１９９１年１月２９日山西省忻州５.１级地震

山西省地震局 王秀文 张淑亮 安卫平 刘 巍①

摘要 | 前言 | 测震台网及基本参数 | 地震地质背景 | 烈度分布及震害 | 地震序列 | 震源机制解和主破裂面 观测台网及前兆异常 | 前兆异常及其特征分析 | 总结与讨论 | 参考文献和参考资料

   摘    要

   １９９１年１月２９日在山西省忻州市上社乡发生５.１级地震，宏观震中位于忻州市合索乡作头村，震中烈度Ⅵ度。这次地震发生在忻定盆地南段西缘，为忻定盆地与云中山之间的过渡地带。发震构造为云中山断裂。Ⅵ、Ⅴ度区房屋有轻微破坏，但未发现人员和牲畜伤亡。 忻州５.１级地震为孤立型地震，最大余震为１.８级。震源机制解中节面Ⅰ走向北北东，P轴方向北东东。推测这次地震是在北东东向主压应力作用下，北北东向的云中山断裂发生右旋错动的结果。 震中区附近观测台站较多，２００ ｋｍ内共有测震台１１个，前兆台１3个（含定点水准观测点）。忻州５.１级地震前出现了19条异常。震前１年出现地震频度降低、ｂ值升高等异常。震前半年出现断层形变等前兆异常，震前１个月内，出现水位等临震异常。震前出现定点前兆异常１２项，与中强地震震例比较，异常数量偏多。震中周围１００ｋｍ内的异常台站、异常台项百分比分别为１００％和５０％。

①该项工作是在赵新平指导下完成的。

前    言

 １９９１年１月２９日６时２８分，在山西省忻州市西部的上社乡一带发生５.１级地震，据山西省地震台网测定，该震微观震中位于３８°２８′Ｎ，１１２°３２′Ｅ，震源深度１４ ｋｍ，宏观震中在３８°２６′Ｎ，１１２°３４′Ｅ，位于忻州市合索乡作头村。最高烈度仅有２个极震点，其烈度为Ⅵ度。这次地震有感范围较大，北达内蒙古自治区丰镇县，南至山西省临汾市，东抵河北省石家庄市，西抵陕晋交界的黄河西岸，总体走向为北北东向椭圆状分布。 这次地震是继１９８９年１０月１９日大同-阳高６.１级地震后，在山西地区发生的又一次中强地震，也是忻州盆地继１９５２年１０月８日崞阳５.５级地震后，发生的最大地震。 震后，山西省地震局立即派出地震工作组赶赴地震现场，与忻州行署地震局共同开展了地震现场宏观考察与震情分析工作，完成了８个乡（镇）２６个村庄的宏观烈度考察与震害调查工作。 从整体看，震区房屋、设施破坏情况较轻，经济损失不大，没有发现人员及牲畜伤亡。 忻州５.１级地震前山西省地震局根据地震活动及某些前兆异常提出了较好的短临预报意见1），这是中期预测与短临预报结合较好的震例，对此国家地震局曾给予通报表彰。

测震台网及地震基本参数 

忻州5.1级地震200 km范围内共有测震台站11个，另外还有大同、太原两个遥测地震台网（图1），地震监测能力为2.0级。本次地震的基本参数见表１。

图1  忻州5.1级地震前测震台站分布图

Fig. 1  Distribution of seismometric network before the MS 5.1

        Xinzhou earthquake

表1  地震基本参数

Table 1  Basic parameters of the MS 5.1 Xinzhou earthquake

编号

发震日期

发震时刻

震 中 位 置

震级

震源深度

/km

震中地名

结果来源

年 月 日

时 分 秒

１

1991 01 29

06 28 04

38°28′

112°32′

5.1

14

忻  州

山西省地震局

地震地质背景 

山西断陷带由延怀、大同、忻定、太原、临汾5大断陷盆地组成（图２）。山西断陷带的深部构造特征表现为：断陷带下莫霍面相对隆起，隆起幅度约２～４ ｋｍ。该隆起带呈北北东向长条状，大体表现为西陡东缓。南北两端的大同和运城一带莫霍面隆起分别向渭河和张家口方向延伸，表现为北东东向。居里等温面在地堑系中普遍偏浅约１６～２０ｋｍ，其余地区约２５～３０ ｋｍ。忻定和临汾-侯马盆地居里等温面最浅，故上述盆地是地热点最集中的地段[1]。

