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喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究

赵静 江在森 牛安福 武艳强 占伟 魏文薪

赵静, 江在森, 牛安福, 武艳强, 占伟, 魏文薪. 喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
引用本文: 赵静, 江在森, 牛安福, 武艳强, 占伟, 魏文薪. 喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
ZHAO Jing, JIANG Zaisen, NIU Anfu, WU Yanqiang, ZHAN Wei, WEI Wenxin. Characteristics of Fault Locking and Fault Slip Deficit in the Main Himalaya Thrust Fault[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
Citation: ZHAO Jing, JIANG Zaisen, NIU Anfu, WU Yanqiang, ZHAN Wei, WEI Wenxin. Characteristics of Fault Locking and Fault Slip Deficit in the Main Himalaya Thrust Fault[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619

喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20150619
基金项目: 

地震科技星火计划项目 XH15049Y

国家自然科学基金 41330314

国家自然科学基金 41274008

2015-度震情跟踪专项工作任务 2015010201

详细信息
    作者简介:

    赵静, 博士生, 助理研究员, 主要从事GPS数据处理、地壳形变分析和断层闭锁反演研究。zhaozhengjiajia1@126.com

    通讯作者: 牛安福, 博士, 研究员。niuanfu01@sina.com
  • 中图分类号: P223

Characteristics of Fault Locking and Fault Slip Deficit in the Main Himalaya Thrust Fault

Funds: 

The Spark Program of Earthquake Technology of CEA XH15049Y

the National Natural Science Foundation of China 41330314

the National Natural Science Foundation of China 41274008

the Earthquake Tracking of 2015 2015010201

More Information
    Author Bio:

    ZHAO Jing, PhD candidate, assistant researcher, specializes in processing GPS data, analyzing crustal deformation and inverting fault locking. E-mail: zhaozhengjiajia1@126.com

    Corresponding author: NIU Anfu, PhD, professor. E-mail: niuanfu01@sina.com
  • 摘要: 基于融合的GPS速度场结果,使用DEFNODE负位错反演程序估算了喜马拉雅主逆冲断层(the main Himalayan thrust,MHT)的闭锁程度和滑动亏损空间分布,并结合剖面结果分析了断层远、近场的运动特征。结果表明,MHT的闭锁深度基本达到18~24 km,断层面闭锁宽度达到102~136 km,两次历史大地震破裂区域之间的未破裂段落和未发生大地震的段落闭锁深度更深,闭锁断层面更宽,2015年尼泊尔Mw7.8大地震就发生在两次大地震破裂区域之间的段落;MHT总滑动亏损速率和垂直断层挤压滑动亏损速率自东向西逐渐减小,平行断层右旋滑动亏损速率则基本上自东向西逐渐增加;MHT 3条剖面拟合结果也反映出其存在很强的闭锁。根据估算的此次Mw7.8地震的复发周期230年和最近500多年发生的大地震分布,认为MHT整条段落尤其是尼泊尔西部与印度接壤处和可能还没有破裂的不丹地区依然有发生8级大地震的危险。
  • 图  1  研究区域GPS速度场结果

    Figure  1.  The GPS Velocity Field in the Study Region

    图  2  最优模型速度残差

    Figure  2.  Residual Velocities of the Optimal Model

    图  3  喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度

    Figure  3.  Fault Locking of the Main Himalaya Thrust Fault

    图  4  喜马拉雅主逆冲断层滑动亏损速率

    Figure  4.  Fault Slip Deficit of the Main Himalaya Thrust Fault

    图  5  横跨喜马拉雅主逆冲断层剖面的GPS站速度和最优模型结果拟合

    Figure  5.  GPS Velocity Profiles Across the Main Himalaya Thrust Fault and the Model Fitting Results

    表  1  本文使用的GPS速度场资料

    Table  1.   GPS Velocity Field Used in This Work

    序号 区域 点数 时间/年份 框架 融合时使用的公共站个数 融合后残差均方差/(mm·a-1) 资料来源
    1 中国大陆 354 1991~2001 ITRF97 - - 文献[20]
    2 青藏高原 45 1991~2001 ITRF97 40 0.49 文献[21]
    3 尼泊尔喜马拉雅 97 1995~2006 ITRF2000 33 0.43 文献[6]
    4 青藏高原及周边 726 1998~2004 ITRF2000-Eurasia 10 1.48 文献[22]
    5 印度及邻区 229 1995~2007 ITRF2000 36 0.35 文献[23]
    6 青藏高原 750 1998~2013 ITRF2008-Eurasia 11 1.72 文献[24]
    注:ITRF2000-Eurasia为欧亚基准,是ITRF2000的结果去除了相对于欧亚板块的整体运动量。ITRF2008-Eurasia以此类推
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    表  2  块体欧拉矢量

