2015年4月25日尼泊尔地震发生M_W 7.8级地震，造成首都加德满都及周边地区的巨大破坏.因地震遇难人数达到8699人(根据usgs).地震在我国藏南地区也产生一定破坏，造成数十人伤亡.研究地震发生机制与构造环境对于尼泊尔和我国藏南地区防震减灾有重要意义.

2015年尼泊尔M_W 7.8级地震发生在喜马拉雅俯冲带(Main Himalaya Thrust，MHT)上.印度板块的北向运动与欧亚板块产生碰撞，印度板块插入欧亚板块下方造成青藏高原抬升，特别是横跨板块边界长达1500 km的喜马拉雅造山带的强烈隆升.印度板块在尼泊尔地区相对欧亚板块北向运动速度约为45 mm/a，其中约25 mm/a被青藏高原内部及天山造山带吸收，其余约20 mm/a造成跨喜马拉雅造山带南北向缩短.这一部分的形变相信大部分产生于MHT.

MHT是印度板块与青藏块体的主要边界断层，在喜马拉雅山脉南麓山脚下出露地表的部分称之为主边界断裂(Main Boundary Thrust，MBT)和主前断裂(Main Frontal Thrust，MFT)(图 1).MBT和MFT在尼泊尔地区以下共享根部，为近水平的缓倾逆冲断层.MHT在浅层表现为低倾角，如本次地震波形反演揭示的破裂面倾角约为北倾10°.MHT浅部在大部地区是闭锁的，如震前GPS观测表明尼泊尔中部地区10~15 km深部范围内MHT锁定，宽度约为100 km(Ader et al.，2012).这一地区历史上多次发生灾害性大震，如1833年的一次M 7.5~8级地震及1934年的M 8级地震均发生在本次地震所在的MHT断裂带上.而本次地震可能发生在与1833年地震重叠的区域(根据usgs).

图 1

Fig. 1

图 1 2015年4月25日尼泊尔MW 7.8级地震构造背景 黄线为国界,黑线为已知两条主要断裂位置,绿线为藏南正断层,红色直线为推测的尼泊尔4.25主震及5.12余震断层顶部地面投影位置,断层面北倾,五角星为USGS给出的仪器震中位置,黑色椭圆自西向东分别表示推测的1505、1883和1934年地震的部分破裂区域,其中1883年的断层破裂区域与本次主震位置重合(据USGS资料). Fig. 1 Tectonic settings of the 25 April 2015 Nepal MW 7.8 earthquake The yellow lines are the state boundaries. The black lines denote the two major faults nearby. The green lines are the normal faults of south Tibet. The straight-red lines show the vertical projections of the inferred fault top of the 25 April 2015 mainshock and the 12 May 2015 aftershock, with the fault dipping to the north. The pentagram indicates the instrumental epicenter from USGS. The black ovals show the portions of the inferred rupture areas of the 1505,1883 and 1934 events respectively, among which the 1883 rupture overlaps with the mainshock location of this study (USGS).

2015年4月25日地震机制表明破裂以逆冲为主，破裂面走向约295°，深度约10 km，滑移角108°，倾角11°，地震矩释放5.4e+20 N-m(根据usgs).地震破裂范围约长100 km、 宽80 km，最大破裂约3.3 m.地震起始于28.147°N 84.708°E，后自西向东向加德满都方向扩展.由于震级巨大，加上破裂指向效应及加德满都位处盆地等因素，造成该地震震感强烈.2015年5月12日在主破裂以东，靠近喜马拉雅山珠峰地区，又发生了M_W 7.3级余震，对加德满都造成了进一步破坏.

尼泊尔地震发生后进行的一系列大地测量研究已得到有关同震形变的初步结果.其中Owen等分析尼泊尔境内连续GPS台站资料得到主破裂区上方台站南向位移达到1.8 m(根据unavco).杨少敏等分析震中区以北约100 km处、喜马拉雅山脉北麓流动GPS台站数据发现约0.4 m的南向位移(黄勇，2015).李瑜等分析中国构造环境监测网络连续台站数据，发现北至雅鲁藏布缝合带区域的台站仍可检测到厘米级的同震位移信号(私人通讯).

