田 雷 張小濤 解孟雨 姜祥華 王 月 鄧世廣 臧 陽 黎明曉 于 晨 苑爭一
(中國北京100045 中國地震臺網中心)
據中國地震臺網測定(http://news.ceic.ac.cn/CC20210319141127.html),2020年3月19日14時11 分在西藏那曲市比如縣(31.94°N,92.74°E)發生MS6.1 地震,震源深度10 km。截至2021 年4 月15 日,本次地震序列共記錄MS2.0 以上地震55 次,其中MS2.0—2.9 地震50 次,MS3.0—3.9 地震2 次,MS4.0—4.9 地震3 次,最大余震為4 月7 日發生的MS4.7 地震。
2021 年西藏比如6.1 級地震發生在西藏班戈—安多地區的安多盆地南緣斷裂附近,該斷裂是全新世斷層,震源機制解結果顯示此次地震為正斷兼走滑型破裂,與該區域的斷層性質較為一致。此次地震震中附近海拔約4 600 m,人口稀少,人口密度為4 人/km2;地震活動及地球物理監測能力較低,震例資料較少。本文將從構造背景、歷史地震、震源物理參數、余震序列跟蹤、震中附近存在的異常等,希望通過分析此次比如6.1 級地震,為未來的地震預報積累寶貴的震例資料,并為震中及附近區域積累更多震例資料。
2021 年比如6.1 級地震震中位于安多盆地南緣斷裂南側約16 km。安多盆地南緣斷裂為近EW 走向的正斷層,長約200 km,與安多北緣斷裂、錯那湖東緣斷裂和西緣斷裂控制形成安多—錯那盆地(圖1)。根據盆地中的第四紀堆積厚度和抬升山地的峰頂面高度推斷,跨過安多南緣斷裂的第四紀最大垂直位應大于540 m。據此推算,安多南緣斷裂自約2.8百萬年前以來的平均垂直活動速率最小約為0.19 mm/a(吳中海等,2005)。安多南斷裂是安多盆地的南緣控制斷裂,在全新世有明顯的垂直活動,多處形成斷層崖和斷層陡坎。在地貌上,安多盆地內部河流沿盆地南緣由東向西流入錯那湖,反映了安多盆地南緣沉降比北緣強烈,且安多南斷裂垂直活動比安多北斷裂強(馬保起等,2003)。

圖1 2021 年3 月19 日西藏比如6.1 級地震區域構造圖(引自中國地震局地質研究所)Fig.1 The active tectonic map around the Biru MS6.1 earthquake on Mar.19,2021(according to Institute of Geology,China Earthquake Administration)
自1950 年以來,比如6.1 級地震震中200 km 范圍內共發生10 次6 級以上地震,其中6.0—6.9 級地震7 次,7.0—7.9 級地震2 次,8.0—8.9 級地震1 次(圖2)。在這些地震中,1951 年11 月18 日西藏當雄8.0級地震震級最大,震中位于崩錯斷裂帶附近,距比如6.1 級地震約158 km;1994 年6 月30日青海唐古拉6.3 級地震時間最近,震中位于雁石坪南斷裂帶附近,距此次地震震中約124 km;1971 年5 月23 日西藏安多6.5 級地震空間最近,震中位于唐古拉山南緣斷裂帶附近,與此次6.1 級地震相距約72 km。

圖2 西藏比如6.1 級地震周邊斷層及歷史地震分布Fig.2 The distribution of faults and historical earthquakes in the vicinity of the Biru MS6.1 earthquake
2021 年比如6.1 級地震發生后,多家研究機構利用不同方法反演震源機制解(表1),不同機構的計算結果差異較大,其中:美國地質調查局(USGS)在3 月19 日14 時41 分時給出的震源機制解節面Ⅰ的滑動角為-113°,表明地震可能為正斷型破裂;中國地震局地震預測研究所(IEF-CEA)、中國地震臺網中心(CENC)和中國地震局地球物理研究所(IGP-CEA)(郭祥云反演結果)給出的震源機制解的節面Ⅰ的滑動角分別為-11°、-3°和21°,表明此次地震為走滑型破裂機制;3 月19 日16 時23 分,中國地震局地球物理研究所韓立波給出該地震震源機制解,與USGS 結果較為一致,節面Ⅰ的滑動角為-121°,顯示此次地震為正斷型破裂機制。

