2022, Vol. 43
据中国地震台网正式测定，2021年11月17日13时54分在江苏盐城市大丰区海域（33.50°N，121.19°E）发生MS 5.0地震，震源深度17 km，距海岸线约45 km，。据调查，此次地震发生后，江苏省大部分地区有震感，其中盐城、南通等地震感较强；上海、山东、浙江等省（市）沿海部分城市有震感（https://www.sohu.com/a/501709009_161795?g=0）。受地震监测台站分布所限，此次地震序列余震记录偏少，且多为ML 2.0及以上地震。
2021年江苏大丰海域MS 5.0地震是自2011年南黄海MS 5.0地震以来该区域发生的又一次5级地震活动，2次地震震中相距约250 km。本文从地质构造背景、历史地震活动、震前地震学和地球物理观测异常、震后对区域的影响等方面进行总结分析，为今后该区域地震活动跟踪研判提供参考。
1 构造背景和历史地震活动特征2021年11月17日江苏大丰海域MS 5.0地震发生在南黄海地区，该区呈现坳陷、隆起交替分布格局，自北向南依次为北部坳陷区、中部隆起区、南部坳陷区、勿南沙隆起区，再往南为崇明东凹陷与浙闽隆起区以及下扬子坳陷与太湖隆起区（高战武等，2021；张晓华等，2018；徐曦等，2018；陈宇卫等，2005；江苏省地震台，2021）。区域内断裂构造较发育，按走向可分为NE向、NW向、NNE向和近EW向4组断裂，其中以NE向断裂为主。北部坳陷区主要受NE向断裂控制，总体活动水平相对较弱，并以张性断裂为主，发生破坏性地震的概率较低；中部隆起区构造稳定，无破坏性地震记录；南部坳陷和勿南沙隆起区断裂走向主要呈NNE和NW向，属地震多发区，具有连发特征，是南黄海地区地震强度和频度较高区域。距本次MS 5.0地震震中最近断裂为苏北—滨海断裂，走向NNW，贯穿南黄海南部坳陷。该断裂在全新世以来有明显活动，是一条具有发生破坏性地震条件和能力的控震活动断裂带，断裂带中段、中南段及附近曾发生十余次破坏性地震（王斌等，2008），其中发生6级以上地震6次，1984年南黄海MS 6.1、MS 6.2地震距今时间最近（王恩惠等，2020）。该断裂北段目前无5级以上历史地震记录，可能为晚更新世活动断裂（朱孟浩等，2021）。本次地震位于苏北—滨海断裂中段，根据中国地震台网中心震源机制解计算结果，该地震为走滑型破裂。此次大丰海域MS 5.0地震周边构造及历史5级以上地震分布见图 1。
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图 1 2021年11月17日江苏大丰海域MS 5.0地震周边构造及历史5级以上地震分布 Fig.1 Distribution map of fault structures and historical earthquakes above MS 5.0 around Dafeng sea area MS 5.0 earthquake in Jiangsu on Nov. 17, 2021 |
2021年大丰海域MS 5.0地震处于鲁东—黄海Ⅱ级活动地块南部，该区自1996年南黄海MS 6.2地震以来至今未发生6级以上地震，但2011年以来黄海地区已发生4次5级以上地震（见图 1中红色实心圆），因此有必要分析历史地震的期幕活动特征，讨论该区域5级地震活动与6级地震的关系。鲁东—黄海活动地块西侧以郯庐断裂带为界，东侧为太平洋板块西边界日本岛弧及琉球岛弧带。东侧历史地震目录完整时间较短，在讨论期幕特征时仅选取鲁东—黄海地块西侧（124°E以西）5级以上地震。据黄玮琼等（1994）的研究，苏鲁皖地区1484年以来43/4级以上地震完整性较好，而附近海域1484—1840年仅发生3次5级以上地震，5级地震目录缺失严重，1840年以来5级地震活动相对密集，地震完整性逐渐转好。因此，对鲁东—黄海地块西部5级地震活动特征的分析，研究时间始自1840年。
1840年以来，鲁东—黄海地块西部5级以上地震呈“活跃—平静”交替活动特征[图 2（a）]，参考平静时段会出现5级以上地震显著平静[图 2（b）]，可归为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个活跃时段，各时段持续时间、释放地震能量、地震频次等信息详见表 1。活跃时段一般持续时间平均为41年左右，5级以上地震平均发生17次左右，地震能量释放平均约4.52×1015 J，且强度由强到弱呈逐渐降低的特征。与前2个活跃时段相比，目前活跃时段Ⅲ持续时间已达平均时长，但地震频次、5级以上地震释放总能量和发生的最大地震震级明显减弱，且明显低于平均值。因此，目前鲁东—黄海地块西部可能处于活跃时段末期，未来几年可能发生多次5级以上地震活动，强度可能以5—6级为主。
