2017, Vol. 37
北京时间2015-04-25 06:11尼泊尔发生MS8.1地震，震中位于84.6°E、28.1°N。此次地震发生在印度板块与欧亚板块碰撞带上，位于喜马拉雅构造带中段。震后又发生了一系列余震，其中包括05-12分别在27.8°N、86.1°E和27.5°N、86.1°E两处发生的MS7.5和MS6.2强震。
04-25尼泊尔地震发生后，我国西藏日喀则地区的定日县和聂拉木县均发生了MS5以上地震，对我国西藏地区造成一定的人员伤亡和财产损失。喜马拉雅构造带一直是各国地震研究学者关注的地区之一[1]。王琪等[2]早在1998年就利用长时间的GPS观测资料获得了藏南地区与尼泊尔地区的相对运动速率，并推算了印度板块挤入藏南地区的速度，其结果对该地区的地壳运动研究提供了很好的参考。地震发生后，中国地震局地震研究所立即组织人员对藏南地区的部分站点进行震后应急复测，获得了本次地震对我国藏南地区的影响，最大形变达几十cm，并利用弹性半空间位错模型模拟了震区及藏南地区格网点上的同震形变，认为本次地震对我国藏南地区产生了一定程度的拉张型应力变化[3-4]；万永革等[5]利用2015年尼泊尔地区的地震序列破裂模型及均匀弹性半空间模型对中国藏南地区的应力进行计算，推断中国境内定日县和聂拉木县发生的地震都是由尼泊尔地震触发引起的，同时认为印度板块和欧亚板块的碰撞是中国大陆构造变形的主要动力来源；苏小宁等、占伟等以及李瑜等[6-8]都对尼泊尔地震同震位移进行了分析，均认为本次地震将对中国青藏高原地区的地壳变形及强震孕育产生深远影响；赵纪东等[9]对尼泊尔地震后的应力释放程度和地壳位移量分析认为，喜马拉雅地区未来仍有大震发生的可能性。
GPS观测资料获得震区形变场是研究地震震源机制以及断层滑动分布的重要手段之一。同时，由于该地震对中国藏南地区有较大影响，所以尼泊尔地震发生后，我们对尼泊尔境内的连续GPS数据、中国陆态网络数据以及周边GPS站点数据进行了汇总和处理(见图 1。图中正方形表示中国地壳运动观测网络站点，三角形表示由UNAVCO下载获得，五角星表示由http://geodesy.unr.edu下载获得，黑色圆圈表示地震发生位置，蓝色线条表示断层)。由于震后时间较短，收集的震后数据资料有限，但对于这些资料的分析，依然有助于加深尼泊尔震后对周边地区形变影响的认识。
|
图 1 地震附近区域站点分布及地质构造 Fig. 1 Distribution of stations and geological structure of the area near the earthquake |
本次GPS数据全部采用GAMIT/GLOBK10.4软件处理，为保证数据的一致性以及可靠性，数据处理采用统一的处理策略(表 1)[10]。为了提高数据处理的效率，将所有数据分为区域网、骨干网以及全球3个等级，然后通过公共站点将所有站点的站点参数以及卫星轨道参数结合起来，由此得到包括全球IGS站点、陆态网络站点以及震区站点的单日松弛解。利用得到的ITRF08框架下的单日坐标解的时间序列求解站点在ITRF08参考框架下的速度值，在ITRF08参考框架下的运动速度清晰地反映了中国大陆东向的整体运动。为了研究中国大陆板内运动特征，以ITRF08框架约束的全球板块运动模型为背景场，得到震区及周边地区相对于欧亚板块的速度场[11-13]。
|
表 1 处理策略 Tab. 1 Handling strategy |
图 2(黑色箭头表示陆态网络站点，红色箭头表示http://geodesy.unr.edu下载的站点，蓝色箭头表示UNAVCO下载的站点，红色线条表示断层分布)给出了尼泊尔震区及周边地区相对于欧亚参考框架下的速度场，GPS数据由3部分组成，其中主要数据来自于陆态网络2010-01-01~2015-04-24的GPS原始观测。由图 2可以看出，印度板块相对于欧亚板块在作北北东运动，其南北方向运动速率大致为36.78±0.29 mm/a，东西方向速率大致为9.50±0.14 mm/a；喜马拉雅变形带中部南北向运动速率大致为28.31±0.36 mm/a，东西向速率为9.73±0.14 mm/a；喜马拉雅变形带东部南北向运动速率为30.76±0.53 mm/a，东西向速率为10.6±0.64 mm/a；喜马拉雅变形带西部南北向运动速率为32.46±1.68 mm/a，东西向速率为7.41±1.06 mm/a。由印度板块运动速率以及喜马拉雅变形带东、中、西3部分的运动速率可以看出，喜马拉雅变形带以中部为界，西部运动速度有逆时针运动趋势，东部有顺时针运动趋势，且两部分的运动速率较中部地区稍强；而穿过喜马拉雅变形带到达青藏高原以后，其藏南地区南北向运动速率为20.61±1.17 mm/a，东西向运动速率为9.4±0.51 mm/a，由此可以看出喜马拉雅变形带受印度板块的挤压速率大致为16.17±0.98mm/a。从整体来看，喜马拉雅构造带以及青藏高原地区的板内运动的主要动力来源于印度板块的推挤作用[14-15]，同时由于青藏高原特殊的地质构造，使得该地区的构造运动速度场出现东部顺时针旋转、西部逆时针旋转的特点，本次尼泊尔地震发震地点正位于速度场逆时针旋转和顺时针旋转的分界处。
|