表1 比如6.1 級地震震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions for the Biru MS6.1 earthquake
對于矩震級反演結果,IEF-CEA 反演震級最大,為MW5.9,USGS 反演震級最小,為MW5.7,二者相差0.2。對于質心深度,除韓立波等得到的質心深度為6 km,其余幾家機構的結果均在11 km 左右,偏差較小。
西藏比如6.1 級地震的余震較為豐富,截至2021 年4 月15 日,余震區共記錄ML≥1.0 地震410 次,其中ML1.0—1.9 地震210 次,ML2.0—2.9 地震176 次,ML3.0—3.9 地震21 次,ML4.0—4.9 地震2 次,ML5.0—5.9 地震1 次,最大余震為4 月7 日5 時48 分比如ML5.2(MS4.7)地震(表2,圖3)。基于比如6.1 級地震序列目錄,利用ZMAP 軟件中最小完整性震級Mc的計算方法(Wyss et al,1999;Wiemer and Wyss,2000;Mignan and Woessner,2012),即結合擬合優度測試(GFT)和修正最大曲率法(MAXC),計算得到該地震序列的最小完整性震級Mc為ML2.0 ± 0.2(圖4)。

圖3 比如6.1 級地震序列M—t圖(a)和日頻次圖(b)Fig.3 M-tdiagram (a) and daily cumulative rate (b) of the Biru MS6.1 earthquake sequence

圖4 比如6.1 級地震序列的完整性震級Fig.4 The magnitude of completeness for the Biru MS6.1 earthquake sequence

表2 比如6.1 級地震序列目錄(ML≥3.0)Table 2 Catalogue of the Biru MS6.1 earthquake sequence (ML≥3.0)

續表
2021 年比如地震序列的余震集中發生在震后5 天內,共記錄ML≥1.0 余震201 次,隨后序列余震持續活動,ML≥1.0 余震日頻次持續衰減,至4 月7 日最大余震ML5.2(MS4.7)發生,ML≥1.0 余震日頻次突增,后續ML≥1.0 余震日頻次再次持續衰減,且最大余震發生后,余震震級未超過MS3.0(圖3)。
比如地震序列中6.1 級主震釋放能量占序列的98.96%,表明主震釋放了此次地震序列的絕大部分能量。此次地震序列主震震中30 km 范圍內共有ML≥1.0 余震232 個,占比約56.6%,最大余震(ML5.2)位于主震東側,距離約11 km(圖5)。

圖5 比如6.1 地震序列震中分布(截至2021 年4 月15 日)Fig.5 Epicentral distribution of the Biru MS6.1 earthquake sequence (to April 15,2021)
此外,比如地震余震震中具有近圓形分布特征(圖5),這可能由余震序列數據由單個臺站記錄所致。這是因為,目前地方地震臺主要使用MSDP 進行地震定位(代光輝等,2019),而單臺地震定位則通過震中距和震源相對臺站的方位角確定地震位置(陳翔等,2011;郭林旺等,2015)。對于震中距離,由于余震主要集中在主震附近,因而估算的震中距基本一致,而在儀器方位誤差、介質各向異性以及時窗選取主觀性等因素影響下,使用P 波偏振分析得到方位角,結果會存在一定誤差(陳彥含等,2020),從而導致單臺記錄下余震出現近圓形分布。
基于所得最小完整性震級ML2.0 ± 0.2,利用最大似然法(Marzocchi and Sandri,2003),對比如地震序列震級—頻度曲線進行G—R 關系擬合,得到序列a值和b值分別為3.85 ± 0.12 和0.79 ± 0.05(圖6),進而推測序列最大余震震級為ML4.9,與實際發生的最大余震震級ML5.2 相差0.3。比如地震序列中發生的ML3.5 左右的地震明顯低于G—R關系擬合曲線,表明該震級地震出現缺失,余震區未來存在發生相應震級地震的可能[圖6(a)]。
前人研究(劉正榮等,1979;劉正榮,1984;劉正榮等,1986;蔣海昆等,2007)顯示:當h>1 時,地震序列一般為主余型序列;h≤1 時,一般為前震序列,后續易發生更大地震。截至4 月15 日,比如6.1 級地震序列的h=1.171 >1[圖6(b)],表明該地震序列后續發生更大地震的可能性較小。結上所述,比如6.1 級地震序列應為主震—余震型地震序列。

