张北6.2级地震前断层活动特征研究

彭丽娟，陆明勇，王秀文

（1.山西省大同中心地震台，大同 037008；2.中国地震应急搜救中心，北京 100049；3.山西省地震局，太原 030021）

张北6.2级地震前断层活动特征研究

彭丽娟1，陆明勇2，王秀文3

（1.山西省大同中心地震台，大同 037008；2.中国地震应急搜救中心，北京 100049；3.山西省地震局，太原 030021）

运用变化率分析了张北6.2级地震前山西地区跨断层流动短水准资料变化特征，发现：在张北6.2级地震孕育过程中，特别是地震孕育中短期阶段，断层活动存在明显的异常变化且一致性好，主要表现为：①断层异常活动集中在震前3.5～0.5年且存在阶段性，断层异常恢复后发生地震；②断层异常活动性质发生剧烈快速的变化，离地震发生越近断层异常活动幅度越大、变化率越快；③山西地区跨断层流动水准异常特别是前中短期异常变化主要集中在山西带的北部地区，范围主要集中在震中周围500k m左右范围内。

跨断层流动短水准；张北地震；断层异常活动特征

0 引言

地形变观测是利用大地测量的有关理论与方法，以较高的精度获得我国大陆地壳运动与变形的信息，其中最具有我国特点的，就是跨断层形变测量，跨断层形变测量可以分为水平形变测量和垂直形变测量，即基线测量和水准测量；另外，跨断层形变测量在时间上填补了大面积形变复测周期过长的空档，而在空间上弥补了形变台站覆盖面不足的缺陷［1－2］。目前山西地区跨断层流动形变只有短水准，共有10个监测场地，主要监控大同盆地、忻定盆地、临汾盆地和运城盆地的地壳形变活动，已积累了一批连续可靠、精度高、有价值的监测资料，在地震预测研究、地质探测、地球运动学和地球动力学研究中发挥了作用，如1989年大同6.1级地震、1998年张北6.2级地震等均有明显的中短期形变前兆［3－10］。因此，很多专家很早就对山西地区跨断层流动短水准或多或少地进行了研究［5－9］；但专门研究1998年张北6.2级地震前山西地区跨断层流动短水准异常变化特征甚少，为此我们收集了山西地区跨断层流动短水准资料，通过分析水准资料在张北地震前的异常来获取断层异常变化特征，以期对强震特别是华北地区强震预测有所裨益。

1 监测情况

山西地区地震地质构造是新构造运动形成的，山西地震地质构造特征可概括为两个断块隆起区和一个断陷带，即东部太行山断块隆起区、西部吕梁山断块隆起区和自北而南纵贯山西中部的断陷带［11］。山西东部是太行山断块隆起区，新生代以来一直整体隆起，内部新构造分异弱，活动断裂不甚发育；山西西部是吕梁山断块隆起区，该隆起区的新构造特征与太行山断块隆起区基本相同，新构造分异比太行山隆起区还弱；山西断陷带的主体是断陷盆地，简称“盆地”，盆地自形成以来一直断陷沉降，断陷沉降最大达5600m，一般2000～3000m左右，是断陷带新构造运动最强烈的新构造单元，强烈的断陷沉降是山西断陷带作为强地震活动带的新构造运动背景条件，活动断裂主要为继承性张性活动［11］。所以，山西地区的跨断层流动短水准主要布设在山西断陷带上（图1）。

山西省跨断层流动短水准观测场地始于20世纪70年代初期［11］。1976—1983年期间，相继选建了跨系舟山断裂的定襄茶房口监测场地和眉音口监测场地、跨罗云山断裂的临汾峪里监测场地、跨霍山山前断裂的广胜寺监测场地、跨唐河断裂的浑源下达枝监测场地、跨恒山北麓断裂的应县大石口监测场地线、跨口泉断裂的怀仁小磨监测场地、跨中条山北麓断裂的永济风柏峪监测场地、跨五台山山前断裂的停旨头监测场地等9个跨断层流动短水准监测场地；1999年1月夏县南山底定点水准观测改为跨中条山断裂的夏县南山底跨断层流动短水准监测场地。山西地区跨断层流动形变短水准所跨断裂按走向分为北北东、北东、北东东向3组，断裂的长度多在100k m以上，为高倾角正断层；断裂运动北北东向以右旋走滑为主，兼有正倾滑；北东向以正倾滑为主，兼有右旋走滑；北东东向为正倾滑。断裂的最新活动时代为全新世，盆地边界断裂活动控制盆地的形成与发育［11］。山西地区跨断层流动形变短水准使用的测量仪器为K o n i 007和N i 002A，监测场地正常情况下每2月观测1次，如遇震情需要则进行加测。