图 2 尼泊尔震区及周边地区相对于欧亚参考框架的震前速度场 Fig. 2 The pre-seismic velocity field under the earthquake zone and the surrounding areas of Nepal relative to the Eurasian reference framework |
震后形变主要研究两个部分：一部分是震后地壳运动的线性变化，也就是板块长期构造运动成份；一部分是震后弛豫。为了更好地与震前板块构造运动情况进行对比分析，对于震后GNSS观测资料的处理策略与震前一致，震后GPS观测数据时间跨度为2015-04-27~2016-02-29。为了更直观地认识震后形变特征，我们通过上述方法得到尼泊尔及周边地区连续GPS站点的震后时间序列，由此进行速度场的计算。
2.2.1 震后位移时间序列GPS点震后速度场相对于震前有明显变化，这种变化主要是由于受震后余滑和震后弛豫的影响。如果将震后位移以对数函数模拟，那么GPS点震后ti时刻的位置分量y(ti)可表示为：
|
(1) |
式中，t0时刻的y(t0)、长期构造运动速度v以及同震位移c都可以根据时间序列计算出来，作为已知量。震后位移系数p和时间常数τ为待定参数，由于二者具有较强的相关性，并且τ值为非线性参数，很难与p同时反演确定。我们尝试在一定的时间范围内遍历时间常数τ，在每一次的遍历中利用最小二乘方法反演p，最后在所有的遍历中取残差最小的时间常数τ为最佳时间常数。震后GPS站点时间序列见图 3，求取的各个站点的震后位移系数、时间常数以及震后位移见表 2。
|
图 3 震后GPS站点时间序列 Fig. 3 The post-seismic time series at GPS stations |
|
|
表 2 站点震后位移模拟参数及位移量 Tab. 2 The simulation parameters and displacement of the site after earthquake |
GPS站点观测到的水平震后位移揭示了尼泊尔地震在该地区引起的震后形变特征。图 4给出了尼泊尔地震引起的水平震后形变场(具体数值见表 2)。需要指出的是，解算的震后形变场是主震和两次强余震所产生的综合结果。由震后形变场可以看出，本次地震震后影响范围较广，新疆、青海等处的站点也受到影响，其位移方向基本指向震中，大小为10 mm左右。震后位移最大值出现在震中附近的LMJG点，其南北向位移为28.2 mm，东西向位移为14.7 mm。
|
图 4 震后形变场 Fig. 4 The post-seismic deformation field |
不同GPS测站的震后水平速度揭示了尼泊尔震后该研究区域的形变特征。图 5给出了尼泊尔震区及周边地区相对于欧亚参考框架的震后速度场。需要指出的是，震后形变分析的所有数据都是由尼泊尔主震及两次强余震影响的综合结果。
|
图 5 尼泊尔震区及周边地区相对于欧亚参考框架下的震后速度场 Fig. 5 The post-seismic velocity field under the earthquake zone and the surrounding areas of Nepal relative to the Eurasian reference framework |
与震前的站点速度场相比，震后GPS站点的时间跨度较短、站点较少。但从图 5中仍然可以看出，震后喜马拉雅造山带以南站点呈现出向西运动加强的趋势，喜马拉雅造山带以北站点呈现出向东运动加强的趋势。震后喜马拉雅造山带以南站点速率较震前有明显减小，如GRHI站点，震前南北向速率为36.08±0.32 mm/a，东西向速率为9.45±0.23 mm/a，震后南北向速率变为30.73±2.21 mm/a, 东西向速率变为2.36±2.3 mm/a；喜马拉雅造山带以北地区站点速率较震前有所增大，如JMSM站点，震前南北向速率为25.76±0.21 mm/a，东西向速率为7.91±0.11 mm/a，震后南北向速率为30.14±2.64 mm/a，东西向速率为14.02±3.63 mm/a。
3 结语通过对尼泊尔MS8.1地震前后地壳形变特征的分析发现，喜马拉雅构造带主要受到印度板块的推挤，震前喜马拉雅构造带以南的南北向运动速度达到36 mm/a，而以北地区的南北向运动速率大致为20 mm/a，所以喜马拉雅构造带南北向受印度板块的推挤速率可达16 mm/a。从震前速度场可以看出，喜马拉雅构造带不同段存在差异性的运动特征，中段以挤压为主，东段在挤压的同时伴随顺时针旋转，西段是在挤压的同时伴随逆时针旋转，而尼泊尔地震发生在中段，与苏小宁等[6]的研究结果较一致，即地震发生在速度场逆时针旋转和顺时针旋转的分界处。
由震后形变场可以看出，喜马拉雅构造带以北站点震后位移整体向南运动，喜马拉雅构造带以南站点震后位移整体向北运动，其震后最大位移出现在震中附近。震后GPS速度场揭示了此次地震对尼泊尔地区及中国青藏高原地区地壳形变的影响程度。此次地震使得喜马拉雅构造带的东西两段存在的旋转运动减弱，同时减缓了印度板块对喜马拉雅构造带的推挤速率，也使得青藏高原地区的南北向运动减弱，东西向运动较震前有所增强，这可能对藏南地区的走滑断层有所影响。由于震后时间较短，震后速度场与实际情况有差别，所以对于该地区的形变情况有待继续关注。