圖6 比如6.1 級地震序列的b值(a)和h值(b)Fig.6 The b-value (a) and h-value (b) of Biru MS6.1 earthquake sequence
2021 年西藏比如6.1 級地震震中位于地球物理觀測能力較弱地區,震中300 km 范圍內無地球物理觀測測項,500 km 范圍內無定點地球物理觀測異常(圖7)。針對震情跟蹤過程中出現的震前異常,梳理發現,此次地震發生前存在少量地震活動及地震學參數異常,Wq值與多方法組合預測方法也在比如地震周邊出現異常區。

圖7 比如6.1 級地震震中附近地球物理觀測臺站及異常項分布Fig.7 Distribution of geophysics observation stations and anomalies before the Biru MS6.1 earthquake
比如6.1 級地震震中位于藏東地區,該區一直是中國地震臺網中心地震預報部(下文簡稱預報部)關注的異常區域。此次地震發生前,預報部提出3 項地震活動異常,分別為:藏東6 級地震背景空區、4 級地震孕震空區與3 級地震條帶交匯、3 級地震條帶交匯。
(1)藏東6 級地震背景空區。背景空區是指主震前幾年至十幾年或更長的較長時間、較大范圍內,通常由較大震級的地震構成的圍空(中國地震局監測預報司,2020)。2017年11月18日西藏米林6.9級地震打破了藏東地區持續37年的6級地震背景空區,并于2019 年4 月24 日在空區內部發生西藏墨脫6.3 級地震(圖8)。
對比發現,1900—1938 年藏東地區存在類似的6 級背景空區,1938 年11 月21 日西藏波密6.0 級地震的發生打破了該空區6級地震平靜,隨后喜馬拉雅東構造結及附近區域進入10 年9 次7 級地震的活躍狀態。分析認為,2020 年以后的10 年,藏東空區邊緣存在發生多次6 級、7 級地震的可能,本次比如6.1 級地震亦發生在該背景空區內部(圖8)。

圖8 藏東6 級地震背景空區Fig.8 The MS≥ 6.0 seismic gap in eastern Tibet
(2)4 級地震孕震空區與3 級地震條帶交匯。孕震空區是指主震前一年至幾年的較短時間、較小范圍內,通常由較小震級的地震構成的圍空(中國地震局監測預報司,2020)。2019 年2 月3 日至2020 年9 月30 日川滇交界至川青藏交界形成4 級地震孕震空區。此外,在該孕震空區北側,于2020 年3 月4 日至9 月30 日形成西藏中北部至甘東南地區的3 級地震條帶。地震條帶可能反映了斷裂帶發生了幅度較大的定向運動或整體變形,這種異常活動可能與大震的孕育相關(劉蒲雄等,1989)。因此,4 級地震孕震空區與3 級地震條帶的交匯進一步增加了條帶附近發生中強地震的可能性,比如6.1 級地震即發生在條帶西南端(圖9)。

圖9 川滇交界至川青藏交界4 級地震空區與藏中北至甘東南地區3 級地震條帶交匯Fig.9 The MS4.0 seismic gap from the Sichuan-Yunnan border to the Sichuan-Qinghai-Tibet border intersects with the MS3.0 seismic belt from the central and northern Tibet to southeast Gansu
(3)3 級地震條帶交匯。2012 年至今,藏東、藏北及附近區域共有24 個測震臺站介入全國測震臺網,使得西藏地區地震監測能力得到明顯提升(土登次仁等,2020)。在該區域地震目錄完整性不斷提升的前提下,預報部地震學研究室對2012—2019 年青藏塊體內部3 個月左右快速形成的3 級地震條帶進行掃描,發現存在10 次條帶,其中有7次在條帶形成后半年內在條帶及周邊發生了6 級以上地震,對應比例為70%,大于該區域半年內6 級地震的自然發生率(58%)。由此可見,西藏地區的3 級地震條帶,對該區域6 級地震具有一定預測意義。
2020 年8 月5 日至11 月16 日,青藏塊體內部形成2 條交匯的3 級地震條帶(圖10),震情跟蹤過程中,判斷該交匯條帶及周邊,尤其是交匯部位,半年內發生6 級地震的可能較大,此次比如6.1 級地震即發生在3 級地震條帶交匯形成4 個月后。

