大地测量与地球动力学

速度	深度/km
V_P/km·s^-1	4.8	6.0	6.2	6.3	6.4	7.2	8.0

速度	深度/km
V_P/km·s^-1	4.8	6.0	6.2	6.3	6.4	7.2	8.0

山西南部历史地震的深部孕震环境

王霞 ¹^,² , 宋美卿 ¹^,² , 吕坚 ³^,* , 张娜 ¹^,² , 梁向军 ¹^,² , 郭文峰 ¹^,²

大地测量与地球动力学 | 地震地质 2025,45(8): 823-828, 857

收起

大地测量与地球动力学 |地震地质 2025 , 45 (8) : 823 -828, 857

山西南部历史地震的深部孕震环境

全屏

王霞¹^,², 宋美卿¹^,², 吕坚³^,*, 张娜¹^,², 梁向军¹^,², 郭文峰¹^,²

作者信息

1 山西省地震局，太原市晋祠路二段69号，030021

2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原市晋祠镇，030025

3 江西省地震局，南昌市昌东大道6929号，330023

通讯作者:

吕坚，研究员，主要从事地震活动性与地震危险性研究，E-mail: lvjian8438@163.com

LÜ Jian, researcher, majors in seismicity and seismic risk, E-mail: lvjian8438@163.com

作者简介:

王霞，高级工程师，主要从事地震活动性和综合分析研究，E-mail: 365372858@qq.com

Deep Seismogenic Environment of Historical Earthquakes in South Shanxi

Xia WANG¹^,², Meiqing SONG¹^,², Jian LÜ³^,*, Na ZHANG¹^,², Xiangjun LIANG¹^,², Wenfeng GUO¹^,²

Affiliations

1 Shanxi Earthquake Agency, 69 Second Section of Jinci Road, Taiyuan 030021, China

2 National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan, Jinci Town, Taiyuan 030025, China

3 Jiangxi Earthquake Agency, 6929 Changdong Road, Nanchang 330023, China

WANG Xia, senior engineer, majors in seismicity and comprehensive prediction, E-mail: 365372858@qq.com

出版时间: 2025-08-15 doi: 10.14075/j.jgg.2024.08.415

文章导航

摘要

收起

利用山西及邻区2009-01—2023-06的天然地震到时数据，采用双差成像方法获得该地区重定位目录、较高分辨率的地壳三维速度结构和波速比结构，讨论该区域6级以上历史地震的孕震环境。穿过山西南部地区6级以上历史地震的速度和波速比与深度的二维剖面结果显示，1303年洪洞8级地震处在高低速异常梯度带上，地震下方存在低速异常，表明韧性的中下地壳蠕变会导致脆性上地壳的应力应变局部集中而引发地震；该地震处于波速比低值区域，且临汾盆地下方为低波速比，其两侧山区波速比略高，这与盆地下方地壳经历伸展减薄的作用过程有关。速度和波速比结构均显示，罗云山山前断裂下方呈现出浅陡深缓的产状特征，断裂切割可延伸至约30 km深度，这与已有的地震反射剖面结果较为相似，可能是该处多次发生6级以上地震的原因。山西南部多数历史地震发生在高低波速比梯度带附近，可能与这些区域位于盆山边界有关，因其地壳物质组成变化较为剧烈而易于积累应力应变，从而产生地震。

关键词

双差层析成像 / 历史地震 / 山西南部 / P波速度 / 波速比

Abstract

收起

Using the arrival time data of natural earthquakes from January 2009 to June 2023 in Shanxi and adjacent areas, the double-difference tomography method was employed to obtain the relocated catalog of the region, as well as high-resolution three-dimensional crustal velocity structure and velocity ratio structure. The tectonic environment for historical earthquakes of magnitude 6 or above in this area was discussed. The two-dimensional profiles of velocity and velocity ratio versus depth for historical earthquakes of magnitude 6 or above that passed through the southern part of Shanxi show that the 1303 Hongtong earthquake of magnitude 8 occurred on a gradient belt of high and low velocity anomalies, with a low-velocity anomaly beneath the earthquake, indicating that the ductile creep of the lower-middle crust can lead to localized stress and strain concentration in the brittle upper crust, triggering earthquakes. The earthquake is located in an area of low velocity ratio, and the Linfen basin has a low velocity ratio beneath it, with slightly higher velocity ratios on both sides of the mountainous areas, which is related to the process of crustal extension and thinning beneath the basin. Both the velocity and velocity ratio structures show that the structural characteristics beneath Luoyunshan piedmont fault are steep in the shallow part and gentle in the deep part, with the fault cutting extending to a depth of about 30 km, which is similar to the results of existing seismic reflection profiles and may be the reason for multiple earthquakes of magnitude 6 or above in this area. Most historical earthquakes in the southern part of Shanxi occurred near the gradient belt of high and low velocity ratios, which may be related to these areas being located at the boundary of the basin and mountain, where the crustal material composition changes more dramatically and is more likely to accumulate stress and strain, thus generating earthquakes.

