2015年4月25日14时11分，在尼泊尔境内发生M_S8.1地震(M_W7.8)，根据中国地震台网中心测定，震中位于28.2°N，84.7°E，震源深度20 km(http://www.csi.ac.cn/).震中距离尼泊尔首都加德满都直线距离约82 km，距离中国西藏日喀则市吉隆县边境43 km，距离聂拉木县42 km.地震造成尼泊尔超过8000人遇难和大量古建筑破坏，并波及印度和中国西藏等地.这次地震的特点之一是尾随多个7级以上强余震，造成灾害的叠加.在M_S8.1主震后的当天和4月26日分别发生了M_S7.0和M_S7.1强余震.5月12日又在主震震中东南约150 km处发生了M_S7.5地震(27.8°N，86.1°E)，震源深度10 km.此次地震是尼泊尔81年以来遭遇的最强地震，早在81年前的1934年尼泊尔—比哈尔邦发生M_S8.4(M_W8.1)地震，造成超过10000人死亡，是尼泊尔历史上遭受的最严重的地震灾害(Ader et al.，2012).

这次尼泊尔M_S8.1地震发生在青藏高原南部的喜马拉雅地震带上，这里是新生代印度板块和欧亚板块陆-陆碰撞作用的结果和板块汇聚的主要变形带(刘静等，2015).由于自约55 Ma陆-陆碰撞以来，印度板块俯冲到欧亚板块之下，并以每年45~50 mm·a^-1的速率向北推挤，使高原隆升、地壳缩短、物质侧向挤出，造成青藏高原及周边地区强烈的地壳运动、构造变形和地震活动( Lave and Avouac，2000； 张培震等，2008; Shen et al.，2009; 邓起东等，2014； 刘静，2015).特别是青藏高原南缘吸收了近一半的板块汇聚速率，形成了当今世界上最为活跃的喜马拉雅构造带(强震带).该构造带长约2500 km，宽300~500 km，主要由一系列向南扩展的逆冲推覆构造体系组成，从南到北依次分别为主前缘逆冲断裂(MFT)、主边界逆冲断裂(MBT)和主中央逆冲断裂(MCT)，这些断裂带在地壳深部汇聚于一个低角度喜马拉雅主逆冲断裂面(MHT)或滑脱面上(图 1a)(刘静等，2015，赵文津，2015).这次地震就发生在喜马拉雅主逆冲断裂带上.自1800年以来，已在该地震带发生了6次8级左右的大地震(刘静等，2015；苏晓宁等，2015)，其中发生在本次M_W7.8地震以西的有：1803年 M_W7.5，1905年 M_W7.8，发生在本次M_W7.8地震以东的有：1833年 M_W7.6，1897年 M_W8.1，1934 年M_W8.1和1950年 M_W8.4(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 青藏高原南缘地震构造背景与本次地震的余震分布 (a)青藏高原南缘地震构造背景略图，蓝色圆点：1800年以来MW≥7.5历史地震震中，红色圆点：本次MW7.8地震震中，黄色锯齿线：喜马拉雅主前缘逆冲断裂(MFT)，右上小图：喜马拉雅主逆冲断裂(MHT)在地表浅部的分支示意图(改自Ponraj et al，2010)，A，B，C，D分别表示：前陆盆地，低喜马拉雅，高喜马拉雅和青藏高原；(b)图(a)中蓝色虚框的放大，背景为3 s 数字高程模型(来源http://www2.jpl.nasa.gov)，两个粉色圆点：尼泊尔4月25日MW7.8和5月12日MS7.5地震震中，红色圆点:MS6.0~6.9余震，浅蓝色圆点：MS5.0~5.9余震，黄色圆点：MS4.0~4.9余震，(余震来源：http://earthquake.usgs.gov，截止时间2015年5月13日)，白色细线：中国境内的活动断层，红色齿线：示意喜马拉雅主前缘逆冲断裂(MFT)的地表迹线，橘黄色方框：文中所用Sentinel-1A数据覆盖范围. Fig. 1 Tectonic setting in south margin of Tibet Plateau and aftershocks distribution ofthe Nepal earthquake