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图 2 鲁东—黄海地块西部5级及以上地震分段活动特征 （a）1840年以来M≥5.0地震M—t图；（b）MS≥5.0地震时间间隔 Fig.2 Segmented activity characteristics of earthquakes with MS≥5.0 in the west of Ludong-Huanghai block |
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表 1 鲁东—黄海地块西部活跃时段地震活动特征统计 Table 1 Statistical table of seismicity characteristics during seismic active period in the west of Ludong-Huanghai block |
在活跃时段Ⅰ、Ⅱ之后，5级以上地震存在约25年的显著平静，尽管活跃时段Ⅰ后期，可能海域5级地震会有所缺失，但2次活跃时段之间的5级以上地震显著平静可能是以5级地震弱活动为特征。假设目前处于2次活跃时段之间的弱活动时期，可以通过活跃时段Ⅱ、Ⅲ初期至首发6级地震前的5级地震活动特征，分析6级地震活动危险性，结果见图 3。在活跃时段Ⅱ、Ⅲ初期至首发6级地震前约5年时间内，鲁东—黄海地块西部发生多次5级以上地震，首发6级地震位于集中区，见图 3中(a)、(b)图；2017年以来该区域仅发生1次黄海MS 5.0地震，即2021年大丰海域MS 5.0地震，见图 3(c)。
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图 3 1910年1月8日黄海6¾级、1979年7月9日溧阳MS 6.0地震前和截至目前5年内MS≥5.0地震分布 (a)1905-01-01—1910-01-08；(b)1974-01-01—1979-07-09；(c)2017-01-01—2022-01-14 Fig.3 Distribution of earthquakes with MS≥5.0 in five years before the Huanghai M 6¾ earthquake on January 8, 1910, Liyang MS 6.0 earthquake on July 9, 1979 and now, respectively |
截至2022年1月31日，大丰海域MS 5.0地震余震区共记录ML≥2.0余震14次，其中ML 2.0—2.9地震8次，ML 3.0—3.9地震5次，ML 4.0—4.9地震1次，最大余震为2021年12月8日发生的ML 4.0（MS 3.8）地震（表 2）。从地震空间分布看，余震活动集中在主震震中15 km范围内，且主要分布在主震NE方向，未呈明显展布趋势，最大余震位于主震北侧，距主震震中约2 km（图 4）。
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表 2 大丰海域MS 5.0地震序列目录（ML≥2.0） Table 2 Catalogue of the Dafeng sea area MS 5.0 earthquake sequence (ML≥2.0) |
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图 4 大丰海域MS 5.0地震序列震中分布 （2021年11月17日至2022年1月31日） Fig.4 Epicentral distribution of the Dafeng sea area MS 5.0 earthquake sequence (from Nov.17, 2021 to Jan.31, 2022) |
大丰海域MS 5.0地震序列余震集中发生在主震后3天内，共记录ML≥2.0余震7次，同时余震频次快速下降，随后余震序列呈平静—活跃状态，即11月18日ML 3.1地震发生后间隔约3天接连发生ML 2.8、ML 2.5和ML 2.5地震，后续间隔15天后连续发生ML 4.0（最大余震）、ML 3.2和ML 3.0地震，之后间隔9天依次发生ML 2.5、ML 2.6地震，震级衰减明显（图 5，表 2）。
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图 5 大丰海域MS 5.0地震序列M—t图和每日地震频次（ML≥0.0） (a) M—t图（ML≥0.0）；(b)每日地震频次（ML≥0.0） Fig.5 The M-t and daily frequency diagrams of the Dafeng sea area MS 5.0 earthquake sequence (ML≥0.0) |