卫星雷达观测方面，对于如此大震级的地震，只能依赖大幅面的InSAR数据才能获得完整的形变场.欧洲空间局的Envisat卫星和日本宇航局的ALOS-1卫星早在2011年前后已经停止运行.欧空局的新一代C波段雷达卫星Sentienel-1A于2014年4月份发射，是哥白尼计划系列卫星的第一颗，此前已经获得了一系列较为成功的InSAR观测结果(根据insarap)；而日本宇航局在ALOS-1之后，又成功发射了ALOS-2 L波段雷达卫星，获得了一些高质量的InSAR观测结果.这两颗卫星的数据是本次地震中最主要的数据来源，其在尼泊尔和藏南地形剧烈起伏和积雪覆盖地区的观测能力是本次地震InSAR形变观测的关键.另外一个大幅面InSAR观测数据源是加拿大MDA公司的Radarsat-2 C波段卫星，但由于商业化运行，较少用于科研.其他常用的高分辨率雷达卫星，如德国宇航局的TerraSAR/TanDEM-X和意大利宇航局的COSMO_Skymed系列雷达卫星地面覆盖有限，且为波长较短的X波段雷达系统，受几何和时间去相干的影响较大，对本次地震的形变观测贡献有限.

尽管前人的监测研究已经取得显著成果，围绕该地震及其区域地震危险性仍然存在一系列悬而未决的问题，如：(1)MHT的产状究竟如何？(2)本次地震的破裂究竟是如何分布的？(3)本次地震破裂分布与1833年及1934年地震破裂分布究竟是何几何关系，中间是否存在空区？(4)本次地震没有出露地表，浅层未破部分究竟有多大范围？是否有进一步破裂可能？(5)本次地震对于周边MHT断裂带究竟造成多大库仑应力变化？这些问题的回答有待地震同震破裂精确解的获得，结果对于认识本地区震后中长期地震危险性有重要意义.本文主要利用InSAR技术，讨论如何利用最新的ALOS-2卫星数据，处理获得可靠的同震形变场，并将结果GPS观测结果比较.通过分析获得此次地震形变场的主要分布范围和量值，为下一步地震破裂建模分析和应力场变化计算做准备.

日本宇航局JAXA于2014年5月24日发射了ALOS-2卫星.这是日本继2006年发射ALOS-1卫星，并与2011年终止运行后的又一颗搭载L波段雷达传感器的卫星系统.更早的L波段卫星JERS-1是它们的前身，20世纪90年代发射并完成使命.日本的这些L波段雷达卫星是国际上仅有的民用星载雷达系统，在地质、地震、灾害、农业和林业等各个方面都发挥了极大的作用.对于地震、火山等的InSAR形变研究，这种波长的数据由于时间去相干作用小而表现出较大优势.L波段数据的波长约为23.6 cm，在此波长的雷达信号能够较好地保持雷达信号的相干性，对于小尺度地面植被(与雷达波长相比)等有更好的穿透性.两次雷达拍摄后的回波信号，能够在地面剧烈变化(如大地震)、植被覆盖较厚和地形起伏较大的地区仍然能够获得足够的相干性，为InSAR形变研究提供可能.相比之下5.6 cm的C波段雷达和3.0 cm的X波段雷达系统在相同地区很难发挥作用.这种L波段雷达系统，在我国的青藏、尼泊尔等类似地区能够充分发挥观测优势，如汶川地震中ALOS-1卫星就在形变研究中发挥了关键作用(孙建宝等，2008；Shen et al.，2009).

ALOS-2卫星上的雷达传感器PALSAR-2，有3种成像方式，且可以左视也可以右视(图 2)；相比ALOS-1卫星大幅度缩短了重访周期，为提供更快的InSAR观测提供了可能.本次尼泊尔地震发生后，JAXA启动了应急观测计划，陆续获得了覆盖尼泊尔震区的条带模式(Stripmap)和扫描模式(ScanSAR)的雷达观测数据.这两种观测模式的数据可以快速获取尼泊尔地震上百公里尺度范围内的InSAR形变场.其中Stripmap模式的数据宽度只有70 km，相比此次地震的形变范围，依然非常小.然而，通过连续发射雷达波照射震区，PALSAR-2传感器能获得跨越震区南北向几百公里范围内的形变剖面，一定程度上弥补了东西向观测范围的不足.JAXA在震后提供了两条Stripmap模式的雷达数据，其中4月26日的一条轨道覆盖偏东，跨越喜马拉雅山地区，未能获得主要形变；而2015年5月2日获得的T157轨道数据，以及震前存档的2015年2月21日获取的相同轨道相同模式数据，构成了垂直基线约110 m的干涉对，为本次地震观测提供了重要的观测资料.相比ALOS-1雷达数据，ALOS-2 PALSAR-2数据的获取方式没有太大变化(除分辨率、重访周期、左右视变化较大)(图 2).但是对于最终用户来说，数据处理更加繁琐，因为JAXA只向普通用户提供单视复数型数据(Single Look Complex，SLC)，而ALOS-1的PALSAR-1数据提供给最终用户的可以是原始雷达信号数据(RAW).在InSAR雷达数据处理中，雷达实际观测记录的是一些沿着SAR视线向(Line of Sight，LOS)的回波到达传感器的时间，以及带有相位信息的回波强度.在此过程中，必须经过雷达信号成像处理才能得到SLC图像，与地面目标确立对应关系，并进行后续的干涉处理.如果是RAW数据，我们只需要在雷达成像的过程中，将JAXA按照时间切割的SAR信号帧(Frame)，重新按照时间先后连接起来，获得足够的观测长度，然后进行成像处理.如果JAXA提供的是经过成像处理的SLC图像，那么连接时需要考虑用先后两帧数据的公共部分对SLC图像配准，并对图像重采样.对于InSAR来说，这样的处理将造成先后两帧数据在InSAR相位上的偏移，因此必须严格拟合两帧数据的相位差异，并对它们进行相应的补偿.本次地震的研究中，我们使用了JAXA提供的7帧数据，主从图像需经过12次配准才能连接成连续的两副SAR地面覆盖图像.相比之下，对于ALOS-1的RAW数据，这个步骤是不必要的，而且形成的同一个SAR图像不会有相位偏移误差.