    Table  2.   Euler Vectors of Blocks

    欧拉矢量 经度(W) 纬度(N) 速率/(°·Ma-1)
    印度板块(ITRF97) -6.797 2° 51.840 2° 0.493 4±0.018 3
    印度板块(参考文献[8],ITRF2000) -10.915° 51.409° 0.483 0±0.015
    印度板块(参考文献[5],ITRF2005) -1.34° 51.4° 0.502 9±0.007 2
    青藏地块(ITRF97) 97.611 2° -7.103 8° -0.607 2±0.038 9
      注:速率为负代表顺时针旋转,反之为逆时针旋转
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-18
  • 刊出日期:  2017-12-05

喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究

doi: 10.13203/j.whugis20150619
    基金项目:

    地震科技星火计划项目 XH15049Y

    国家自然科学基金 41330314

    国家自然科学基金 41274008

    2015-度震情跟踪专项工作任务 2015010201

    作者简介:

    赵静, 博士生, 助理研究员, 主要从事GPS数据处理、地壳形变分析和断层闭锁反演研究。zhaozhengjiajia1@126.com

    通讯作者: 牛安福, 博士, 研究员。niuanfu01@sina.com
  • 中图分类号: P223

摘要: 基于融合的GPS速度场结果,使用DEFNODE负位错反演程序估算了喜马拉雅主逆冲断层(the main Himalayan thrust,MHT)的闭锁程度和滑动亏损空间分布,并结合剖面结果分析了断层远、近场的运动特征。结果表明,MHT的闭锁深度基本达到18~24 km,断层面闭锁宽度达到102~136 km,两次历史大地震破裂区域之间的未破裂段落和未发生大地震的段落闭锁深度更深,闭锁断层面更宽,2015年尼泊尔Mw7.8大地震就发生在两次大地震破裂区域之间的段落;MHT总滑动亏损速率和垂直断层挤压滑动亏损速率自东向西逐渐减小,平行断层右旋滑动亏损速率则基本上自东向西逐渐增加;MHT 3条剖面拟合结果也反映出其存在很强的闭锁。根据估算的此次Mw7.8地震的复发周期230年和最近500多年发生的大地震分布,认为MHT整条段落尤其是尼泊尔西部与印度接壤处和可能还没有破裂的不丹地区依然有发生8级大地震的危险。

English Abstract

赵静, 江在森, 牛安福, 武艳强, 占伟, 魏文薪. 喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
引用本文: 赵静, 江在森, 牛安福, 武艳强, 占伟, 魏文薪. 喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度与滑动亏损特征研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
ZHAO Jing, JIANG Zaisen, NIU Anfu, WU Yanqiang, ZHAN Wei, WEI Wenxin. Characteristics of Fault Locking and Fault Slip Deficit in the Main Himalaya Thrust Fault[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
Citation: ZHAO Jing, JIANG Zaisen, NIU Anfu, WU Yanqiang, ZHAN Wei, WEI Wenxin. Characteristics of Fault Locking and Fault Slip Deficit in the Main Himalaya Thrust Fault[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2017, 42(12): 1756-1764. doi: 10.13203/j.whugis20150619
  • 北京时间2015-04-25T 14:11:26,尼泊尔发生Mw7.8大地震,美国地质调查局(USGS)测定震中位置为(28.147°N,84.708°E),震源深度为15 km,震源机制结果显示此次地震为逆冲型破裂,地震发生于喜马拉雅构造带中段,由印度板块与欧亚板块俯冲碰撞形成。全球地震台网宽频带波形数据快速反演的地震破裂模型显示,主震断层面最佳模型走向为295°,倾角为10°,释放的地震矩为8.1×1020 N·m(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926)。该地震发生后,2015年4月25日、4月26日与5月12日,又分别发生了尼泊尔Mw6.6、Mw6.7和Mw7.3地震。