Key words

double-difference tomography / historical earthquakes / south Shanxi / P wave velocity / V_P/V_S velocity ratio

引用本文

王霞, 宋美卿, 吕坚, 张娜, 梁向军, 郭文峰. 山西南部历史地震的深部孕震环境. 大地测量与地球动力学, 2025 , 45 (8) : 823 -828, 857 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.08.415

Xia WANG, Meiqing SONG, Jian LÜ, Na ZHANG, Xiangjun LIANG, Wenfeng GUO. Deep Seismogenic Environment of Historical Earthquakes in South Shanxi[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2025 , 45 (8) : 823 -828, 857 . DOI: 10.14075/j.jgg.2024.08.415

正文

收起

山西南部地区位于鄂尔多斯块体东南缘，包括临汾和运城盆地，既是华北克拉通NE-NNE向构造与近EW向构造的交界部位，又是新生代中国大陆西部碰撞挤压到东部伸展拉张动力学转换的关键地区，历史上构造活动强烈、强震频发。据史料记载，共发生6级以上强震7次，其中临汾盆地内1303年洪洞8级地震和1695年临汾7 3/4级地震震中相距仅约40 km，短时间内在同一盆地相继发生2次特大地震，在中国大陆内部也是较为罕见的；运城盆地附近曾发生1815年平陆6 3/4级地震，开启了华北第四活跃期的强震活动。1970年有仪器记录以来，山西南部地区发生的最大地震为2003年洪洞4.9级地震，时间最近的一次中等地震为2016年盐湖4.4级地震。目前4级地震平静约8 a，超过该地区4级以上地震约6 a的活动周期，该地区未来的强震趋势应引起高度关注。

M7专项工作组^[1]根据地震地质、历史地震、地震活动性、形变与重力等多学科与资料综合判定，山西南部地区的侯马-运城段是未来可能发生大地震的重点关注区域，潜在发震断裂有韩城、临猗与中条山等断裂。王芃等^[2]认为山西南部地区有历史缺震空段和高离逝率断层段(韩城和中条山断裂)，未来10 a该地区的强震危险性较高。研究中强震潜在危险区的上地壳速度结构特征、介质物性状态等对揭示其深部孕震环境具有重要的科学意义。然而，上述的综合研判还缺少深部速度结构的证据，是何种深部孕震环境造成了历史强震多发，这是亟待解决的问题。本文利用双差层析成像方法(tomoDD)^[3-4]获得研究区较高分辨率的速度结构，通过速度和波速比结构来探讨山西南部地区6级以上历史地震的深部孕震环境，为今后强震的震情趋势提供参考依据。

1 数据与方法

收起

1.1 数据

收集2009-01—2023-06山西及邻近地区(34°~41°E, 110°~115°N)的数字地震台网提供的74个台站的地震观测报告资料，共得到13 214个M_L≥1.0的地震事件(图 1)，使用tomoDD方法进行地震震源参数与速度结构的联合反演。为保证反演结果的质量，根据原始震相报告拟合出的地震波走时曲线去除偏差较大的震相数据，即走时残差在±0.3 s范围内的震相(图 2)。

1.2 tomoDD方法

采用tomoDD方法对山西及邻近地区开展震源位置和速度结构的联合反演。该方法的基本思路为：假设相邻的2个地震事件到达同一台站的路径相似，将地震对的走时残差作差，即得到双差数据，将其作为反演中的观测数据实现震源位置和三维速度结构的联合反演。该方法的详细介绍见文献[3-4]，本文不再赘述。

