山西地堑系（或称山西地震带，山西断裂带）是华北西部的一条活动构造带，也是我国重要的强震集中带，以强度大、频度高、破坏性严重为特点，公元前2300~2008年，大华北共发生10次7.5级以上地震，山西地震带就有4次，占40%.山西断裂带自公元前280年有地震记载以来至2007年，共记录到M≥5级地震77次，其中6≤M < 7级地震15次，7≤M < 8级地震5次，M8级地震1次.1989年10月最大震级M_s6.1大同-阳高震群的发生，打破了1815年平陆级地震以来174年的平静，其后5级左右的地震较为活跃.在山西及周边地区发生了1991年1月29日忻州5.1级、1991年3月26日大同-阳高5.8级、1998年1月10日张北6.2级、1999年3月11日张北5.6级、1999年11月1日大同-阳高5.6级等中强地震，标志着山西地震带的地震活动进入了新的活跃期.

李钦祖的研究表明^[1]，华北块体处在一致性良好的应力场作用之下，其主压应力轴为NEE-SWW方位，主张应力轴为NNW-SSE方位，且都是水平的.华北地区的6.0级以上地震，大都是在此应力场作用之下，沿NNE向断裂发生右旋走滑、或沿NWW向断裂发生左旋走滑的结果；在汾渭断陷带区域应力场表现为主压应力轴仰角变化大，主张应力场近水平，以NNW向水平拉张作用为主.

山西断陷带主要活动断裂为NNE、NE和NEE向^{[2, 3]}，它们既控制了每个盆地的主要边界，也控制了盆地的发育；次要的活动断裂为NW、NWW向断裂，有的与NNE、NE方向的活动断裂相交，形成盆地次级构造单元.断陷盆地之间被横向隆起所隔.以太原盆地为中心，南北对称分布，中间为剪切段，南北两段为拉张带.断陷带的水平滑动及断块的升降运动，既控制着断陷带的形成与发育，也控制着强震的孕育和发生.

对震例的研究表明：有的地震前大面积形变明显增大，如大同-阳高6.1级地震，有的地震前几年内形变异常不明显，如唐山和海城地震.这是由介质条件、地质环境、断层的分布和应力场的方向、强度和作用时间等所决定的^[4~7].对于山西带这样一个断层多、走向各异、介质条件差别大的地区，对区域应力场变化是较为敏感的，分析该带的差异运动对地震预测是很重要的.本文试图从地震学和大地测量学角度分别给出应力应变场结果并进行对比讨论.

1970年以来山西地区共记录到M_L≥1.0级以上地震14500余次，积累了上万个单台P波初动符号，我们采用格点尝试法^[8]求解区域小震综合机制解.为保证震源机制解结果的稳定性，取用长时间多样本的计算结果（时间窗长360d），对各时段的小震综合机制解结果以每10°间隔进行频数统计，对P、T轴方位进行了归一化处理.

图 1为太原地区小震综合机制解P轴方位时序图，结果显示从1973年P轴开始趋势性偏转，持续6年，介休5.2级地震发生后，主压应力轴恢复到多年平均方位.

图 1

Fig. 1

图 1 介休5.2级地震前后太原地区小震综合机制解P轴方位时序图 Fig. 1 The P-axis orientation vs.time diagrams of integrated mechanisms of small earthquakes in Taiyuan area before and after M5.2 earthquake in Jiexiu

图 2和图 3为大同地区1988年9月至1993年小震综合断面解，结果显示，主压应力轴为NEE方位，主张应力轴为NNW方位，仰角较小，接近水平.地震节面一条平均取向NNE，另一条平均取向NWW，均为高角度拉张正断层.值得注意的是，在1988年9月至1989年8月近1a的时间，2个主应力轴的方位出现逆转，在1989年10月19日大同-阳高6.1级地震前4个月恢复正常.

