山西带近期水平运动状态

杨 博，刘志广，占 伟，冯胜涛，杜凯夫

（中国地震局第一监测中心，天津 300180）

0 引言

山西地区是华北主要地震活动区之一，被称为山西地震带，可见人们对此区的研究监测的重视程度，并出了一批研究成果，在早期对于山西带的研究和描述，使我们对与山西带的运动变化规律有了一定的了解。为了更有效地监测和研究该区的运动特征，并进行地震预测，山西省地震局布设了GPS形变监测网，并于1996年开始施测。到2011年底已获得了十几期监测成果。本文以2002—2011年的资料为基础，初步分析这些年来各站点时序的平均运动状态；2011年3月11日，日本发生了9.0级特大地震，有关研究表明该震已对中国东部部分地区产生了影响［1］。因此山西带可能会受到某种牵连，这是我们不可忽视的，因此，本文的分析结果也包含了山西带受到的同震位移影响及震后的调整运动，同时也为其它手段的进一步分析提供了物理含义明确的运动信息。

1 资料概况和数据处理

1.1 山西带GNSS监测网

为了有效地监测山西带地壳运动和大震活动趋势，山西省地震局于1995年沿山西带两侧布设了由40个点组成的GPS监测网，其中S029点位因遭到破坏而无法获取数据，S028测站因附近开矿也已无法获得地壳运动信息，其余38个测站目前均能正常使用（但S021测站的运动相对独特，在后期的分析中也未采用）。其余点位分布和覆盖范围，跨越了山西地区南北向的主要断裂带，点位分布较为均匀，相邻点间的长度约十余公里至数十公里不等。观测点均建成高度为1.2m 的观测墩，观测墩顶部都安装了三心一致的归心盘，仪器的安置误差控制在0.5 mm 之内，每个观测点每个观测期的观测时间为四天四夜。

1.2 数据处理

由于需要获取日本“311”地震对山西地区带来的影响，但山西的测站为流动站，无法直接获取同震位移，因此只能根据王敏等人利用有限连续站计算出的日本地震远场同震位移结果进行数据解析［1］。在此选用多核函数法对位于山西地区的测站进行解析计算。多核函数法可按照使用者的需求进行解算，这里选用的表达式为：

此时dj为球面上两点间的大地线长度（单位：km），ST＝（s1，s2，…，snx），CT＝（c1，c2，…，cnx）。只要知道每个站点的准确经纬度，即可算出相应的数值，由此获得山西带的同震位移结果。

数据处理采用GAMIT（10.40）／GLOBK／QOCA 软件。为了便于参考基准的统一，并在自恰的框架下计算山西断陷带的运动结果，首先使用了中国及周边地区10余个IGS跟踪站的观测资料和中国大陆GPS连续观测资料在ITRF05框架下联合计算生成H 文件，然后用中国大陆部分GPS连续观测资料和山西带监测网的观测资料联合计算生成另一个H 文件。计算时采用IGS所提供的精密星历。在利用GAMIT 软件在较松弛约束条件下所产生的单天解算结果之后，用GLOBK 将上述连续监测网和流动监测网所生成的单天解算结果（H 文件）合并起来，并确定统一的卫星轨道模型。在此基础上用QOCA 软件计算每个测站2002—2010年间的平均运动速率。为了更好地显现测站之间的相对差异变化，最终给出了相对于区域整体无旋转基准的计算结果。

在获得2002—2010年各个站点ITRF05 框架下平均运动的基础上，依此作为背景值进行约束，进而提取2011年的偏离位移。具体计算时，为了区分同震和非同震位移，这里利用上述同震位移结果对测站位置进行修正，此外选取参考点时不选用中国东部和日本地区的站点，以最大程度地满足GAMIT／GLOBK／QOCA 对运动模型的要求，减少计算误差，并有效地获得非同震偏离位移。

2 山西带地质构造与活动背景［2－6］

自新生代以来形成并不断发展的地堑和盆地，最引人注目的是中部盆地带，如大同、忻州、太原、临汾和运城盆地等。由此向南对接而组成的地堑－裂谷系，总体呈“S”形雁行排列，长达一千多公里。其特点是：（1）地堑两侧或一侧均有山前大断裂存在，地堑内部则存在一系列与盆地边缘大断裂平行、垂直、斜交的隐伏断裂，将地堑底部基岩切成许多断块，形成地堑内部许多次一级隆起与凹陷构造；（2）各地堑在总体上均是一侧深陡，一侧浅缓的不对称箕状盆地；（3）各地堑表面高程由此向南依次变低，如大同为1 110m，向南在运城为400m；（4）部分地壳相对减薄，各地堑均有温泉分布。新构造活动最强烈的地区是地堑带断陷区，周围地区的水系格局明显受活动断裂的控制。区内多数北东向的断裂具有倾滑或斜滑的运动方式。本地历史上地震活动强烈，它们主要分布于地堑带及其两侧；但有时是震群形式集中，如太谷、平遥等震群。地震均属于壳内浅源地震。据震源机制解、地应力测量等，说明现今构造运动总体上仍然表现为北东－北东东挤压、北西拉张的应力场作用下的运动。这表明现今断裂活动继承着新生代以来的运动方式，与地堑－裂谷的形成应力状况是一致的。地震活动主要与断裂活动以及地堑－裂谷系的形成发展有密切关系，6级以上地震明显受中部地堑带控制，具体发展部位大多是断裂交汇、拐弯、端部地带。地震活动则是地壳剧烈活动、区域应力强烈作用下的产物。