    印度板块与欧亚板块的俯冲碰撞开始于距今约55~65 Ma,至今仍处于强烈推挤过程中,在长期的陆-陆俯冲碰撞过程中,喜马拉雅构造带上大地震不断发生,也形成了一个由北向南发展的前展式逆断裂系,分别为喜马拉雅主中央断裂(the main central thrust, MCT)、喜马拉雅主边界断裂(the main boundary thrust, MBT)和喜马拉雅主前缘断裂(the main frontal thrust, MFT)3个巨大逆断裂系,其中MBT和MFT晚第四纪以来仍在活动[1],而且在地壳下部存在喜马拉雅主逆冲断层(the main Himalayan thrust, MHT)[2-4]。目前有关喜马拉雅构造带的相关研究较为丰富,各国学者利用GPS观测资料、水准数据、InSAR数据等对该地区不同区域之间的相对运动速率和MHT闭锁规律进行了研究[3, 5-7]

    虽然目前对断层闭锁和块体相对运动研究较多,但有关断层滑动亏损速率和断层远近场运动速率等的研究较少。地壳变形动态特征是断层深浅部动力作用的表现形式,因此可以利用地表GPS观测结果反演断层深浅部的闭锁程度、滑动亏损分布等特征,进而结合历史地震分布和大地震空区等判断断裂带未来一段时期内的地震危险性。目前,喜马拉雅构造带附近GPS观测资料已较为丰富。本文首先收集了覆盖印度板块、青藏高原及周边地区的6套GPS水平速度场并将其融合为同一参考框架的结果;然后以融合的速度场作为震间地壳变形的约束,通过DEFNODE负位错反演方法和剖面拟合方法分析了MHT的闭锁程度、闭锁断层面宽度、断层滑动亏损速率、远近场运动速率等,并讨论了该逆冲断层的地震危险性。

    • 本文反演研究采用DEFNODE负位错反演程序[8],该方法在国际上已得到了较为广泛的应用[9-17],程序假定块体内部点的运动为块体旋转、块体内部整体均匀应变、块体边界由于断层闭锁产生的滑动亏损而引起的地表弹性变形之和。若块体内部不存在整体均匀应变,理论表达式为:

      $$ \begin{array}{l} {V_i}\left( X \right) = \sum\limits_{b = 1}^B H \left( {X \in {\Delta _b}} \right)\left[ {_R{\mathit{\Omega} _b} \times X} \right] \cdot i - \\ \sum\limits_{k = 1}^F {\sum\limits_{n = 1}^{{N_k}} {\sum\limits_{j = 1}^2 {{\varphi _{nk}}{G_{ij}}} } } (X,{X_{nk}}){[_h}{\mathit{\Omega} _f} \times {X_{nk}}]\cdot j \end{array} $$ (1)

      式中, 各参数的定义见文献[8, 18],其中φnk为断层k上节点n处的闭锁程度,是断层滑动亏损速率与长期滑动速率的比值,若值为0,表明断层完全蠕滑; 若值为1,表明断层完全闭锁。

      若块体内部存在整体均匀应变,应变率的计算采用Savage等[19]给出的式(2)。此时模型原理为式(1)加式(2),其中式(2)表示块体内部均匀应变引起的速度量值大小。

      $$ \left[ \begin{array}{l} {V_\lambda }\\ {V_\theta } \end{array} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {R\sin {\theta _0}\Delta \lambda }&{R\Delta \theta }&0\\ 0&{R\sin {\theta _0}\Delta \lambda }&{R\Delta \theta } \end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l} {\dot \varepsilon _\lambda }\\ {\dot \varepsilon _{\lambda \theta }}\\ {\dot \varepsilon _\theta } \end{array} \right] $$ (2)

      式中, 各参数的定义见文献[9]。

      利用GPS水平速度场数据反演块体旋转和断层闭锁程度等参数的过程中,参数拟合的不符值可由式(3)表征,其中各参数含义可参考文献[8, 10, 18]:

      $$ {\chi _n}^2 = [\sum\limits_{i = 1}^n {{{({r_i}/f{\sigma _i})}^2}} ]/{\rm{dof}} $$ (3)

      为得到使χn2达到最小的一组最佳参数值,本反演程序使用网格搜索和模拟退火算法求解,通过不断改变f值大小进行逐步择优,寻求最满意的f值,进而保证χn2≈1,此时模型能够最佳地解释观测数据。

