2021年瑪多MS 7.4地震前MS 3、MS 4地震空區(qū)嵌套異常分析

張麗峰 黃 浩 趙玉紅 劉文邦 胡維云 郭瑛霞

（中國西寧 810001 青海省地震局）

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2021年5月22日凌晨2時4分，在青?，敹嗫h（34.59°N，98.34°E）發(fā)生了MS7.4地震（下文統(tǒng)一使用M表示面波震級MS，ML表示近震震級），震源深度17 km，西寧、蘭州、成都等地震感強烈，最大余震為2021年5月22日10時29分M5.1地震。青海地震臺網(wǎng)共記錄0級以上余震2762次，呈NWW—SEE向在主震兩側(cè)分布，余震展布長約170 km。青海省地震局及GCMT給出的該地震震源機制解均為走滑型。現(xiàn)場應(yīng)急科學(xué)考察發(fā)現(xiàn)本次地震地表破裂呈NWW—SEE向延伸，是一次典型的左旋走滑事件，發(fā)震斷層為巴顏喀拉地塊北側(cè)東昆侖斷裂帶東段的一條分支即瑪多—甘德斷裂。

青海瑪多MS7.4地震發(fā)生在巴顏喀拉塊體內(nèi)部，自1997年西藏瑪尼M7.5地震后，該塊體先后發(fā)生2001年昆侖山口西M8.1、2008年四川汶川M8.0、2014年新疆于田M7.3、2017年四川九寨溝M7.0等8次7級以上地震。據(jù)《中國震例》記載，除1997年瑪尼M7.5地震無震例資料外，其余7次地震中有6次地震前存在地震空區(qū)現(xiàn)象，有4次地震前存在多震級檔地震空區(qū)嵌套，瑪多M7.4地震前也出現(xiàn)了空區(qū)嵌套現(xiàn)象。關(guān)于空區(qū)的研究最早可追溯到1909年，日本地震學(xué)者Omori提出地震空區(qū)的初始概念。蘇聯(lián)學(xué)者Fedotov（1965）和美國地震學(xué)家Sykes（1971）認(rèn)為，大地震空區(qū)是斷裂帶或板塊邊界上已發(fā)生大地震的震源區(qū)之間、長時間無大地震破裂的段落。McCann等（1979）分析了環(huán)太平洋板塊邊界未來數(shù)十年的大震危險性，發(fā)現(xiàn)屬于地震空區(qū)的段落更具發(fā)震危險性。Mogi（1979）提出了2類地震空區(qū)的概念，其中大震破裂空段為第一類空區(qū)，第二類空區(qū)由震級較低的地震構(gòu)成。20世紀(jì)80年代以來，我國地震工作者逐漸將地震空區(qū)與國內(nèi)地震活動相結(jié)合，在地震預(yù)測預(yù)報、地震危險性評價、空區(qū)形成的物理機制等方面取得一定成果（梅世蓉，1995；陳玉華等，2002；蔣海昆等，2003；馬勝利等，2004；董治平等，2005；聞學(xué)澤等，2008；劉艷輝等，2014）。以往研究多針對單一震級檔空區(qū)，而陸遠(yuǎn)忠等（1982，1983）在研究強震前中小地震活動的演變過程時，提出了“背景空區(qū)”和“孕震空區(qū)”的概念，并指出中強震前這2種空區(qū)普遍存在。陳玉華等（2013）在研究中國大陸西部7級以上地震前空區(qū)演化時發(fā)現(xiàn)，所研究震例震前均出現(xiàn)不同震級檔配套的地震空區(qū)，這對M≥7地震的孕育具有時空指示意義。