图 2

Fig. 2

图 2 1988年9月至1993年两条节面解每10°频数图 Fig. 2 Frequency map of two nodal planes per 10 degrees from Sep.1988 to 1993

图 3

Fig. 3

图 3 1989年10月、1991年3月大同-阳高地震前后（a）P轴、（b）P轴仰角、（c）T轴和（d）T轴仰角随时间变化 Fig. 3 The diagram of (a) P-axis variations, (b) the variations of P-axis angle of elevation, (c) T-axis variations, (d) the variations of T-axis angle of elevation with time before and after Datong-Yanggao earthquake in Oct.1989 and Mar.1991

在1991年3月26日大同-阳高5.8级、1999年11月1日大同-阳高5.6级地震前没有P、T轴转向的现象.从这2次地震的震源机制解结果看，它们与1989年10月19日大同-阳高6.1级地震所受的应力场作用较为一致，是同一力源造成的断层活动.

综合机制解计算结果表明，山西断陷带从北到南小区域应力场具有各自的特点，南北两端主压应力轴方位主要为NEE-SWW向，与李钦祖的研究结果比较一致，断层活动主要以高角度走滑型拉张正断层为主，伴有一定的斜滑，表现出山西断陷带南北两端为拉张带，中部忻定盆地、太原盆地的区域应力场与华北应力场差异较大，主压应力轴方位主要为W-WNN向，与华北应力轴相交或垂直，断层活动仍然以拉张型正断层为主，反映出山西断陷带整体的张性活动.

1995年沿山西断陷带共布设40个测站组成的GPS地震形变监测网.从1996年以来，每年复测一次，所使用的仪器为Ashtect-Z12型GPS双频接收机和扼径圈天线.目前，该监测网中的S29测站遭到破坏，S28测站因附近开矿已无法获得地壳运动信息，其余38个测站均能正常使用.数据处理采用的是GAMIT/GLOBK/QOCA软件.为了便于参考基准的统一，使用中国及周边地区10余个IGS（International GNSSS ervice，国际全球导航卫星系统服务）跟踪站的观测资料和中国大陆GPS连续观测资料生成H文件.计算时采用了IGS所提供的精密星历.为了便于分析，又将在全球框架下（ITRF2000）获得的平均运动结果去掉整体漂移后化算为相对于山西断陷带无旋转的运动结果.

1996~1999年山西断裂带的运动有群体特征：第一部分为忻州以北至大同地区，它们的优势运动方向为NNE，平均位移量值不足1cm；第二部分为忻州以南至临汾以北地区，没有明显的优势运动方向，以介休为界南部区域的位移量值比北部大；第三部分为临汾以南的地区，优势运动方向为SSW，整体运动量值超过1cm.在1998~1999年，大部分点的运动方向与上一年恰好相反，而且量值大体相近，出现了几乎整体性的反弹，紧接着发生了1999年11月1日大同-阳高5.6级地震^[9].

1999~2000年山西断陷带的水平活动为：以太原-介休为中心，整体存在逆时针旋转的迹象，即北部地区的优势运动方向为SWW，南部地区优势运动方向为NEE，中间部位相对不动.除此之外，应县-运城段为呈压性.从量值上看，绝大多数的点位移在10mm以内.以前该断陷带是以南北向张性运动为主，而2000年发现了除该带北端外变成以压性活动为主，且有逆时针旋转的特征，说明区域应力场正在发生调整^[10].山西断陷带的南部各点运动的一致性较好，表明这一局部地区不存在显著的变形；中部地区太原至介休的东侧与中间部位之间存在正断层活动，西侧与中间部位之间有相对运动的迹象，但量值并不大；北部地区的大同-应县的断层其东侧、中间部位和西侧的运动是有差异的，但每一部位内测站的运动又是一致的，这可能说明断裂两侧存在着差异活动，或者说东侧断裂存在着左旋活动，西侧断裂存在着右旋活动，应县-代县地区的活动与其北部的运动有些不同，两者之间存在着反向活动.