大丰海域MS 5.0地震序列中主震（MS 5.0）与最大余震（MS 3.8）的震级差为1.2，主震释放能量约占序列的98.89%，显示5.0级主震释放了此次地震序列的主要能量。综合主余震震级差和主震释放能量比例判断，该地震序列应为主余型序列（蒋海昆等，2006）。由于余震个数较少，不满足地震序列参数计算的样本条件，因此无法获得合理的序列参数。
2.2 视应力就区域应力场而言，在合理假设下，可以得到关于应力大小的某种物理意义上的估计，即视应力（Wyss et al，1968）。视应力由地震能量ES与地震矩M0之比乘以剪切模量μ得到，可作为地壳应力水平的下限估计（Wyss，1970；吴忠良，2001）。
通过计算强震发生后余震序列或强震本身的视应力，为震后趋势判定提供依据（陈学忠等，2002）。利用2021年大丰海域MS 5.0地震震中300 km范围内地震台站记录的波形数据，计算得到此次地震视应力为1.3 MPa。江苏及邻近地区地震视应力平均值为0.91 MPa，而苏中至南黄海海域由于分布多条活动断裂，一直以来是江苏地区中等地震活动的主体地区，视应力较高，多为1.0 MPa以上（孙业君等，2015）。因此，2021年11月17日大丰区盐城海域MS 5.0地震视应力值处于正常背景水平。
3 震前地震活动异常2021年江苏大丰海域MS 5.0地震的发生，打破了华北地区（30°—43°N，108°—124°E）自2021年7月15日以来持续120天的ML 4.0以上地震平静，而苏皖两省及周边地区震前存在以下地震活动异常：盐城至长江口ML 2.0地震空区、霍山和长岛地震窗开窗活动、淮安附近地区ML 1.5以上小震增强异常，且均为趋势异常。其中，盐城至长江口ML 2.0地震空区可作为本次大丰海域MS 5.0地震的震前异常，长岛地震窗可能与此次地震有关，其他异常与本次大丰海域MS 5.0地震关联性不强。除长岛地震窗外，采用其他异常预测可能发生地震的震级多为4级左右或4—5级。
（1）盐城至长江口ML 2.0地震空区。2020年7月20日至2021年10月31日，在江苏盐城至长江口一带地区形成ML 2.0地震空区，在空区边缘共发生ML 2.0及以上地震13次，其中ML 2.0—2.9地震12次，ML 3.0—3.9地震1次，最大地震为2021年6月12日大丰ML 3.1地震（图 6）。对该区域以往震例研究发现，在1987年2月17日射阳MS 5.1、2016年10月20日射阳MS 4.4等地震前，均有类似地震空区异常出现。本次地震发生于该空区边缘，震前围空未被打破，故该地震空区为趋势异常。据此认为，盐城至长江口ML 2.0地震空区为本次大丰海域MS 5.0地震的震前异常。
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图 6 江苏及邻区ML≥2.0地震震中分布及盐城至长江口地震空区（2020-07-20—2021-10-30） Fig.6 Epicentral distribution of earthquakes ML≥2.0 in Jiangsu and its adjacent areas and seismic gap between Yancheng and Yangtze River Estuary(from July 20, 2021 to Oct. 30, 2022) |
（2）霍山地震窗开窗。自2021年2月以来，安徽霍山地震窗（31°—31.9°N，115.7°—116.5°E）小震呈活跃态势，其中该年2月2日和6日ML≥1.0地震日频次高达12次，至2月6日达49次，超过开窗阈值40次（图 7）。统计发现，该异常对周边100 km范围内MS≥3.5、250 km范围内MS≥4.0、500 km范围内MS≥5.0及500 km以上MS≥6.0地震具有预测意义（R = 0.17，R0 = 0.16，研究中R值采用国家地震局科技监测司（1990）推算方法计算）。本次大丰海域MS 5.0地震距霍山地震窗超过500 km，不在其有效预测范围内，因此霍山地震窗不是该地震的震前异常。
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图 7 2015年以来霍山地震窗ML≥1.0地震三月累积频次时间曲线 Fig.7 The seasonal cumulative frequency curve of earthquakes larger than ML 1.0 in Huoshan earthquake window since 2015 |
（3）长岛地震窗开窗。2021年5月山东长岛地震窗达到异常阈值，分析认为，该异常对华北东部地区（29°—40°N，114.5°—125.0°E）后续1年内5级及以上地震有一定指示意义（R = 0.17，R0 = 0.11）。此次MS 5.0地震（距长岛地震窗约497 km）位于该异常预测范围内，因此长岛地震窗可能与本次地震有关，但二者的物理相关性有待进一步研究。