圖10 青藏塊體內部3 級地震條帶交匯Fig.10 The intersection of MS3.0 seismic belts in Qinghai-Tibet block
(1)D值異常。王煒(1987)認為,地震的發生服從韋布爾(Weibull)分布,進而提出地震危險度D值,側面反映了中小地震在時間上的增強或減弱活動。為了展示D值的時空演化特征,預報部地震學研究室對D值計算方法進行了一定改進,空間掃描的網格大小設置為1°×1°,主要計算流程如下:①采用5 年背景窗長計算D值的均值及標準差;②采用1 年窗口計算當前時段的D值;③用當前D值減去背景均值后除以標準差,得到D值的相對變化(ΔD/σD)。此次比如6.1 級地震前4 個月,在震中東側出現D值的低值異常;震前3 個月,異常有所減弱;震前2 個月異常消失,后發生此次比如6.1 級地震(圖11)。

圖11 當前D值相對變化ΔD/σD時空演化(a) 震前4 個月;(b) 震前3 個月;(c) 震前2 個月Fig.11 Spatiotemporal evolution of D-value relative change
(2)地震發生率指數。在強震發生前普遍存在地震活動頻度增強與平靜現象(梅世蓉等,1997;陸遠忠等,1997)。研究表明,地震活動顯著增強或顯著減弱與強震發生具有一定的時空相關性(平建軍等,2001;易桂喜等,2004)。
地震發生率指數可對地震活動顯著增強與顯著減弱這2 種典型異常同時進行定量識別(姜祥華,2020)。參照背景地震發生率,基于統計學模型,將實際地震發生率換算為0—1 之間的概率值,接近1 反映地震活動顯著增強,繪圖時用紅色顯示,接近0 反映地震活動顯著減弱,繪圖時用藍色顯示。
比如6.1 級地震發生前7 個月,在震中東側出現地震發生率指數高值異常,震前6 至4 個月異常區域向震中東南遷移,震前3 至2 個月異常減弱,震前1 個月異常消失,之后在上述異常區域邊緣于3 月19 日發生比如6.1 級地震(圖12)。

圖12 比如6.1 級地震前地震發生率指數異常演化(a)震前7 個月異常分布;(b)震前4 個月異常分布;(c)震前2 個月異常分布;(d)震前1 個月異常分布Fig.12 Anomaly evolution of earthquake occurrence rate before the Biru MS6.1 earthquake
(2)b值異常。實驗研究表明G—R 關系中的b值大小與應力水平呈反比(Riviere et al,2018),同時實例顯示凹凸體區域的b值一般較低(易桂喜等,2008),且大震前會出明顯的低b值異常(Gulia and Wiemer,2019)。因此,b值的大小可以用來指示區域地震危險性水平。此次比如6.1 級地震前,b值異常表現為起伏變化,并集中在震中東部地區,異常區域位置和大小未見明顯變化(圖13)。
在比如6.1 級地震主震發生約7 個月前,即2020 年9 月18 日前,震中附近地區地震活動較弱,地震個數無法滿足b值計算要求,因而未能計算出b值;2020 年9 月開始,震中附近出現低b值異常,主要分布于震中東部;至11 月18 日,該低b值異常區大小和空間位置基本無變化且持續存在,2020 年12 月18 日該異常區b值減小,并持續至2021 年1月18 日;隨后,震中附近b值逐步升高,而3 月18 日震中附近地震活動再次減弱,未能計算出b值,后于3 月19 日發生比如6.1 級地震(圖13)。

