在印度板块与欧亚板块的相互作用下,青藏高原现代地壳形变运动主要受控于高原物质向北推移、挤压隆升和向东挤出。在不同地球动力学过程的共同作用下,青藏高原东北缘、巴颜喀拉地块等发生了不同性质的变形响应(张家声等,2003)。青藏高原北部地区占据了中国大陆西北地区的绝大部分区域,其中青藏高原北部地区的西北以阿尔金山断裂带为界,东北以祁连山山前断裂及榆木山、大黄山、文殊山3个隆起的北边界断裂为界,与阿拉善地块相连,东部以六盘山断裂和龙门山断裂与鄂尔多斯和华南地块相邻,南边以库玛断裂带为界,与藏北地块毗连,周边完全被活动断裂所围限,其中阿尔金山断裂以NEE向的左旋走滑活动为主,北边界断裂所构成的3个隆起以推覆为主,兼左旋走滑,东部边界的六盘山断裂和龙门山断裂以逆冲推覆为主,南边界的库玛断裂则以挤压型的左旋走滑运动为主。青海西南部地区断裂分布较多,但研究程度相对较低,主要以NNW或NW断裂为主,同时NE向的小规模断裂切割NW向的深大断裂。青藏高原北部地区和青海西南部共同构成了本文所定义的西北地区,该地区区域内活动地块不同边界的不同运动性质,是该地区不同地块与相邻的同等级地块相互作用造成的,这些断裂及其运动性质,以及板块的作用和青藏高原内部物质的运移等构成了西北地区特有的构造环境和动力环境。

历史上西北地区强震活动强烈,频度高、强度大,曾发生过1654年7月21日天水M_S8.0地震、1739年1月3日平罗M_S8.0地震、1920年12月16日海原M_S8.5地震、1927年5月23日古浪M_S8.0地震和2001年11月14日昆仑山口西M_S8.1地震(国家地震局震害防御司,1995; 中国地震局震害防御司,1999)。

由于不同地区的地质构造、孕震环境、深浅部构造及介质的差异,地震活动表现出明显的区域性特征。2008年汶川M_S8.0、2010年玉树M_S7.1地震之后西北地区地震活动水平相对较弱,和川滇地区存在较大差异,尤其是在青藏高原东缘的北段地区存在不同时间尺度的M_S≥5、M_L≥4地震平静现象(邵志刚,2013)。汶川M_S8.0、玉树M_S7.1地震之后,西北地区是否存在强震的危险?该地区大震前不同震级的地震活动究竟是否有共性的特征?其本质是什么?这些问题值得深入思考。

本文结合西北地区地震活动的基本状态、M_S≥7强震前M_S≥5、M_L≥4地震活动的特征等认识强震的趋势,并基于地震活动的演化特征探讨未来强震发生的可能区域。

1900年以来西北地区(33°～42°N,89°～110°E)共发生M_S5.0～5.9地震287次,M_S6.0～6.9地震56次,M_S≥7.0地震12次。图1为1900年以来该地区不同震级地震的M-T图和累积应变能释放曲线,由图可见,在1920年以前地震记录较少,自1920年以来,M_S≥5、M_S≥6和M_S≥6.5地震具有丛集活动的特点,其中M_S≥6.5地震成丛、成组活动特征较为明显(图1c),1920～1937年、1954～1963年、1986～1990年和2000～2003年成丛性活动显著。2010年玉树M_S7.1和2013年岷县漳县M_S6.6地震的发生可能显示了新一轮的地震成丛特点。从累积应变释放看,随着不同震级的地震成丛和丛集活动,相应的出现了加速释放阶段,特别是20世纪20年代初至30年代末和2000年前后出现了显著的累积应变能释放的加速释放现象。根据地震活动M-T图和累积应变能释放曲线,西北地区地震活动的丛集和成丛活动现象,以及累积应变能释放的加速显示了该地区地震活动和能量释放的基本特点。

图1 西北地区不同震级地震M-T图(a)和累积应变能释放曲线(b)
Fig.1 M-t diagram(a)and cumulative strain energy release curve(b)of earthquake with different magnitude in Northern Qinghai-Tibetan Plateau and Northwest of Qinghai

黄纬琼等(1994)利用不同的检验方法得到中国大陆不同地震带历史地震资料基本完整的起始年份,结果显示1923年以来青藏高原北部地区M_S≥5地震记录相对完整,1937年以来青海的西南部地区M_S≥5地震记录相对完整。1900年以来西北地区发生M_S≥7.0地震12次(表1),考虑到M_S≥7强震有些是双震或是M_S≥8地震的余震,因此,本文将1920年海原M_S≥8.5和M_S7.0地震看做是一组事件,1954年山丹—民勤M_S7.3和M_S7.0 2次地震看做是一组事件。由于1923年以来青藏高原北部地区M_S≥5地震相对完整,因此本文讨论1920年海源M_S≥8.5地震前的M_S≥5地震活动。