图1 山西地区跨断层流动短水准监测场地及张北地震震中分布图

2 断层异常活动特征

在山西地区跨断层流动短水准测量中，由于夏县南山底跨断层流动短水准是1999年改建而成的，其资料时间短，未参加本文分析。本文使用其他9个跨断层流动短水准监测场地的观测资料分析在1998年张北6.2级地震前跨断层流动短水准异常变化特征。地震前兆是地震孕育过程中发生的互为因果关系的、地壳内部发生的物理化学变化，而地震前兆变化具有一致性，即各种异常变化的协调性和群体性［12］，它是成功预测地震的关键因素。所以，在资料分析过程中注重一致性异常变化特征的获取，并就断层活动进行分析，而对于诸如异常时间特征、异常幅度等与震中距的关系，本文不作分析，其原因是：异常样本比较少，分析结果可信度有待考证，同时从表1中也看不出有何比较一致的特征存在。

从图2、图3和表1可知，在1998年张北6.2级地震前山西地区9个跨断层流动短水准监测场地中，有5个监测场地观测资料存在明显异常变化，即茶房口、小磨、浑源下达枝、眉音口、应县等，下面通过分析跨断层流动短水准异常变化获取张北地震前断层活动异常特征。

图2 山西地区跨断层流动短水准曲线图

2.1 断层异常活动时间特征

图3为张北6.2级地震前山西地区跨断层流动短水准异常曲线变化图，表2为张北6.2级地震前山西地区跨断层流动短水准异常变化特征表，由图3、表1可以看出：山西地区跨断层流动短水准在张北地震前的异常变化时间十分集中，异常开始时间集中在1994年8—10月，结束时间为1997年4—8月，持续时间最长达3年；其中1994年8月有3个监测场地出现异常，占60%，异常持续时间主要集中在1994年10月—1997年4月。进一步对异常持续时间进行分析发现：在断层异常活动持续长达3年的时间里，5个监测场地除眉音口监测场地所反映的断层异常活动不能根据异常变化形态把断层异常活动分阶段外，其余4个监测场地所反映的断层异常活动可以分为2个阶段，即：第1阶段断层异常活动时间为1994年8—10月开始，1995年4—8月结束，持续时间1年，第2阶段断层异常活动时间为1995年12月—1996年4月开始、1997年4—8月结束、持续时间1.5年。两个阶段持续时间均在1年多，其中第2阶段断层异常活动时间比第1阶段稍长一点；异常形态均为大幅度的张性变化，即上升变化后恢复，但第2阶段比第1阶段断层异常幅度大、变化速率快。

2.2 断层异常活动幅度特征

虽然山西地区在1998年张北6.2级地震前有9个跨断层流动短水准监测场地，但在地震前各监测场地资料变化特征不同，有明显异常变化的有5个监测场地，即茶房口21水准、小磨21水准、浑源下达枝21水准等，占55.56%，其余4个监测场地观测资料异常变化特别是震前中短期异常变化不明显（图2、图3、表1）。在5个监测场地资料变化中，异常表现为突变性大幅度变化，幅度达3.05mm以上，最大异常变化场地为小磨监测场地，变化幅度达19.18mm（表1）。