本文采用Li等^[5]的一维速度模型(表 1)。经过多次尝试，最终确定研究区水平向网格间距为0.25°×0.25°，该间距在棋盘测试中分辨率较好，在4~40 km深度范围内速度模型得到较好的恢复(图 3)。反演过程中采用阻尼最小二乘联合梯度法(LSQR)，其中阻尼系数和平滑系数对解的稳定性有影响。因此，本文对这2个控制参数进行权衡分析，选取最佳阻尼因子200、光滑因子10 0参与后续反演(图 4)。本文在反演获得V_P和V_S的同时，也给出研究区的波速比结构，在此仅展示P波速度分布(图 5)。

2 二维速度、波速比与深度的剖面结果

收起

绘制穿过山西南部地区6级以上历史地震的多条剖面(图 6)，其中针对每个地震，考虑等震线图长轴展布方向和附近断裂走向后，分别绘制平行于断裂的剖面和垂直于断裂的剖面，剖面又包含P波速度和波速比-深度剖面。由于临汾地区发生过4次6级以上地震(3次临汾和1次浮山)，震中位置距离较近，其中649年临汾6 3/4级和1291年临汾6 1/2级地震几乎原地发生，与1695年临汾7 3/4级地震相隔约10 km，与1209年浮山6 1/2级地震相隔约25 km，距离下文中C-C′剖面约15 km，鉴于此，仅在1695年临汾7 3/4级地震处绘制2条剖面。武烈等^[6]通过经验公式，估计1303年洪洞8级地震的震源深度约17 km，1695年临汾7 3/4级和1815年平陆6 3/4级地震的震源深度约15 km，其余历史地震未能查到深度信息。故参考这3次地震深度，剖面图绘制在深度15 km处。

已有研究表明，1303年洪洞8级地震的发震构造为霍山山前断裂、绵山西侧断裂和太谷断裂^[7-8]。考虑到霍山山前断裂、绵山西侧断裂走向较为一致，而太谷断裂(另一断陷盆地——太原盆地的东侧控盆断裂)走向发生改变，因此，剖面A-A′和B-B′穿过山西南部最大的历史地震(1303年洪洞8级地震)，其中A-A′近平行于霍山山前断裂和绵山西侧断裂(图 7)，B-B′近垂直于临汾盆地北部(近垂直于2条控盆断裂走向，即罗云山山前断裂和霍山山前断裂，图 8)。平行或垂直于霍山山前断裂的速度-深度剖面显示，该地震处于P波高低速异常梯度带上，地震下方存在低速异常，这与李自红等^[9]的结果较为一致，即临汾盆地地壳具有清晰的上、中和下地壳分层结构特征，上地壳厚15~17 km，上地壳下部存在低速层，P波速度约5.9~6.0 km/s。李鑫月等^[10]的研究显示，华北地区的三河-平谷8级地震和邢台7.2级地震震源位于脆性上地壳，且下方存在低速异常，表明韧性的中下地壳蠕变会导致脆性上地壳的应力应变局部集中而引发地震。波速比-深度剖面显示，该地震处于波速比低值区域，尤其是垂直于断裂的剖面显示出临汾盆地下方总体波速比低(＜1.74)，而两侧山区(即吕梁山和太行山)显示出高波速比(1.74~1.78)。已有研究表明，临汾盆地下方的莫霍面深度约38~39 km，盆地两侧山区莫霍面变深至41~42 km，即盆地下方的莫霍面隆起约3 km^[9]，临汾盆地相对薄的地壳和低的波速比特征可能反映该区域下方地壳经历了伸展减薄的作用过程^[11]。此外，临汾盆地地壳的低波速比(＜1.74)可能揭示出其地壳组成整体以长英质岩石成分为主^[12]。

剖面C-C′和D-D′穿过山西南部的1695年临汾7 3/4地震，其中C-C′位于临汾盆地内且与罗云山山前断裂走向近平行(图 9)，D-D′垂直于罗云山山前断裂走向(图 10)。该地震震中附近曾发生649年临汾6 3/4级、1291年临汾6 1/2级和1209年浮山6 1/2级地震。速度-深度剖面显示，该地震处的P波速度无明显的梯度变化，但波速比-深度剖面显示出地震发生在波速比梯度带附近，且在罗云山山前断裂下方呈现出浅陡深缓的产状特征，断裂切割深度深(可延伸至约30 km)，这与李自红等^[9]地震反射剖面结果较为相似。此处断裂切割深可能导致6级以上地震多发，为历史强震的控震断裂。