表1 1900年以来西北地区MS≥7.0地震
Tab.1 MS≥7 earthquakes in Northern Qinghai-Tibetan Plateau and Northwest of Qinghai China since 1900

1932年12月25日昌马M_S7.6地震前从1920年1月开始,在震中附近以及祁连山构造带中西段大范围地区出现M_S≥5地震平静,期间发生了1927年5月23日古浪M_S8.0地震,此次祁连山构造带中西段大范围的M_S≥5地震平静可能也与1927年古浪M_S8.0地震相关(图2a),如考虑1927年古浪M_S8.0地震后的M_S≥5地震平静与1932年昌马M_S7.6地震相关,则M_S≥5地震平静达5.6年。1933年4月2日都兰M_S5.2地震后青海境内出现大范围的M_S≥5地震平静,1937年1月7日发生了花石峡M_S7.5地震,M_S≥5地震平静持续时间约3.8年(图2b)。1941年4月19日脑各扎北M_S6.0地震后在西北地区出现大范围的M_S≥5级地震平静,平静范围广,持续时间长,1947年1月21日玛多发生M_S5.2地震,但大范围平静仍持续,1947年3月17日在M_S5.2地震的东南方向约270 km处发生了达日M_S7.7地震(图2c),M_S≥5地震平静持续时间约6年。达日M_S7.7地震后,1947年3月27肃南M_S5.0地震后沿祁连山构造带和甘东南地区出现显著的M_S≥5地震平静,该平静范围涉及南北地震带北段地区大范围地区,1952年12月16日在内蒙阿拉善左旗发生M_S5.5地震,大范围平静被打破,1.2年之后在平静区发生了1954年山丹—民勤M_S7.3地震和M_S7.0地震(图2d),M_S≥5地震大范围平静到发震时间间隔为7年。自1949年6月16日始,在青海中部—甘肃中东部形成M_S≥6地震显著的平静区,1952年2月3日治多M_S5.0地震后,青海中部地区出现M_S≥5平静,形成空区,空区围绕着东昆仑断裂带中部地区,1963年在地震空区内部发生了阿兰克湖M_S7.0地震(图2e),M_S≥5地震平静(地震空区)持续时间11.2年。1977年1月20日围绕青海境内形成M_S≥6地震的大范围平静区,1986年12月21日格尔木M_S5.3地震后,M_S≥5地震围绕着青海地区形成大范围的平静(地震空区),与此同时,青海境内亦存在较大范围的M_S≥6地震平静区,M_S≥5地震平静嵌套M_S≥6地震平静,1990年4月26日在M_S≥5地震空区内部发生了共和M_S7.0地震(图2f),M_S5地震平静持续3.3年。1994年12月28日青海新疆交界M_S5.1地震后,青海中北部到西北部出现大范围的M_S≥5地震平静,1997年2月9日在格尔木东南发生M_S5.4地震,2000年11月26日在青海新疆交界发生M_S5.1地震,之后,空区解体,2001年11月14日发生了昆仑山口西M_S8.1地震(图2g),M_S≥5地震平静持续时间间隔为7年。1995年12月18日玛多M_S6.2地震后,青海中南部—藏东地区形成了M_S≥6地震的平静状态,在此状态下,2007年5月7日西藏妥坝M_S5.6地震之后在青海中南部地区形成了大范围的M_S≥5平静区,2010年3月24日在平静区西边缘发生西藏聂荣M_S5.7、M_S5.5地震,2010年4月14日发生了玉树M_S7.1地震(图2h),M_S≥5地震平静持续时间间隔为3年。

由此可见,西北地区M_S≥7地震前会出现大范围的M_S≥5地震平静,一般M_S5地震以大范围的M_S≥5地震平静现象或地震空区形式出现,平静时间持续最少3年,最长11年,其中3次M_S≥7强震前M_S≥5地震平静时间间隔为3～3.8年,4次6～7年,1次11～12年。但M_S≥7地震发生在青海境内,则青海境内出现大范围M_S≥5地震的平静,如发生在甘肃境内,则祁连构造带出现M_S≥5地震的平静。

图2 西北地区MS≥7级强震前MS≥5地震平静图像
(a)1932年昌马MS7.6地震;(b)1937年花石峡MS7.5地震;(c)1947年达日MS7.7地震;(d)1954年
山丹—民勤MS7.3、MS7.0地震;(e)1963年阿兰克湖MS7.0地震;(f)1990年共和MS7.0地震;
(g)2001年昆仑山口西MS8.1地震;(h)2010年玉树MS7.0地震
Fig.2 Quiet image of MS≥5 earthquakes before MS≥7 strong earthquakes in Northem Qinghai-Tibetan Platean and Northwest of Qinghai(a)Changma MS7.6 earthquake in 1932;(b)Huashixia MS7.5 earthquake in 1937;(c)Dari MS7.7 earthquake in 1947; (d)Shandan-Minqin MS7.3、MS7.0 earthquake in 1954;(e)Alanke Lake MS7.0 earthquake in 1963; (f)Gonghe MS7.0 earthquake in 1990;(g)West Kunlun Moutain MS8.1 earthquake in 2001;(h)Yushu MS7.0 earthquake in 2010

