2022年青海门源6.9级地震前祁连山地震带平静打破异常特征

李敏娟, 毛冬瑶, 张 辉, 王丽霞, 马海萍, 张增换, 窦喜英

(1. 甘肃省地震局, 甘肃 兰州 730000; 2. 兰州石化职业技术大学, 甘肃 兰州 730060)

0 引言

据中国地震台网(CENC)测定,2022年1月8日1时45分27秒,青海海北州门源县(37.77°N,101.26°E)发生6.9级地震(简称门源6.9级地震),震源深度10 km。截至2月7日,已记录到1 000多次余震活动,其中MS3.0以上地震22次,MS3.0～3.9地震15次,MS4.0～4.9地震5次,MS5.0～5.9地震2次。余震主要沿主震的西侧及东南侧方向展布,呈双侧破裂特征。1900年以来,震中100 km范围内曾发生5级以上地震24次,其中震级最大一次为1927年5月23日甘肃古浪8.0级地震。

门源6.9级地震位于青藏高原东北缘祁连山中东段,发震构造为冷龙岭断裂。该断裂位于北祁连褶皱带内,断裂东端与金强河断裂、毛毛山断裂相接,西端与托莱山断裂相连[1-2]。该断层是一条全新世巨型活断层,早期活动以挤压逆冲为主,晚第四纪表现为以左旋走滑为主兼正断层性质,断错地貌特征明显。该断层历史上发生多次大震,如1932年昌马7.6级地震,1709年中卫南7级地震,1920年海原8级地震及1927年古浪8级地震(如图1所示)[3]。1980年至今,冷龙岭断裂先后发生了1986年门源6.5级地震、2016年门源6.4级地震以及2022年门源6.9级地震。

红色五角星表示门源6.9级地震,黄色五角星表示1900年以来7级以上地震,白色圆圈表示1980年以来6级以上地震,F1:冷龙岭断裂,F2:金强河断裂,F3:毛毛山断裂,F4:托莱山断裂图1 北祁连构造背景图Fig.1 Simplified structural map of the north Qilian area

一次强震从孕育到发震前一段时间内,在孕震区附近的地震活动均会表现出平静特征,很多学者关注到了这一现象并对其进行了大量的研究。通过理论与实验得到了许多有意义的地震平静模型,用以解释观测到的前兆平静现象并进行物理机理分析。因此,地震平静现象是具有显著物理意义的地震前兆,被认为是地震预报的重要依据。国内不少学者也总结出了中国大陆强震前平静的一系列特征。地震平静被作为地震前兆广泛应用于中、强地震预测,并在一定程度上取得了较好的效果[4-10]。本文着重整理和分析了门源6.9级地震前存在的2项地震平静打破异常:祁连山地震带5级地震平静打破和祁连山中东段ML3.6地震平静打破异常,这2项异常均于震前提出。鉴于这2次平静打破异常对门源6.9级地震有较好的指示意义,本文详细讨论其中短期异常的特征。

1 祁连山地震带5级地震平静打破

2019年9月16日甘肃张掖5.0级地震发生后,祁连山地震带整体进入相对平静阶段,且其平静时间远超1900年以来该区域5级以上地震的平均发震时间间隔(672天),2021年8月26日阿克塞5.5级地震的发生打破了该区长达1.95年的地震平静。震前总结发现,祁连山地震带5级地震平静打破后,对应的6级以上地震多发生于平静打破后半年内,空间上多集中在平静区内及祁连山地震带中东段。2022年1月8日发生的门源6.9级地震在空间上位于该平静区内(图2),时间上在阿克塞5.5级地震后4.5个月,属于平静打破后发生的目标地震,因此认为该异常与本次地震相对应。

图2 祁连山地震带5级地震平静Fig.2 Seismic quiescence of M5 earthquakes in the Qilian Mountain seismic zone

1.1 震例回溯情况

1900年以来,祁连山地震带5级地震的平均发震间隔为672天(图3),其平静被打破后存在多次发生6级以上地震的现象,具体对应情况列于表1。这些强震前长期平静异常被打破表明,祁连山地震带5级地震平静异常对于祁连地震带及祁连中东段的强震具有较好的预测意义。2019年9月16日张掖5.0级地震后,祁连山地震带进入平静时段(平静持续长达1.95年),被2021年8月26日甘肃阿克塞5.5级地震打破,该平静被打破后发生了2022年1月8日青海门源6.9级地震。总体来看,该区域超过672天的平静异常共有23次,7次平静异常打破后未有6级以上地震对应发生,16次平静异常打破后对应有6级以上地震发生(含本次门源6.9级地震),其中10次为平静打破后后续发生的6级以上地震,6次为平静直接被6级地震打破。对应的地震主要发生在祁连地震带平静区域内部以及祁连中东段。由此可见,祁连山地震带5级地震平静对于强震的发生具有显著指示意义。

图3 祁连地震带M≥5.0地震M-t及时间间隔图Fig.3 The M-t chart and time interval of M≥5 earthquakes in the Qilian Mountain seismic zone

1.2 预报效能评价

为进一步分析该方法的预报效能,本研究使用R值[11]进行效能评价:

(1)

当R>0,表示该方法预测效能高于随机预测,具有预测意义。当R≥R0时,表明该方法预测效能通过显著性检验。其中,R0表示考虑了报准率和漏报率时置信度为97.5%的最低R值。