    １９６４～１９７８年地壳垂直形变测量资料表明，山西断陷带周围隆起山地和盆地之间的横向隆起均表现为上升，断陷盆地下降具有明显的继承性活动。其中大同盆地和忻定盆地下降幅度一般为３０ｍｍ左右，平均年变速率约为２ ｍｍ／ａ[2]。

图2  山西地震带新构造及历史地震震中分布图

      ①口泉断裂；②六棱山北麓断裂；③松枝口断裂；④恒山北麓断裂；

      ⑤恒山南麓断裂；⑥唐河断裂；⑦五台山断裂；⑧系周山断裂；

      ⑨交城断裂；⑩太谷断裂； 什林断裂；霍山断裂；

      罗云山断裂；韩城断裂；峨嵋台地北缘断裂

      B1― 大同盆地；B2― 蔚县盆地；B3― 忻定盆地；B4― 贡丘盆地；

      B5― 太原盆地；B6― 临汾盆地；B7― 运城盆地

Fig. 2  Map of neotectonic and epicentral distribution of

        historical earthquakes of Shanxi seismic belt

１９８６～１９９１年地壳垂直形变测量资料表明，山西及邻近地区垂直形变块体活动明显，自北而南出现了大范围３降２升的格局，即北部为和林格尔― 大同沉降区，年下降速率为１～４ ｍｍ/a；太原― 忻州― 保德下降区，形变等值线无明显的优势方向，沉降中心主要出现在东西两侧。东侧太原― 忻州― 太谷下降区连成片，呈南北向展布，年下降速率一般为４ ｍｍ/a。太原一带下降最大，年下降速率达１０ ｍｍ/a以上，这可能与过量开采地下水有关，但也反映了盆地继承性活动[3]，山阴涞源上升区，形变等值线不明显，年上升速率一般为１～３ｍｍ/a；恒山隆起，年最大上升速率为４ ｍｍ/a。

 忻定盆地总体呈东南深而西北浅，由３个凹陷和2个凸起组成（图3）。3个凹陷是北部北东东走向的代县凹陷，中部北北东走向的原平凹陷，南部北东走向的定襄凹陷。忻州５.１级地震就发生在忻定盆地的定襄凹陷边缘。３个凹陷是忻定盆地新构造活动强烈的构造单元。其中代县凹陷、定襄凹陷是盆地的拉张区，原平凹陷是盆地的剪切段。代县凹陷主要受五台山北麓断裂和恒山南缘断裂的控制，东南深西北浅，沉降中心紧靠五台山北麓断裂分布。原平凹陷主要受五台山西麓断裂控制。定襄凹陷位于忻定断陷盆地的最南端，东南深而西北浅，凹陷的发展演化主要受系舟山断裂的控制，沉降中心紧靠系舟山断裂分布。忻定盆地的两个凸起是大营凸起和金山凸起。金山凸起是忻定盆地中原平凹陷与定襄凹陷的分界，其中部分基岩裸露高耸为山，两端低缓。在忻口界河铺一带的凸起低缓处见到晚更新世的滹沱河阶地现被河流切穿，说明该凸起自盆地形成时就存在，走向为北东向。大营凸起则无明显的地貌特征，仅略高于两侧的代县凹陷和原平凹陷，基本上是隐伏构造，这两个凸起均受断裂控制，沿断裂有热水分布。