2000年9月12日兴海M_S6.6地震后,青海东部、甘肃和四川部分区域M_S≥6地震出现大面积平静,形成M_S≥6地震空区。在此背景下,2001年7月17日兴海M_S5.0地震后,在青海东南部—甘青川交界一带出现了大范围中强地震平静的异常空区,在平静区边缘先后发生了2008年汶川M_S8.0、2010年玉树M_S7.1地震(图6),截至2014年5月31日,平静区内仍然没有发生M_S≥5地震,2013年7月22日甘肃岷县漳县M_S6.6地震和9月20日甘肃肃南、青海门源交界M_S5.1地震均发生在该M_S≥5平静区的边缘。根据前面分析的西北地区M_S≥7地震前M_S≥5地震活动的特点,结合目前M_S≥5地震的活动图像,综合分析认为目前持续的M_S≥5地震平静区内部及其边缘存在发生M_S≥7地震的危险。

图6 2001年7月17日至2014年5月31日西北地区MS≥5地震的平静图像
Fig.6 Quiet image of MS≥5 earthquakes in Northern Qinahai-Tibetan Plateau and Northwest of Qinghai form Jul.17,2001 to May.31,2014

另一方面,M7专项工作组(2012)给出的该地区破裂空段由西秦岭中—西段,东昆仑断裂玛沁—玛曲段等,均分布在上述M_S≥5地震空区内部。

1920年以来西北地区M_S≥5、M_S≥6和M_S≥6.5地震具有丛集活动的特点,而M_S≥6.5地震成丛、成组活动特征较为明显,并在20世纪20年代初至30年代末和2000年前后出现了两次较大的累积应变能释放的加速释放现象。

本文研究结果显示,西北地区M_S≥7地震前会出现大范围的M_S≥5地震平静,一般M_S≥5地震以大范围的M_S≥5地震平静现象或地震空区形式出现,平静时间持续最少3年,最长11年。如M_S≥7地震发生在青海境内,则青海境内一般会出现大范围M_S≥5地震的平静,如发生在甘肃境内,则祁连构造带或祁连构造带部分区域出现大范围的M_S≥5地震平静。通过对1970年以来3次M_S≥7强震前M_L≥4地震的分析研究表明,强震前均存在M_L≥4地震的平静现象或者空区的演化,一般表现为大震的孕震区周围出现平静—活跃、持续平静和平静区逐步向未来震中收缩的3种表现形式。结合研究结果和当前地震活动的图像特征,认为当前西北地区存在M_S≥5地震的大范围平静区周缘尽管发生了2008年M_S8.0地震和2010年玉树M_S7.1地震,仍然没有解除该M_S≥5地震平静区,需注意青海东南部—甘青川交界地区的强震危险性。

梅世蓉等(2010)、陈立德等(2010)研究认为汶川M_S8.0、昆仑山口西M_S8.1地震前存在一些平静的现象,陈玉华等(2002,2004)对中国大陆西部强震震例的研究结果显示强震一般发生在平静异常出现后6～32个月内,曲延军等(2010)研究认为中国大陆自1970年以来7级地震前出现空区图像的比例达100%,杨立明等(2002)和李英等(2004)研究认为青藏块体中北部强震前存在地震平静现象。可见,地震平静现象在青藏高原北部地区是比较普遍的现象。马胜利等(2013)研究认为当断层上存在强度较大的宏观凹凸体时,凹凸体破坏会产生新生断层段,其中伴随着地震活动的明显增强,但新生断层段在在断层滑动失稳——即强震前存在一个“蠕滑—匀阻化”过程,在此过程中地震活动会出现明显的平静现象,这从构造物理方面为我们提供了认识大震前地震活动平静现象的一种可能机制。但笔者认为,大震前地震平静现象固然是普遍的,但每次大震前地震平静现象的表现很不一样,试图用一种物理构造来解释或认识不太可能,不同的孕震环境和动力学特征决定了不同强震前的平静现象的表现形式差异,就西北地区而言,不同区域大震前其平静的范围和区域也不尽相同,青藏高原中北部地壳和上地幔为高阻区,对应的壳幔介质速度相对较大(魏文博等,2006; Yang et al.,2010),笔者更偏向认为西北地区的这种大震强的平静现象可能与该地区的地下物质介质特性密切相关,与更深层次的地球动力学成因关系更为密切。

总之,由于大震前地震平静现象具有普遍性,因此地震平静现象被认为是具有物理意义的地震前兆并作为地震预报的重要依据,本文的工作也为西北地区开展震情跟踪和地震预测预报研究和实践提供一些有意义的参考。