图 2

Fig. 2

图 2 ALOS-2 卫星PALSAR-2雷达传感器的观测模式和地面覆盖(图片来自JAXA) Fig. 2 The observation mode and the ground coverage of the PALSAR-2 sensor of the ALOS-2 satellite (figure from JAXA)

除了上述的SAR图像连接，本次地震的InSAR观测还涉及更复杂的问题.为了得到高质量的InSAR观测结果，首先需要考虑地形的影响，特别是高分辨率雷达数据，在尼泊尔这种地形剧烈起伏的地区，地形可能造成较大的SAR图像配准误差(可达到1个像元)，并导致图像相干性明显下降.另外，我们使用的Stripmap模式的雷达数据跨越了加德满都地区，但是70 km宽的SAR图像，不能完整覆盖整个形变区(东西方向).约400 km长的SAR观测数据，在加德满都附近的主震区域，由于近水平缓倾断层的逆冲作用下，地面剧烈变化，使得SAR图像南北两侧的像素发生突然跳跃.这种突然跳跃在主从雷达图像配准的过程中，会造成干涉图像质量(相干性)的迅速下降，因此，有必要在图像的配准过程中考虑地面形变的影响，以提高信号的相干性.

图 3a~b给出了7帧SLC数据连接形成的主从雷达图像的幅值信息(经过斜距向4视和方位向8视多视平均处理).图 3c是主从两景图像的干涉相干性信息，高相干性区域说明两次雷达数据获取过程中电磁波后向散射特征的相似度高(即高相干性)，因而干涉相位信噪比高(图 3d).从图 3c可以看出，在图像中部，由于地震形变的影响，震中附近两次观测中雷达像元发生较大偏移，因而主从图像配准的误差偏大，造成雷达干涉相干性的明显下降，如图 3c中黑色的区域.这种相干性的下降可以通过在主从雷达图像配准过程中考虑形变的影响而获得补偿.相应的，在干涉相位图像的对应部分(图 3d)，我们看到InSAR相位条纹变得模糊不清，很难分辨噪声和真实相位，对于后续的相位展开和形变计算将造成很大困难.另外，在北侧的山地地区，有些地区的相位信息几乎为纯噪声，其可能的原因是雷达图像畸变(如layover、foreshorten和shadow等效应)，地面高山地区积雪造成雷达后向散射的随机性，以及地形对图像配准的影响等.前面两个因素是雷达图像和地面状况固有的特征，而后一个因素可以通过在配准的过程中引入地面高程信息予以纠正.

图 3

Fig. 3

图 3 T157轨道500-560共7帧雷达数据的 干涉处理结果 (a)2015年2月21日获取的T157轨道SAR图像(左侧为南,右侧为北向,最亮且平坦的部分为加德满都所在的盆地地区,下同);(b)2015年5月2日获取的T157轨道SAR图像;(c)两次雷达观测的相干性图(范围从0到1,最亮区为高相干性区域,最黑区域则相反);(d)消除地球曲率的影响,但尚未消除地形相位的InSAR干涉相位图(每色周代表-π~π的干涉相位值). Fig. 3 The interferometric result of the track 157 and frame 500~560(7 frames) radar data (a) The SAR image acquired on 21 February 2015 on track 157(the left side is the south and the right side is the north,and the brightest and flat area is the Kathmandu basin,the same below);(b) The SAR image acquired on 2 May 2015 on track 157;(c) The coherence image of the two SAR images (within a range of 0~1,the bright area with high coherence and the dark area with low coherence);(d) The interferogram with the flat-earth phase removed,but with topographic phase remained (a color cycle represents-π~πradian InSAR phase).

