山西大同同车公司地裂缝水准形变异常与晋冀蒙交界区中强地震活动关系研究

李秀英

(山西大同市地震局，山西　大同　037008)

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山西大同同车公司地裂缝水准形变异常与晋冀蒙交界区中强地震活动关系研究

李秀英

(山西大同市地震局，山西大同037008)

摘要：文章对大同同车公司地裂缝的年变形态、干扰因素、震前异常特征资料进行综合分析，发现该地裂缝水准形变异常与晋冀蒙交界区中强地震活动有较明显的相关性，进一步从空间、时间、力学性质等方面研究其动态特征和映震能力，为地震预测研究提供参考依据。

关键词：地震活动；大同同车公司地裂缝；形变异常

0引言

我国地裂缝的调查、监测、研究工作，大致经历了5个阶段：1966年邢台地震前的场地工程稳定性的局部分散调查阶段；1970年云南通海7.7级地震前的鉴别其是不是地震前兆异常的零星分散目测调查阶段；1979年江苏溧阳6级地震前的捕捉地震前兆信息，有组织的重点调查研究阶段；1989年山西大同6.1级地震前的地震前兆捕捉、地裂缝场地评价和城市防灾、地质环境监测的勘查研究阶段；至今地裂缝深入研究和勘察阶段。

多年来的研究表明，只有极少数沿活断层分布的地裂缝与地震活动具有相关性。该文以大同同车公司地裂缝观测数据为依据，系统梳理25年的资料，认真总结该资料在晋冀蒙交界区一系列中强地震前的异常综合特征，力求为地震预测研究提供参考依据。

1地裂缝形成的地质背景

房子村断层活动是同车公司地裂缝的深部构造背景，房子村断裂又是夹在口泉断裂和桑干河断裂之间的次级断裂。

口泉断裂为控制大同盆地的主干断裂，北起大同市镇川堡，南至山阴县洪涛山前，全长130 km，总体走向NE，倾向SE，倾角60°~80°，为正断层。断裂分为3段：北段位于圣水沟村—十五坡村，中段北起圣水沟南至鹅毛口，南段北起鹅毛口南至洪涛山前。口泉断裂的中段错断全新世洪积扇中的砂砾石层，是具有右旋走滑性质的正断层。中段是该断裂活动最强的地段，沿断裂带附近历史上曾发生过5级地震。

2基本概况

同车公司地裂缝观测站位于大同市区西南，大同盆地的西北部，十里河阶地东侧，地势为西北高东南低，大约以8‰坡度从西北向东南倾斜。同车公司地裂缝位于同车公司生活区楼房内，长约1.3 km，走向为NEE—SWW，优势方位北东57°，倾向南东，倾角60°～70°，表现为水平拉张，南东盘下降，伴有左旋扭动，为一张性地裂缝，是大同市发现最早的一条地裂缝。发育时间长，典型性强，走向上呈线性分布，方向稳定。

3观测仪器概况

1989年7月，在新建街八栋遭受地裂缝破坏的居民区楼房内，安装DG-1A静力水准仪2套，读数精度±0.001 mm，主要用于监测地裂缝两盘垂直方向上的相对差异运动。NS向横跨地裂缝，基线长13.75 m，主要反映裂缝垂直向倾滑活动；EW向平行于地裂缝，基线长9.75 m，主要是对水平方向的倾斜变化进行观测(见第17页图1)。

4主要干扰因素分析

4.1　降雨影响

大同市属温带大陆性季风气候，四季分明，干湿期明显，年均降雨量371.4 mm，降雨量分布不均匀，主要集中在6月至9月。从降雨量直方图可看出，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(见图2)。

图1　同车公司地裂缝监测仪器布设图Fig.1　Layout of instruments monitoring ground fissure in Datong Tongche Company

从1982年至2001年的月降雨量统计表看出，月降雨量大于100 mm的17个且分布在3年中(见表1)。

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

1996年7月是30年来本区降雨量最大的月份，晋冀蒙交界区大范围出现洪涝灾害，但地裂缝EW向同期观测值并未出现大的变化，观测值曲线平稳光滑(见图3)，认为降雨对观测值的影响不大。

表1　大同市1982—2001年月降雨量统计表

图3　1996—2006年地裂缝水准观测EW向月均值曲线Fig.3　Monthly mean value of EW component leveling observation of ground fissure from 1996 to 2006

4.2　城市开采地下水的影响

随着工农业的发展，地下水开采量呈逐年上升的趋势。据王景明等研究地下水活动，尤其是抽汲地下水水位下降，乃至造成地面沉降，因其发生在地表之下一定深度，对近地表区域的微破裂开启、扩宽并成为地裂缝没有明显的影响，但对地下断层蠕滑及其两侧土体差异沉降有一定的控制作用[1]。