图 4是1999~2004年5年间的平均运动结果，绝大部分点没有显著的运动信息（在2倍误差椭圆之内），仅有S21、S20、S33和S38测站有运动信息.除S21测站运动速率为6mm/a以外，其他3个测站的运动速率为2mm/a左右，这说明山西断裂带相对活动是比较弱的.分析发现，山西断裂带虽然单站运动不显著，但在区域上存在群体特征的迹象.主要表现为：以代县以北的断裂为界，北至大同、南至太原的两部分似乎有相对左旋运动的迹象，速率为1.5 mm/a；以太原为中心，南部有向南运动的迹象，北部至代县有向北运动的迹象，速率约1~1.5mm/a.S21测站向西6mm/a的运动是非常显著的.

图 4

Fig. 4

图 4 1999~2004年山西断陷带的背景性运动 Fig. 4 Background movement of the Shanxi fault zone from 1999 to 2004

图 5为2005年山西断陷带偏离1999~2004年背景性运动的位移结果.从整体上看，除代县以北的区域外，其他区域在宏观上与背景性运动图像相似.这说明2005年的运动较背景性运动有加强的迹象，偏离量级平均约3 mm.太原以北至代县北侧的区域运动的一致性比较好，优势运动方向为NNE，与背景运动方向相近，平均增加了3mm的位移量.太原南侧S21和S20测站的运动方向与背景运动方向也很相近，增加了5~6 mm的位移量，二者相对增加了11mm的东西向位移，这个量是比较大的.除这2个站以外，太原至临汾基本保持不动，也就是说与背景性运动相比整体没有产生明显偏差，个别站也存在3mm的偏差.由东西两侧的位移推测，有右旋活动的迹象.临汾以南的地区有些杂乱，但仔细观察有南向优势位移的迹象，量级约2mm左右，在整体上与背景运动方向是吻合的.

图 5

Fig. 5

图 5 2005年相对于1999~2004年背景性运动的偏离位移 Fig. 5 Background deviation displacement in 2005 relative to the average movement obtained from 1999 to 2004

2006年与2005年的结果相似，没有形成更多的积累.这说明2006年的运动与背景性运动较为一致，最大相对偏移量为6mm左右.

在处理资料时发现：以2001年11月14日发生的昆仑山口西8.1级地震为时间界限，地震前后的运动有一定的差异性，表现为震前较震后向东或北东东运动快；震前运动的非线性特征较明显，震后运动的线性特性较明显；2002~2006年的差异运动速率较小，除个别点外一般都在2mm/a以内，整体差异变化较突出的部位为临汾地区、代县地区.

图 6是以2002~2006年的运动速率为背景进行约束而分离出来的2007年的偏离位移，最大为8mm，平均为3.2mm.偏离位移有一定的规律性，表现为山西断陷带整体向西运动.这说明2007年该带的整体活动与前有所区别，环境应力场有所调整，来自东部的由东向西的应力有所加强，或者来自西部的由西向东的应力有所减弱.除此之外，临汾以南地区存在右旋活动.

图 6

Fig. 6

图 6 2007年山西断陷带偏离性位移分布图 Fig. 6 The deviating displacement distribution of Shanxi fault zone in 2007

由偏离位移产生的表征动力特征的主应变场（图 7）来看：表现为两头强中间弱，方向及其变化与趋势性应变场一致，张应变不突出，整体上以面收缩为主.

图 7

Fig. 7

图 7 2007年山西断陷带偏离性主应变场 Fig. 7 The deviating principal strain field of Shanxi fault zone in 2007

GPS结果表明山西断陷带近期主要受控于NWW-SEE向的压应力场、NNE-SSW向张应力场.在这一背景下，不同时间段的运动特征是不同的：1996~1997年相对平稳，1997~1998年运动量级加大，1998~1999年相对于上一年是反向运动.而1999年大同-阳高5.6级地震是在反向运动这个过程之后发生的，该地震位于相对位移和应变较大的大同地区.所以，我们认为：1998~1999年的异常运动是应力扰动所致，进而触发了该次5.6级地震.山西断陷带水平运动的差异变化与2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震有一定的关系，随着震后的调整，从2002年开始逐渐趋于正常，只有局部区域形变积累的迹象.