为了说明形变对于图像配准的影响，我们给出了图 3干涉计算过程中，主从图像配准点斜距向偏移量的方位向剖面图(图 4).在横轴约62000点的位置，即靠近加德满都极震区处，可以看到像元偏移量发生了明显跳跃.相对于南侧，此处的跳跃相当于地面的抬升运动，与逆冲破裂事件吻合.在不考虑形变的影响下，很难将形变区南北两侧的点用来拟合一个一阶或者二阶的配准多项式.如果只用南侧的点作拟合，那么北侧的区域将很难精确配准，因而也就造成了北侧相干性的明显下降，干涉相位噪声加大，反之亦然.另外，图像最南端也可以看到有少量的明显抬升偏移值.由于再往南的地区尚无数据，我们还不清楚这个跳跃的原因.而25000点附近的高偏移量，可能对应了南北两帧SLC图像配准过程中的计算误差.

图 4

Fig. 4

图 4 雷达主从图像方位向剖面上的斜距向(range)配准偏移量 蓝点为实际测量的偏移量,红点为在最小二乘拟合中剔除 一些大偏移量点之后,用于计算配准多项式的点.横轴为 方位向像元数,纵轴为斜距向偏移量.左侧为南,右侧为北. Fig. 4 The range offsets between the master and slave data along the azimuth profile in the coregistration process The blue points are the measured offsets. The red points are used for calculating the coregistration polynomial coefficients excluding the large outliers in a least-squares fitting. The axis x is the pixel numbers along the azimuth direction, and the axis y is the range offsets. The left side is the south, and the right side is the north.

从图 4看出，用一个多项式拟合所有的配准点(蓝点)，对震前震后两副图像配准，并保持较高的相干性是困难的.我们采取两种方法改进图像的配准，一是将图像形变区的南北两侧分开，分别计算配准多项式，并生成干涉图.在生成南北侧两个干涉图之后，采用类似SLC图像连接的方法，连接南北两个干涉图并形成最终的连续形变场.在连接的过程中也需计算图像南北两侧形变的相位差，并予以补偿.第二，北侧部分配准计算中，需考虑形变对配准的影响；而南侧由于没有明显形变则无需作此方面的考虑.由于雷达图像的幅值和相位中均包含了形变信息，而计算配准多项式的过程中仅使用雷达幅值信息，所有我们可以基于幅值偏移量计算初步的形变信息，并将它从偏移量计算中消除，用剩余的偏移量计算配准多项式.因此，我们首先利用雷达幅值图像计算斜距向和方位向形变场的分布，之后将该形变场进行低通滤波，将主从雷达幅值偏移量场分离为长波的一阶或者二阶多项式面(用于计算配准多项式)，以及包含地震形变的非线性项(高频部分).在配准过程中，从幅值偏移量中消除估计得到的地震形变信号，用剩余部分计算配准多项式.整个过程相当于增强了震前震后雷达相位的相干性，因而能够显著提升干涉形变相位的信号质量.此外，我们在研究中也用SRTM DEM数据辅助雷达图像配准，然而山区形变相位质量并无明显改善，说明该地区的图像配准误差并不是DEM误差引起的，此处不再赘述.

图 5给出了雷达图像配准过程中考虑地形和形变场影响的干涉结果.相比图 5a、5b，图 5c中图像左侧(即南侧)的相位噪声明显下降，干涉相位信噪比显著改善.在图 5d中我们将地形相位从干涉形变场中消除，得到差分形变干涉相位.可以清楚看到，即使在尼泊尔这样的山地地区，依然能够分辨形变的相位条纹.最后一步的处理中，将南北部分分别处理的干涉形变场连接起来(图 5e、5f).注意在图 5f中已经看不到图 3c中的干涉相干性突然跳跃，说明形变对于SAR图像配准已经没有太大影响了. 最终的形变场中可以看到(图 5e)，即使在远离震中的印度平原地区，依然存在密集的干涉条纹.这是典型的轨道误差引起的干涉相位，在后处理中利用多项式拟合的方式予以消除.