本次M_W7.8地震发生后，不少国内外学者和科研机构已对这次地震的发震构造背景、地表形变场特征和断层滑动分布等进行了研究.刘静等对喜马拉雅碰撞造山带及主震区的构造背景、历史强震分布、现代小地震活动和强震孕育的基本构造模式等进行了系统总结(刘静等，2015)，赵斌、苏晓宁等利用GPS数据研究了本次地震的同震形变场及其约束下的断层破裂分布特征(苏晓宁等，2015；张贝等，2015；赵斌等，2015).张勇等利用远场地震波资料反演得到地震破裂长度约150 km，断层倾角约为11°，震源深度15 km，破裂最大滑移为3~5 m(王为民等，2015；张旭和许力生，2015；张勇等，2015；占伟等，2015).美国USGS及日本和澳大利亚的学者在网上公布了利用L波段ALOS-2雷达数据获得的同震形变场(http://www.abc.net.au/news/2015-05-05/satellites-shows-future-nepal-earthquake-likely/6446618).而基于C波段Sentinel-1A数据的干涉测量成果还鲜有见到.本文作者在震后立即下载了欧空局的C波段Sentinel-1A雷达卫星宽幅扫描数据(TOPSAR)，提取了地震同震形变场，并基于InSAR观测结果和部分GPS数据进行了模拟反演研究.同时利用Sentinel-1A数据开展了短期震后形变观测研究.以期获得更多关于这次地震引起的地壳形变和断层破裂行为的实测数据，为进一步探索喜马拉地震带的强震机理及强震孕育模式和活动规律提供依据.

利用Sentinel-1A/IW宽幅扫描数据来获取本次地震的同震形变场.Sentinel-1A是欧空局于2014年4月发射的新一代雷达卫星，工作在C波段，用于延续退役卫星ERS/ENVISAT的观测任务，但在分辨率和幅宽方面有了很大提升.图像分辨率最低可达到5m，覆盖区域最大达到400 km.有4种不同的观测模式，分别是条带模式(StripMap，SM)，干涉宽模式(Interferometric Wide，IW)，极宽模式(Extra-Wide Swath，EW)和波模式(Wave).其中，干涉宽模式(IW)采用了先进的TOPSAR(Terrain Observation with Progressive Scans SAR)技术(https://sentinel.esa.int/web/sentinel/user-guides/sentinel-1-sar/applications)，拍摄的雷达影像幅宽达到250 km，空间分辨率保持在5 m×20 m(single look)，一景数据就能覆盖一次地震的形变区域，12天就能重复观测一次，这为大面积地表形变监测及短期震后形变测量提供良好的数据源.目前Sentinel-1A实行免费使用策略.我们下载了震前震后多幅Sentinel-1A\IW数据进行InSAR干涉处理.有些干涉对能够获得清晰干涉纹图，而有些干涉对则不能获得理想结果.其中，用于本文分析的相干性较好的7个干涉对的参数如表 1所示.这些干涉对的平均垂直基线都在100 m以内，时间间隔是12天或24天，保持了良好的相干性.其中5个降轨干涉对，反映的是M_S8.1主震的形变场特征，另外2个升轨干涉对(20150503_20150515)是利用主震之后拍摄的影像构建的，反映的是5月12日M_S7.5强余震造成的形变场特征.

表 1(Table 1)

表 1 本文使用的Sentinel-1A\IW数据 Table 1 SAR data of Sentinel-1A\IW used in this study 干涉对编号 升降轨模式 主影像 辅影像 平均垂直基线/m 平均模糊高/m 时间间隔/d 在干涉图中的位置 备注 1 降轨 20150417 20150429 40 336 12 左轨道上 MS8.1主震形变场 2 降轨 20150417 20150429 38 354 12 左轨道下 3 降轨 20150424 20150506 225 59 12 右轨道下 4 降轨 20150417 20150511 25 538 24 左轨道上 5 降轨 20150417 20150511 -5 2693 24 左轨道下 6 升轨 20150503 20150515 80 168 12 北边景 MS7.5地震形变场 7 升轨 20150503 20150515 100 134 12 南边景

