2021年玛多MS 7.4地震前MS 3、MS 4地震空区嵌套异常分析

张丽峰 黄 浩 赵玉红 刘文邦 胡维云 郭瑛霞

（中国西宁 810001 青海省地震局）

0 引言

据中国地震台网测定，2021年5月22日凌晨2时4分，在青海玛多县（34.59°N，98.34°E）发生了MS7.4地震（下文统一使用M表示面波震级MS，ML表示近震震级），震源深度17 km，西宁、兰州、成都等地震感强烈，最大余震为2021年5月22日10时29分M5.1地震。青海地震台网共记录0级以上余震2762次，呈NWW—SEE向在主震两侧分布，余震展布长约170 km。青海省地震局及GCMT给出的该地震震源机制解均为走滑型。现场应急科学考察发现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，发震断层为巴颜喀拉地块北侧东昆仑断裂带东段的一条分支即玛多—甘德断裂。

青海玛多MS7.4地震发生在巴颜喀拉块体内部，自1997年西藏玛尼M7.5地震后，该块体先后发生2001年昆仑山口西M8.1、2008年四川汶川M8.0、2014年新疆于田M7.3、2017年四川九寨沟M7.0等8次7级以上地震。据《中国震例》记载，除1997年玛尼M7.5地震无震例资料外，其余7次地震中有6次地震前存在地震空区现象，有4次地震前存在多震级档地震空区嵌套，玛多M7.4地震前也出现了空区嵌套现象。关于空区的研究最早可追溯到1909年，日本地震学者Omori提出地震空区的初始概念。苏联学者Fedotov（1965）和美国地震学家Sykes（1971）认为，大地震空区是断裂带或板块边界上已发生大地震的震源区之间、长时间无大地震破裂的段落。McCann等（1979）分析了环太平洋板块边界未来数十年的大震危险性，发现属于地震空区的段落更具发震危险性。Mogi（1979）提出了2类地震空区的概念，其中大震破裂空段为第一类空区，第二类空区由震级较低的地震构成。20世纪80年代以来，我国地震工作者逐渐将地震空区与国内地震活动相结合，在地震预测预报、地震危险性评价、空区形成的物理机制等方面取得一定成果（梅世蓉，1995；陈玉华等，2002；蒋海昆等，2003；马胜利等，2004；董治平等，2005；闻学泽等，2008；刘艳辉等，2014）。以往研究多针对单一震级档空区，而陆远忠等（1982，1983）在研究强震前中小地震活动的演变过程时，提出了“背景空区”和“孕震空区”的概念，并指出中强震前这2种空区普遍存在。陈玉华等（2013）在研究中国大陆西部7级以上地震前空区演化时发现，所研究震例震前均出现不同震级档配套的地震空区，这对M≥7地震的孕育具有时空指示意义。

地震空区对中强震有一定预测意义，尤其是多震级档空区嵌套对大陆西部7级地震具有预测意义。鉴于前人研究及青海地区的地震活动背景，对此次3、4级地震空区嵌套异常尤为关注。2021年5月3日在4级地震空区边缘发生青海格尔木M4.0地震，使空区发震紧迫性进一步增强，于2021年5月19日地震月会商时提出该空区嵌套异常，并在5月22日地震年中会商时重点分析。正式提出该异常3天后发生玛多M7.4地震。该异常是震前提出且快速对应地震，本文对其做进一步梳理和分析。

1 4级地震空区

青海地区地震监测能力在2008年“十五”数字地震台网建设后大幅提升，后经台网优化和观测台站加密，除唐古拉及青海西部少数地区外，其余地区地震最小完整性震级（2015年6月—2019年10月）基本在ML2.0以下（余娜等，2020）。在满足最小完备震级的情况下，对青海地区进行M3以上地震活动扫描，发现青海中东部存在大范围4级地震空区，该空区自2019年2月20日青海海西州德令哈M4.5地震以后逐渐形成，其演化过程可分为2个阶段。第1阶段为空区形成阶段。自2019年2月20日青海德令哈M4.5地震后，陆续发生2019年3月14日青海泽库M4.3地震、2019年7月26日青海治多M4.3地震、2019年8月9日青海门源M4.9地震、2019年9月16日甘肃甘州区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，这些地震形成了原始的4级地震空区。这些地震形成的围空如图1中虚线椭圆所示，空区长轴为910 km，短轴约590 km，构成围空地震的最大空缺方位角为106°。空区内涉及多条次级块体边界缝合带，均具有孕育强震的能力（图1）；1900年以来空区内6级以上地震多发，6级地震历史平均重现期为7年（图2），玛多地震前6级地震的平静期已超过历史平均重现期；在空区形成过程中，空区外围100 km范围内相继发生了2019年3月10日青海治多M4.2地震、2019年4月28日甘肃肃南M4.8地震、2019年10月28日甘肃夏河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，空区外围4级以上地震活跃，与内部地震活动差别明显。上述条件均符合4级地震空区的判定规则，因此勾画的4级地震空区有效。空区演化的第2阶段为空区收缩。2020年12月24日青海玛多发生M4.2地震，使4级地震空区明显收缩；2021年5月3日青海格尔木又发生了M4.0地震，使收缩后的4级地震空区更加完整（图1）。收缩后空区长轴为880 km，短轴约440 km，围空地震的最大空缺方位角为90°。

