史有效性，應重點關注該區域中強震地震危險性。

3 討論

受印度板塊北東向應力和太平洋板塊北西-西向應力疊加作用影響，地球內部的熱能改變了物質的相態，并破壞地球內部的重力均衡，從而引發上地幔的底辟和對流運動，造成了盆地伸展讓位，山脈隨盆地發育而上隆，兩大構造應力對華北盆地區地殼的隆起與凹陷的塑造起重要作用（武烈等，1993；張學民等，2012）。關于山西斷陷帶盆地和兩側斷塊的深部動力學形成機制，有過許多研究（張崇立，1993；王秀文等，2010；塔拉等，2014）。筆者認為山西地區東部受到太平洋板塊向亞歐板塊的俯沖，深部熱物質上升導致伸展，西部受到印度板塊向亞歐板塊的拼合推擠，二者的共同作用使得剛性的鄂爾多斯斷塊發生旋轉，斷塊周緣一系列深大斷裂形成。隨著構造運動持續，以深大斷裂為中心開始發育斷陷盆地，同構造運動下兩側斷塊山地開始隆升，同時受南北兩端橫向的秦嶺構造帶和燕山構造帶的牽制作用，斷陷帶呈現出“S”型展布。斷陷裂谷帶形成后，地殼重力均衡狀態被打破，深部板塊俯沖形成的地幔熱物質沿構造薄弱的斷裂帶上拱，斷陷作用和兩側斷塊隆升的差異性運動繼續加強，并在全新世后更加顯著。山西中北部地區現今斷陷帶盆地下沉和太行斷塊、呂梁斷塊隆升，均為繼承性運動，應為上述地球動力學背景下的結果。

地震的孕育、發生和發展過程中，由于地殼深部構造的復雜性和介質的不均一性，會在某些區域出現明顯的形變異常，同時震前一定范圍內或某些特殊部位也會出現垂直形變的顯著異常變化（張祖勝等，1996；薄萬舉等，1998）。大同—陽高6.1級地震前研究區垂直形變特征顯示地殼垂直形變速率加大，特別是盆山交界地帶或者與橫向構造帶交匯部位出現形變量增大的現象，說明邊界斷裂的構造活動增強，同時垂直形變速率等值線的方向性和梯度帶明顯，四象限特征突出（王秀文等，2010）。1998年張北6.2級地震前，區域內出現垂直形變條帶。山西及鄰近地區在經歷了大同—陽高2次中強震后，區域垂直形變出現了明顯大面積升降變化，受區域構造控制作用明顯，升降變化交界部位往往形成梯度帶，說明時段內地殼差異運動顯著，是構造應力加強和集中的反映（李臘月等，2014）。據震例統計，如忻定盆地和臨汾盆地內分別發生過3次7級以上和2次8級地震，山西地區中強震多發生在活動斷陷沉降區，隆升區相對較少，說明中強震的發生明顯受北東向斷陷帶的活動斷裂控制，也與盆地深部地幔物質上涌造成的沉降活動存在聯系。通過汶川地震前后的2期資料結果可知，區域地殼垂直形變整體發生構造運動改變，震前區域地殼運動表現為顯著拉張特點，震后張性減弱，壓性增強。綜合可知，區域中強震前的地殼垂直形變特征主要表現為特殊區域地殼垂直形變速率加大，出現垂直形變高梯度帶和垂直形變速率四象限分布；發震位置多位于斷陷盆地和橫向隆起構造帶的交匯區域、盆山交界差異垂直運動強烈區域以及受地幔物質上拱引發的強烈沉降區域。

在地震預測研究中，利用大面積精密水準資料得出的地殼形變梯度帶分析7級以上強震發震地點具有一定準確性（張祖勝等，1996）。通過震例分析發現，強震基本上都發生在區域形變速率圖和梯度圖上所顯示的曲線密集、梯度較高的地區。由最新水準資料分析可知，大同—化稍營、呼和浩特和榆次—石家莊一帶區域存在地殼垂直形變高梯度帶，對未來7級以上地震有重要指示意義。利用GPS數據進行數值模擬分析，結果顯示汶川地震后山西地區的構造應力場顯示出較大轉變，有利于局部應力和能量積累，存在區域強震孕育、發生的可能（劉峽等，2013）。張希等（2013）利用GPS水平運動速度場資料，借助負位錯反演，研究了全國主要構造區的能量積累閉鎖段，得出山西北部晉冀蒙交界區域應變積累顯著，存在強震危險性背景。利用綜合物探方法對山西地區的地殼結構和強震時的地球物理場特征進行了研究，得出山西隆起區莫霍面平均深度40 km，康氏面平均深度26 km，在太行山西側存在南北走向的重力梯度帶，未來具備強震發生的有利條件（武烈等，1993）。

4 結論

本文利用山西中北部地區2006期和2015期一等精密水準測量資料，利用經典動態平差方法，對區域地殼垂直運動變化特征進行了研究，并探討了汶川地震對區域地殼形變場的影響。結果表明：

（1）山西中北部地區整體表現為斷塊山地隆升，裂陷盆地下沉的特點。呂梁斷塊和太行斷塊表現為繼承性的隆升，局部存在差異性。前者活動速率為2～8 mm/a，后者活動速率為2～6 mm/a；山西斷陷帶的系列盆地表現出相對下沉，沉降速率為-3～-10 mm/a；

（2）汶川地震前后，區域地殼垂直運動形變場發生了變化。震前區域地殼運動表現為顯著拉張特點，震后張性減弱，壓性增強；

（3）大同—化稍營、呼和浩特和榆次—石家莊一帶存在地殼垂直形變高梯度帶，中長期尺度上存在地震危險性背景。

參考文獻：

薄萬舉，謝覺民，郭良遷.1998.八寶山斷裂帶形變分析與探討[J].地震，18（1）：63-68.