（4）淮安附近地区ML1.5小震增强。2018年3月以来，淮安地区ML 1.5及以上地震年累积频次持续出现超阈值现象（图 8，图 9）。统计结果表明，异常结束8个月内对增强区域附近ML≥4.7地震有一定指示意义（异常对应率为4/6）。本次大丰海域MS 5.0地震距该小震增强区200 km以上，超出其有效预测范围，因此不作为其映震异常。但该异常持续时间达3.5年，以往震例前无类似现象出现，有必要对此异常做进一步研究。
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图 8 1970年以来淮安地区ML 1.5以上地震分布 Fig.8 Distribution of the earthquakes larger than ML 1.5 in Huai'an area since 1970 |
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图 9 1970年以来淮安地区ML 1.5以上地震年累积频次（窗长12个月，步长1个月） Fig.9 The annual cumulative frequency of earthquakes larger than ML 1.5 in Huai'an area since 1970 (time window: 12 months, step length: 1 month) |
2021年11月17日江苏大丰海域MS 5.0地震前，震中300 km范围内存在地球物理观测异常3项，且均为流体异常。3项异常均分布在震中100—300 km范围内，其中2项短期异常，1项趋势异常（图 10，表 3）。此次大丰海域MS 5.0地震震中距海岸线约45 km，地震监测偏于一侧，观测密度较低，震中100 km、200 km、300 km范围内地球物理观测项分别为14项、66项和323项，相对应范围内异常占比分别为0（0/14）、3.0%（2/66）和0.9%（3/323），整体异常占比较低。
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图 10 大丰海域MS 5.0地震前周边300 km范围内地球物理异常空间分布 Fig.10 Geophysical anomalies before the Dafeng sea area MS 5.0 earthquake within 300 km of the epicenter |
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表 3 大丰海域MS 5.0地震前地球物理观测异常统计 Table 3 A list of geophysical anomalies before the Dafeng sea area MS 5.0 earthquake |
分析认为，与此次大丰海域MS 5.0地震前有关的地球物理观测异常共2项（表 3中第1、2项），为兴化苏08井中层水温、深层水温短期异常。下文将分别对大丰海域MS 5.0地震前的地球物理观测短期、趋势异常特征及预测意义进行梳理、分析与总结。
（1）兴化苏08井水温异常。兴化苏08井位于江苏溱潼凹陷附近，井深2 680 m，套管深度为2 228 m，观测层为古生代白云岩、灰岩岩溶裂隙承压水，2套SZW-2水温仪分别置于井中400 m深度和1 000 m深度，进行中层水温和深层水温观测。苏08井中层水温自2021年8月8日出现上升变化，2021年9月初转平，上升幅度约0.006 ℃，此后水温在高值波动，见图 11（a）。该井深层水温于2021年8月8日同步出现下降变化，2021年11月中旬转平，累计下降幅度约0.015 ℃，见图 11（b）。
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图 11 兴化苏08井中层水温（a）、深层水温（b）观测曲线 Fig.11 Water temperature changes of middle layer (a) and deep layer (b) in the Su #08 well near Xinghua |
历史资料的梳理结果表明，苏08井中层水温、深层水温观测无4级以上震例对应。针对2021年8—11月苏08井中层水温、深层水温的同步变化，江苏省地震局开展异常核实工作，判定该变化非观测系统、气象和周围环境干扰所致。异常出现101天后，在距观测井110 km处发生此次大丰海域MS 5.0地震，基本符合井水温度映震异常的研究结果（车用太等，2008；张彬等，2014；马玉川等，2021）。因此，兴化苏08井中层水温、深层水温变化可能是此次大丰海域MS 5.0地震前短期异常。