表 1 本文使用的Sentinel-1A\IW数据 Table 1 SAR data of Sentinel-1A\IW used in this study

从ESA网站上下载的Sentinel-1A\IW模式数据(https://sentinel.esa.int/)，每个压缩文件包里含有3个子图像(sub_swath)，下载后先将3个子图像拼接成一景完整图像(swath)再进行干涉处理.整个D-InSAR处理采用两通(2-pass)差分干涉模式，处理软件为最新版GAMMA InSAR处理平台.地形相位的消除采用美国宇航局发布的SRTM 3sec 数字高程模型(SRTMDEM).SRTM 3sec DEM的水平和垂直精度分别为20 m和16 m.处理过程中对干涉图做了距离向、方位向10视和2视的多视处理以降低干涉图的噪声.相位解缠前对差分干涉图进行了基于干涉条纹频率的自适应滤波，大大提高了干涉图的信噪比，突出了形变条纹，使解缠容易进行.相位解缠采用基于Delaunay三角网、适用于低相干区相位解缠的最小费用流(MCF)算法，先对高质量的区域进行解缠，得到可靠的解缠相位值，然后以这些可靠相位值构建相位模型，通过相位模型实现对其他低相干区域的解缠.对解缠差分相位进行了地形相关大气延迟相位的拟合去除和趋势性残余相位的二次相位模型拟合去除.最后得到清晰的同震干涉纹图和解缠干涉位移(图 2-5).

图 2

Fig. 2

图 2 MS8.1主震同震形变干涉纹图(2.8 cm/条纹) 两个红色原点：MS8.1和MS7.5地震震中，绿色方框：尼泊尔首都加德满都. Fig. 2 The rewrapped interferogram of the co-seicmic deformation field of the MS8.1 event(2.8 cm/fringe)

图 3

Fig. 3

图 3 MS8.1主震同震形变干涉纹图(放大10倍再缠绕，28 cm/条纹) 两个红色原点：MS8.1和MS7.5地震震中，绿色方框：尼泊尔首都加德满都 Fig. 3 The rewrapped interferogram of the co-seicmic deformation field of the MS8.1 event(28 cm/fringe)

图 4

Fig. 4

图 4 MS8.1主震同震形变场LOS向解缠干涉位移，两个红色原点：MS8.1和MS7.5地震震中， 绿色方框：尼泊尔首都加德满都，黑色虚线：剖面位置 Fig. 4 Unwrapped Interferometric displacement in LOS directionof the MS8.1 event

图 5

Fig. 5

图 5 MS8.1主震同震形变场LOS向位移剖面 (a)东西向位移剖面AA′；(b)南北向位移剖面BB′；横轴：距离(pixel)，纵轴：LOS向位移(m)；剖面位置见图 4中黑色虚线. Fig. 5 Profiles of co-seismic deformation field of the MS8.1 mainshock

处理了相邻两个降轨轨道上的5个干涉对(表 1)，获得的M_S8.1主震同震干涉形变场如图 2—4所示.其中，图 2为再缠绕原始形变干涉纹图，一个条纹代表半个波长(2.8 cm)的视线向形变量，图中干涉条纹非常蜜集，表明形变梯度很大.为了使干涉条纹清晰可辨，显示出形变场的整体形态特征，我们采用了10倍放大缠绕，即每个条纹代表 28 cm的视线向位移(图 3).

图 3、图 4中连续完整的干涉条纹揭示了主震形变场的宏观全貌和空间连续变化形态.整个形变场集中分布于M_S8.1主震震中和M_S7.5强余震震中之间，呈两头窄中部宽的纺锤形状，由南部隆升区和北部沉降区两部分组成，但以隆升形变为主.南部隆升区规模较大，东西向长约160 km，南北向宽约50 km，从震中开始沿东偏南约20°方向延伸，包围了尼泊尔首都加德满都，最大隆升中心在加德满都东北方向约20 km处，距离震中约90 km，最大LOS向隆升量达到1.1 m(图 5).北部沉降区虽然形变宽度也接近50 km，但形变量级和梯度都比较小，最大LOS沉降量仅约0.56 m(图 5).值得注意的是在南部隆升区和北部沉降区之间干涉条纹和干涉位移连续分布，没有出现象2008 M_W7.9汶川地震那样，因地表破裂或形变梯度过大而造成的非相干条带，这意味着本次地震断层的深部破裂未达到地表.分析认为这主要是由于本次地震是发生在板块俯冲界面处的低倾角逆冲推覆断裂带上，整个形变场都位于逆冲推覆体的上盘，而汶川地震是发生在高角度的逆冲断裂带上，隆升形变主要发生在上盘，而沉降形变则主要出现于下盘.