地震空區(qū)對中強震有一定預(yù)測意義，尤其是多震級檔空區(qū)嵌套對大陸西部7級地震具有預(yù)測意義。鑒于前人研究及青海地區(qū)的地震活動背景，對此次3、4級地震空區(qū)嵌套異常尤為關(guān)注。2021年5月3日在4級地震空區(qū)邊緣發(fā)生青海格爾木M4.0地震，使空區(qū)發(fā)震緊迫性進一步增強，于2021年5月19日地震月會商時提出該空區(qū)嵌套異常，并在5月22日地震年中會商時重點分析。正式提出該異常3天后發(fā)生瑪多M7.4地震。該異常是震前提出且快速對應(yīng)地震，本文對其做進一步梳理和分析。

1 4級地震空區(qū)

青海地區(qū)地震監(jiān)測能力在2008年“十五”數(shù)字地震臺網(wǎng)建設(shè)后大幅提升，后經(jīng)臺網(wǎng)優(yōu)化和觀測臺站加密，除唐古拉及青海西部少數(shù)地區(qū)外，其余地區(qū)地震最小完整性震級（2015年6月—2019年10月）基本在ML2.0以下（余娜等，2020）。在滿足最小完備震級的情況下，對青海地區(qū)進行M3以上地震活動掃描，發(fā)現(xiàn)青海中東部存在大范圍4級地震空區(qū)，該空區(qū)自2019年2月20日青海海西州德令哈M4.5地震以后逐漸形成，其演化過程可分為2個階段。第1階段為空區(qū)形成階段。自2019年2月20日青海德令哈M4.5地震后，陸續(xù)發(fā)生2019年3月14日青海澤庫M4.3地震、2019年7月26日青海治多M4.3地震、2019年8月9日青海門源M4.9地震、2019年9月16日甘肅甘州區(qū)M5.0地震、2020年1月23日四川石渠M4.0地震、2020年4月1日四川石渠M5.6地震，這些地震形成了原始的4級地震空區(qū)。這些地震形成的圍空如圖1中虛線橢圓所示，空區(qū)長軸為910 km，短軸約590 km，構(gòu)成圍空地震的最大空缺方位角為106°?？諈^(qū)內(nèi)涉及多條次級塊體邊界縫合帶，均具有孕育強震的能力（圖1）；1900年以來空區(qū)內(nèi)6級以上地震多發(fā)，6級地震歷史平均重現(xiàn)期為7年（圖2），瑪多地震前6級地震的平靜期已超過歷史平均重現(xiàn)期；在空區(qū)形成過程中，空區(qū)外圍100 km范圍內(nèi)相繼發(fā)生了2019年3月10日青海治多M4.2地震、2019年4月28日甘肅肅南M4.8地震、2019年10月28日甘肅夏河M5.7地震、2020年1月25日西藏丁青M5.1地震、2020年3月24日青海海西M4.0地震，空區(qū)外圍4級以上地震活躍，與內(nèi)部地震活動差別明顯。上述條件均符合4級地震空區(qū)的判定規(guī)則，因此勾畫的4級地震空區(qū)有效?？諈^(qū)演化的第2階段為空區(qū)收縮。2020年12月24日青?，敹喟l(fā)生M4.2地震，使4級地震空區(qū)明顯收縮；2021年5月3日青海格爾木又發(fā)生了M4.0地震，使收縮后的4級地震空區(qū)更加完整（圖1）。收縮后空區(qū)長軸為880 km，短軸約440 km，圍空地震的最大空缺方位角為90°。

圖1 青海地區(qū)3、4級地震空區(qū)演化Fig.1 Evolution of the M 3 and M 4 seismic gap in Qinghai area

圖2 4級地震空區(qū)內(nèi)部歷史6級地震M—tFig.2 M-t diagram of M 6 earthquakes inside the M 4 seismic gap

分析收縮后4級地震空區(qū)2000年以來的地震M—t圖[圖3（a）]，發(fā)現(xiàn)2018年5月6日青海稱多M5.3地震后區(qū)內(nèi)無4級地震發(fā)生，后被此次瑪多M7.4地震打破，平靜時間為37個月。發(fā)震時間間隔圖[圖3（b）]中平靜期超過20個月的現(xiàn)象還有3次，對照區(qū)內(nèi)及邊緣5級以上地震發(fā)現(xiàn)，這種平靜現(xiàn)象對區(qū)內(nèi)5級以上地震有指示意義。如2008年11月青海大柴旦M6.4地震前平靜21個月、2013年6月青海海西5級地震前平靜31個月、2018年青海稱多M5.3地震前平靜25個月。

