大同地裂縫活動與大同-陽高地震的相關性研究

史雙雙

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地裂縫屬于特殊的地殼形變，城市地裂縫能產生較為嚴重的災害。前人通過調查分析，認為大同城區多條地裂縫的發育與下伏活動斷裂密切相關，新構造活動是地裂縫形成的主要控制性因素[1-5]。因此，地裂縫的活動特征在一定程度上反映了構造應力場的變化規律，通過分析地震活動性及構造應力場特征，對于預測并揭示地裂縫活動規律也具有重要意義。大同地裂縫的發現時間及活動期次與大同地震活動性之間是否存在關聯性，該文旨在通過分析地裂縫的活動特征及階段劃分，探討其與地震活動周期之間的對應規律，驗證研究區局部應力場的變化特征，為地震預測提供參考依據。

1 地裂縫展布特征

大同市區共發育11條主要的地裂縫，集中在大同城區及南郊區(見第11頁圖1)，走向均為NE向，大部分介于35°～65°之間。地裂縫長度0.8 km～7.5 km不等，現今最長的一條為機車廠地裂縫(f1)，總長度達7.5 km；最短的一條為柴油機廠地裂縫(f11)，總長度為0.8 km。下面以大同機車廠地裂縫(f1)為例，研究其分布特征及活動規律。

大同機車廠地裂縫(f1)最早發現于1983年，當時長度約4.9 km，隨后日漸擴展。該地裂縫走向呈北東向，位于大同市區西南部原機車廠及其附近，西起十里河左岸房子村北，經電建公司機運站、大同機車廠生活區、煤田115地質隊、周家店村、振興街、開明里、安康里、大同賓館、南關水暖器材廠，結束于御河附近，現今全長約7.5 km。該地裂縫沿走向方向性較強，一般走向介于NE52°～65°之間，優勢方位為NE57°，傾向SE，傾角60°～70°，整體上西南段的活動性強于東北段。地裂縫在振興街至南關段斷續出露地表，此段延伸長度3 km左右。在空間分布上，地裂縫與大同市活動斷裂構造主體方向相同，傾角相近。淺層人工地震測線調查發現，在地下10～15 m處上下盤斷距2 m[5]。探槽剖面第11頁圖2看出，機車廠地裂縫與房子村斷裂在地表以下相互連結，該地裂縫的形成是房子村斷裂最新活動并在地表破裂的直接表現，地裂縫本身也是房子村斷裂不可或缺的一部分。同時，跨地裂縫所布設的α卡和測氡測線結果顯示，地裂縫帶上放射性氣體富集異常[5]，表明下伏斷層活動導致氣體沿裂縫帶上逸。多種證據顯示地裂縫與下伏斷裂活動直接相關，因此，認為地裂縫活動受深部構造活動控制，并且與房子村斷裂有直接關聯。

2 地裂縫形變量觀測

地形變監測是分析地裂縫發展動態及發展規律的有效手段，監測的目的主要是對地裂縫兩側地面的差異沉降幅度進行測量，判定地裂縫的活動規律及趨勢。

圖1 大同市地裂縫分布圖(據山西省地質環境監測中心(2013),有修改)Fig.1 Distribution map of ground fissures in Datong City (modified according to Shanxi Geological Environment Monitoring Center (2013))

1989年7月，機車廠在其生活區新建街八棟安裝DG-1A型靜力水準儀和SR-1型水平蠕變儀兩種形變監測儀，分別用來對機車廠地裂縫的垂直位移和水平位移進行連續觀測。其中，DG-1A型水準儀用于準確測量橫跨地裂縫南北兩側A、B基線之間的相對垂直位移,觀測精度為+0.01 mm。A、B臺基基線長度13.75 m，B、C臺基基線長度9.75 m；SR-1型水平蠕變儀是用來準確測量地面水平方向上兩點之間距離變化的一種儀器，格值0.01 mm，基線長14 m，同樣橫跨地裂縫南北兩側架設，用來測定該地裂縫在水平方向上的拉張或壓縮形變值。兩種儀器在1989-2016年期間對大同機車廠地裂縫的監測結果如第12頁表1所示。

