山西大同同車公司地裂縫水準形變異常與晉冀蒙交界區中強地震活動關系研究

李秀英

(山西大同市地震局，山西　大同　037008)

·異常識別·

山西大同同車公司地裂縫水準形變異常與晉冀蒙交界區中強地震活動關系研究

李秀英

(山西大同市地震局，山西大同037008)

摘要：文章對大同同車公司地裂縫的年變形態、干擾因素、震前異常特征資料進行綜合分析，發現該地裂縫水準形變異常與晉冀蒙交界區中強地震活動有較明顯的相關性，進一步從空間、時間、力學性質等方面研究其動態特征和映震能力，為地震預測研究提供參考依據。

關鍵詞：地震活動；大同同車公司地裂縫；形變異常

0引言

我國地裂縫的調查、監測、研究工作，大致經歷了5個階段：1966年邢臺地震前的場地工程穩定性的局部分散調查階段；1970年云南通海7.7級地震前的鑒別其是不是地震前兆異常的零星分散目測調查階段；1979年江蘇溧陽6級地震前的捕捉地震前兆信息，有組織的重點調查研究階段；1989年山西大同6.1級地震前的地震前兆捕捉、地裂縫場地評價和城市防災、地質環境監測的勘查研究階段；至今地裂縫深入研究和勘察階段。

多年來的研究表明，只有極少數沿活斷層分布的地裂縫與地震活動具有相關性。該文以大同同車公司地裂縫觀測數據為依據，系統梳理25年的資料，認真總結該資料在晉冀蒙交界區一系列中強地震前的異常綜合特征，力求為地震預測研究提供參考依據。

1地裂縫形成的地質背景

房子村斷層活動是同車公司地裂縫的深部構造背景，房子村斷裂又是夾在口泉斷裂和桑干河斷裂之間的次級斷裂。

口泉斷裂為控制大同盆地的主干斷裂，北起大同市鎮川堡，南至山陰縣洪濤山前，全長130 km，總體走向NE，傾向SE，傾角60°~80°，為正斷層。斷裂分為3段：北段位于圣水溝村—十五坡村，中段北起圣水溝南至鵝毛口，南段北起鵝毛口南至洪濤山前。口泉斷裂的中段錯斷全新世洪積扇中的砂礫石層，是具有右旋走滑性質的正斷層。中段是該斷裂活動最強的地段，沿斷裂帶附近歷史上曾發生過5級地震。

2基本概況

同車公司地裂縫觀測站位于大同市區西南，大同盆地的西北部，十里河階地東側，地勢為西北高東南低，大約以8‰坡度從西北向東南傾斜。同車公司地裂縫位于同車公司生活區樓房內，長約1.3 km，走向為NEE—SWW，優勢方位北東57°，傾向南東，傾角60°～70°，表現為水平拉張，南東盤下降，伴有左旋扭動，為一張性地裂縫，是大同市發現最早的一條地裂縫。發育時間長，典型性強，走向上呈線性分布，方向穩定。

3觀測儀器概況

1989年7月，在新建街八棟遭受地裂縫破壞的居民區樓房內，安裝DG-1A靜力水準儀2套，讀數精度±0.001 mm，主要用于監測地裂縫兩盤垂直方向上的相對差異運動。NS向橫跨地裂縫，基線長13.75 m，主要反映裂縫垂直向傾滑活動；EW向平行于地裂縫，基線長9.75 m，主要是對水平方向的傾斜變化進行觀測(見第17頁圖1)。

4主要干擾因素分析

4.1　降雨影響

大同市屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，干濕期明顯，年均降雨量371.4 mm，降雨量分布不均勻，主要集中在6月至9月。從降雨量直方圖可看出，年降雨量大于400 mm的有7年，300~400 mm的有5年，小于300 mm的有8年(見圖2)。

圖1　同車公司地裂縫監測儀器布設圖Fig.1　Layout of instruments monitoring ground fissure in Datong Tongche Company

從1982年至2001年的月降雨量統計表看出，月降雨量大于100 mm的17個且分布在3年中(見表1)。

圖2　大同市1982年至2006年降雨量圖Fig.2　Annual rainfall of Datong City from 1982 to 2006

1996年7月是30年來本區降雨量最大的月份，晉冀蒙交界區大范圍出現洪澇災害，但地裂縫EW向同期觀測值并未出現大的變化，觀測值曲線平穩光滑(見圖3)，認為降雨對觀測值的影響不大。