图1 青海地区3、4级地震空区演化Fig.1 Evolution of the M 3 and M 4 seismic gap in Qinghai area

图2 4级地震空区内部历史6级地震M—tFig.2 M-t diagram of M 6 earthquakes inside the M 4 seismic gap

分析收缩后4级地震空区2000年以来的地震M—t图[图3（a）]，发现2018年5月6日青海称多M5.3地震后区内无4级地震发生，后被此次玛多M7.4地震打破，平静时间为37个月。发震时间间隔图[图3（b）]中平静期超过20个月的现象还有3次，对照区内及边缘5级以上地震发现，这种平静现象对区内5级以上地震有指示意义。如2008年11月青海大柴旦M6.4地震前平静21个月、2013年6月青海海西5级地震前平静31个月、2018年青海称多M5.3地震前平静25个月。

图3 4级地震空区M—t（a）和发震时间间隔（b）Fig.3 M-t diagram (a) and seismic interval diagram (b) of the M 4 seismic gap

2 3级地震空区

随着地震活动的发展，在收缩后的4级地震空区短轴方向出现3级地震空区（图1中紫色椭圆）。该3级地震空区自2019年12月31日青海格尔木M3.4地震后逐渐形成，2020年12月24日青海玛多M4.2地震共同参与3、4级地震空区的围空。3级地震围空的最后一个地震为2021年1月15日青海德令哈M3.8地震，空区长轴为537 km，短轴约398 km，围空地震的最大空缺方位角为100°。分析3级地震空区2000年以来的M—t图（图4），发现该空区并非为死空区，基本处于持续活跃状态，玛多7.4级地震前空区内的3级地震平静（17个月）最为显著，因此该3级地震空区具有一定的预测意义。在时间上3级地震空区出现在4级地震空区的形成过程中；在空间上，3级地震空区长轴方向与收缩后的4级地震空区短轴方向近似，二者形成了很好的嵌套。

图4 3级地震空区M—t（a）和发震时间间隔（b）Fig.4 M-t diagram (a) and seismic interval diagram (b) of the M 3 seismic gap

3 对空区嵌套异常的认识

对青海地区的M3地震进行扫描，发现存在M3、M4地震空区嵌套现象。上述章节论述了地震空区的有效性，在此基础上，需要更近一步论证其是否具有发震危险性，如果具有发震危险性，则需要分析并给出预测三要素。本节从构造、历史地震及视应力等方面对其发震危险性进行了论述；从历史震例及空区与震级的经验公式等方面阐述了其预测意义。

M3、M4地震空区内涉及多条次级块体边界，如巴颜喀拉块体的南、北边界，柴达木块体的北边界，祁连块体的北边界。这些边界缝合带有巨型走滑的东昆仑断裂带、鲜水河—玉树断裂，左旋走滑兼逆冲的青海南山北缘断裂、托莱山南坡—冷龙岭断裂等（周保等，2009）。这些断裂均发生过6级以上地震，具有孕育强震的能力，尤其是巴颜喀拉块体边界断裂，是近20年来中国大陆7级以上地震活动的主体区域。东昆仑断裂带虽然历史上发生了多次大地震，但东段仍旧存在大震破裂空段——玛曲空区（李建军等，2017；蔡瑶瑶等，2018），该空段落入原始4级地震空区内部；除2010年青海玉树M7.1地震外，甘孜—玉树断裂段落入空区的部分存在6级地震空段。历史地震也表明，空区内有发生强震的能力，1990年以来空区内6级档地震占青海省的42%，7级档地震占青海省的60%。1937年青海阿兰湖东71/2级地震、1963年青海阿兰湖7.0级地震、1990年青海共和M7.0地震就发生在空区内部。地震视应力是一个与区域平均应力呈正比的物理量（陈学忠等，2007），分析青海2018年初至2019年底的地震视应力，可见3级地震空区形成前其内部视应力明显偏高（图5），预示着该区应力场增强，具有发震危险性。