图 5

Fig. 5

图 5 考虑地形和地震形变场影响的SLC雷达图像配准和干涉结果 (a)北侧图像干涉结果，未消除地形相位，处理方法和结果类似图3d，图3b同图3a，但是在配准过程中考虑了地形的影响. (c)同(a)，但在配准过程中考虑了地震形变的影响，(d)同(c)，并在形变场中消除地形相位贡献. (e)将独立处理的南北两部分图像连接形成一条400 km长的形变剖面，(f)连接后的干涉相干性图，范围为0~1，黄色代表高值区，蓝色为低值区. Fig. 5 The coregistration and interferometric results of the SLC radar images considering the influences from topographic data and deformation field (a) The interferometric result of the north portion of radar image without considering the influences of topography, similar to the result in Fig.3d; (b) is similar to (a) , but considering the influences of topography in the coregistration process; (c) is similar to (a), but considering the influences of deformation in the coregistration process; (d) is similar to (c), and the topographic phase is removed from the deformation field; (e) Concatenate the independently processed north and south portions of the interferograms to form a 400 km long profile; (f) Concatenated coherence image within a range of 0~1, with the yellow and blue colors represent the high and low values respectively.

2.1     通过将Caltech公布的GPS 3分量形变观测结果，投影到本次处理获得的InSAR图像的LOS方向，我们可以比较InSAR与GPS之间的误差.在覆盖主震形变区的4个GPS观测站得到的数据中，除靠近图像东北端的一个点误差超过10 cm外，其他3个大形变点的位移测量与InSAR观测结果基本一致，误差在2~3 cm以内.这可能是由于在东北端的点，受电离层干扰较大，因此造成了GPS形变量与InSAR LOS形变的较大差异.

2.2    经过前述的一系列InSAR处理，改善了SAR数据的配准精度，增强了干涉相位的信噪比，使得InSAR相位的展开能够顺利进行.通过识别和定义一个“无形变”的远场，并用一阶多项式拟合该远场的干涉相位，并从总的干涉形变场中消除，我们最终获得了尼泊尔地震比较完整的InSAR形变场(图 6a).图 6a的结果显示，在尼泊尔首都加德满都附近，存在一块椭圆形状的红色形变区，最大值达到了-77.3弧度，表明加德满都地区在此次地震中发生了强烈的抬升.紧邻该抬升区的北侧，出现了明显的蓝色区域，表明在该区域发生了较大的地面沉降.这些特征都与缓倾逆冲断层的同震破裂特征一致.另外，图 6a和6b中形变场的右上角区域出现了明显的正值区域.由于其远离震中，推测其不是同震形变信息，而更有可能是电离层的干扰，这在L波段的InSAR形变场中非常普遍.同时，为了更好理解形成场的特征，我们自北向南画了一条跨越高形变区域的一条剖面，并将之与地面SRTM高程信息比较(图 6c).可以看到，形变主要部分产生于加德满都所在的盆地周边，这可以解释为何此次地震的仪器震中在加德满都以西区域，而它本身却遭受了巨大损失.形变剖面非常连续，看不到任何位移跳跃，这说明此次地震并无地表破裂产生.也可以说MBT和MFT的两大断层的浅部，并没有在此次地震中滑动，本次M_W 7.8地震释放的能量还不足以使这两条断层的任意一条破裂到地表.根据InSAR形变观测结果，保守估计的主震和大余震断层顶部的地面投影位置(图 1)，其距离MBT和MFT尚有一定距离.由于前文述及，MHT断裂带浅部大部分锁定，其是否会在未来继续破裂，直到穿透地表，是未来需要研究的重要课题.因此，通过InSAR形变场的直观分析，我们可以说，2015年4月25日的尼泊尔地震，是一次隐伏缓倾的逆冲断层破裂.尽管该地震是一次M_W 7.8~7.9的特大地震，但是它并没有能完全释放震间积累的能量，MHT断裂带在未来可能会继续产生滑动或者破裂，通过形变和模型分析将有助于分析该地区未来的地震潜势.而本次地震继续往北延伸，到我国青藏高原南部地区，未来的地震发震趋势也十分值得关注.2015年5月12日的M_W 7.3级大余震，正是说明这个地区未来地震能力的一个例证.因此研究此次地震的更多细节，对于我国藏南地区的地震形势估计将有重要意义.

图 6

Fig. 6

图 6 相位展开后的形变场及其形变剖面 (a)相位展开并消除轨道误差相位的结果;(b)形变结果重缠绕到-2π~2π区间;(c)跨越形变极值区的剖面. Fig. 6 Unwrapped deformation field and its profile (a) Unwrapped phase with orbital phase removed; (b) Rewrapped deformation results within -2π~2π radians; (c) A profile cross the deformation extremum areas.