表1　大同市1982—2001年月降雨量統計表

圖3　1996—2006年地裂縫水準觀測EW向月均值曲線Fig.3　Monthly mean value of EW component leveling observation of ground fissure from 1996 to 2006

4.2　城市開采地下水的影響

隨著工農業的發展，地下水開采量呈逐年上升的趨勢。據王景明等研究地下水活動，尤其是抽汲地下水水位下降，乃至造成地面沉降，因其發生在地表之下一定深度，對近地表區域的微破裂開啟、擴寬并成為地裂縫沒有明顯的影響，但對地下斷層蠕滑及其兩側土體差異沉降有一定的控制作用[1]。

通過地震監測和地裂縫鉆探驗證發現，同車公司地裂縫及鄰區的地裂縫在深部為房子村活斷層，形成地裂縫的應力來源是由深部向上傳遞的，而不是由于上部含水層中的水位下降，使含水層本身和其上下相對隔水層中的孔隙水壓力減小所引起的。

根據大同市內地裂縫的空間分布，地裂縫不僅在地下水集中開采區有，在開采地下水甚少區也較發育。

上述說明，地裂縫的出現是不受地下水開采強弱影響的。

4.3　儀器溫度影響

DG—1A型靜力水準儀，讀數精度±0.001 mm，兩測頭高差標準偏差小于±0.07 mm，1989年8月5日起開始定點觀測，在垂直及水平方向上的活動位移量取其絕對值，經計算，溫度影響系數很小，每攝氏度影響量小于0.001 mm。考慮一年四季溫差變化，在該儀器觀測室加裝暖氣，室內溫差不大。

4.4　人為影響

由于觀測儀器安裝于一幢無人居住的危樓內，平時除觀測員外，無他人出入。自觀測以來，周邊環境無明顯變化，可排除由城市改造對地面荷載引起局部不均勻沉降的影響。

5地裂縫活動年變動態特征

5.1　正常動態

從同車公司地裂縫水準觀測近18年的資料中，以2003—2006年的數據為例說明(見圖4)。

圖4　2003—2006年地裂縫水準觀測日均值曲線Fig.4　Daily mean value of leveling observation of ground fissure from 2003 to 2006

EW向地裂縫活動有較好的周期性。年變曲線動態平穩，年變規律多呈冬春低—夏秋高，近似余弦波形的特點，日變幅最大不超過0.1 mm。

NS向是跨地裂縫布設，傾斜方向表現為向北傾，N盤地面呈相對上升趨勢，而S盤呈相對下降趨勢。不同時間段，上升速率明顯不一樣，而且不均勻。表明地裂縫具有間歇活動的特征。每年的夏秋季為相對活躍段，冬春季相對弱。日變幅最大不超過1 mm。

5.2　異常動態

地裂縫形態階變有大有小，通過總結，不是所有地裂縫形態階變都與地震存在明顯的對應關系，只有階變幅度相對較大，映震效果才較好。

統計結果表明，同車公司地裂縫形變在觀測點周圍300 km以內，M5以上地震前，多會出現不同程度的中期異常變化。如，EW向異常日變幅大于0.1 mm，傾斜方向西傾，相伴位移、波形畸變；NS向異常幅度大于1 mm，呈階梯式上升趨勢，速率明顯加快。

通過對晉冀蒙交界區1980年以來先后發生的7次中強地震(來自中國地震臺網目錄，震級為ML)進行分析，歸納總結出以下異常特征(見表2)。

6映震能力分析

(1) 1981年8月13日內蒙古豐鎮5.8級地震。

該地震距觀測站約41.8 km，據馬國棟研究，同車公司地裂縫的初始破裂發生在1977年至1978年，房子村斷裂沿線同車公司生活區劇場街9號樓出現地裂縫，長200~300 m[2]。此后，1981年8月13日在口泉斷裂北端發生了內蒙古豐鎮5.8級地震。