3 对山西带地壳水平运动状态的初步分析

图1是2002—2010年的平均水平运动速率，不难看出，2011年以前，或者说日本宫城地震之前，山西各站运动速率一般在1.0 mm／a以内，个别站达到2.0mm／a以上，从精度评定的角度来说，满足要求，各站运动方向的一致性和规律性较差，显得有些杂乱无章。北部大同盆地表现出轻微拉张的迹象，中部太原盆地、南部临汾盆地东缘显现出沿着太谷断裂带由北到南的运动趋势，而临汾盆地西缘罗云山山前断裂表现出由南到北的运动趋势。这与地堑－裂谷的形成应力状况是一致的，表明山西带的活动仍继承着新生代的运动方式。从断层两侧相对运动来看，在2.0 mm／a的水平上较难分辨两侧之间的差异变化，这说明现今的断裂活动并不明显。

图1 2002—2010年山西水平运动场

据王敏等人［1］用GPS数据计算的日本9.0级地震远场同震位移表明，此次地震对我国东北和华北地区产生了明显的水平同震位移。本文对该结果进行了数值解析，从而获得了山西各站受到日本地震影响的水平同震位移结果（图2）。结果表明，此次地震在山西地区造成了3.4～6.3mm 的东向位移和0～1.0mm 的北向位移。同震位移矢量由南向北逐渐增大，方向近正东向。东向位移由南向北逐渐增强，北向位移由北向南也逐渐增强。由于空间上的变化近乎于线性，因此没有导致某一局部的应变积累，看不出对地震孕育有什么显著的影响。

图2 山西各站的宫城地震同震位移

如图3所示，山西南部临汾盆地和运城盆地表现为以北向为主的运动，平均位移约4～5 mm；中部太原盆地向北东向运动，平均位移约1～3 mm；北部大同盆地向北北东向运动，平均位移在3～4 mm 左右，呈现分群现象。南北运动方向的差异，可能体现了原生构造在环境应力场下发生的相应变化；从位移方向看，日本地震震后的影响在逐渐减弱。这一结果可能涉及日本地震、汶川地震以及它们各自震后调整等影响，原生构造活动相对减弱。表1中数据可以清晰地看出震前山西各个区域站的东向及北向运动速率和震后的位移大小。

图3 震后非同震偏离位移场

图4 宫城地震后各站总体位移场

表1 山西各站点运动和位移数据

图4是日本震后山西带各个站点的总体位移，代表了地震时的同震位移和震后的非同震偏离位移之和，其主要运动方向为南部临汾盆地北北东向运动，平均位移大小约为5.0～6.0 mm；中部太原盆地、北部大同盆地北东向运动，平均位移约8.0mm；整体位移大小由南到北逐渐增大，与南部相比，北部的一致性更好些，但依然符合山西带长期以来的运动方式，即表现为北东－北东东挤压，北西拉张的应力场作用下的运动。由此可知，以中部地堑带为界，南、北部之间有着一定的变化差异。

4 讨论与结语

综上所述：山西断裂带的地质活动，一直继承着新生代以来的运动方式，总体上依然表现为北东－北东东挤压、北西拉张的应力场作用下的运动，震前显得杂乱无章的运动方向，在震后的位移却显示出了某种一致性，尤其山西北、中、南各部都有着一定的规律性，总体上说还是以北东向位移为主，由南到北逐渐增大，表现出了一些弹性特征，其中最大位移11.6mm，平均位移约8.0mm，这其中不仅仅有着日本地震的影响，可能还涉及了其它的影响，如：2008年汶川地震后的震后调整影响、观测环境的影响以及其它我们还未了解的影响等，但是目前尚难确定各种影响所占的比例各为多少，只能根据现有的认识给出初步的分析结果，因此还有待今后进一步深入研究。就构造活动与地震孕育而言，山西断裂带并未发现明显的应变累积，也看不出断裂带两侧有明显的差异运动。

致谢：在数据处理与分析过程中得到杨国华研究员的指导与帮助，在此表示感谢。

［1］ 王敏，李强，王凡，等.全球定位系统测定的2011年日本宫城MW9.0级地震远场同震位移［J］.科学通报，2011，56（20）：1593－1596.

［2］ 路鹏，杨国华，张风霜，等.昆仑山口西8.1级地震与山西断陷带水平运动变化的探讨［J］.国际地震动态，2007，（7）：92－98.

［3］ 王学忠，韩月萍，杨博，等.山西断陷带水平形变分析［J］.山西地震，2009，（3）：8－12.

［4］ 杨国华，王敏，韩月萍，等.山西地震带近期水平运动状态及活动性［J］.地壳形变与地震，1999，19（4）：50－55.

［5］ 杨国华，王敏.山西断裂带活动趋势与动态特征［J］.中国地震，2002，18（2）：148－156.

［6］ 马杏垣，等.中国岩石圈动力学图集［M］.北京：中国地图出版社，1989.

［7］ 杨国华，江在森，武艳强，等.中国大陆整体无净旋转基准及其应用［J］.大地测量与地球动力学，2005，25（4）：6－10.

［8］ 杨博，占伟，高艳龙，等.GNSS垂向形变场信息提取的尝试［J］.华北地震科学，2012，30（1）：1－5.

［9］ 万文妮.山西带形变监测场地情况调查［J］.华北地震科学，2012，30（2）：17－22.

［10］ 彭丽娟，陆明勇，王秀文.张北6.2级地震前断层活动特征研究［J］.华北地震科学，2012，30（1）：54－58.