| [1] |
梁诗明.基于GPS观测的青藏高原现今三维地壳运动研究[D].北京: 中国地震局地质研究所, 2014 (Liang Shiming. Three-Dimensional Velocity Field of Present-Day Crustal Motion of the Tibetan Plateau Inferred from GPS Measurements[D].Beijing: Institute of Geology, CEA, 2014) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GJZT201507007.htm
(  0) |
| [2] |
王琪, 王文颖. 跨喜马拉雅的GPS观测与地壳形变[J]. 大地测量与地球动力学, 1998, 18(3): 43-50 (Wang Qi, Wang Wenying. GPS Measurement and Current Crustal Movement Across the Himalaya[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 1998, 18(3): 43-50)
( 0) |
| [3] |
赵斌, 谭凯, 张彩红, 等. 2015年尼泊尔MW7.9地震震前断层闭锁与同震位移特征分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(5): 734-737 (Zhao Bin, Tan Kai, Zhang Caihong, et al. Interseismic Coupling and Coseismic Displacements of the 2015 MW7.9 Nepal Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2015, 35(5): 734-737)
( 0) |
| [4] |
赵斌, 杜瑞林, 张锐, 等. GPS测定的尼泊尔MW7.9和MW7.3级地震同震形变场[J]. 科学通报, 2015, 28(2): 2758-2764 (Zhao Bin, Du Ruilin, Zhang Rui, et al. Co-Seismic Displacements Associated with the 2015 Nepal MW7.3 Aftershock Constrained by Global Positioning System Measurements[J]. Chin Sci Bull, 2015, 28(28): 2758-2764)
( 0) |
| [5] |
万永革, 盛书中, 李祥, 等. 2015年尼泊尔强震序列对中国大陆的应力影响[J]. 地球物理学报, 2015, 58(11): 4277-4286 (Wan Yongge, Sheng Shuzhong, Li Xiang, et al. Stress Influence of the 2015 Nepal Earthquake Sequence on Chinese Mainland[J]. Chinese J Geophys, 2015, 58(11): 4277-4286)
( 0) |
| [6] |
苏小宁, 王振, 孟国杰, 等. GPS观测的2015年尼泊尔MS 8.1级地震震前应变积累及同震变形特征[J]. 科学通报, 2015, 60: 2115-2123 (Su Xiaoning, Wang Zhen, Meng Guojie, et al. Pre-Seismic Strain Accumulation and Co-Seismic Deformation of the 2015 Nepal MS8.1 Earthquake Observed by GPS[J]. Chin Sci Bull, 2015, 60(60): 2115-2123)
( 0) |
| [7] |
占伟, 武艳强, 梁洪宝, 等. GPS观测结果反映的尼泊尔MW7.8地震孕震特征[J]. 地球物理学报, 2015, 58(5): 1818-1826 (Zhan Wei, Wu Yanqiang, Liang Hongbao, et al. Characteristics of the Seismogenic Model for the 2015 Nepal MW7.8 Earthquake Derived from GPS Data[J]. Chinese J Geophys, 2015, 58(5): 1818-1826)
( 0) |
| [8] |
李瑜, 刘静, 梁宏, 等. 全球定位系统测定的尼泊尔MW7.8级地震同震位移[J]. 科学通报, 2015(60): 3606-3616 (Li Yu, Liu Jing, Liang Hong, et al. Co-Seismic Displacement Field Associated with the 25 April, 2015 MW7.8 Nepal Earthquake Recorded by Global Positioning System[J]. Chin Sci Bull, 2015(60): 3606-3616)