圖3 4級地震空區(qū)M—t（a）和發(fā)震時間間隔（b）Fig.3 M-t diagram (a) and seismic interval diagram (b) of the M 4 seismic gap

2 3級地震空區(qū)

隨著地震活動的發(fā)展，在收縮后的4級地震空區(qū)短軸方向出現(xiàn)3級地震空區(qū)（圖1中紫色橢圓）。該3級地震空區(qū)自2019年12月31日青海格爾木M3.4地震后逐漸形成，2020年12月24日青海瑪多M4.2地震共同參與3、4級地震空區(qū)的圍空。3級地震圍空的最后一個地震為2021年1月15日青海德令哈M3.8地震，空區(qū)長軸為537 km，短軸約398 km，圍空地震的最大空缺方位角為100°。分析3級地震空區(qū)2000年以來的M—t圖（圖4），發(fā)現(xiàn)該空區(qū)并非為死空區(qū)，基本處于持續(xù)活躍狀態(tài)，瑪多7.4級地震前空區(qū)內(nèi)的3級地震平靜（17個月）最為顯著，因此該3級地震空區(qū)具有一定的預(yù)測意義。在時間上3級地震空區(qū)出現(xiàn)在4級地震空區(qū)的形成過程中；在空間上，3級地震空區(qū)長軸方向與收縮后的4級地震空區(qū)短軸方向近似，二者形成了很好的嵌套。

圖4 3級地震空區(qū)M—t（a）和發(fā)震時間間隔（b）Fig.4 M-t diagram (a) and seismic interval diagram (b) of the M 3 seismic gap

3 對空區(qū)嵌套異常的認(rèn)識

對青海地區(qū)的M3地震進行掃描，發(fā)現(xiàn)存在M3、M4地震空區(qū)嵌套現(xiàn)象。上述章節(jié)論述了地震空區(qū)的有效性，在此基礎(chǔ)上，需要更近一步論證其是否具有發(fā)震危險性，如果具有發(fā)震危險性，則需要分析并給出預(yù)測三要素。本節(jié)從構(gòu)造、歷史地震及視應(yīng)力等方面對其發(fā)震危險性進行了論述；從歷史震例及空區(qū)與震級的經(jīng)驗公式等方面闡述了其預(yù)測意義。

M3、M4地震空區(qū)內(nèi)涉及多條次級塊體邊界，如巴顏喀拉塊體的南、北邊界，柴達木塊體的北邊界，祁連塊體的北邊界。這些邊界縫合帶有巨型走滑的東昆侖斷裂帶、鮮水河—玉樹斷裂，左旋走滑兼逆沖的青海南山北緣斷裂、托萊山南坡—冷龍嶺斷裂等（周保等，2009）。這些斷裂均發(fā)生過6級以上地震，具有孕育強震的能力，尤其是巴顏喀拉塊體邊界斷裂，是近20年來中國大陸7級以上地震活動的主體區(qū)域。東昆侖斷裂帶雖然歷史上發(fā)生了多次大地震，但東段仍舊存在大震破裂空段——瑪曲空區(qū)（李建軍等，2017；蔡瑤瑤等，2018），該空段落入原始4級地震空區(qū)內(nèi)部；除2010年青海玉樹M7.1地震外，甘孜—玉樹斷裂段落入空區(qū)的部分存在6級地震空段。歷史地震也表明，空區(qū)內(nèi)有發(fā)生強震的能力，1990年以來空區(qū)內(nèi)6級檔地震占青海省的42%，7級檔地震占青海省的60%。1937年青海阿蘭湖東71/2級地震、1963年青海阿蘭湖7.0級地震、1990年青海共和M7.0地震就發(fā)生在空區(qū)內(nèi)部。地震視應(yīng)力是一個與區(qū)域平均應(yīng)力呈正比的物理量（陳學(xué)忠等，2007），分析青海2018年初至2019年底的地震視應(yīng)力，可見3級地震空區(qū)形成前其內(nèi)部視應(yīng)力明顯偏高（圖5），預(yù)示著該區(qū)應(yīng)力場增強，具有發(fā)震危險性。