图3  忻定盆地新构造图

      1. 隆起；2. 活动断裂；3. 推测断裂；4. 凸起；5. 盆地边界；

      6. 新生界等厚度线(单位：m)；7. 8>M≥7地震震中；8. 6＞M≥5

     Ⅰ代县凹陷；Ⅱ原平凹陷；Ⅲ定襄凹陷；

      ①恒山南麓断裂；②五台山北麓断裂；

      ③云中山断裂；④五台山西麓断裂；⑤系舟山断裂

Fig. 3  Neotectonic map of Xinding basin

 忻定盆地自公元５１２年以来共发生７级以上地震３次。公元５１２年的代县 级地震发生在代县凹陷与原平凹陷的交接地带，即北东向五台山北麓断裂与北北东向五台山西麓断裂交接地带的西侧。１０３８年定襄 级地震发生在定襄凹陷内，北东走向的系舟山断裂是这次地震的发震断层，该断层活动方式为右旋正倾滑。１６８３年原平７级地震发生在原平凹陷，该凹陷是忻定盆地的剪切段。云中山山前断裂是盆地的西界断裂，晚新生代以来活动不强，第四纪晚更新世以来只在个别段落有过活动。五台山西麓断裂是控制原平凹陷的东界，在苏龙口一带与五台山北麓断裂交接，晚更新世以来断层活动向盆地内迁移，台地前沿断层活动加强（图3）。

    忻州５.１级地震震中附近地区有３条主要活动断裂，即北北东向的云的云中山山前断裂、由北北东向逐渐转为北东的五台山西缘山前断裂和北西向隐伏断裂。由于震源较深、震级较小的原因，因此在地表见不到构造反应。

烈度分布及震害[4]

这次地震最高烈度为Ⅵ度，分别是作头村和土陵桥村两个点（图4）。作头村有一堵照壁，四周为砖砌，中部为土坯充填，照壁南侧的砖框已与土坯砌体剥离，震后该侧的砖框沿原裂缝开裂，砖柱体沿根部顺时针方向旋转１５度左右。此外，在土陵桥、东呼延、合索村等有年久的黄土墙倒塌的现象。

Ⅴ度区大致分布在东呼延、东冯城、土陵桥、会里、大圪堆和水泉沟等村附近，总面积约５２ｋｍ2（图4）。长轴约为１０ ｋｍ，短轴６.７  kｍ，北东走向。Ⅴ度区内的房屋结构多以土坯与砖混砌墙体承重，个别房屋的墙内夹有通底木柱或以墙体直接支撑房顶的两坡房。这类房占总数的７５％左右，震后受到轻微破坏，平均破坏率为９％。区内震感强烈，感觉上下震动，个别不稳器物翻倒。

图4  忻州5.1级地震等震线图

Fig. 4  Isoseismal map of the MS 5.1 Xinzhou earthquake

    Ⅳ度区是以人的感觉和器物的反应为主要依据确定的。地震时区内大多数人惊醒，家具及器皿发出响声，悬挂物件晃动。Ⅳ度区面积较大，北到代县县城，南到太原市区，东到五台县城，西到静乐县城。长轴长162 ｋｍ，短轴为116 ｋｍ，面积约14 750 ｋｍ2，总体呈一北北东向延展的椭圆形。这次地震对民用建筑和设施造成的损失不大，仅解村农场的一些建筑和设施受损较重，需用少量资金进行修复。

地 震 序 列 　

 忻定盆地是山西地区地震台站较少的地区之一，距忻州５.１级地震１００ ｋｍ范围内共有３个测震台，其中太原台还有遥测台网，最近的测震台站是定襄台，距震中约30 ｋｍ（图1）。据定襄台的记录，忻州５.１级地震前震中周围３０ｋｍ范围内无小震活动。

 ５.１级主震后，半个月内共记录到余震２０次，其中１.０～１.９级地震７次，其余为１.０级以下的微震，能定出震中位置的地震仅３次。据定襄台记录，ｔｓ-ｔｐ的变化范围为３.２～５.９ｓ。图５、图６分别给出该地震序列的Ｍ-ｔ图和应变释放曲线图。

图5  忻州5.1级地震序列M-t图

Fig. 5  M-t diagram of the M5.1Xinzhou earthquake  sequence

图6  忻州5.1级地震序列应变释放曲线图

Fig. 6  Curve of strain release of the M5.1 Xinzhou earthquake

        sequence

    忻州５.１级地震的余震震级小次数少，主震与最大余震之间的级差为３.３级；余震活动持续时间为１１天，２月８日后该地震序列停止活动。主震占全部序列能量的９９.６％，据此认定该地震序列属孤立型。从余震震中分布看，３次余震分布零散，优势分布方向、范围均不明显。