( 0) |
| [9] |
赵纪东, 裴惠娟, 郑军卫. 尼泊尔地震后喜马拉雅地区地震风险浅析[J]. 国际地震动态, 2015(5): 11-14 (Zhao Jidong, Pei Huijuan, Zheng Junwei. Seismic Risk of Himalayan Region after Nepal Earthquake[J]. Recent Developments in World Seismology, 2015(5): 11-14)
( 0) |
| [10] |
顾国华, 申旭辉, 王敏. 利用GPS观测到的中国大陆地壳水平运动[J]. 全球定位系统, 2001, 26(4): 23-30 (Gu Guohua, Shen Xuhui, Wang Min. Horizontal Crustal Movement in Chinese Mainland Obtained from GPS Obervations[J]. GNSS World of China, 2001, 26(4): 23-30 DOI:10.3969/j.issn.1008-9268.2001.04.005)
( 0) |
| [11] |
章传银, 常晓涛. 利用ITRF速度场计算中国大陆与周围板块的现今三维相对运动[J]. 地学前缘, 2000, 7(1): 153-159 (Zhang Chuanyin, Chang Xiaotao. Calculating 3-Dimension Current Relative Movement of Chinese Continent Relative to Neighbor Plates with ITRF Velocity Field[J]. Earth Science Frontiers, 2000, 7(1): 153-159 DOI:10.3321/j.issn:1005-2321.2000.01.014)
( 0) |
| [12] |
孙付平, 赵铭. 全球五大板块的运动和形变──用卫星激光测距数据导出的站速度分析[J]. 地球物理学报, 1994, 37(5): 596-605 (Sun Fuping, Zhao Ming. Study of Plate Motion and Crustal Deformation from Satellite Laser Ranging Site Velocities[J]. Acta Geophysica Sinica, 1994, 37(5): 596-605 DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.1994.05.005)
( 0) |
| [13] |
李万能, 金平伟, 向家平, 等. 基于ITRF2005基准下的速度场融合分析中国大陆板块运动趋势[J]. 全球定位系统, 2012, 37(3): 12-15 (Li Wanneng, Jin Pingwei, Xiang Jiaping, et al. Tendency of Plate Motion Combination of Data Based on ITRF2005 in China[J]. GNSS World of China, 2012, 37(3): 12-15 DOI:10.3969/j.issn.1008-9268.2012.03.005)
( 0) |
| [14] |
张培震, 王琪, 马宗晋. 青藏高原现今构造变形特征与GPS速度场[J]. 地学前缘, 2002, 9(2): 442-450 (Zhang Peizhen, Wang Qi, Ma Zongjin. GPS Velocity Field and Active Crustal Deformation and around the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Earth Science Frontiers, 2002, 9(2): 442-450 DOI:10.3321/j.issn:1005-2321.2002.02.023)
( 0) |
| [15] |
孙玉军, 范桃园, 周春景, 等. 青藏高原巴颜喀拉地块构造形变特征的数值模拟[J]. 地质通报, 2015, 34(1): 71-82 (Sun Yujun, Fan Taoyuan, Zhou Chunjing, et al. Numerical Modeling Analysis of the Tectonic Deformation of Bayan Har Block in the Tibetan Plateau[J]. Geological Bulletin of China, 2015, 34(1): 71-82 DOI:10.3969/j.issn.1671-2552.2015.01.006)
( 0) |