（2）宿迁苏05井水温异常。宿迁苏05井位于郯庐断裂带东侧沭阳凹陷内，井深976 m，套管下至975 m处，观测层为白垩纪赤山组细砂岩。该井水温观测始于2000年，温度探头置于井下200 m，水温仪型号为SZW-1A。苏05井水温自2020年3月29日出现下降变化，2021年1月25日转折回升，至3月24日已回升0.03 ℃，之后继续下降，至11月17日累计下降幅度约0.06 ℃（图 12）。
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图 12 宿迁苏05井水温观测曲线 Fig.12 Water temperature changes in the Su #05 well near Suqian |
震例研究表明，该井水温的短期变化与苏皖交界中等地震有一定对应关系。针对2020年3月29日以来苏05井水温的大幅波动变化，江苏省地震局开展异常核实工作，排除了观测系统、气象和周围环境干扰原因。异常出现598天后，在距观测井248 km处的大丰海域发生MS 5.0地震，井震距与异常持续时间偏大，与该井以往震例研究结果存在差异；与往年井水温度变化动态相比，此次苏05井水温异常变化幅度是2010年以来最大的一次，且大丰海域MS 5.0地震后异常仍在持续，因此无法明确该异常是否与此次MS 5.0地震有关。
5 讨论及结论由鲁东—黄海地块历史地震期幕活动特征判断，目前该区域可能处于活跃时段末期，未来几年可能发生多次5级以上地震，强度可能以5—6级为主。在以往活跃时段，首发6级地震前约5年时间，鲁东—黄海地块西部发生多次5级以上地震，且6级地震位于5级地震集中区。江苏及近海区域近5年内未出现5级地震丛集活动现象，因此，该区域目前发生6级以上地震的可能性不大。
2021年大丰海域MS 5.0地震序列为主余型序列，主震视应力值处于该区正常背景水平，因此近期震源区附近发生更大地震的可能性较小。地震活动以趋势异常为主，地球物理观测手段中仅兴化苏08井水温（中层、深层）异常与此次大丰海域MS 5.0地震有关。总体来看，大丰海域MS 5.0地震前地震活动与地球物理观测异常偏少，短期异常更少。
2010年以来华东地区发生5级以上地震5次，其中4次位于黄海地区，且受震中及周边区域观测条件限制，震前地球物理观测异常相对较少。以上4次黄海地区5级以上地震中，2013年4月21日和5月18日黄海MS 5.1地震发震时间较近，可视为一组地震活动，进一步将2011年、2013年和2021年的5级地震前地震活动和地球物理观测异常做综合对比分析，统计结果见表 4。
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表 4 2010年以来华东MS≥5.0地震前地震活动和地球物理观测异常 Table 4 Seismicity and geophysical observation anomalies before MS≥5.0 earthquakes in East China since 2010 |
震例资料来源于《中国震例》（陈俊华等，2019）和日常震情跟踪与震例等总结资料（江苏省地震台，2021）。研究结果显示，在2011年、2013年3组5级地震前地震活动异常较为丰富，尤其是区域地震活动的短期异常较显著，而本次大丰海域MS 5.0地震前地震活动短期异常相对偏少；对于海域5级地震而言，地球物理观测短期异常仅能作为参考。
综上所述，通过对2021年11月17日江苏大丰海域MS 5.0地震开展震后总结，得出以下结果：①震前地震活动：华北ML 4.0以上地震平静（震前未打破）、长岛地震窗开窗、江苏沿海ML 2.0以上地震空区3项趋势异常与本次地震有关；②地球物理观测：江苏兴化水温2项短期异常与此次大丰海MS 5.0地震有关；③地震序列性质：尽管序列余震数量偏少，无法得到合理的序列参数，但本次地震视应力值约1.3 MPa，大致处于正常背景水平，由历史地震序列类型、能量衰减等判断，本次地震序列为主余型的可能性较大；④中强地震危险性：距今5年左右时间内，江苏及附近海域无5级地震空间集中活跃现象出现，由历史地震期幕活动特征判断，研究区域近期发生6级以上地震的危险性较小。
本文撰写得到刘杰研究员的指导，蒋海昆研究员、晏锐研究员、孟令媛研究员、闫伟高级工程师和解滔高级工程师、中国地震局地质研究所任治坤研究员亦给予帮助，中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）提供数据支撑，在此对他们及中国地震台网中心预报部同事的辛苦工作，一并表示衷心感谢。
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