2021年瑪多MS 7.4地震前MS 3、MS 4地震空區嵌套異常分析

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

據中國地震臺網測定，2021年5月22日凌晨2時4分，在青海瑪多縣（34.59°N，98.34°E）發生了MS7.4地震（下文統一使用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。青海地震臺網共記錄0級以上余震2762次，呈NWW—SEE向在主震兩側分布，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。現場應急科學考察發現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，發震斷層為巴顏喀拉地塊北側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地震發生在巴顏喀拉塊體內部，自1997年西藏瑪尼M7.5地震后，該塊體先后發生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《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現象，有4次地震前存在多震級檔地震空區嵌套，瑪多M7.4地震前也出現了空區嵌套現象。關于空區的研究最早可追溯到1909年，日本地震學者Omori提出地震空區的初始概念。蘇聯學者Fedotov（1965）和美國地震學家Sykes（1971）認為，大地震空區是斷裂帶或板塊邊界上已發生大地震的震源區之間、長時間無大地震破裂的段落。McCann等（1979）分析了環太平洋板塊邊界未來數十年的大震危險性，發現屬于地震空區的段落更具發震危險性。Mogi（1979）提出了2類地震空區的概念，其中大震破裂空段為第一類空區，第二類空區由震級較低的地震構成。20世紀80年代以來，我國地震工作者逐漸將地震空區與國內地震活動相結合，在地震預測預報、地震危險性評價、空區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；聞學澤等，2008；劉艷輝等，2014）。以往研究多針對單一震級檔空區，而陸遠忠等（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”和“孕震空區”的概念，并指出中強震前這2種空區普遍存在。陳玉華等（2013）在研究中國大陸西部7級以上地震前空區演化時發現，所研究震例震前均出現不同震級檔配套的地震空區，這對M≥7地震的孕育具有時空指示意義。

地震空區對中強震有一定預測意義，尤其是多震級檔空區嵌套對大陸西部7級地震具有預測意義。鑒于前人研究及青海地區的地震活動背景，對此次3、4級地震空區嵌套異常尤為關注。2021年5月3日在4級地震空區邊緣發生青海格爾木M4.0地震，使空區發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天后發生瑪多M7.4地震。該異常是震前提出且快速對應地震，本文對其做進一步梳理和分析。

1 4級地震空區

青海地區地震監測能力在2008年“十五”數字地震臺網建設后大幅提升，后經臺網優化和觀測臺站加密，除唐古拉及青海西部少數地區外，其余地區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，對青海地區進行M3以上地震活動掃描，發現青海中東部存在大范圍4級地震空區，該空區自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階段為空區形成階段。自2019年2月20日青海德令哈M4.5地震后，陸續發生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。這些地震形成的圍空如圖1中虛線橢圓所示，空區長軸為910 km，短軸約590 km，構成圍空地震的最大空缺方位角為106°。空區內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年以來空區內6級以上地震多發，6級地震歷史平均重現期為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期；在空區形成過程中，空區外圍100 km范圍內相繼發生了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，空區外圍4級以上地震活躍，與內部地震活動差別明顯。上述條件均符合4級地震空區的判定規則，因此勾畫的4級地震空區有效。空區演化的第2階段為空區收縮。2020年12月24日青海瑪多發生M4.2地震，使4級地震空區明顯收縮；2021年5月3日青海格爾木又發生了M4.0地震，使收縮后的4級地震空區更加完整（圖1）。收縮后空區長軸為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3、4級地震空區演化Fig.1 Evolution of the M 3 and M 4 seismic gap in Qinghai area

圖2 4級地震空區內部歷史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2000年以來的地震M—t圖[圖3（a）]，發現2018年5月6日青海稱多M5.3地震后區內無4級地震發生，后被此次瑪多M7.4地震打破，平靜時間為37個月。發震時間間隔圖[圖3（b）]中平靜期超過20個月的現象還有3次，對照區內及邊緣5級以上地震發現，這種平靜現象對區內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M—t（a）和發震時間間隔（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

隨著地震活動的發展，在收縮后的4級地震空區短軸方向出現3級地震空區（圖1中紫色橢圓）。該3級地震空區自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2000年以來的M—t圖（圖4），發現該空區并非為死空區，基本處于持續活躍狀態，瑪多7.4級地震前空區內的3級地震平靜（17個月）最為顯著，因此該3級地震空區具有一定的預測意義。在時間上3級地震空區出現在4級地震空區的形成過程中；在空間上，3級地震空區長軸方向與收縮后的4級地震空區短軸方向近似，二者形成了很好的嵌套。

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

3 對空區嵌套異常的認識

對青海地區的M3地震進行掃描，發現存在M3、M4地震空區嵌套現象。上述章節論述了地震空區的有效性，在此基礎上，需要更近一步論證其是否具有發震危險性，如果具有發震危險性，則需要分析并給出預測三要素。本節從構造、歷史地震及視應力等方面對其發震危險性進行了論述；從歷史震例及空區與震級的經驗公式等方面闡述了其預測意義。