表2　同車公司地裂縫水準形變震前異常特征統計表

該地震距觀測站約53 km，在震前的1983年至1984年，房子村斷裂沿線劇場街3號、16號樓，新建街6號，企業街9號、10號樓附近地表等多處發生裂縫，柏油路斷開滑動位移，地裂縫活動加速，出現大同地裂縫活動的第一次高潮。1983年至1987年，沿走向擴展速率為140 m/a，1988年擴展速率為300 m/a[3]，異常持續時間長達6年，1989年10月19日發生了大同—陽高6.1級地震。

(3) 1991年3月26日大同—陽高5.8級地震。

該地震距觀測站約53 km，據陳志新等人研究大同地裂縫活動的第一次高潮(1989年10月19日大同—陽高6.1級地震)，地裂縫總長由2 km增加到5 km，以1 500 m/a速率向兩端擴展，為前6年的2倍以上。1990年大同地裂縫活動再次出現高潮。1990年5月6日至6月20日為其活躍段，在垂直方向上相對沉降量達7.129 mm，水平拉張量達2.091 mm，異常持續時間1個半月，1991年3月26日發生了山西大同—陽高5.8級地震[3]。

(4) 1996年5月3日內蒙古包頭西—烏拉特前旗6.6級地震。

該地震距觀測站約300 km，震前地裂縫水準觀測EW向變化不明顯，NS向在震前10天出現明顯加速，異常幅度為5.360 mm。4月23日至5月2日上升1.923 mm，5月24日至6月10日上升3.437 mm，異常持續時間約2個月(見圖5)。

圖5　1996年地裂縫水準觀測NS向日均值曲線Fig.5　Daily mean value of NS component leveling observation of ground fissure in 1996

(5) 1998年1月10日河北尚義6.2級地震。

該地震距觀測站約127 km，震前，地裂縫水準觀測EW向于1997年7月在正常年變的背景下出現了1個多月的“V”型異常，異常下降幅度為0.718 mm。7月18日至8月3日下降0.460 mm，10月29日至10月31日下降0.258 mm，異常持續時間約4個月。NS向于1997年4月開始出現3次明顯的加速，異常幅度為5.393 mm。4月3日至5月11日上升1.742 mm，6月11日至7月11日上升2.036 mm，8月4日至11月10日上升1.615 mm，異常持續時間約3個月(見圖6)。

OLI 理論視角下珠三角港臺資企業空間特征演變及影響機制研究 馬 星 黎智楓 張 澤 等2018/04 117

圖6　1997年至1998年地裂縫水準觀測日均值曲線Fig.6　Daily mean value of leveling observation of ground fissure from 1997 to 1998

(6) 1999年3月11日河北張北5.5級地震。

該地震距觀測站約172 km，震前，地裂縫形變觀測EW向于1998年開始，年變形態發生明顯改變，傾斜方向為大幅度西傾，2次大幅下降，震前異常下降幅度為1.038 mm。7月21日至8月7日下降0.562 mm，9月30日至10月4日下降0.476 mm。異常持續時間約3個月。NS向反映不明顯(見圖7)。

圖7　1998年至1999年地裂縫水準觀測EW向日均值曲線Fig.7　Daily mean value of EW component leveling observation of ground fissure from 1998 to 1999

(7) 1999年11月1日山西大同—陽高5.7級地震。

該地震距觀測站約53 km，震前，地裂縫形變觀測EW向于1998年開始，年變形態發生明顯改變，傾斜方向為大幅度西傾，相位發生位移，2次大幅下降，震前異常下降幅度為1.038 mm。7月21日至8月7日下降0.562 mm，9月30日至10月4日下降0.476 mm，異常持續時間約2個月。NS向震前7個月開始出現3次明顯的加速，異常幅度為6.621 mm。4月1日至4月11日上升3.408 mm，6月18日至7月8日上升1.360 mm，7月25日至8月11日上升1.853 mm，異常持續時間約4個月(見第20頁圖8)。

7認識與結論

(1) 在時間上，地裂縫隨著中小地震活動增強而迅速發育。從1976年至1977年地裂縫初始破裂，1981年小震活動明顯增多，1983年機車廠地裂縫發育，不斷加劇擴展，一直持續到1989年和1991年大同—陽高6.1級和5.8級地震后地裂縫活動的2次高潮后，同車公司地裂縫顯示出加速活動的趨勢，表明地裂縫的活動與地震活動有較明顯的相關性。

