0 引言

地壳形变是地震发生过程中直接伴随的现象之一。形变观测是地球物理观测的重要手段之一，以能够清楚地观测地球固体潮汐为发展目标，对地震监测预报具有重要作用。

1910年，著名学者Reid提出弹性回跳理论，并解释了应力积累与释放问题，从而使地壳形变观测越来越受到关注（白玉柱等，2012）。之后，随着扩容理论的提出，地壳形变观测有了进一步发展（江娃利等，2003）。在陈鑫连先生号召下，国家地震局1977年在安徽芜湖召开地应力学术会议，1978年在湖南省长沙市举行地震前兆观测技术工作会议，针对当时存在的技术难题，明确提出定点形变观测技术应以观测地球固体潮为发展目标（程绍平等，2002）。经长时间发展，形变观测已形成一定规模的监测台网，广泛应用于地震监测和预报研究等各个领域。观测量涉及应变速率和方向的变化以及固体潮相关参数等，可以有效监测地壳形变过程中的微量信息（国家地震局预测预防司，1998；刘北京，2020；郝洪涛等，2022）。随着信息化技术的提升，形变观测手段采样率已发展至秒值或更高频率，在研究同震响应信号上更有优势。在其他应用领域，还涉及了对地面自由振荡的监测、慢地震以及海啸火山等方面的特性分析（王焕等，2018；毛泽斌等，2019；牛安福等，2020）。

山西省全域位于地震带上，是我国中小震群活动多发地，中强地震频发，震情严峻，防震减灾任务艰巨。该省形变观测始于20世纪70年代，多年来积累了大量形变观测数据，在地震研究中发挥了重要作用。文中对山西地区地震形变观测进行系统调研，以便更好地为该区地震监测、预报与研究服务。

1 形变观测概况

山西省形变观测始于20世纪70年代，成长于80—90年代，成熟于21世纪初，历经各时期建设，特别是经“‘九五’数字化”和“‘十五’数字化”改造、“中国大陆环境构造监测网络项目”、“山西地震安全信息服务工程”和“中国地震背景场探测项目”等系列工程建设（蔡小超等，2023），由模拟观测发展为数字化观测，观测模式从单一观测手段到多手段高精度连续观测，从山洞观测升级到井下立体观测，数据采样率由整时值发展为分钟值、秒钟值甚至更高采样频率。经过几十年发展，山西省形变观测台网已形成一定规模，具备较为完整的固体潮和非潮汐数据处理分析手段，地震观测能力得到较大提升，可以监测局部区域地壳形变特性，并逐步应用于地震中短临预测。

2 形变观测调研

对山西省历史及在运行形变学科仪器、数量等进行全面摸排，系统梳理1985年以来山西地区形变观测资料变化，探讨形变台网观测资料在监测预报中发挥的重要作用，为该区形变观测工作提供参考。

2.1 台站分布

山西省形变观测台站集中在5大盆地及周缘地区，主要沿断裂从南到北呈带状分布，整体布设较为均匀（图 1）。

据统计，山西地区地壳形变观测国家站（点）共33个，计60个测项，含地倾斜、地应变、重力、跨断层垂直形变及GNSS等5大类观测。其中：地倾斜观测包括水管倾斜、水平摆倾斜、垂直摆倾斜和钻孔倾斜4种观测手段，共计17个测项53个测项分量；地应变观测包括体应变、分量钻孔应变、洞体应变3种观测手段，共计18个测项87个测项分量；重力观测包含1个测项10个测项分量；跨断层垂直形变观测包括定点和流动水准观测。目前山西全省布设4处跨断层定点水准观测场地，共10个测段；11处跨断层流动水准观测场地，共23个测段；全省GNSS观测有9个站点，共9个测项27个测项分量。

2.2 观测仪器

山西地区形变观测主要包括倾斜和应变2类，另有重力、短水准定点测量和跨断层流动水准测量及GNSS观测。其中，定点形变观测为倾斜类、应变类、重力以及短水准定点测量，因GNSS观测数据并未入库，故本研究暂不涉及。目前，区内形变观测在运行51项，停测33项（图 1）。