为了更好地分析两阶段异常变化幅度、变化率等特征，避免不同断层在正常情况下活动程度不同的情况，我们使用异常变化率指标，即地震前某异常阶段出现的最大异常变化幅度／地震前一段时间里未出现异常变化的最大变化幅度，来分析变化幅度特征，该指标可以较好反映断层活动异常变化程度。由于眉音口监测场地所反映的断层异常活动不能分为2个异常阶段，表1里第2异常阶段中的异常最大幅度和异常变化率分别为整个异常变化过程中异常最大幅度和变化率。表1显示：在第1异常阶段，异常变化幅度、变化率分别为7.53mm、453%的应县监测场地为最大，浑源监测场地异常变化1.85mm为最小、小磨监测场地异常变化率111%为最小；在第2异常阶段，小磨监测场地变化19.18mm为异常变化幅度最大监测场地、浑源监测场地异常变化3.05mm为最小，应县监测场地变化650%为异常变化率最大、浑源监测场地异常变化301%为最小；第2异常阶段中的异常最大幅度和异常变化率分别大于各自监测场地的第1异常阶段中的异常最大幅度和异常变化率，即使最小的应县监测场地第2异常阶段中的最大异常变化（幅度或变化率）也是第1异常阶段中的最大异常变化（幅度或变化率）的1.43倍，第2异常阶段中的最大异常变化（幅度或变化率）是第1异常阶段中的最大异常变化（幅度或变化率）的4.5倍的小磨监测场地的为最大。所以，实际上整个异常变化监测场地第2异常阶段中的异常最大幅度和异常变化率均为各自监测场地整个异常变化过程中异常最大幅度和变化率，从整个异常变化过程来看，在5个监测场地异常变化中，异常变化率均超出各自正常情况最大变化幅度的300%以上，异常变化率最大的监测场地为应县跨断层流动水准监测场地，达到650%。从监测场地最大变化幅度与变化率的关系分析看，无论是在整个异常变化过程中，还是在2个阶段的异常变化中，监测场地变化幅度大，但异常变化率不一定大，如小磨监测场地变化幅度为最大，但异常变化率500%不是最大的；反之监测场地变化幅度小，但异常变化率不一定小。

2.3 断层异常活动性质特征

众所周知，跨断层流动短水准监测断层垂直变化信息，跨断层流动短水准变化反映了断层张压活动变化。跨断层流动短水准曲线向上表示断层张性变化、向下表示断层压性变化。图2显示，断层的大幅度异常变化主要为在继承性的基础上表现为大幅度上升变化即张性变化，然后又大幅度的下降变化即压性活动，地震发生在整个异常恢复过程后。具体从断层异常活动的2个阶段看，断层异常活动第1个阶段从1994年8—10月开始大幅度上升变化，幅度为1.85～4.26mm，变化率为正常情况下的111%～453%，之后到1995年4—8月断层活动大幅度下降变化；断层异常活动第2个阶段从1995年12月—1996年4月开始大幅度上升变化，幅度达3.05～19.18mm、变化率为正常情况下的301%～650%，之后到1997年4—8月大幅度下降变化。所以，无论从断层活动异常幅度、还是变化率，第2阶段均大于第2阶段，即越到地震发生前的异常阶段断层活动异常幅度、变化率越大。

因此，在1998年张北6.2级地震前，跨断层短水准资料显示断层出现不稳定的变化、张压性活动幅度大且剧烈，越是到地震发生前断层活动异常幅度、变化率越大，表明在地震前一段时间断层活动性质发生明显地快速变化且越来越剧烈。

图3 张北6.2级地震前山西地区跨断层流动短水准异常曲线变化图

2.4 断层异常活动范围特征

将图1、图2、图3和表1结合起来发现：张北地震前山西地区跨断层流动水准异常特别是震前中短期异常变化主要集中在山西带的北部地区，北部6个跨断层流动短水准监测场地除跨五台山山前断裂的停旨头监测场地未有异常变化外，其余5个监测场地均有明显的异常变化、占83.33%；而分布于山西带中南部地区的3个跨断层流动短水准监测场地却未有异常变化。据此推测，张北地震孕震过程中特别是中短期阶段所引起的应力场变化为500km左右范围，因为跨断层流动短水准异常变化监测场地最大距离张北地震的监测场地为眉音口监测场地，其距离为321km；而跨断层流动短水准未出现异常变化最小距离张北地震的监测场地为广胜寺监测场地，距离为500km左右。因此，张北地震孕震过程中所引起的应力场变化跨断层流动短水准监测场地可以监测到，在中短期阶段所引起的应力场变化为500km左右范围内，该范围内断层异常活动变化比较集中且一致性好。