剖面E-E′和F-F′穿过山西南部的1642年运城安邑6级地震，其中E-E′平行于中条山山前断裂的走向(图 11)，F-F′垂直于中条山山前断裂的走向(图 12)。速度-深度剖面显示，该地震处的P波速度无明显的梯度变化，但波速比-深度剖面显示，地震发生在波速比梯度带附近。

剖面G-G′和H-H′穿过山西南部的1815年运城平陆6 3/4级地震，其中G-G′平行于温塘断裂的走向(图 13)，H-H′垂直于温塘断裂的走向(图 14)。速度-深度剖面显示，该地震处在P波高低速分界线附近，且波速比-深度剖面也显示出地震发生在波速比梯度带附近。

波速比与地壳物质组成密切相关，可以在很大程度上反映地壳成分或熔体、流体的变化^[12]。波速比结构显示，山西南部地区存在横向不均匀性，且该地区多数历史地震发生在高低波速比梯度带附近，这些区域多数为盆山边界，即地壳物质组成变化较为剧烈的区域，易于积累应力应变而引发地震。

3 结语

收起

1) 1303年洪洞8级地震处在P波高低速异常梯度带上，地震下方存在P波低速异常，这与已有研究中大震的孕震环境类似，表明韧性的中下地壳蠕变会导致脆性上地壳的应力应变局部集中而引发地震。波速比结构显示，该地震位于波速比低值区域，且临汾盆地下方为低波速比，其两侧山区波速比略高，这与盆地下方地壳经历了伸展减薄的作用过程有关。

2) 1695年临汾7 3/4级地震下方的速度无明显的梯度变化，但处在波速比梯度带附近。速度和波速比结构均显示，罗云山山前断裂下方呈现出浅陡深缓的产状特征，断裂切割可延伸至约30 km深度，这与李自红等^[9]地震反射剖面结果较为相似，可能是此处多发6级以上地震的原因。

3) 山西南部地区的波速比结构存在横向不均匀性，该地区多数历史地震发生在高低波速比梯度带附近，这些区域位于盆山边界，为地壳物质组成变化较为剧烈的区域，易于积累应力应变从而产生地震。

4) 除1303年洪洞8级地震外，其余6级以上历史地震下方的P波速度变化不明显，可能是速度结构分辨率有限，未能刻画更精细的速度变化。

基金

收起

地震预测开放基金(XH24004D)
中国地震局震情跟踪定向工作任务(2024020101)
中国地震局地震科技星火计划(XH200403Y)
山西省科技厅青年基金(201901D211548)
北京市自然科学基金(8232053)
中国地震局地质所国家野外站研究课题(NORSTY2021-01)
中国地震局地质所国家野外站研究课题(NORSTY2023-07)
中国地震局地质所国家野外站研究课题(NORSTY2023-08)

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

M7专项工作组 . 中国大陆大地震中-长期危险性研究[M]. 北京: 地震出版社, 2012

Working Group of M7 . Study on the Mid-to Long-Term Potential of Strong Earthquakes in Chinese Mainland[M]. Beijing: Seismological Press, 2012

王芃, 邵志刚, 刘晓霞, 等. 中国陆区活动地块边界带主要断层10年尺度强震发生概率[J]. 地球物理学报, 2022, 65 (10): 3829- 3843

Wang

Peng

, Shao

Zhigang

, Liu

Xiaoxia

, et al. Ten-Year Probability of Strong Earthquakes on Major Faults in Boundaries of Active Blocks in Chinese Continent[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2022, 65 (10): 3829- 3843

Zhang

. Double-Difference Tomography: The Method and Its Application to the Hayward Fault, California[J]. The Bulletin of the Seismological Society of America, 2003, 93 (5): 1875- 1889

Zhang

H J

, Thurber

. Development and Applications of Double-Difference Seismic Tomography[J]. Pure and Applied Geophysics, 2006, 163 (2): 373- 403

, Sørensen

M B

, Atakan

. Coulomb Stress Evolution in the Shanxi Rift System, North China, since 1303 Associated with Coseismic, Post-Seismic and Interseismic Deformation[J]. Geophysical Journal International, 2015, 203 (3): 1642- 1664