圖13 比如6.1 級地震前b值時空演化過程(a) 2020-01-18—2020-07-18;(b) 2020-02-18—2020-08-18;(c) 2020-03-18—2020-09-18;(d) 2020-04-18—2020-10-18;(e) 2020-05-18—2020-11-18;(f) 2020-06-18—2020-12-18;(g) 2020-07-18—2021-01-18;(h) 2020-08-18—2021-02-18;(i) 2020-09-18—2021-03-18Fig.13 The spatio-temporal evolution of b-value before the Biru MS6.1 earthquake
(4)調制比異常。固體潮調制比異常是地震學預測中的常用方法之一(中國地震局監測預報司,2020)。當地下應力達到或處于臨界狀態時,受固體潮調制,在一定條件下可能引起系統突變而發生地震(Lockner and Beeler,1999)。因此,可利用固體潮調制比尋找高應力集中區,預測未來中強地震發生的可能地點(韓顏顏等,2017)。此次比如6.1 級地震發生前,震中附近存在固體潮調制比異常,且在震前短時間內異常較顯著。
此次地震發生前約6 個月,即2020 年9 月底,震中西側出現調制比高值異常;2020 年10 月底,該異常區范圍略微擴展,且異常值有所升高;2020 年11 月底至12 月底,異常區縮小且異常值下降;2021 年1 月底,震中西側異常區的異常值升高,達最高值;同年2 月底,異常區擴展,覆蓋震中及附近區域,但異常值有所下降,后于3 月19 日發生比如6.1 級地震(圖14)。

圖14 比如6.1 級地震前固體潮調制比時空演化過程(a) 2020-01-01—2020-06-30;(b)2020-02-01—2020-07-31;(c) 2020-03-01—2020-08-31;(d) 2020-04-01—2020-09-30;(e) 2020-05-01—2020-10-31;(f) 2020-06-01—2020-11-30;(g) 2020-07-01—2020-12-31;(h) 2020-08-01—2021-01-31;(i) 2020-09-01—2021-02-28Fig.14 The spatio-temporal evolution of earth tidal modulation ratio before the Biru MS6.1 earthquake
(5)RTL 異常。區域—時間—長度(Region-Time-Length,RTL)方法由Sobolev 和Tyupkin(1997)提出,以地震目錄為研究資料,定量檢測地震活動偏離背景水平的異常程度。RTL <0 代表地震活動水平低于背景水平,可看作地震活動平靜異常;RTL >0 代表地震活動水平高于背景水平,可看作地震活動活躍異常。
利用該方法對多個強震震例進行回溯研究,均檢測出具有前兆意義的地震活動平靜與增強(Huang et al,1995;Huang and Sobolev,2001;蔣海昆等,2004;黃清華,2005;劉月等,2017)。2021 年比如6.1 級地震前14 個月,在震源區附近開始出現RTL 高值異常,并持續增強,在震前3 個月左右達到峰值,直至地震發生前該高值異常仍持續存在。此次比如6.1級地震即發生在該異常區西側邊緣(圖15)。
基層思想政治工作是促和諧、保穩定的生命線,是企業生產經營管理實現良性發展的有力思想保證。基層思想政治工作發揮著統一思想、提高認識,化解矛盾、理順情緒,凝聚力量、振奮精神的重要作用,是協調關系、理順情緒的潤滑油,是宣傳政策、解惑釋疑的穩壓器,是統一思想、鼓舞士氣的凝固劑。它雖然不直接產生經濟效益,但它猶如水、空氣對于人一樣,是確保基層和諧、穩定發展的生命線。

圖15 比如MS6.1 地震前RTL 值時空演化過程(a)震前14 個月;(b)震前3 個月;(c)震前1 個月Fig.15 Spatio-temporal evolution of RTL before the Biru MS6.1 earthquake
依據Wq值計算結果及震例研究結果,Wq值異常區或附近區域存在發生6 級以上地震的可能,如2020 年1 月19 日新疆伽師6.4 級地震,發生于臺網中心于2019 年底提出的南天山西段危險區的東側(孟令媛等,2020)。結合中國西藏中部以及西藏南部—印度北部地區存在的Wq值顯著異常,提出我國境內2021 年度在西藏日喀則—那曲交界東部存在發生6 級左右地震的危險,而2021 年3 月19 日比如6.1 級地震發生在西藏中部Wq值異常區外約190 km 處,表明該地震可能與西藏中部Wq異常有關(圖16)。

圖16 比如6.1 級地震前西藏地區Wq值異常及危險區Fig.16 The prediction of dangerous area based on the Wqmethod and the epicenters of the Biru MS6.1
多方法組合地震預測(Multi-Method Earthquake Prediction,MMEP)是基于基礎的物理關聯性,將圖像信息(PI)、加卸載響應比(LURR)、態矢量(SV)、矩加速釋放(AMR)4 種方法合理組合的地震預測方法(Yu et al,2013)。2021 年度地震會商提交的MMEP 計算結果顯示,PI 熱點和LURR 在青藏交界東部地區存在顯著的異常變化(圖17),需關注未來1年內該區域6 級左右地震發生的可能。2021 年比如6.1 級地震發生后,震中附近LURR 異常不顯著,可見該地震未緩解青藏交界區域LURR 異常,因此仍需關注該區域6 級左右地震發生的危險性。