在停测项中，洞体倾斜应变20项，占比约60.6%；钻孔应变10项，占比约30.3%；跨断层3项，占比约9.1%。停测原因主要是，台站观测环境受到严重破坏（如温泉开发抽水干扰、修建铁路等）、观测环境不达标（如山洞潮湿、山洞进深及覆盖层浅等）、仪器工作不稳定或仪器超出服役时间，部分台站测项停测或经“十五”、背景场项目的升级改造，多数停测台站测项未改变属地现有形变观测的监测格局及监测能力。例如：上皇庄和灵丘水平摆观测因观测山洞潮湿严重而停测，西坪台水平摆因修建大秦铁路搬迁停测，上皇庄台RZB、FZY应变仪均因遭受雷击故障停测；定襄模拟石英摆因为模拟纸厂家停产和山洞潮湿停测，更换为数字化石英水平摆倾斜仪；代县“九五”体应变仪因雷击损坏探头停测，“十五”体应变主探头于2022年6月13日遭雷击损坏临时停测。多数停测测项观测以来无有效震例记录，对现有形变观测的监测格局及监测能力影响较小。

个别点位，如运城站水平摆倾斜仪，因山洞观测环境不达标及仪器故障原因停测，而运城地区其他台站（绛县地震台、永济地震台），因台站撤销或观测山洞进深浅、湿度大等原因停测，这些停测点改变了运城地区形变的原有监测布局，对区域强震的短临监测能力产生了一定影响。

2.3 观测环境

通过对山西形变地球物理观测台站的直接与间接走访和调查研究，发现大部分台站所受干扰小、干扰因素少，相对观测环境较好，少部分台站的观测环境受到严重干扰，例如山洞潮湿、山洞进深不达标及覆盖层浅等。随着我国经济建设的不断发展，基建项目工程影响等日益增多，地震观测环境保护问题日益突出。

2.4 观测资料 2.4.1 入库资料

扫描近3年的观测数据资料，结果显示，形变观测资料连续率均在96%以上，大部分资料连续率、完整率均在99%以上。

2.4.2 资料映震

系统梳理并统计山西及邻区5次M_S≥5地震（1989年10月19日大同—阳高M_S 6.1、1991年3月26日大同—阳高M_S 5.8、1991年1月29日忻州M_S 5.1、1996年5月3日包头M_S 6.4、1998年1月10日张北M_S 6.2地震）和研究区多次中等地震前山西形变测项异常，并结合显著地震进行震例总结，结果见图 2、图 3、表 1、表 2。

由图 2可知，1985年以来，山西及邻区5次强震前形变异常测项中，跨断层表现出的异常数量较多，定点形变异常次之；表 1、表 2显示，强震前形变以长期异常为主，3次强震前出现过中期异常，短期异常出现项次较少。

震级越大、震中距越近，长期异常会逐渐增多，且长期异常主要体现在跨断层场地上。5次强震前异常突出，其中：大同—阳高M_S 6.1和张北M_S 6.2地震前，跨断层测项以长期异常为主，山西北部地区跨断层群体准同步趋势异常，较好反映了2次地震前的异常变化（图 3）；大同—阳高M_S 5.8、忻州M_S 5.1和包头M_S 6.4地震前，年尺度中期异常相对较多，可能与所处位置及跨断层场地分布有一定关系，定点形变无长期异常出现（表 1，图 3）。在此区域内，多次中等地震前形变测项以跨断层场地的中期异常以及定点形变测项短期异常为主。短临预测方面，在2009年原平地震、2010年河津地震、2010年大同地震、2016年盐湖地震前，山西省定点地壳形变测项中8%的观测资料出现明显的短期异常。比如，2010年1月24日河津M_S 4.8地震前，临汾站水平摆、垂直摆原始曲线表现出同步短期趋势转折加速倾变的异常变化。

3 存在的问题 3.1 存在监测薄弱区

形变学科定点观测点布局相对均匀，仅在运城地区存在一定监测薄弱区，该区仅布设1套体应变测项，观测方式单一，难以满足大震短临前兆异常的监测需求。

3.2 跨断层场地空间分布不均匀，存在监测空区

山西地区跨断层测量在测场地共15个，其中跨断层流动形变监测场地11个、定点监测场地4个。场地主要布设在山西北部地区，且多位于山西断陷盆地；山西南部地区布设4处流动和1处定点监测场地。在停测的3个场地中，夏县2个定点水准测线改为流动水准观测，大同1个水准NS向测线停测。跨断层场地空间分布不均匀，在山西中、南部地区存在一定监测空区，无法有效监测断层活动变化。现有场地集中在口泉断裂、五台山北麓断裂、恒山北麓断裂、系舟山北麓断裂、唐河断裂、交城断裂、罗云山山前断裂、霍山山前断裂、中条山北麓断裂等附近区域，而太原西南地区的交城断裂（全新世断裂，长110 km）、太原盆地的东边界太谷断裂、大同盆地东边界六棱山山前断裂等附近区域则未布设跨断层流动形变监测场地。一些断裂带区域，如晋城—获鹿断裂（山西隆起区的重要构造，地震活动较为活跃，历史上发生多次中强地震），未布设跨断层流动形变监测场地。