圖5 3級地震空區(qū)形成前的地震視應(yīng)力Fig.5 Seismic apparent stress before the M 3 seismic gap

據(jù)以往震例，青海強震之前大都出現(xiàn)了地震空區(qū)嵌套現(xiàn)象?；凇吨袊鹄肥崂?，青海地區(qū)1980年以來16次6級以上地震前出現(xiàn)的空區(qū)異常，共10組震例有空區(qū)異常，其中有6組出現(xiàn)空區(qū)嵌套異常（表1中加粗震例）。圖6為震例空區(qū)嵌套的空間分布圖。所有震例的低震級空區(qū)均在高震級空區(qū)范圍之內(nèi)，時間上也是高震級空區(qū)出現(xiàn)早，低震級空區(qū)出現(xiàn)晚。另外，除1990年青海共和7.0級地震以外，其余震例的震中出現(xiàn)在空區(qū)嵌套的交界區(qū)附近，這一特征是在前人研究空區(qū)嵌套的基礎(chǔ)上提出的新認(rèn)識，對于分析空區(qū)嵌套異常、縮小預(yù)測發(fā)震區(qū)極其重要。依據(jù)各震例記載及相關(guān)研究（陸遠(yuǎn)忠等，1982），在表1中加粗標(biāo)注了各震例的孕震空區(qū)。統(tǒng)計各震例從孕震空區(qū)出現(xiàn)到主震發(fā)生的時間間隔為7—67個月，平均為26個月。結(jié)合上述分析，認(rèn)為此次3、4級地震空區(qū)嵌套異常為中長期指標(biāo)，對空區(qū)嵌套交界區(qū)附近地震的發(fā)生有預(yù)測意義。

表1 基于《中國震例》的1980—2019年青海地區(qū)空區(qū)異常特征統(tǒng)計Table 1 Statistics of anomalous characteristics of seismic gaps in Qinghai from 1980 to 2019 based on Earthquake Cases in China

圖6 青海地區(qū)震例地震前空區(qū)嵌套分布黃色代表2級地震空區(qū)；紫色代表3級地震空區(qū)；綠色代表4級地震空區(qū)；藍色代表5級地震空區(qū)；粉色代表6級地震空區(qū)Fig.6 Distribution of nested seismic gaps before some earthquake cases in Qinghai area

關(guān)于空區(qū)與未來主震震級之間的關(guān)系，主要從空區(qū)起始震級、形成持續(xù)時間、空間分布尺度等方面進行了研究，已有大量研究成果。陸遠(yuǎn)忠等（1983）分析中國大陸6級地震前空區(qū)演化并給出空區(qū)參數(shù)與主震震級的經(jīng)驗公式；曲延軍等（2010）研究了空區(qū)持續(xù)時間、空間尺度與主震震級的相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為6級、7級主震前的圍空起始震級分別為ML3.5、ML4.0。呂堅（2016）等研究了中國大陸空區(qū)持續(xù)時間以及青藏高原北部地區(qū)空區(qū)長軸尺度、空區(qū)圍空震級與主震震級之間的關(guān)系，利用呂堅等（2016）的研究結(jié)果，估算本次異常的預(yù)測震級。經(jīng)驗關(guān)系式如下