    • 根据前人研究结果,本文收集了覆盖印度板块、青藏高原及周边地区的6套GPS速度结果(75°E~110°E, 15°N~55°N),详细的数据信息见表 1。在应用表 1结果进行地壳变形综合分析之前,应完成不同来源数据参考基准的统一。经过分析发现,表 1中第1套速度场[20]的分布范围较大且包含大部分国际GNSS服务(International GNSS Service, IGS)站点,便于与其他结果融合,选定其为参考速度场。速度场融合的具体方法见文献[25], 但时间尺度上未考虑观测时间点的差异性,因为目前求解速度场一般基于线性模型,认为速度在一段时间内都是线性的,尤其流动观测都是不定期观测,观测时间太短,获得的观测数据太少,只能用线性模型,因此观测时间点的差异性并不会对求解的速度场结果产生较大影响。表 1中公共站速度矢量差的均方差结果显示,融合前后的速度残差较小,均方差均小于2 mm/a,由于目前求解速度场自身的精度为1~2 mm/a左右,而本文融合的速度场精度与求解速度场自身的精度大致相当,表明融合结果满足研究震间变形的要求。

      表 1  本文使用的GPS速度场资料

      Table 1.  GPS Velocity Field Used in This Work

      序号 区域 点数 时间/年份 框架 融合时使用的公共站个数 融合后残差均方差/(mm·a-1) 资料来源
      1 中国大陆 354 1991~2001 ITRF97 - - 文献[20]
      2 青藏高原 45 1991~2001 ITRF97 40 0.49 文献[21]
      3 尼泊尔喜马拉雅 97 1995~2006 ITRF2000 33 0.43 文献[6]
      4 青藏高原及周边 726 1998~2004 ITRF2000-Eurasia 10 1.48 文献[22]
      5 印度及邻区 229 1995~2007 ITRF2000 36 0.35 文献[23]
      6 青藏高原 750 1998~2013 ITRF2008-Eurasia 11 1.72 文献[24]
      注:ITRF2000-Eurasia为欧亚基准,是ITRF2000的结果去除了相对于欧亚板块的整体运动量。ITRF2008-Eurasia以此类推

      图 1给出了融合后的ITRF97参考框架下研究区域的GPS速度场分布。结果显示,印度板块以北东向运动为主,青藏高原内部的地壳运动具有顺时针方向旋转的特点,自南向北逐渐由北东向偏转向东向,且量值有所减小,表明青藏高原内部存在近南北向挤压应变积累且东西向断层存在左旋剪切应变变形背景[25]

      图  1  研究区域GPS速度场结果

      Figure 1.  The GPS Velocity Field in the Study Region

    • 本文研究区域以MHT为界,包含南部的印度板块和北部的青藏地块(如图 1所示,因本文主要研究MHT,青藏地块只包含鲜水河-玉树-玛尔盖查卡断裂带以南的区域)。数据约束方面, 包括320个GPS测点参与反演,其中印度板块46个, 青藏地块274个。根据相关文献[3, 6, 7]的研究结果,断层倾角设为10°。断裂总长度为1 616 km,断层面总宽度为241 km;沿着MHT走向共设8条等深线,深度依次为0.1、6、12、18、24、30、36和42 km,每条等深线上有16个节点。利用DEFNODE程序可反演计算得到每个节点处断层的闭锁程度,进而通过双线性插值方法计算相邻节点之间断层网格(沿走向方向长10 km,深度方向宽6 km)区域的闭锁程度。对断层节点φ(闭锁程度)值加约束为:节点均为独立节点,φ值从地表沿垂直等深线向下单调递减(0.1 km与6 km深度处的φ值相等)。

      由于印度板块的内部变形很小[3, 6],因此本文假定印度板块内部不存在整体均匀应变。Gan等[23]以鲜水河-玉树-玛尔盖查卡断裂带将青藏高原分为南北两大部分,南部区域即为本文的研究区域。由于研究区域距离MHT较近,印度板块的推挤作用、喜马拉雅主逆冲断层的闭锁作用是其运动与变形的动力源,因此将该区域作为一个大的块体来研究,暂不考虑区域内亚块体的内部变形差异。