表1 张北6.2级地震前山西地区跨断层流动短水准异常变化特征表

3 结语

1998年张北6.2级地震前山西地区9个跨断层流动短水准监测场地中，山西北部地区离张北地震较近的5个监测场地观测资料存在明显异常变化，显示断层有明显的异常活动，而离其较远的山西中南部地区监测场地观测资料未存在明显异常变化。通过分析跨断层流动短水准资料在张北地震前的异常变化可以获取以下断层异常活动变化特征：

（1）山西地区在1998年张北6.2级地震前有9个跨断层流动短水准监测场地，但在地震前其北部地区有5个监测场地有出现明显异常变化，占整个监测场地的55.56%。断层异常活动时间可以分为2个阶段，即第1阶段断层异常活动时间为1994年8—10月开始，1995年4—8月结束，持续时间1年；第2阶段断层异常活动时间为1995年12月—1996年4月开始，1997年4—8月结束，持续时间1.5年。

（2）在5个监测场地资料变化中，异常表现为突变性大幅度的变化，幅度达3.05mm以上，最大异常变化场地为小磨监测场地，变化幅度达19.18mm；第2异常阶段中的异常最大幅度和异常变化率分别大于各自监测场地的第1异常阶段中的异常最大幅度和异常变化率，最小1.43倍、最大4.5倍，表明越到地震发生前断层异常活动幅度和异常变化率越来越大。

（3）在1998年张北6.2级地震前，跨断层短水准资料显示断层出现不稳定的变化，断层活动性质变化快、幅度大，即张压性活动幅度大且剧烈，越到地震发生前断层活动异常幅度、变化率越大，表明在地震前一段时间断层活动性质发生明显地快速变化且越来越剧烈。

（4）张北地震前山西地区跨断层流动水准异常特别是震前中短期异常变化主要集中在山西带的北部地区，异常占83.33%；而分布于山西带中南部地区的3个跨断层流动短水准监测场地却未有异常变化。张北地震孕震过程中特别是在中短期阶段所引起的应力场变化为500km左右范围内，该范围内断层异常活动变化比较集中且一致性好。

（5）强地震的孕育是一个大范围、长时间的过程，在地震预测过程中特别是强震预测过程中应该跟踪断层活动的一致性异常变化即时间、地点、幅度等方面的一致性异常变化，不要过于关注单一异常变化。跨断层流动短水准监测场地可以监测到强地震孕育过程中断层异常活动所反映的信息，山西地区跨断层流动短水准所反映的断层活动在张北地震前的异常变化就说明了这一点。

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Study on Fault Activity before Zhangbei Ms6.2Earthquake Using Shanxi Mobile Cross－fault Short－level Data

PENG Li－juan1，LU Ming－yong2，WANG Xiu－wen3
（1.Datong Cental Seismic Station，Datong 037008，Shanxi，China；2.National Earthquake Response Support Service，Beijing 100049，China；3.Earthquake Administration of Shanxi Prouince，Taiyuan 030021，China）

In this paper，the mobile cross-fault short level data before Zhangbei 6.2earthquake in Shanxi Province is analyzed；the results indicate that there are obvious fault activity anomalies during the preparation period of Zhangbei 6.2earthquake，especially in the medium and short term period of the earthquake preparation.These anomalies are consistent with each other and have following characteristics.（1）The fault activity anomalies are concentrated in 0.5－3.5years just before the earthquakes.（2）The amplitude of the anomalies become bigger as the origin time comes near.（3）Shanxi abnormal cross-fault current levels，especially in the short-term anomalies before earthquakes mainly concentrated in Shanxi Province with the northern region，mainly in the range of about 500km range around the epicenter.

mobile cross-fault short level；Zhangbei Ms6.2earthquake；activity characteristics of fault

P315.72

A

1003－1375（2012）01－0054－05

2011-03-17

中国地震局监测预报司项目“首都圈地区跨断层流动形变监测场地技术评价与观测资料映震效能及监测网优化研究”

彭丽娟（1976－），女（汉族），山西大同人，助理工程师，主要从事地震前兆、震情监测、地震活动性等研究.

E-mail：lijuan 8863＠163.com