震源机制解和地震主破裂面 

据山西、河北、北京、河南等省市49个地震台站的P波初动资料，确定了忻州５.１级地震的震源机制解，矛盾符号比为16.1，其他参数见表2和图7。 

表2  忻州５.１级地震的震源机制解

Table 2  Focal mechanism solution of the M5.1 Xinzhou earthquake 　

编号

节面Ⅰ

节面Ⅱ

Ｐ轴

Ｔ轴

Ｂ轴

Ｘ轴

Ｙ轴

结果来源

走向

倾向

倾角

走向

倾向

倾角

方位

仰角

方位

仰角

方位

仰角

方位

仰角

方位

仰角

1

11

W

80

97

S

70

237

21

143

7

186

85

187

20

281

9

本文作者

图7  忻州5.1级地震震源机制解

Fig. 7  Focal mechanism solution of the M5.1 Xinzhou earthquake

    据野外宏观考察及震源机制解结果，推测云中山山前断裂为5.1级地震的发震断裂。

观测台网及前兆异常 

震中附近地区的测震台站分布图见图1，定点前兆观测台站分布图见图8。

图8  忻州5.1级地震前定点前兆观测台站分布图

Fig. 8  Distribution of precursor monitoring stations at fixed

        observation  points before the M5.1 Xinzhou earthquake

 在距震中２００ ｋｍ内共有地震台站2１个，其中测震台１１个（大同和太原还有遥测台网），其他前兆台１4个。计有地倾斜、定点（流动）水准、定点（流动）地磁、水位、水氡、地电、地应力等９个前兆观测项目。在０～１００ｋｍ，１０１～２００ ｋｍ内分别有地震台站３和８个，前兆台分别为8和6个，测震学以外的观测项目分别为18和10项。

 在研究文献[5～18]及资料2～6）的基础上，共整理出９个异常项目，19条前兆异常。其中测震学异常2条，流动观测项目异常5条，定点观测项目异常12条。定点前兆异常分布见图9（未含流磁），前兆异常情况见表3和图10至图29。

图9  忻州5.1级地震前定点前兆异常分布图

Fig. 9  Distribution of precursory anomalies  at fixed observation

        points before the M5.1 Xinzhou earthquake

图10  太原盆地b值曲线(ML 1.5；1976～1992)

Fig. 10  b-value curve in Taiyuan basin(ML 1.5；1976～1992)