圖17 青藏交界區域PI 異常分布及2021 年比如6.1 級地震分布Fig.17 The prediction of dangerous area based on the PI method and epicenter of the Biru MS6.1 earthquake
西藏比如6.1 級地震發生在中國大陸5 級以上地震長期平靜的背景下,從2020 年7 月23 日尼瑪6.6 級地震至此次地震的發生,大陸地區5 級以上地震平靜長達239 天,為1950年以來5 級地震平靜最長時間。統計研究表明,大陸地區5 級地震的長期平靜被6 級以上地震打破后,存在6 級地震連發的現象。
2020 年尼瑪6.6 級地震后,我國大陸5 級以上地震由顯著活躍轉為顯著平靜期:2020年1—7 月共發生5 級以上地震20 次,包括1 月19 日新疆伽師6.4 級、6 月26 日新疆于田6.4級、7 月12 日河北唐山古冶5.1 級和西藏尼瑪6.6 級地震等。
據統計,1950 年以來,我國大陸地區5 級以上地震平均發震間隔為16 天,5 級以上地震平靜的異常閾值為130 天,共出現9 次5 級以上地震平靜超閾值的現象,其中5 次被6級以上地震直接打破,而此次比如6.1 級地震亦直接打破了5 級以上地震平靜。
2021 年比如6.1 級地震同時打破了青藏高原塊體自2020 年尼瑪6.6 級地震以來持續239 天的5 級地震平靜。統計表明,1950 年以來,青藏高原塊體5 級以上地震平靜超過180 天的現象出現了6 次,平靜打破后4 個月內中國大陸均有6 級以上地震發生,且首發地震優勢地點為新疆和云南地區(表3)。

表3 青藏高原5 級以上地震平靜>180 天后續大陸地區6 級以上地震統計Table 3 Statistics of earthquakes above MS6.0 in mainland China after >180 days quiescence of earthquakes above MS5.0 on the Qinghai-Tibet Plateau
2021 年比如6.1 級地震作為打破中國大陸地區長時間5 級地震平靜的標志性地震,對中國大陸地區后續強震的發生及地震預測具有一定指示意義,通過震例分析總結,該地震具有如下特點。
比如地震發生在西藏班戈—安多地區安多盆地南緣斷裂(第四紀正斷層,長約200 km,近EW 走向)附近,不同機構給出的震源機制解差異較大,但矩震級及震源深度結果較為一致,其中矩震級約MW5.8,震源深度約11 km,綜合分析認為,該地震屬于正斷兼走滑型地震。
截至2021 年4 月15 日,比如6.1 級地震(ML6.2)的余震區共記錄ML≥1.0 地震410次,最大余震為4 月7 日5 時48 分比如ML5.2(MS4.7)地震,與主震間隔19 天,震級差1.4;主震釋放了此次地震序列的絕大部分能量,占比98.96%。
比如地震震中300 km 范圍內無觀測臺站,500 km 范圍內無異常測項,震前周邊地球物理觀測異常不突出;地震學異常主要為6 級地震背景空區及4 級地震空區與3 級地震條帶交匯;地震學參數上存在地震發生率、b值、D值、RTL 值及調制比等異常;綜合方法方面,Wq值、MMEP 方法在藏東地區也存在異常。
比如地震打破了中國大陸地區持續了239 天的5 級以上地震平靜,預示著中國大陸地區可能出現6 級地震連發的情況,優勢發震區主要在新疆和云南地區。
本文撰寫得到王海濤研究員和劉杰研究員的指導和鼓勵,蔣海昆研究員、晏銳研究員、孟令媛研究員和閆偉高級工程師亦給予幫助,中國地震臺網中心國家地震科學數據中心(http://data.earthquake.cn)提供數據支撐,在此對他們及中國地震臺網中心預報部同事的辛苦工作,一并表示衷心感謝。