通过地震监测和地裂缝钻探验证发现，同车公司地裂缝及邻区的地裂缝在深部为房子村活断层，形成地裂缝的应力来源是由深部向上传递的，而不是由于上部含水层中的水位下降，使含水层本身和其上下相对隔水层中的孔隙水压力减小所引起的。

根据大同市内地裂缝的空间分布，地裂缝不仅在地下水集中开采区有，在开采地下水甚少区也较发育。

上述说明，地裂缝的出现是不受地下水开采强弱影响的。

4.3　仪器温度影响

DG—1A型静力水准仪，读数精度±0.001 mm，两测头高差标准偏差小于±0.07 mm，1989年8月5日起开始定点观测，在垂直及水平方向上的活动位移量取其绝对值，经计算，温度影响系数很小，每摄氏度影响量小于0.001 mm。考虑一年四季温差变化，在该仪器观测室加装暖气，室内温差不大。

4.4　人为影响

由于观测仪器安装于一幢无人居住的危楼内，平时除观测员外，无他人出入。自观测以来，周边环境无明显变化，可排除由城市改造对地面荷载引起局部不均匀沉降的影响。

5地裂缝活动年变动态特征

5.1　正常动态

从同车公司地裂缝水准观测近18年的资料中，以2003—2006年的数据为例说明(见图4)。

图4　2003—2006年地裂缝水准观测日均值曲线Fig.4　Daily mean value of leveling observation of ground fissure from 2003 to 2006

EW向地裂缝活动有较好的周期性。年变曲线动态平稳，年变规律多呈冬春低—夏秋高，近似余弦波形的特点，日变幅最大不超过0.1 mm。

NS向是跨地裂缝布设，倾斜方向表现为向北倾，N盘地面呈相对上升趋势，而S盘呈相对下降趋势。不同时间段，上升速率明显不一样，而且不均匀。表明地裂缝具有间歇活动的特征。每年的夏秋季为相对活跃段，冬春季相对弱。日变幅最大不超过1 mm。

5.2　异常动态

地裂缝形态阶变有大有小，通过总结，不是所有地裂缝形态阶变都与地震存在明显的对应关系，只有阶变幅度相对较大，映震效果才较好。

统计结果表明，同车公司地裂缝形变在观测点周围300 km以内，M5以上地震前，多会出现不同程度的中期异常变化。如，EW向异常日变幅大于0.1 mm，倾斜方向西倾，相伴位移、波形畸变；NS向异常幅度大于1 mm，呈阶梯式上升趋势，速率明显加快。

通过对晋冀蒙交界区1980年以来先后发生的7次中强地震(来自中国地震台网目录，震级为ML)进行分析，归纳总结出以下异常特征(见表2)。

6映震能力分析

(1) 1981年8月13日内蒙古丰镇5.8级地震。

该地震距观测站约41.8 km，据马国栋研究，同车公司地裂缝的初始破裂发生在1977年至1978年，房子村断裂沿线同车公司生活区剧场街9号楼出现地裂缝，长200~300 m[2]。此后，1981年8月13日在口泉断裂北端发生了内蒙古丰镇5.8级地震。

表2　同车公司地裂缝水准形变震前异常特征统计表

该地震距观测站约53 km，在震前的1983年至1984年，房子村断裂沿线剧场街3号、16号楼，新建街6号，企业街9号、10号楼附近地表等多处发生裂缝，柏油路断开滑动位移，地裂缝活动加速，出现大同地裂缝活动的第一次高潮。1983年至1987年，沿走向扩展速率为140 m/a，1988年扩展速率为300 m/a[3]，异常持续时间长达6年，1989年10月19日发生了大同—阳高6.1级地震。

(3) 1991年3月26日大同—阳高5.8级地震。

该地震距观测站约53 km，据陈志新等人研究大同地裂缝活动的第一次高潮(1989年10月19日大同—阳高6.1级地震)，地裂缝总长由2 km增加到5 km，以1 500 m/a速率向两端扩展，为前6年的2倍以上。1990年大同地裂缝活动再次出现高潮。1990年5月6日至6月20日为其活跃段，在垂直方向上相对沉降量达7.129 mm，水平拉张量达2.091 mm，异常持续时间1个半月，1991年3月26日发生了山西大同—阳高5.8级地震[3]。

(4) 1996年5月3日内蒙古包头西—乌拉特前旗6.6级地震。

该地震距观测站约300 km，震前地裂缝水准观测EW向变化不明显，NS向在震前10天出现明显加速，异常幅度为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，异常持续时间约2个月(见图5)。

图5　1996年地裂缝水准观测NS向日均值曲线Fig.5　Daily mean value of NS component leveling observation of ground fissure in 1996

(5) 1998年1月10日河北尚义6.2级地震。

该地震距观测站约127 km，震前，地裂缝水准观测EW向于1997年7月在正常年变的背景下出现了1个多月的“V”型异常，异常下降幅度为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，异常持续时间约4个月。NS向于1997年4月开始出现3次明显的加速，异常幅度为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，异常持续时间约3个月(见图6)。