 表3  异常情况登记表

 Table3  Summary table of precursory anomalies

图11  山西省ML ≥3.0地震N-t曲线（除去余震序列）2）

Fig. 11  Curve of ML ≥3.0 earthquake frequency(excluding the

         aftershock sequence) in Shanxi province in 1970～1992

图12  太原盆地ML ≥2.0地震N-t曲线

Fig. 12  Curve of ML ≥2.0 earthquake frequency in Taiyuan basinin

         1970～1992

图13  太原台水准月均值曲线

Fig. 13  Curve of monthly mean value of leveling at Taiyuan station

图14  大同台水准月均值曲线图

Fig. 14  Curve of monthly mean value of leveling at Datong station

图15  小磨流动水准观测值曲线

Fig. 15  Curve of observation value of  mobile leveling in Xiaomo

图16  太原台水管倾斜月矩平图

Fig. 16  Diagram of monthly departure value by watertube tiltmeter

         at Taiyuan station

图17  太原台水管仪SN向月均值及其周期滤波余差曲线

Fig. 17  Curves of monthly mean value（SN director) by watertube

         tiltmeter and its residual value after period filtering

         at Taiyuan station

图18  离石台倾斜（NS）月均值曲线3）

Fig. 18  Curve of monthly mean value of tilt(NS) at Lishi station

图19  太原台水平摆倾斜NS向月均图

Fig.19  Diagram of monthly mean value of tilt by horizontal

        pendulum（NS） at Taiyuan station 

图20  茶房口流动水准观测值曲线3）

Fig. 20  Curve of observation value of  mobile leveling  in

         Chafangkou

图21  停旨头流动水准观测值曲线

Fig. 21  Curve of observation value of  mobile leveling in

         Tingzhitou

图22  峪里流动水准观测值曲线

Fig. 22  Curve of observation value of mobile leveling in Yuli

图23  忻州5.1级地震晋5-1井水位临震变化

Fig. 23  Imminent variation of water level in Jin5-1well before

         the MS 5.1 Xinzhou earthquake

图24  太原谷旦井水位临震变化

Fig. 24  Imminent variation of water level in Gudan well in Taiyuan

图25  忻州5.1级地震迎新街 h3 井水位临震变化

Fig. 25  Imminent variation of water level in Yingxinjie  h3

         well before the MS 5.1 Xinzhou earthquake

图26  太原晋7-1井水位单道维纳滤波曲线

Fig. 26  Curve of water level after single-channel  Wiener

         filtering in Jin7-1 well in  Taiyuan

图27  代县台地电ρs月差值图

Fig. 27  Curve of monthly difference value of apparent

         resistivity(ρs )at Daixian  station

    对震前前兆异常和地震活动异常综合分析认为，前兆异常中形变资料比较可靠，异常也十分显著。震前共出现异常19项，其中Ⅰ、Ⅱ类异常占异常总数的84％。地震活动异常尤其是缺震异常也比较突出。据统计１９８９年大同-阳高６.１级地震后，除老震区有个别ML ≥３.０地震外，全省境内近１０个月无３级以上地震，这一现象是１９７０年以来从未出现过的，表现了长时间大范围的缺震异常。

图28  山西北部地磁场ΔF随时间变化图

Fig. 28  Variation of geomagnetic field(ΔF)in the north part of

         Shanxi province

图29  定襄-太原台地磁垂直分量(ΔZ)绝对差值图

Fig. 29  Curve of absolute difference value of geomagnetic vertical

         component(ΔZ) between Dingxiang and Taiyuan station

图30  定襄台水氡月均值曲线

Fig. 30  Curve of monthly mean value of radon contentin groundwater

         at Dingxiang

前兆异常及其特征分析

 综合上述内容，可以看出忻州５.１级地震的前兆异常有如下特征：

（１）忻州５.１级地震的长期异常不明显，中期和短期异常较为丰富。中期异常中形变异常出现较早，起始时间也较同步，大体从１９９０年下半年开始，其形态有的表现为断层活动速率增大、打破年变规律等，如太原和大同台短水准的变化；有的表现为基值变化，幅值增大，如怀仁小磨测线等；有的表现为反向抬升，如原平停旨头测线、茶房口测线等[7～9]。

（２）前兆异常在空间分布上具有不均一性。距震中１００ｋｍ、１０１～２００ ｋｍ内定点前兆观测台项分别为１８项和１０项，在100ｋｍ内，共有定点前兆异常10项。据此得到的异常台项比分别为５6％和２０％。

 上述结果表明，忻州地震的前兆异常主要集中在２００ｋｍ范内。异常的空间分布也不对称，震中的北东方向和太原地区异常较多。

（３）各类前兆异常中，中期异常有１３项，占异常总数的６８％；短期异常有３项，占异常总数的１６％；临震异常有３项，占异常总数的１６％。中期异常主要是流磁异常和形变异常（包括倾斜、连通管、跨断层水准测量等）共９项，这两类异常占中期异常的６９％。短临异常主要以水位为主，共有异常４台项，占短临异常总数的66％。

（４）前兆异常在时间进程上具有阶段性。形变异常大部分从１９９０年５、６月份开始，年底部分地电台站出现异常，１９９１年初出现水位异常。

总结与讨论 

 忻州地震的短临预报是在中期异常（详见参考资料1））的基础上作出的。地震前部分前兆异常是在中期异常背景（尤其是形变异常背景）下出现加速、转折等短临变化，１９９０年底至１９９１年初，又陆续出现少量临震异常，异常集中表现在定点形变、跨断层水准、水位、电磁等几种手段上。从前兆异常数量上看，已具备发生５级左右地震的条件。从空间分布上看，１９９１年１月上、中旬异常主要集中在太原等地，对发震地点的判断提供了依据。在此情况下，山西省地震局分析预报中心于1991年１月１２日，提出短临预报意见。这一短临预报是比较成功的。同时也说明在作出中期预测的地区要按照一定的科学思路，深入开展阶段性的以短临预报为目标的应急强化监测非常重要。并根据地震预报方法指南及短临预报决策方案，对异常进行跟踪分析。在临震预报阶段，要特别注意异常的同步回返、恢复、加速变化或出现突发性异常。加强地震台站在短临预报中的作用不容忽视。