      首先,假定青藏地块内部的变形只是由于MHT的逆冲运动和闭锁作用引起的弹性变形(假定1),其内部不存在整体均匀应变。对于假定1,通过不断试算得到了最优模型,其中GPS速度场误差权重因子f取为4.2,χn2≈0.991(观测值个数为640,自由度为522)。为了观察模型拟合效果,图 2(a)给出了残差分布情况。结果显示,假定1的最优模型中,印度板块测点拟合较好,除了块体东北角几个测点的残差稍大以外,其他测点的残差基本保持在5 mm/a以内(大部分测点残差处在误差范围之内)。青藏地块断层附近测点拟合很好,残差基本处在测点误差范围之内;而块体东部和西部远离断层、处于青藏地块的东西边缘处的测点拟合较差,这些测点由于距离断层较远,受断层闭锁的约束相对较弱,而且青藏地块南边受到喜马拉雅东、西构造节不同方向的挤压,造成其东、西边缘处分别具有东向、西向的运动特征,使得青藏块体的整体运动特征减弱。对假定1最优模型的残差进行计算,得到了青藏地块的残差应变,其中EEE=6.88×10-9·a-1ENN=-5.08×10-9·a-1ENE=-3.66×10-9·a-1,约为北东16°的主压和与之垂直方向的主张应变。这表明青藏地块内部除了由于MHT的逆冲运动和闭锁作用引起的弹性变形外,整体均匀应变的量值也不容忽视[7]。对于假定2,将假定1的最优模型中得到的整体均匀应变值作为约束数据加入到模型中,通过不断试算得到了最优模型,其中GPS速度场误差权重因子f取3.09,χn2≈1.001(自由度为528)。图 2(b)残差分布结果显示,假定2的最优模型中,印度板块的拟合情况与假定1基本一致;青藏地块东部和西部远离断层的测点拟合情况相对于假定1的拟合情况有了明显改善,其误差基本在10 mm/a以内,而且也不具有明显的规律性,断层附近测点拟合情况与假定1基本一致。综上分析,认为MHT附近的变形主要由断层逆冲运动和闭锁作用引起,同时青藏地块内部存在整体均匀应变,因此选择假定2的最优模型作为本研究的最优模型。

      图  2  最优模型速度残差

      Figure 2.  Residual Velocities of the Optimal Model

    • 表 2给出了假定2最优模型计算得到的印度板块与青藏地块的欧拉极,结果显示在ITRF97参考框架下,印度板块为逆时针旋转,青藏地块为顺时针旋转。表 2显示,Bettinelli等[6]计算的ITRF2000下印度板块的欧拉极和Ader等[3]计算的ITRF2005下印度板块的欧拉极与本文得到的欧拉极基本一致。

      表 2  块体欧拉矢量

      Table 2.  Euler Vectors of Blocks

      欧拉矢量 经度(W) 纬度(N) 速率/(°·Ma-1)
      印度板块(ITRF97) -6.797 2° 51.840 2° 0.493 4±0.018 3
      印度板块(参考文献[8],ITRF2000) -10.915° 51.409° 0.483 0±0.015
      印度板块(参考文献[5],ITRF2005) -1.34° 51.4° 0.502 9±0.007 2
      青藏地块(ITRF97) 97.611 2° -7.103 8° -0.607 2±0.038 9
        注:速率为负代表顺时针旋转,反之为逆时针旋转
    • 根据假定2的最优模型,得到MHT闭锁程度的空间分布(图 3),图 3中震源机制解数据来源于http://www.globalcmt.org,其中黑色五角星为此次震中位置,历史地震破裂区域参考文献[3, 6, 26]的研究结果绘制。最优模型结果表明,整条MHT的闭锁深度基本达到18~24 km,断层面闭锁宽度达到102~136 km;而两次大地震之间的未破裂区域和未发生大地震的不丹地区断层基本为完全闭锁,闭锁深度为42 km、闭锁断层面宽度达到241 km。该结果与文献[3, 6]相比长度更长,除了尼泊尔地区的断层外,还包括了东部的不丹地区和西部尼泊尔与印度接壤地区的断层,且GPS速度场的数据更为丰富;但反演的断层闭锁深度和闭锁断层面宽度在两次大地震之间的未破裂区域结果有所差异。本文除了反演断层闭锁程度,还反演了断层滑动亏损速率的分布。