其中，T為以月為單位的空區(qū)持續(xù)時間；ML為空區(qū)圍空起始震級；L是以km為單位的空區(qū)長軸尺度。取4級地震空區(qū)的持續(xù)時間為27個月，空區(qū)起始震級為ML4.5(M4.0)、空區(qū)長軸為880 km，在不考慮統(tǒng)計誤差的情況下，估算震級分別為M6.1、M6.8、M7.1，平均震級為M6.7。

4 回顧與總結(jié)

2019年2月以后，青海省出現(xiàn)3、4級地震空區(qū)嵌套現(xiàn)象。2020年12月24日青海瑪多M4.2地震的發(fā)生，使4級地震空區(qū)進一步收縮。2021年5月3日青海格爾木M4.0地震的發(fā)生，使4級空區(qū)更加完整，異常更加明確。對該異常進一步梳理，得出以下認(rèn)識。

（1）分析歷史地震及構(gòu)造，認(rèn)為此次地震空區(qū)具有孕育強震的能力，且3級地震空區(qū)具有視應(yīng)力高值現(xiàn)象，預(yù)示著區(qū)內(nèi)應(yīng)力場增強，具有發(fā)震危險性。

（2）依據(jù)《中國震例》梳理青海地區(qū)強震前的空區(qū)嵌套現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)未來主震震中出現(xiàn)在空區(qū)嵌套的交界區(qū)附近。這是在前人對空區(qū)嵌套研究基礎(chǔ)上得到的新認(rèn)識，對分析空區(qū)嵌套異常、縮小預(yù)測發(fā)震區(qū)具有重要意義。事實證明，瑪多M7.4地震正好發(fā)生在3、4級地震空區(qū)交界區(qū)。

（3）此次3、4級地震空區(qū)在預(yù)測時間上為中長期指標(biāo)，瑪多M7.4地震發(fā)生在3級地震空區(qū)出現(xiàn)后17個月，4級地震空區(qū)出現(xiàn)后27個月；依據(jù)呂堅等（2016）給出的經(jīng)驗公式，估算本次異常對應(yīng)預(yù)測震級為M6.7，實際震級比估算震級高。

文中分析了瑪多M7.4地震前3、4級地震空區(qū)嵌套演化過程，在此過程中有2次顯著地震事件，對發(fā)震緊迫性分析有一定意義。曲延軍等（2010）在研究中國大陸地震空區(qū)特征時指出，有些空區(qū)形成后期會在其內(nèi)部發(fā)生與圍空震級相當(dāng)或稍高的地震，使空區(qū)瓦解，即打破空區(qū)，其后1年內(nèi)發(fā)生較大主震的概率較高。陸遠(yuǎn)忠等（1982）指出，中強地震前，孕震空區(qū)邊緣普遍存在一個或一批引人注目的地震，稱為逼近地震，一般出現(xiàn)于主震前十幾天到半年，是參加圍空的最后一個（批）較為顯著的地震。

回顧本次3、4級地震空區(qū)的跟蹤過程，2020年12月24日青?，敹郙4.2地震使4級地震空區(qū)明顯收縮（打破），預(yù)示著跟蹤進入中短期（6個月—1年）階段，實際該地震后5個月就發(fā)生了瑪多M7.4地震，且該地震對發(fā)震地點有一定指示意義（距離主震50 km）。2021年5月3日青海格爾木M4.0地震發(fā)生在空區(qū)邊緣，是圍空的最后一個地震，屬于逼近地震，預(yù)示著跟蹤進入短期階段，事實為該地震發(fā)生后19天即發(fā)生了瑪多M7.4地震。這2次地震事件是異常跟蹤從中長期轉(zhuǎn)為中短期再轉(zhuǎn)為短期的具有顯著意義的地震，尤其是2021年5月3日青海格爾木M4.0地震，雖然在跟蹤過程中未明確指出為逼近地震，但其發(fā)生引起了對震情的進一步重視。這2次地震事件再次驗證了打破地震和逼近地震的存在，且在時間上具有短臨指示意義，可為今后地震空區(qū)跟蹤過程中發(fā)震緊迫性的判定不斷積累經(jīng)驗。