在4月25日M_S8.1主震后的第17天，即5月12日，又在主震震中以东约150 km处发生了M_S7.5地震.利用Sentinel-1A/IW升轨数据(20150503_20150515)，提取了这次地震的同震形变场，结果如图 6—8所示.同样由于原始再缠绕干涉纹图(2.8 cm/条纹)条纹非常密集，为了凸显形变干涉条纹，采用放大3倍的再缠绕策略(图 6)，即每个条纹表示8.4 cm的视线向形变量.图 7为相应的解缠干涉位移.这两个图表明这次强余震形变场的空间分布形态为大致南北对称的两个花瓣形状，南部花瓣为隆升形变区，规模比较大，东西长约70 km，南北宽约38 km，条纹密集，表明形变梯度较大，从南部远场到花瓣中心至少有7个条纹，代表约0.59 m的视线向隆升位移.北部花瓣为沉降形变区，规模比较小，东西长约38 km，南北宽约21 km，条纹稀疏，形变梯度小，最大视线向沉降量约在0.26 m.总的来看南部隆升区和北部沉降区之间的相对形变量至少达0.85 m(图 8).M_S7.5(M_W7.3)地震震中位于北部沉降区内，而大量的余震分布在南部隆升区，包括5月12日的M_W6.3余震，在此隆升区以东再没有余震出现(图 7).在这两个形变方向相反的区域之间干涉条纹连续过渡，没有出现严重的条纹破碎混叠等失相干现象，这意味着M_S7.5强余震也没有造成地表破裂.这次M_S7.5地震震中位于主震形变场及余震分布的东边缘，还在主震形变场的范围内，而且其与主震形变场类似，也是由较大的南部隆升区和较小的北部沉降区两部分组成，这两个反向形变区域的分界线与主震形变场中那两个反向形变区域的分界线也基本一致，似乎这次M_S7.5地震与主震是发生在同一个断层面上，因此本研究倾向于M_S7.5地震是强余震而非一次独立地震.

图 6

Fig. 6

图 6 MS7.5地震的再缠绕同震形变干涉纹图(放大三倍缠绕，8.4 cm/条纹)，红色圆点：MS7.5地震震中 Fig. 6 The rewrapped interferogram of the co-seismic deformation field of MS7.5 event on 12 May

图 7

Fig. 7

图 7 MS7.5地震的同震解缠干涉位移 红色圆点：MS7.5地震震中，白色小圆点：余震分布(余震来源：http://earthquake.usgs.gov/，截止2015年5月13日)，绿色方框：尼泊尔首都加德满都，黑色虚线：剖面位置. Fig. 7 The unwrapped interferometric displacement of MS7.5 earthquake

图 8

Fig. 8

图 8 MS7.5级地震形变场的位移剖面 (a)近东西向剖面AA′;(b)近南北向剖面BB′，剖面位置见图 7中的黑色虚线，横轴：距离(pixel)，纵轴：LOS向位移(m) Fig. 8 Profiles of co-seismic deformation field of the MS7.5 event

以本文获取的InSAR同震形变场及JPL ARIA团队发布的GPS同震位移数据为约束，进一步反演了震源断层破裂面上的滑动分布特征.根据震源机制解(张勇等，2015)、余震分布(图 1)及本文获取的InSAR同震形变场空间变化形态，构建了弹性半空间内走向和倾角分别为295.26°和11°的单一平面断层模型，断层面积为263.24 km×150 km，以覆盖整个滑动区域.采用敏感性迭代反演方法(Wang et al.，2008)将断层平面划分为13×8个子断层，每个子断层块的边长为20 km.反演之前，先利用相干系数对InSAR形变场进行掩膜(Masking)，得到相干性大于0.4的高质量形变数据点，然后对这些数据点进行四叉树采样，设定重采样的形变梯度值阈值为0.25，即当单元格内的形变梯度大于0.25时将进行四叉树划分，直到每个子断层块内的形变梯度均小于0.25时则不再进行划分，最后对划分出的矩形块内部数据进行平均计算，以消除噪声影响，最后得到1187个代表同震形变场的数据点，用于反演地震断层面上的滑动分布和生成模拟干涉图(图 9).反演中使用的GPS数据为来自美国JPL的AIRA团队在震后公布的尼泊尔境内14个GPS连续站同震形变(http://aria-share.jpl.nasa.gov/events/20150425-Nepal_EQ/GPS/20150425Nepal_ARIA_Final_Offsets_v4.txt，last accessed June 2015).