      图  3  喜马拉雅主逆冲断层闭锁程度

      Figure 3.  Fault Locking of the Main Himalaya Thrust Fault

      喜马拉雅构造带是一条强烈活动带,沿这条构造带发生过多次8级及8级以上大地震,图 3中标注了破裂范围较大的3次地震,其中1905年印度坎格拉8.0级地震的破裂区域参考文献[6], 1505年尼泊尔格尔纳利河8.2级地震的破裂区域参考文献[3], 1934年尼泊尔比哈尔邦8.1级地震的破裂区域参考文献[3, 6, 26]。这3次大地震的破裂段落附近,其闭锁深度和闭锁程度较研究区域的其他位置相对较弱。1934年尼泊尔比哈尔邦8.1级地震破裂段落中西段附近,其12 km深度以下的闭锁程度约为0.60;破裂段落中段附近基本为完全闭锁;破裂段落东段闭锁程度约为0.85。1505年尼泊尔格尔纳利河8.2级地震破裂段落附近,其24 km深度以下基本为完全蠕滑状态。1905年印度坎格拉8.0级地震破裂段落附近,其15 km深度以下基本为完全蠕滑状态。

      两次大地震破裂区域之间的未破裂段落和未发生大地震的段落闭锁深度更深、闭锁断层面更宽。相关研究表明,此次尼泊尔地震的浅部破裂紧邻1934年8.1级地震的地表破裂[26, 27],余震分布与1833年7.6级地震的宏观震中基本重合,其破裂填补了前两次地震破裂以西100 km左右的空区,可见此次地震是前两次地震向西继续延伸的结果[26, 28]。2015年尼泊尔Mw7.8大地震发生在强闭锁区域内,一定程度上证明了计算结果的可靠性。

      震间期,MHT的闭锁部分吸收了块体俯冲挤压造成的弹性应变,直到有8级甚至更大地震发生时,弹性应变才得到释放[3, 29],而大地震发生的频率也并不高[30],Feldl和Bilham[31]曾估计喜马拉雅地区Mw8.6大地震的复发间隔约为500 a。根据USGS[26]的计算结果,此次地震的最大滑移量在4 m左右,结合§3.4中该位置处约17.5 mm/a的垂直断层滑动亏损速率,估算该位置处Mw7.8地震的复发周期约为230 a。目前来看,由于最近500多年只发生了1905年印度坎格拉8.0级、1934年尼泊尔比哈尔邦8.1级和2015年尼泊尔Mw7.8地震,因此整条段落尤其是尼泊尔西部与印度接壤处[30]和可能还没有破裂的不丹地区[26]依然有发生8级大地震的危险。

    • 图 4(a)~4(c)分别为MHT总滑动亏损速率、垂直断层滑动亏损速率、平行断层滑动亏损速率。图 4(a)显示,MHT总滑动亏损速率呈现自东向西逐渐减小的特征,最东端滑动亏损速率约为28.2 mm/a,中间完全闭锁区域的滑动亏损速率逐渐过渡,到最西端滑动亏损速率降低到约为7.9 mm/a。

      图  4  喜马拉雅主逆冲断层滑动亏损速率

      Figure 4.  Fault Slip Deficit of the Main Himalaya Thrust Fault

      喜马拉雅构造带的地壳缩短吸收了印度板块和欧亚板块俯冲汇聚的很大一部分量值[6]图 4(b)显示,MHT垂直断层挤压滑动亏损速率也呈现自东向西逐渐减小的特征,最东端挤压滑动亏损速率约为28.0 mm/a,中间完全闭锁区域的滑动亏损速率逐渐过渡,到最西端挤压滑动亏损速率降低到约为6.4 mm/a。其中,尼泊尔境内最东端挤压滑动亏损速率约为22.1 mm/a,最西端挤压滑动亏损速率约为11.0 mm/a,这与Ader[3]、Bettinelli等[6]、Lavé和Avouac[29]以及Ponraj等[4]的研究结果基本一致。MHT全新世时期的平均地质缩短速率为21±1.5 mm/a[29],因此本文的计算结果与地质结果也较为吻合。

      图 4(c)显示,MHT平行断层右旋滑动亏损速率基本上自东向西逐渐增加。其中,最东端右旋滑动亏损速率约为2.0 mm/a,在苏丹与尼泊尔之间的部分区域降低到约0.4 mm/a,进入尼泊尔后逐渐增加,到尼泊尔西部达到最大值7.0 mm/a,在印度约为3.3~5.2 mm/a。

      另外,在获得融合的ITRF97参考框架下的GPS速度场后,将其统一扣除相对于欧亚板块的整体运动量,获得欧亚参考基准的GPS速度场; 然后将不同参考基准速度场都进行负位错反演,通过对比两种反演结果发现,其反演的闭锁程度、滑动亏损分布等结果几乎完全一样,这表明DEFNODE负位错反演结果与速度场的参考基准无关,与文献[32]一致,即参考基准的不同并不影响地壳的相对运动,因此也不影响块体之间断层的相对运动与闭锁。