OLI 理论视角下珠三角港台资企业空间特征演变及影响机制研究 马 星 黎智枫 张 泽 等2018/04 117

图6　1997年至1998年地裂缝水准观测日均值曲线Fig.6　Daily mean value of leveling observation of ground fissure from 1997 to 1998

(6) 1999年3月11日河北张北5.5级地震。

该地震距观测站约172 km，震前，地裂缝形变观测EW向于1998年开始，年变形态发生明显改变，倾斜方向为大幅度西倾，2次大幅下降，震前异常下降幅度为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。异常持续时间约3个月。NS向反映不明显(见图7)。

图7　1998年至1999年地裂缝水准观测EW向日均值曲线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—阳高5.7级地震。

该地震距观测站约53 km，震前，地裂缝形变观测EW向于1998年开始，年变形态发生明显改变，倾斜方向为大幅度西倾，相位发生位移，2次大幅下降，震前异常下降幅度为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，异常持续时间约2个月。NS向震前7个月开始出现3次明显的加速，异常幅度为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，异常持续时间约4个月(见第20页图8)。

7认识与结论

(1) 在时间上，地裂缝随着中小地震活动增强而迅速发育。从1976年至1977年地裂缝初始破裂，1981年小震活动明显增多，1983年机车厂地裂缝发育，不断加剧扩展，一直持续到1989年和1991年大同—阳高6.1级和5.8级地震后地裂缝活动的2次高潮后，同车公司地裂缝显示出加速活动的趋势，表明地裂缝的活动与地震活动有较明显的相关性。

图8　1998年至1999年地裂缝水准观测日均值曲线Fig.8　Daily mean value of leveling observation of ground fissure from 1998 to 1999

(2) 空间上，同车公司形成的地裂缝与晋冀蒙交界区强震活动是在同一构造应力场作用下形成的不同构造现象，前者是活断层蠕滑和区域土层构造节理开启的反映，后者是活断层速滑的表现。根据华北区历史时期的地裂缝和强震活动，同时出现300~400年的活动周期，其活跃相对应；在各周期内地裂缝和地震活动的总体强度也相对应。换言之，地裂缝次数多、长度大的周期内，地震活动频繁且强烈。

自1981年丰镇5.8级地震后，该区的地震活动从以东西向活动为主转为以NE—NEE向活动为主，说明区域应力场的作用方式可能发生了变化。NE—NEE向构造开始活动，正与同车公司地裂缝的发生时间相符，说明其发生是受构造活动影响，由此说明同车公司地裂缝是构造地裂缝。

(3) 据相关研究，同车公司地裂缝力学性质具有显著的以张性为主，并兼有左旋扭动特征。而且在活动方式上，表现出“降”“张”“扭”统一的三维特点[3]。

(4) 同车公司地裂缝短水准监测结果证实，地裂缝活动速率在每年4月至7月明显加大，这与枯水季节工农业用水高峰期相对应。

(5) 据同车公司地裂缝及邻区地裂缝的空间分布及相关研究，地裂缝的成因与地下水开采强弱无关。但地裂缝活动对大量抽取地下水活动的敏感性很强。

(6) 同车公司地裂缝形变异常与晋冀蒙交界区地震活动的相关性：

① 震中距Δ<50 km，异常幅度在0.2~0.3 mm，异常持续时间≥2年，异常间隔时间约4年，异常后发震，震级≥5.5；

② 震中距50 km<Δ<100 km，异常幅度1~7 mm，异常持续时间1个月至4年，异常间隔时间1个月至6年，异常后发震，震级5.0~6.0级；

③ 震中距100 km<Δ<300 km，异常幅度1~8 mm，异常持续时间3个月至7个月，异常间隔时间1个月至6年，异常后发震，震级5.0~6.0级；

④ 震中距Δ≥300 km，异常幅度大于1 mm，异常持续时间2个月及以上，异常间隔时间约10天， 异常过程中发震，震级5.0~6.0级；

(7) 地裂缝在垂直方向上的沉降幅度较大，而在水平方向上的活动量较小。沉降运动是同车公司地裂缝活动的主要趋势，且具有较明显的间歇活动特征。

参考文献：

[1]王景明，李昌存，王春梅，等.中国地裂缝的分布与成因研究[G]∥第六届全国工程地质大会论文集.北京：地震出版社，2000.

[2]马国栋.大同市地裂缝研究[J].地质灾害与防治,1990(2)：27-33.

[3]陈志新，刑集善，穆魁元，等.大同机车工厂及邻区地裂缝研究[M].陕西：科学技术出版社，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

作者简介：李秀英(1981—)，女，山西省大同市人。2007年毕业于北京大学，工程师。

收稿日期：2015-01-10

中图分类号：P315.72+5

文献标志码：A

文章编号：1000-6265(2015)02-0016-05