图5 3级地震空区形成前的地震视应力Fig.5 Seismic apparent stress before the M 3 seismic gap

据以往震例，青海强震之前大都出现了地震空区嵌套现象。基于《中国震例》梳理，青海地区1980年以来16次6级以上地震前出现的空区异常，共10组震例有空区异常，其中有6组出现空区嵌套异常（表1中加粗震例）。图6为震例空区嵌套的空间分布图。所有震例的低震级空区均在高震级空区范围之内，时间上也是高震级空区出现早，低震级空区出现晚。另外，除1990年青海共和7.0级地震以外，其余震例的震中出现在空区嵌套的交界区附近，这一特征是在前人研究空区嵌套的基础上提出的新认识，对于分析空区嵌套异常、缩小预测发震区极其重要。依据各震例记载及相关研究（陆远忠等，1982），在表1中加粗标注了各震例的孕震空区。统计各震例从孕震空区出现到主震发生的时间间隔为7—67个月，平均为26个月。结合上述分析，认为此次3、4级地震空区嵌套异常为中长期指标，对空区嵌套交界区附近地震的发生有预测意义。

表1 基于《中国震例》的1980—2019年青海地区空区异常特征统计Table 1 Statistics of anomalous characteristics of seismic gaps in Qinghai from 1980 to 2019 based on Earthquake Cases in China

图6 青海地区震例地震前空区嵌套分布黄色代表2级地震空区；紫色代表3级地震空区；绿色代表4级地震空区；蓝色代表5级地震空区；粉色代表6级地震空区Fig.6 Distribution of nested seismic gaps before some earthquake cases in Qinghai area

关于空区与未来主震震级之间的关系，主要从空区起始震级、形成持续时间、空间分布尺度等方面进行了研究，已有大量研究成果。陆远忠等（1983）分析中国大陆6级地震前空区演化并给出空区参数与主震震级的经验公式；曲延军等（2010）研究了空区持续时间、空间尺度与主震震级的相关关系，并认为6级、7级主震前的围空起始震级分别为ML3.5、ML4.0。吕坚（2016）等研究了中国大陆空区持续时间以及青藏高原北部地区空区长轴尺度、空区围空震级与主震震级之间的关系，利用吕坚等（2016）的研究结果，估算本次异常的预测震级。经验关系式如下

其中，T为以月为单位的空区持续时间；ML为空区围空起始震级；L是以km为单位的空区长轴尺度。取4级地震空区的持续时间为27个月，空区起始震级为ML4.5(M4.0)、空区长轴为880 km，在不考虑统计误差的情况下，估算震级分别为M6.1、M6.8、M7.1，平均震级为M6.7。

4 回顾与总结

2019年2月以后，青海省出现3、4级地震空区嵌套现象。2020年12月24日青海玛多M4.2地震的发生，使4级地震空区进一步收缩。2021年5月3日青海格尔木M4.0地震的发生，使4级空区更加完整，异常更加明确。对该异常进一步梳理，得出以下认识。

（1）分析历史地震及构造，认为此次地震空区具有孕育强震的能力，且3级地震空区具有视应力高值现象，预示着区内应力场增强，具有发震危险性。

（2）依据《中国震例》梳理青海地区强震前的空区嵌套现象，发现未来主震震中出现在空区嵌套的交界区附近。这是在前人对空区嵌套研究基础上得到的新认识，对分析空区嵌套异常、缩小预测发震区具有重要意义。事实证明，玛多M7.4地震正好发生在3、4级地震空区交界区。

（3）此次3、4级地震空区在预测时间上为中长期指标，玛多M7.4地震发生在3级地震空区出现后17个月，4级地震空区出现后27个月；依据吕坚等（2016）给出的经验公式，估算本次异常对应预测震级为M6.7，实际震级比估算震级高。

文中分析了玛多M7.4地震前3、4级地震空区嵌套演化过程，在此过程中有2次显著地震事件，对发震紧迫性分析有一定意义。曲延军等（2010）在研究中国大陆地震空区特征时指出，有些空区形成后期会在其内部发生与围空震级相当或稍高的地震，使空区瓦解，即打破空区，其后1年内发生较大主震的概率较高。陆远忠等（1982）指出，中强地震前，孕震空区边缘普遍存在一个或一批引人注目的地震，称为逼近地震，一般出现于主震前十几天到半年，是参加围空的最后一个（批）较为显著的地震。

回顾本次3、4级地震空区的跟踪过程，2020年12月24日青海玛多M4.2地震使4级地震空区明显收缩（打破），预示着跟踪进入中短期（6个月—1年）阶段，实际该地震后5个月就发生了玛多M7.4地震，且该地震对发震地点有一定指示意义（距离主震50 km）。2021年5月3日青海格尔木M4.0地震发生在空区边缘，是围空的最后一个地震，属于逼近地震，预示着跟踪进入短期阶段，事实为该地震发生后19天即发生了玛多M7.4地震。这2次地震事件是异常跟踪从中长期转为中短期再转为短期的具有显著意义的地震，尤其是2021年5月3日青海格尔木M4.0地震，虽然在跟踪过程中未明确指出为逼近地震，但其发生引起了对震情的进一步重视。这2次地震事件再次验证了打破地震和逼近地震的存在，且在时间上具有短临指示意义，可为今后地震空区跟踪过程中发震紧迫性的判定不断积累经验。