3.3 监测场地未进行基线测量

山西地区监测场地仅开展水准测量，未布设基线测量。山西地区断层以垂直活动为主，但部分断层以水平活动为主。宏观上，断层活动是三维的，并不是单一活动，因此应尽可能对一些水平活动较大的断裂实施三维观测。

3.4 跨断层流动形变监测场地存在监测盲区

运城盆地东边界的中条山断裂由3段组成，北段区域由南山底场地监测，南段区域由风伯峪场地监测，中段区域成为监测空区。然而，该断裂段活动性最强，有必要设立监测场地，以有效监测断裂活动性强度，提高区域监测效能。因此，山西地区跨断层流动形变监测场地目前存在监测盲区，暂不能完全有效地监测该区断裂活动，有待进一步补充完善。

3.5 观测环境复杂

近年来，随着一些大型基建项目和基础设施工程的实施，观测环境受到一定破坏，对地震监测设备形成不同程度的干扰，增加了地震地球物理观测的难度。

4 结论与建议

通过对山西地区形变测点的系统梳理，初步得到以下认识：

（1）山西地区定点形变观测已有一定规模，存在以下特点：①观测仪器类型多，观测手段全，但仪器标准化程度不高；②观测资料具有一定映震能力；③观测环境复杂，需进一步加强观测环境保护。

（2）研究区定点形变观测网布局相对均匀，仅运城地区存在一定监测薄弱区，区内观测方式单一、监测密度不足，仅布设1项体应变测项，致使监测能力较其他区域薄弱，难以满足该区大震短临前兆异常的监测需求。

（3）形变测项停测原因主要是，台站仪器工作不稳定或超出服役时间、观测环境不达标或台站环境受到严重破坏；部分台站停测是因“十五”项目、背景场项目对其进行升级改造，一般有新的替代监测方案，多数停测台站未改变现有形变观测的监测格局及监测能力。个别点位测点停测，如运城站、绛县地震台、永济地震台停测，改变了运城地区形变原有监测布局，对区域强震的短临监测能力有一定影响。

（4）跨断层场地空间分布不均匀，在山西中部地区存在一定监测空区，无法有效监测活动断层变化。一些断裂带区域，如晋城—获鹿断裂，未布设跨断层流动形变监测场地。另外，山西地区断层以垂直活动为主，部分断层以水平活动为主。

（5）山西地区形变观测为该区及邻区地震的长中短期预测提供了良好的数据支撑。震例统计结果表明，山西地区跨断层场地形变观测对强震映震效果最佳，为优势映震测项，且异常会以多测项准同步出现，进入中短期阶段多以定点异常为主；区内中等地震前，定点形变测项主要表现为中、短期甚至短临异常，存在有效震例的测项多为延续时间较长的观测手段，新手段因运行时间较短，有效震例较少。

为进一步作好山西地区形变监测预报工作，综合以上分析，建议采取以下措施：

（1）鉴于运城地区形变测点密度不足，存在一定监测空区，难以满足强震前短临异常监测需求的问题，建议增加符合该区自然环境、便于管理的定点形变测项，如GNSS，可在某些点开展定点连续观测，以弥补现有监测布局改变而对区域强震短临监测能力产生的影响。

（2）跨断层监测场地布设应针对次断裂（主要指三级断裂，与构造带展布或对局部构造的发育有制约关系）上活动性最强区域，不能简单按照距离布设。同时，鉴于跨断层水准测量在强震前的突出异常表现，建议在晋获断裂、中条山北麓断裂中段、罗云山断裂等增加跨断层水准、基线测量，尤其在震情紧张时段，对重点区域、重点场地开展加密观测，以期进一步提升地震监测能力。

（3）近年来，随着经济建设的高速发展，大型基建项目的增多、旅游开发等对形变监测设施和观测环境影响日益增多，地球物理观测的难度越来越大。另外，供电和气象因素等直接或间接对观测质量造成了较大影响，要加强环境保护治理，提供良好的监测环境，从而更好地服务于地震监测预报工作。