 据此次总结，忻州５.１级地震前各类前兆异常达１９项，与华北地区同等水平的地震震例比较，异常台项明显偏多。分析其原因，有一部分中期异常可能与３月２６日大同-阳高５.８级地震有关，这些异常可能是两次地震前的共同异常。

 目前忻定盆地的地震监测能力，尤其是前兆台网监测能力是很弱的。对此，一方面要对现有的观测台站（点）加强管理，进行必要的技术改造，提高观测人员的技术水平以及观测资料的可信度；另一方面适当增加必要的观测项目，使忻定盆地对５级左右的地震具有一定监测能力。

参  考  文  献 

[1]邢集善、姚典群、黎明，试从地球物理资料论山西地堑系的构造特征，山西地质，No.2，95～109，1989。

[2]胡惠民，山西地堑系的现代构造活动，山西地震，No.4，67～73，1987。

[3]胡惠民，山西及邻近地区地壳垂直形变与地震危险性分析，山西地震，No.2，23～28，1993。

[4]阎海歌、王国强、兰青龙，1991年忻州5.1级地震现场考察，山西地震，No.4，41～46，1991。

[5]刘巍、王秀文、张淑亮、安卫平，1991年3月26日山西大同-阳高5.8级地震，中国震例，地震出版社，1996。

[6]王建全，大同-阳高忻州3次中强地震的地磁场ΔＦ异常演变特征，山西地震，No.3，3～7，1994。

[7]王秀文，山西中强地震前形变前兆异常特征，山西地震，No.2，3～8，1995。

[8]王秀文，山西地震带跨断层定点及流动测量年度形变异常明显，中国地震年鉴（1990年），北京： 地震出版社。

[9]王秀文，大同-阳高6.1级地震部分前兆资料的动态分析，山西地震，No.4，48～52，1994。

[10]国家地震局分析预报中心编，中国地震趋势预测研究（1992年度），北京：地震出版社，1991。

[11]国家地震局分析预报中心编，中国地震趋势预测研究（1991年度），北京：地震出版社，1990。

[12]安卫平，断陷带内潜在震源区上限震级的估计（以鄂尔多斯周边断陷带为例），山西地震，No.1，9～15，1990。

[13]国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，鄂尔多斯周缘活动断裂系，北京：地震出版社，1988。

[14]马森林、黄庆玲，大同-阳高中强地震的地磁短期异常空间演变特征研究，山西地震，No.1，45～49，1995。

[15]鱼金子等，大同-阳高地震前静乐井水位记震能力的异常及其意义，山西地震，No.1，50～53，1995。

[16]石荣志，1989年大同-阳高6.1级地震和1991年代县-原平5.1级地震前后重力异常变化。地壳形变与地震，

vol.12，No.1，60～63，1992。

[17]陈素改、李光振，大同-阳高地震前后重力变化分析，山西地震，No.3，8～12，1994。

[18]王志贤，华北北部３次中强地震前的地电阻率异常变化，山西地震，No.3，26～31，1994。

[19]赵新平、刘巍、王秀文、安卫平、张淑亮，1989年山西大同-阳高6．1级地震，中国震例，北京：地震出版社。

参  考  资  料 

1）1991年1月12日山西省地震分析预报中心，地震短临预报卡（正式报送国家地震局）。

2）山西省地震局，山西省1991年度地震趋势研究报告，1990，打印稿。

3）山西省地震局，山西省1992年度地震趋势研究报告，1991，打印稿。

4）河北省地震局，河北省1991年度地震趋势研究报告，1990，打印稿。

5）河北省地震局，河北省1992年度地震趋势研究报告，1991，打印稿。

6）傅德川、王秀文、张子广、赵新平，华北北部地震震后异常与新地震异常的识别和研究，

   国家地震局“八五”攻关项目（编号：85-04-02-05），1993，打印稿。