    • 图 5(a)~5(c)为MHT 3条剖面的GPS站速度场与最优模型计算结果的拟合情况(分别对应图 1(a)~1(c)剖面),每条剖面长约1 600 km,宽390 km,基本跨越本文研究断层的西段、中段和东段。图 5(a)显示垂直断层的挤压速率约为14 mm/a,平行断层的右旋滑动速率约为7 mm/a。图 5(b)显示垂直断层的挤压速率约为19 mm/a、平行断层的右旋滑动速率约为5 mm/a。图 5(c)显示垂直断层的挤压速率约为26 mm/a,平行断层的右旋滑动速率约为3 mm/a。剖面拟合结果与断层面上的滑动亏损速率基本一致。

      图  5  横跨喜马拉雅主逆冲断层剖面的GPS站速度和最优模型结果拟合

      Figure 5.  GPS Velocity Profiles Across the Main Himalaya Thrust Fault and the Model Fitting Results

      通过分析发现,垂直和平行断裂带走向的挤压缩短变形和剪切变形主要发生在该断裂带的北侧,即青藏块体内部,而断裂带内部几乎无变形,即喜马拉雅主逆冲断裂带内部的GPS站速度与南侧印度板块中的几乎没有差异。另外,MHT的剖面结果反映的变形与2008年四川汶川MS8.0地震前,横跨龙门山断裂带中段的GPS变形图像[9, 18]非常相似,这也反映出喜马拉雅主逆冲断裂带存在很强的闭锁。

    • 本文通过对印度板块、青藏高原及周边地区的6套GPS速度场数据进行融合,得到了近似统一参考框架下的速度场结果,然后以融合的速度场作为震间地壳变形的约束,采用DEFNODE负位错反演程序估算了MHT的闭锁程度和滑动亏损空间分布特征;结合剖面结果分析了断层远、近场的运动特征,并讨论了该逆冲断层的地震危险性。

      1) 负位错模型反演结果表明,MHT的闭锁深度基本达到18~24 km,断层面闭锁宽度达到102~136 km;3次发生过大地震的破裂段落附近,其闭锁深度较浅、闭锁断层面较窄;两次大地震破裂区域之间的未破裂段落和未发生大地震的段落闭锁深度更深、闭锁断层面更宽。2015年尼泊尔MW7.8大地震就发生在两次大地震破裂段落之间闭锁更深、更强的区域。根据此次地震4 m左右[26]的最大滑移量的计算结果,结合该位置处约17.5 mm/a的垂直断层滑动亏损速率,我们估算该位置处MW7.8地震的复发周期约为230 a。由于最近500多年只发生了1905年印度坎格拉8.0级、1934年尼泊尔比哈尔邦8.1级和2015年尼泊尔MW7.8地震,因此整条段落尤其是尼泊尔西部与印度接壤处和可能还没有破裂的不丹地区依然有发生8级大地震的危险。此外,我们将不同参考基准速度场的反演结果进行对比,其反演的闭锁程度、滑动亏损分布等结果几乎完全一样,这表明反演结果与速度场的参考基准无关。

      2) MHT总滑动亏损速率和垂直断层挤压滑动亏损速率呈现自东向西逐渐减小的特征,其中最东端垂直断层挤压滑动亏损速率约为28.0 mm/a,到最西端垂直断层挤压滑动亏损速率约为6.4 mm/a。平行断层右旋滑动亏损速率基本上自东向西逐渐增加,尤其在尼泊尔,右旋滑动亏损速率从约0.4 mm/a增大到约7.0 mm/a。

      3) MHT的3条剖面拟合结果与相应位置处断层面上的滑动亏损速率基本一致。垂直和平行断裂带走向的挤压缩短变形和剪切变形主要发生在断裂带北侧的青藏块体内部,而断裂带内部和南侧印度板块几乎无变形,反映出MHT存在很强的闭锁。汶川地震与2015年尼泊尔地震都属于逆冲型地震,其中汶川地震属于仰冲型地震(主动盘为上盘)、尼泊尔地震属于俯冲型地震(主动盘为下盘),这两次大地震的发生对加深对逆冲型地震的理解和认识起到了重要作用。

参考文献 (32)

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