图 9

Fig. 9

图 9 断层滑动分布反演所用的InSAR数据和GPS数据 (a) 彩色背景表示四叉树降采样后的InSAR LOS向位移观测值，箭头表示GPS观测的垂直方向同震位移(GPS数据来自JPL ARIA团队发布的结果)，黑色箭头：观测值，红色箭头：模拟值；(b)彩色背景表示InSAR观测值与模拟值的残差； 箭头表示GPS观测的水平方向同震位移；黑色箭头：观测值，红色箭头：模拟值；黄色线条：模型断层地表迹线. Fig. 9 Down resampled InSAR data and GPS data used in this inversion(GPS data from JPL ARIA group)

分别进行InSAR 、GPS单独反演和联合反演，得到的滑动分布模型如图 10和图 11所示.三种不同数据约束下的反演结果都显示了一个显著的连续分布的滑动集中区，滑动主要分布于震中以东地下8~17 km深度范围内，为逆冲破裂未达到地表.但反演的矩震级、最大滑动量及滑动区域的形态和范围均有差异.基于InSAR，GPS及二者的联合三种情况反演的矩震级分别为M_W7.82，M_W7.7，M_W7.84；反演的最大滑动量分别是4.16 m，5.60 m，4.39 m.可以看出基于InSAR单独反演的矩震级(M_W7.82)略大于基于GPS单独反演的矩震级(M_W7.7)，而基于InSAR反演的最大滑动量(4.16 m)则小于基于GPS单独反演的最大滑动量(5.60 m)，而InSAR、GPS联合反演的结果则落于二者之间.另外，基于InSAR 反演的滑动区域范围较大，东西长约150 km，外形轮廓不是很规则，而基于GPS反演的滑动区域范围比较集中，东西长在100 km以内，形态为规则的椭圆形.关于这种差异的原因将做进一步分析和解释.

图 10

Fig. 10

图 10 InSAR/GPS单独反演和联合反演的滑动分布模型(红色五角星表示主震震中) Fig. 10 Fault slip distribution from InSAR/GPS alone and joint inversions

图 11

Fig. 11

图 11 InSAR/GPS联合反演的滑动分布三维显示(红色五角星表示主震震中) Fig. 11 Fault slip distribution from InSAR/GPS joint inversion showed in 3D

(1) InSAR、GPS数据单独反演的断层滑动分布范围和最大滑动量有明显差异.InSAR数据反演的破裂长度大于GPS数据反演结果，可能是由于反演中所用的14个GPS数据点中，只有位于主要形变区域内的3个点(图 9中的CHLM，KKN4，NAST)观测到较大的水平位移(＞1.0 m)和垂直位移(＞0.5 m)，且这3个点离得比较近，而其他GPS点上的位移值都比较小.相比较而言，InSAR数据点密集且覆盖范围大，InSAR观测到的连续变形区域在东西方向上长达150 km以上，因而其反演的破裂长度比较大.GPS数据反演的最大滑动量(5.60 m)大于InSAR反演的最大滑动量(4.16 m)，分析认为这主要是由于这次地震为整体向南运动的低角度纯逆冲型破裂，这样造成的地表形变主要是垂直形变和在南北向上的水平形变，而在东西方向上的水平形变相对很小.如苏小宁等(2015)用GPS观测的同震位移最大的测站为位于震中东南距震中72.1 km的KKN4测站(图 9)，其垂直向位移为1260.6±4.0 mm，南北向位移为1840.4±1.2 mm，东西向位移为444.4±1.1 mm.而由于Sentinel-1A雷达卫星是绕地球近南北向飞行，在垂直于飞行方向的右侧进行侧视观测，因此，对垂直形变和东西向形变很敏感，而对南北向的形变很不敏感，因此，InSAR观测到的主要是地震引起的垂直形变，而地震引起的南北向形变绝大部分没有被InSAR观测到，这就使InSAR观测到的LOS形变值偏小，进而导致InSAR单独反演的最大滑动量也偏小.可见将InSAR、GPS结合，优势互补，联合反演可以得到更为可靠的破裂范围和滑动量.