圖8　1998年至1999年地裂縫水準觀測日均值曲線Fig.8　Daily mean value of leveling observation of ground fissure from 1998 to 1999

(2) 空間上，同車公司形成的地裂縫與晉冀蒙交界區強震活動是在同一構造應力場作用下形成的不同構造現象，前者是活斷層蠕滑和區域土層構造節理開啟的反映，后者是活斷層速滑的表現。根據華北區歷史時期的地裂縫和強震活動，同時出現300~400年的活動周期，其活躍相對應；在各周期內地裂縫和地震活動的總體強度也相對應。換言之，地裂縫次數多、長度大的周期內，地震活動頻繁且強烈。

自1981年豐鎮5.8級地震后，該區的地震活動從以東西向活動為主轉為以NE—NEE向活動為主，說明區域應力場的作用方式可能發生了變化。NE—NEE向構造開始活動，正與同車公司地裂縫的發生時間相符，說明其發生是受構造活動影響，由此說明同車公司地裂縫是構造地裂縫。

(3) 據相關研究，同車公司地裂縫力學性質具有顯著的以張性為主，并兼有左旋扭動特征。而且在活動方式上，表現出“降”“張”“扭”統一的三維特點[3]。

(4) 同車公司地裂縫短水準監測結果證實，地裂縫活動速率在每年4月至7月明顯加大，這與枯水季節工農業用水高峰期相對應。

(5) 據同車公司地裂縫及鄰區地裂縫的空間分布及相關研究，地裂縫的成因與地下水開采強弱無關。但地裂縫活動對大量抽取地下水活動的敏感性很強。

(6) 同車公司地裂縫形變異常與晉冀蒙交界區地震活動的相關性：

① 震中距Δ<50 km，異常幅度在0.2~0.3 mm，異常持續時間≥2年，異常間隔時間約4年，異常后發震，震級≥5.5；

② 震中距50 km<Δ<100 km，異常幅度1~7 mm，異常持續時間1個月至4年，異常間隔時間1個月至6年，異常后發震，震級5.0~6.0級；

③ 震中距100 km<Δ<300 km，異常幅度1~8 mm，異常持續時間3個月至7個月，異常間隔時間1個月至6年，異常后發震，震級5.0~6.0級；

④ 震中距Δ≥300 km，異常幅度大于1 mm，異常持續時間2個月及以上，異常間隔時間約10天， 異常過程中發震，震級5.0~6.0級；

(7) 地裂縫在垂直方向上的沉降幅度較大，而在水平方向上的活動量較小。沉降運動是同車公司地裂縫活動的主要趨勢，且具有較明顯的間歇活動特征。

參考文獻：

[1]王景明，李昌存，王春梅，等.中國地裂縫的分布與成因研究[G]∥第六屆全國工程地質大會論文集.北京：地震出版社，2000.

[2]馬國棟.大同市地裂縫研究[J].地質災害與防治,1990(2)：27-33.

[3]陳志新，刑集善，穆魁元，等.大同機車工廠及鄰區地裂縫研究[M].陜西：科學技術出版社，1991.

Relationship of Leveling Deformation Anomalies of Ground Fissure in Datong Tongche Company with Moderately Strong Earthquakes in Juncture Area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia

LI Xiu-ying

(Earthquake Administration of Datong City, Datong, Shanxi 037008,China)

Abstract:Based on comprehensive analysis of data of annual variation, interference factors and abnormal characteristics before earthquake of ground fissure in Datong Tongche Company, it is found that there is apparent correlation between the leveling deformation anomalies and moderately strong earthquakes in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia. Dynamic characteristics and earthquake reflecting ability are studied in aspects of space, time and mechanical properties to provide reference for earthquake prediction.

Key words:Seismicity; Ground Fissure in Datong Tongche Company; Deformation anomaly

作者簡介：李秀英(1981—)，女，山西省大同市人。2007年畢業于北京大學，工程師。

收稿日期：2015-01-10

中圖分類號：P315.72+5

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6265(2015)02-0016-05