陳兆輝，王椿鏞，樓海.2018.鄂爾多斯地塊地殼上地幔速度結構及構造意義[J].科學通報，63（3）：327-339.

鄧起東，張培震，冉勇康，等.2002.中國活動構造基本特征[J].中國科學：地球科學，32（12）：1020-1030.

黃立人，匡紹君.2000.論地面垂直變形監測中應用GPS技術的可能性[J].大地測量與地球動力學，20（1）：30-37.

李臘月，許明元，何慶龍，等.2014.山西斷裂帶斷層現今活動特征及與中強震關系淺析[J].地震，34（4）：143-151.

劉峽，馬瑾，占偉，等.2013.汶川地震前后山西斷陷帶的地殼運動[J].大地測量與地球動力學，33（3）：5-10.

蘇建鋒，薄萬舉.2016.高噪聲背景下GNSS垂向分量應用探討[J].地震，36（1）：105-116.

孫啟凱，池國民，徐東卓.2017a.首都圈地區地殼垂直形變特征及剖面分析[J].大地測量與地球動力學，37（5）：497-501.

孫啟凱，池國民，暢柳，等.2017b.遼寧地區地殼垂直形變特征與地震危險性分析[J].地震學報，39（6）：891-898，975.

塔拉，陳阜超，周海濤，等.2014.山西地區現代地殼垂直運動研究[J].大地測量與地球動力學，34（1）：32-37.

王敏.2009.GPS觀測結果的精化分析與中國大陸現今地殼形變場研究[D].北京：中國地震局地質研究所.

王同慶，王樹發，楊博，等.2017.基于重力和GPS的山西地區形變特征分析[J].地震研究，40（1）：101-110.

王秀文，宋美琴，楊國華，等.2010.山西地區應力場變化與地震的關系[J].地球物理學報，53（5）：1127-1133.

吳乾蕃，廉雨方，祖金華，等.1991.山西斷陷帶地熱研究[J].科學通報，36（7）：532-534.

武烈，賈寶卿，趙學普.1993.山西地震[M].北京：地震出版社.

徐東卓，焦守濤，朱傳寶，等.2017a.蘆山MS7.0地震前龍門山斷裂帶西南段區域形變特征分析及發震模型探討[J].地質學報，91（10）：2175-2184.

徐東卓，尹海權，朱傳寶，等.2017b.九寨溝7.0級地震前后地殼形變時空演化特征及相關問題的討論[J].中國地震，33（4）：549-562.

瞿偉，張勤，李振洪，等.2013.山西清徐地震縫構造活動參數反演[J].武漢大學學報（信息科學版），38（4）：421-425.

張崇立.1993.山西斷陷帶垂直形變特征及其成因初探[J].中國地震，9（4）：41-47.

張淑亮，劉瑞春，王霞.2017.汶川地震前后太原盆地應力場變化特征研究[J].中國地震，33（1）：46-55.

張希，郝明，賈鵬，等.2013.全國主要構造區GPS水平運動負位錯反演與應變積累特性[J].地震研究，36（1）：1-8.

張學民，楊文采，趙大鵬，等.2012.太行山構造帶及其以東地區上地幔地震層析成像[J].地質學報，86（3）：371-382.

張祖勝，楊國華，薄萬舉，等.1996.地殼垂直形變速率梯度、斷層形變速率變化與強震危險區研究[J].中國地震，12（4）：347-357.

Abstract Based on two periods of 2006 and 2015 first-order leveling data in central and northern Shanxi，the temporal and spatial evolution characteristics of the crustal vertical deformation was studied by using the classical dynamic adjustment method.The conclusions are as follows：①The recent overall performance in central and northern Shanxi shows uplift in the mountainous region and the subsidence in basins，which were mainly based on the inheritance movement，accompanied by differential movement.The Lvliang block and Taihang block are uplifting，with the rate of 2～8 mm/a and 2～6 mm/a，respectively.The basins in the Shanxi fault depression zone show relative subsidence and the rate is-3～-10 mm/a.②Before and after the Wenchuan earthquake，the crustal movement in the study area changed.Before the earthquake，the regional crustal movement was characterized by tension，and after the earthquake the tension became weaken and the extrusion enhanced.③There is a high gradient zone of vertical crustal deformation in the Datong-Huashaoying，Huhehaote and Yuci-Shijiazhuang region，and it shows a seismic risk background in medium and long term.

Keywords：Shanxi central and northern region；precision leveling；crustal vertical deformation；seismic risk