武烈, 贾宝卿, 赵学普. 山西地震[M]. 北京: 地震出版社, 1993

Lie

, Jia

Baoqing

, Zhao

Xuepu

. Earthquake Research in Shanxi[M]. Beijing: Seismological Press, 1993

江娃利, 邓起东, 徐锡伟, 等. 1303年山西洪洞8级地震地表破裂带[J]. 地震学报, 2004, 26 (4): 355- 362

Jiang

Wali

, Deng

Qidong

, Xu

Xiwei

, et al. Surface Rupture Zone of the 1303 Hongtong M=8 Earthquake, Shanxi Province[J]. Acta Seismologica Sinica, 2004, 26 (4): 355- 362

赵凌强, 詹艳, 王庆良, 等. 大地电磁数据揭示的1303年洪洞8级地震区精细结构[J]. 地震地质, 2022, 44 (3): 686- 700

Zhao

Lingqiang

, Zhan

Yan

, Wang

Qingliang

, et al. The Seismogenic Structure of the 1303 Hongtong M8 Earthquake Inferred from Magnetotelluric Imaging[J]. Seismology and Geology, 2022, 44 (3): 686- 700

李自红, 刘保金, 袁洪克, 等. 临汾盆地地壳精细结构和构造: 地震反射剖面结果[J]. 地球物理学报, 2014, 57 (5): 1487- 1497

Zihong

, Liu

Baojin

, Yuan

Hongke

, et al. Fine Crustal Structure and Tectonics of Linfen Basin-From the Results of Seismic Reflection Profile[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57 (5): 1487- 1497

李鑫月, 石磊, 李永华. 近震体波走时与重力联合反演华北地区地壳上地幔顶部P波速度结构[J]. 地球物理学报, 2024, 67 (4): 1439- 1453

Xinyue

, Shi

Lei

, Li

Yonghua

. Crust and Uppermost Mantle P-Wave Velocity Structure of the North China: Constraints from Joint Inversion of Local Earthquake Body-Wave Travel Times and Gravity Anomalies[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2024, 67 (4): 1439- 1453

危自根, 王炳瑜, 陈凌. 华北克拉通中、西部和周边区域的地壳厚度(H)与波速比(k)[C]. 中国地球物理学会第二十七届年会, 长沙, 2011

Wei Zigen, Wang Bingyu, Chen Ling. Crustal Thickness and V_P/V_S Ratio of the Central and Western North China Craton and Adjacent Regions[C]. The 27th Annual Conference of the Chinese Geophysical Society, Changsha, 2011

高鑫. 基于接收函数方法研究华北克拉通地壳结构[D]. 北京: 中国地震局地球物理研究所, 2022

Gao Xin. Crustal Structure beneath the North China Craton Based on Receiver Function Method[D]. Beijing: Institute of Geophysics, CEA, 2022

2025年第45卷第8期

引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2024.08.415

接收时间：2024-08-31
首发时间：2026-10-29
出版时间：2025-08-15

补充材料

相关文章

文章信息

作者

出版历史

收稿日期：2024-08-31

基金

Open Fund of Earthquake Prediction(XH24004D)

地震预测开放基金(XH24004D)

The Earthquake Tracking Task of CEA(2024020101)

中国地震局震情跟踪定向工作任务(2024020101)

The Spark Program of Earthquake Technology of CEA(XH200403Y)

中国地震局地震科技星火计划(XH200403Y)

Youth Fund of Department of Science and Technology of Shanxi Province(201901D211548)

山西省科技厅青年基金(201901D211548)

Natural Science Foundation of Beijing(8232053)

北京市自然科学基金(8232053)

Research Project of the National Field Station of the Institute of Geology, CEA(NORSTY2021-01)

中国地震局地质所国家野外站研究课题(NORSTY2021-01)

Research Project of the National Field Station of the Institute of Geology, CEA(NORSTY2023-07)

中国地震局地质所国家野外站研究课题(NORSTY2023-07)

Research Project of the National Field Station of the Institute of Geology, CEA(NORSTY2023-08)

中国地震局地质所国家野外站研究课题(NORSTY2023-08)

作者信息

1 山西省地震局，太原市晋祠路二段69号，030021

2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，太原市晋祠镇，030025

3 江西省地震局，南昌市昌东大道6929号，330023

通讯作者:

吕坚，研究员，主要从事地震活动性与地震危险性研究，E-mail: lvjian8438@163.com

LÜ Jian, researcher, majors in seismicity and seismic risk, E-mail: lvjian8438@163.com

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ddcl/CN/10.14075/j.jgg.2024.08.415

分享至

全文二维码

扫描看全文

引用本文

BibTeX

本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

关闭全屏

BibTeX
EndNote
RefWorks
TxT