表1的監測結果表明，自1989年有監測數據以來，機車廠地裂縫的垂直形變量總體高于同時期的水平形變量，并且二者隨著時間的推移具有一致的變化規律，即從1989年大同-陽高地震后均整體呈現下降趨勢。根據形變量的變化將機車廠地裂縫的活動劃分為三個主要階段(見第12頁圖3)：第一階段(1989-1997年)，地裂縫活動高峰期。垂直年形變量總體處于4.8 mm以上，1991年達到最大值11.1 mm，水平年形變量總體處于1.9 mm以上，1994年達到最大值4.4 mm；第二階段(1998-2011年)，地裂縫活動減弱期。該時期的形變量相對第一階段均呈現減弱趨勢，除少數年份外，垂直年形變量基本處于5.0 mm以下，水平年形變量處于2.0 mm以下；第三階段(2012年至今)，地裂縫活動壓縮期。該階段地裂縫基本趨于平穩，活動量極小，甚至基本不活動。垂直年活動量小于0.5 mm，水平年活動量除2015年以外，大部分為負值，表明地裂縫在水平方向上呈現壓縮趨勢，不再處于拉張期。

圖2 房子村北探槽剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of profile of north exploration trench of Fangzicun

綜上所述，大同機車廠地裂縫活動有如下規律：第一階段劇烈拉張期，垂向斷陷及水平拉伸幅度均較為強烈；第二階段為拉張期，相比第一階段，垂向活動和水平活動均有所減弱；第三階段為壓縮期，垂向位移微弱或基本穩定，水平方向表現為壓縮狀態。2012年之后，基本穩定，不再活動。

3 地裂縫活動與大同-陽高地震序列的相關性

(1) 歷史地震活動性特征。

歷史上大同盆地曾發生過多次中強地震。據記載，自公元1000年至今，大同地區M≥5.0地震共有15次[6]。1989年大同—陽高ML6.1地震發生之前，大同盆地近300年來為地震相對平靜期；1989年地震發生之后，出現一個新的地震活躍期。1981年豐鎮M5.8地震后，大同地區小震活動明顯增多，至1989年活動達到高峰期，1991年仍保持高峰狀態。從時序列圖上看出(見圖4)，自公元1000年開始，呈現地震平靜期與活躍期交替的特征，隨著時間推移出現能量不均勻釋放。自公元1000年以來，大同盆地可明顯識別出四個地震活躍期，與華北地區地震活躍期的劃分時段保持高度的一致性。

表1 大同機車廠地裂縫水平和垂直形變量Table 1 Horizontal and vertical deformation variables of ground cracks in Datong Locomotive Factory

圖3 1990年-2016年大同機車廠地裂縫年垂直與水平形變量Fig.3 Annual vertical and horizontal deformation variables of ground fissures in Datong Locomotive Factory from 1990 to 2016

圖4 山西大同盆地M≥5歷史地震時序列圖Fig.4 Time series of M≥5 historical earthquakes in Datong Basin, Shanxi Province

研究顯示，自1981年開始，大同及鄰區的地震活動發生改變，從以東西向為主轉為以NE-NEE向活動為主[5]，說明區域應力場的作用方式可能發生了變化。NE-NEE向的構造開始活動，與機車廠地裂縫出現的時間一致，進一步印證了大同機車廠地裂縫活動的主控因素是構造作用。

大同-陽高地區自1989年10月19日發生ML6.1地震以來，其后30余年內共經歷3次5.0級以上地震的活動序列(見圖3)：第一次是1991年3月26日至4月30日的5.8級強余震序列；第二次是1999年11月1日至12月31日的5.6級強余震序列；第三次是2010年4月4日山西大同5.0級地震序列。另外，在此期間還出現3次4.0級地震活動序列，分別為2000年11月5日至14日的4.5級、2002年10月11日至23日的4.0級和2013年2月22日的4.1級地震序列。