根据表1中5级地震平静异常与后续6级以上地震的对应统计,利用式(1)进行效能评估测试,所得测试结果为R=0.47,高于R0=0.26,通过效能显著性检验。说明祁连山地震带5级平静现象具备一定的预报效能,可作为强震的预测指标之一,在平静异常出现后,平静区内部或边缘地区存在发生强震的可能,且1年内对应6级地震的对应率为62.5%(10/16),优势发震地点为平静区内及祁连山中东段。

表1 祁连山地震带5级地震平静打破与对应M≥6.0地震统计

从平静打破对6级以上地震的预测时间、预测概率以及6级以上地震本身的自然发生概率统计来看(表2),平静打破后1年内发生6级以上地震的概率是69.6%,6个月内的概率是56.5%,3个月内的概率是43.5%,1个月内的概率是30.4%,以上均高于发生6级以上地震的自然概率。因此,对于中短期预测而言,平静打破异常具有显著的强震预测意义,应在以后震情研判中特别关注。

表2 平静异常打破后对应强震的预测概率统计

2 祁连山中东段ML3.6地震平静打破

2019年1月24日宁夏海原ML3.8地震后,祁连山东段地区景泰—天祝断裂至海原断裂[12]附近区域出现ML3.6地震平静(图4),2021年6月22日宁夏固原ML3.6地震的发生打破该区域长达880天的地震平静,远超1980年以来区域内ML3.6地震平静的最高记录。2022年1月8日门源6.9级地震发生在平静打破后200天,位于该平静区边缘,在平静指标的预测区域内,因此认为该异常对应门源6.9级地震。

图4 祁连山中东段ML3.6地震平静Fig.4 The seismic quiescence of ML3.6 earthquakes in the middle-eastern section of Qilian Mountain seismic zone

2.1 震例回溯与预报效能评估

统计1980年以来祁连山中东段ML3.6地震平静异常与祁连带5级以上地震发生的对应情况(表3),祁连山中东段共7次400天以上的ML3.6地震平静异常,平静区内及附近有5次对应5级以上地震,对应率为71.43%,其中3次对应6级以上地震,对应率为42.86%。对应5级以上地震分别为1984年1月6日天祝5.3级地震和1996年6月1日天祝5.4级地震,对应3次6级以上地震分别为1990年10月30日景泰6.2级、2016年1月21日门源6.4级和2022年1月8日门源6.9级。2次5级地震直接打破了平静异常,而3次6级地震于平静打破后发震,且对应的平静时间均超过500天,发震时间为平静打破后一年左右。因此,平静及平静打破异常对祁连山中东段5级以上地震的发生具有显著的指示意义。从1980年以来祁连山中东段ML3.6地震平静的M-t和时间间隔图来看[图5(a)、(b)],2000年之前,祁连山中东段5级地震较活跃,地震平静与地震发生的对应较好;2000年6月6日景泰5.9级地震之后,祁连带5级地震活动减弱,中强地震处于弱活动状态,2000—2012年期间,平静区及附近没有发生5级以上地震活动,因此2次平静超过400天没有对应发生地震。

图5 祁连山中东段ML3.6地震平静M-t图及时间间隔图Fig.5 The M-t chart and time interval of the seismic quiescence of ML3.6 earthquakes in the middle-eastern section of Qilian Mountain seismic zone

根据表3中祁连中东段ML3.6地震平静及对应地震的统计结果,利用式(1)进行预报效能评估测试,测试结果通过效能显著性检验(R=0.52,R0=0.28)。由此说明祁连山中东段ML3.6地震平静现象具有一定的预报效能,对祁连山构造带东段5级以上地震活动及异常平静区附近6级左右地震具有很好的指示意义,是祁连山地震带中强地震的预测指标之一。

表3 1980年以来祁连中东段ML3.6地震平静及对应M≥5.0级地震统计

3 结论与讨论

本文详细分析了门源6.9级地震前祁连山地震带5级地震平静打破和祁连山中东段ML3.6地震平静打破的时空异常特征,认为祁连山地震带5级地震平静对平静区及周边发生6级以上地震具有指示意义,祁连山中东段ML3.6地震平静对祁连山中东段5级以上地震有良好的对应关系。两项异常均在门源6.9级地震震前提出,其预测区域的交汇部位发生了门源6.9级地震,未来强震的发震地点可能与平静区的交汇地区密切相关。平静区的打破使中强地震发震的时间紧迫性进一步增强,平静打破后一年发震。出现两项以上地震平静打破异常时需特别关注。

总结两项异常指标的预测意义,对其进行预测效能评估,评估结果均通过效能显著性检验,说明两项异常均具备一定的预报效能,可以作为中强地震的预测指标。由于以往祁连山地震带发生强震的两项短期指标——古浪窗开窗和祁连山地震带小震频度三月增强指标[13-14]在本次门源6.9级地震前均未出现异常,因此较长时间的地震平静及平静打破指标作为地震预测中的中期异常对中强地震的发生具有十分重要的指示意义。祁连山地震带构造复杂,梳理每次地震发生相关的长期、中期和短期异常,总结震例异常特征可为后续研判强震危险性提供参考经验[15-16]。