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。

 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 

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

 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。