M3、M4地震空區內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域。東昆侖斷裂帶雖然歷史上發生了多次大地震，但東段仍舊存在大震破裂空段——瑪曲空區（李建軍等，2017；蔡瑤瑤等，2018），該空段落入原始4級地震空區內部；除2010年青海玉樹M7.1地震外，甘孜—玉樹斷裂段落入空區的部分存在6級地震空段。歷史地震也表明，空區內有發生強震的能力，1990年以來空區內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地震就發生在空區內部。地震視應力是一個與區域平均應力呈正比的物理量（陳學忠等，2007），分析青海2018年初至2019年底的地震視應力，可見3級地震空區形成前其內部視應力明顯偏高（圖5），預示著該區應力場增強，具有發震危險性。

圖5 3級地震空區形成前的地震視應力Fig.5 Seismic apparent stress before the M 3 seismic gap

據以往震例，青海強震之前大都出現了地震空區嵌套現象。基于《中國震例》梳理，青海地區1980年以來16次6級以上地震前出現的空區異常，共10組震例有空區異常，其中有6組出現空區嵌套異常（表1中加粗震例）。圖6為震例空區嵌套的空間分布圖。所有震例的低震級空區均在高震級空區范圍之內，時間上也是高震級空區出現早，低震級空區出現晚。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在空區嵌套的交界區附近，這一特征是在前人研究空區嵌套的基礎上提出的新認識，對于分析空區嵌套異常、縮小預測發震區極其重要。依據各震例記載及相關研究（陸遠忠等，1982），在表1中加粗標注了各震例的孕震空區。統計各震例從孕震空區出現到主震發生的時間間隔為7—67個月，平均為26個月。結合上述分析，認為此次3、4級地震空區嵌套異常為中長期指標，對空區嵌套交界區附近地震的發生有預測意義。

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

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

關于空區與未來主震震級之間的關系，主要從空區起始震級、形成持續時間、空間分布尺度等方面進行了研究，已有大量研究成果。陸遠忠等（1983）分析中國大陸6級地震前空區演化并給出空區參數與主震震級的經驗公式；曲延軍等（2010）研究了空區持續時間、空間尺度與主震震級的相關關系，并認為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持續時間以及青藏高原北部地區空區長軸尺度、空區圍空震級與主震震級之間的關系，利用呂堅等（2016）的研究結果，估算本次異常的預測震級。經驗關系式如下

其中，T為以月為單位的空區持續時間；ML為空區圍空起始震級；L是以km為單位的空區長軸尺度。取4級地震空區的持續時間為27個月，空區起始震級為ML4.5(M4.0)、空區長軸為880 km，在不考慮統計誤差的情況下，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

2019年2月以后，青海省出現3、4級地震空區嵌套現象。2020年12月24日青海瑪多M4.2地震的發生，使4級地震空區進一步收縮。2021年5月3日青海格爾木M4.0地震的發生，使4級空區更加完整，異常更加明確。對該異常進一步梳理，得出以下認識。

（1）分析歷史地震及構造，認為此次地震空區具有孕育強震的能力，且3級地震空區具有視應力高值現象，預示著區內應力場增強，具有發震危險性。

（2）依據《中國震例》梳理青海地區強震前的空區嵌套現象，發現未來主震震中出現在空區嵌套的交界區附近。這是在前人對空區嵌套研究基礎上得到的新認識，對分析空區嵌套異常、縮小預測發震區具有重要意義。事實證明，瑪多M7.4地震正好發生在3、4級地震空區交界區。

（3）此次3、4級地震空區在預測時間上為中長期指標，瑪多M7.4地震發生在3級地震空區出現后17個月，4級地震空區出現后27個月；依據呂堅等（2016）給出的經驗公式，估算本次異常對應預測震級為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級地震空區嵌套演化過程，在此過程中有2次顯著地震事件，對發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特征時指出，有些空區形成后期會在其內部發生與圍空震級相當或稍高的地震，使空區瓦解，即打破空區，其后1年內發生較大主震的概率較高。陸遠忠等（1982）指出，中強地震前，孕震空區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級地震空區的跟蹤過程，2020年12月24日青海瑪多M4.2地震使4級地震空區明顯收縮（打破），預示著跟蹤進入中短期（6個月—1年）階段，實際該地震后5個月就發生了瑪多M7.4地震，且該地震對發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地震發生在空區邊緣，是圍空的最后一個地震，屬于逼近地震，預示著跟蹤進入短期階段，事實為該地震發生后19天即發生了瑪多M7.4地震。這2次地震事件是異常跟蹤從中長期轉為中短期再轉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，可為今后地震空區跟蹤過程中發震緊迫性的判定不斷積累經驗。