(2) 地裂縫活動的力學機制解析。

根據前人的研究[7-10]，對大同盆地M≥4.0地震的P波初動解進行分析發現，大同盆地的局部應力場在1989年大同-陽高ML6.1地震前后出現較為明顯的改變。該次地震之前，M4.0～5.0地震的P波初動解一致性較差；之后，3次M5.0以上地震序列顯示出較好的一致性，但是6.1級地震的震源機制解結果發生順時針方向的偏轉，表明大同-陽高地震群發生在主要構造線由NE向NEE轉折部位，震源應力場相對來說比較復雜。

通過對山西大同-陽高地震序列中M≥5.0地震進行小震的單臺、多臺綜合斷面解計算及P波初動解、余震的震源機制解分析，顯示大同-陽高地震的震源應力場有如下特征：主張應力軸平均取向約140°,主壓應力軸平均方向約50°,基本保持水平方向,應力場以水平作用為主；2條地震節面的一條方向為NNE,另一條為NWW,性質均為高角度正斷,震源錯動性質為走滑[11-13]。

在區域構造應力場北東向最大主壓應力作用下，走向優勢方位NE57°的房子村斷裂出現以張裂為主，兼有左旋扭動是必然結果。機車廠地裂縫正是在這一構造應力場的作用下，通過房子村斷裂的活動，形成地表張裂兼水平左旋扭動的地裂縫帶。因此，機車廠地裂縫是一條張扭性地裂縫。探槽剖面揭示機車廠地裂縫在斷層上盤以分支構造的形式收斂于房子村斷裂的主破裂面上，越接近于主破裂面地裂縫寬度越大，表明地裂縫是自下至上逐漸擴展發育，其成因機制與房子村斷裂的力學機制相同(見圖5)。原有斷層上盤在水平張應力的作用下，同時受到上部土體的重力作用，自下而上逐步生長與擴展，最初從底部開始出現破裂并逐步延伸至地表，發展形成機車廠地裂縫的主縫，與此同時，在地裂縫上盤形成次級裂縫，并與主裂縫相傾而生。這一力學過程與實際發育的機車廠地裂縫剖面特征完全吻合。

圖5 機車廠地裂縫成因機制力學解析Fig.5 Analysis on the mechanism of causes of ground cracks in Locomotive Factory

4 討論與結論

時間上，大同地區地震活動在1989年達到高峰，1991年高峰仍然保持，對照大同市地裂縫的發現時間，即先后出現于1983至1984年和1989至1992年期間，僅比地震活動序列高峰晚1～3 a，可見地震活動階段與大同地裂縫活動大致相對應。

為進一步研究大同地裂縫的形變量與大同-陽高地震的相關性，將有地裂縫監測數據以來，大同陽高地區發生的4.0級以上地震投影至年形變量曲線中(見圖3)。由圖3看出，大同—陽高地區3次5.0級以上的地震活動高潮階段，分別對應機車廠地裂縫活動的前兩個階段：1991年大同-陽高M5.8地震對應地裂縫活動的劇烈拉張期；1999年大同-陽高M5.6地震和2010年山西大同ML5.0地震，對應地裂縫活動的拉張期。即，地震活動強烈時期對應地裂縫活動的劇烈拉張期和拉張期。

大同市城市地裂縫自1983年開始出現以來，經歷三個高形變期，與大同-陽高的3次5.0級地震和3次4.0級震群相對應，3次高潮活動釋放大部分應變能，3次4.0級地震序列活動釋放總應變能的極小一部分，至此，大同-陽高地區的地震應變能已消失殆盡。從形變曲線看出其形變量也基本趨于平穩，若干年內地裂縫將保持平靜。

綜上所述，大同機車廠地裂縫的出現是該地區地殼構造應力場變化所致，其活動主要受構造作用的控制，活動規律及活動期次是大同斷陷盆地內地殼能量的積累-釋放的體現。大同機車廠地裂縫形變量的變化與大同-陽高地區地震有著一定的對應關系，機車廠地裂縫形變量的2次拉張期與3次地震高潮活動期相對應。

大同機車廠地裂縫先于1989年大同-陽高地震出現，表明大同地區通過地裂縫的活動先期釋放應變能，地裂縫的活動可能為1989年大同-陽高ML6.1地震的宏觀異?；虻卣鹎罢住Ｒ虼耍瑢嬙斓亓芽p的持續監測或可作為中-長期地震預報的一種參考手段。