(2) 尼泊尔M_S8.1地震的干涉形变场总体上表现为一个形变量较大的隆升区和一个形变量较小的沉降区，没有出现表征地表破裂位置的失相干条带(Qu et al.，2012).根据震后相关专家的评论，此次尼泊尔地震释放的能量大约是2008年汶川地震的1.4倍，据中国地震台网测定震源深度为20 km，USGS给出的震源深度是15 km(http://earthquake.usgs.gov/)，与当年汶川地震的震源深度(14 km)也基本接近，但这次地震却未造成地表破裂带.这可能主要是由于板块俯冲带上逆断层的运动和破裂模式不同于板内逆断层.本文观测到的形变场空间分布形态与Hyndeman等(Savage，1983； Hyndman，1993)提出的板块俯冲带逆断层震时破裂模式非常一致(图 12).Hyndeman等认为在板块俯冲带前缘逆断层的倾角很平缓，在震间闭锁期，上下盘相向运动，互相挤压，造成上盘前缘的缩短和隆升.而在地震时，闭锁段突然破裂，断层上盘仰冲推覆在其前端形成隆升区，而在其后端由于受到拉张而形成沉降区.Hyndeman的这个模型可以很好的解释本文观测到的地震地表形变场空间变化形态.

图 12

Fig. 12

图 12 板块俯冲带逆断层破裂模式 (据Hyndeman and Wang，1993) Fig. 12 Thrust fault rupture model of plate subduction zone (from Hyndeman，1993)

利用Sentinel-1A/IW宽幅扫描数据，获得了2015年4月25日尼泊尔M_S8.1主震和5月12日M_S7.5强余震的同震形变场.结果显示M_S8.1主震形变场呈现为中部宽两端窄的纺锤形，从震中开始向东偏南15°~20°方向延伸，主要形变区范围东西长约160 km，南北宽约110 km.整个形变场分为南部隆升区和北部沉降区，但以南部隆升形变为主，最大LOS隆升量达1.1 m，北部最大沉降量达0.55 m.隆升区与沉降区之间干涉条纹连续分布，未出现表征地表破裂位置的失相干条带.初步分析认为这只要是由于此次地震发生在低倾角的印-亚板块俯冲带上，断层面倾角很缓，地下断层破裂时断层下盘向北俯冲，上盘向南仰冲，在上盘的前端由于挤压推覆形成隆升区，而在其后缘则受到拉张而出现沉降区.整个形变场都出现在断层的上盘.5月12日M_S7.5强余震形变场与主震形变场类似，也由南部隆升区和北部沉降区两部分组成，南部最大LOS隆升量达0.59 m，北部最大LOS沉降量约在0.26 m.基于InSAR形变场和美国JPL的AIRA团队在震后公布的GPS观测数据，利用弹性半空间低倾角单一断层面模型进行的单独反演和联合反演均显示出一个显著的滑动分布集中区，位于主震震中以东，向外围衰减很快，滑动主要发生于地下7~23 km的深度范围内.InSAR单独反演的破裂长度大于GPS单独反演的破裂长度，而InSAR单独反演的最大滑动量则低于GPS单独反演的滑动量.而联合反演结果落于二者之间.联合反演的破裂面长约150 km，沿断层倾向宽约70 km，最大滑移量达到4.39 m，矩震级为M_W7.84，与之前用地震波数据和GPS数据反演的结果一致.联合反演中InSAR、GPS优势互补，结果更为可靠.

感谢欧空局(ESA)提供了免费的Sentinel-1A雷达卫星数据.在文章撰写中就InSAR形变场的地质解释与闻学泽研究员进行了有益探讨，表示诚挚谢意.