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2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演

李水平 陈刚 何平 丁开华 陈云锅 王琪

李水平, 陈刚, 何平, 丁开华, 陈云锅, 王琪. 2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
引用本文: 李水平, 陈刚, 何平, 丁开华, 陈云锅, 王琪. 2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
LI Shuiping, CHEN Gang, HE Ping, DING Kaihua, CHEN Yunguo, WANG Qi. Inversion for Coseismic Slip Distribution and Afterslip of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake Using Angular Dislocations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
Citation: LI Shuiping, CHEN Gang, HE Ping, DING Kaihua, CHEN Yunguo, WANG Qi. Inversion for Coseismic Slip Distribution and Afterslip of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake Using Angular Dislocations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128

2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演

doi: 10.13203/j.whugis20180128
基金项目: 

国家自然科学基金 41674015

国家自然科学基金 41574012

国家自然科学基金 41674017

中国博士后科学基金 2015M572218

湖北省地球内部多尺度成像重点实验室开放基金 SMIL-2015-01

中央高校基本科研业务费专项资金 CUGL150810

详细信息
    作者简介:

    李水平, 博士生, 主要从事空间大地测量方面的研究。cug_lsp@foxmail.com

    通讯作者: 陈刚, 博士, 教授。ddwhcg@cug.edu.cn
  • 中图分类号: P228;P315.72

Inversion for Coseismic Slip Distribution and Afterslip of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake Using Angular Dislocations

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41674015

The National Natural Science Foundation of China 41574012

The National Natural Science Foundation of China 41674017

China Postdoctoral Science Foundation 2015M572218

the Basic Fund of Hubei Subsurface Multi-scale Imaging Key Laboratory, Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan SMIL-2015-01

the Fundamental Research Funds for the Central Universities CUGL150810

More Information
    Author Bio:

    LI Shuiping, PhD candidate, specializes in space geodesy research. E-mail:cug_lsp@foxmail.com

    Corresponding author: CHEN Gang, PhD, professor. E-mail: ddwhcg@cug.edu.cn
  • 摘要: 2015年尼泊尔Mw 7.9级地震发生在印度板块向欧亚板块低角度俯冲的喜马拉雅断裂带上。对该地震的滑动模型进行精化,对于理解喜马拉雅断裂带的孕震模式具有重要意义。采用三角形位错元构建主喜马拉雅断裂“双断坡”几何模型,联合全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)资料反演2015年尼泊尔地震同震滑移及震后余滑。结果表明,尼泊尔地震最大同震滑移达到7.8 m,深度为15 km,位于中地壳断坡和浅层断坪的接触部位。不考虑中地壳断坡结构会使反演的最大滑移量偏低。震后余滑主要分布在同震破裂区北侧,释放的地震矩为1.02×1020 N·m,相当于一次Mw 7.3级地震,约占主震释放地震矩的12%。同震库伦应力变化和震间断层闭锁分布均表明,尼泊尔地震破裂区南部宽约60 km的区域仍具有较高的地震危险性。
  • 图  1  2015年尼泊尔Mw 7.9地震及其Mw 7.3余震同震形变场

    Figure  1.  2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake and the Mw 7.3 Aftershock Coseismic Deformation

    图  2  主喜马拉雅断层几何模型

    Figure  2.  Fault Geometry of the Main Himalayan Thrust

    图  3  主震同震滑动反演权重因子和平滑因子确定

    Figure  3.  Setting of Weight Factor and Smooth Factor for Coseismic Slip Inversion of the Mainshock

    图  4  2015年尼泊尔Mw 7.9级地震及其Mw 7.3级余震同震滑动分布

    Figure  4.  Coseismic Slip Distribution of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake and the Mw 7.3 Aftershock

    图  5  主震和余震的InSAR观测、模拟和残差形变场

    Figure  5.  Observed, Predicted and Residual InSAR Displacements of the Mainshock and the Largest Aftershock

    图  6  尼泊尔地震震后余滑模型

    Figure  6.  The Afterslip Model of the Nepal Earthquake

    图  7  尼泊尔地震各空间关系和同震库伦应力变化

    Figure  7.  Spatial Correlation Between Coseismic Slip, Afterslip and Interseismic Locking and Coseismic Coulomb Stress Change

    表  1  尼泊尔地震破裂参数

    Table  1.   Rupture Parameters of the Nepal Earthquake

    来源 数据 断层结构 位错元 最大滑移量/m 地震矩/1020 N·m 震级
    文献[9] GPS、InSAR 平面 矩形 5.7 7.55 Mw 7.89
    文献[10] GPS、InSAR 平面 矩形 6.0 7.8 Mw 7.84
    文献[12] GPS、InSAR “双断坡”结构 三角形 8.0
    文献[13] 地震波、InSAR 平面 矩形 6.5 7.2 Mw 7.84
    文献[14] 地震波、GPS、InSAR、强震仪 平面 矩形 7.0 7.7 Mw 7.86
    文献[15] 地震波、GPS、InSAR 平面 矩形 5.8 7.87 Mw 7.9
    文献[31] 地震波、InSAR 平面 三角形 6.0
    本文 GPS、InSAR “双断坡”结构 三角形 7.8 8.39 Mw 7.93
    平面 三角形 6.98 7.85 Mw 7.90
    平面 矩形 6.8 7.8 Mw 7.88
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    [20] 彭颖, 许才军, 刘洋.  联合地震位错模型和InSAR数据构建2017年九寨沟Mw6.5地震同震三维形变场 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): 0-0. doi: 10.13203/j.whugis20200289
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-16
  • 刊出日期:  2019-12-05

2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演

doi: 10.13203/j.whugis20180128
    基金项目:

    国家自然科学基金 41674015

    国家自然科学基金 41574012

    国家自然科学基金 41674017

    中国博士后科学基金 2015M572218

    湖北省地球内部多尺度成像重点实验室开放基金 SMIL-2015-01

    中央高校基本科研业务费专项资金 CUGL150810

    作者简介:

    李水平, 博士生, 主要从事空间大地测量方面的研究。cug_lsp@foxmail.com

    通讯作者: 陈刚, 博士, 教授。ddwhcg@cug.edu.cn
  • 中图分类号: P228;P315.72

摘要: 2015年尼泊尔Mw 7.9级地震发生在印度板块向欧亚板块低角度俯冲的喜马拉雅断裂带上。对该地震的滑动模型进行精化,对于理解喜马拉雅断裂带的孕震模式具有重要意义。采用三角形位错元构建主喜马拉雅断裂“双断坡”几何模型,联合全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)资料反演2015年尼泊尔地震同震滑移及震后余滑。结果表明,尼泊尔地震最大同震滑移达到7.8 m,深度为15 km,位于中地壳断坡和浅层断坪的接触部位。不考虑中地壳断坡结构会使反演的最大滑移量偏低。震后余滑主要分布在同震破裂区北侧,释放的地震矩为1.02×1020 N·m,相当于一次Mw 7.3级地震,约占主震释放地震矩的12%。同震库伦应力变化和震间断层闭锁分布均表明,尼泊尔地震破裂区南部宽约60 km的区域仍具有较高的地震危险性。

English Abstract

李水平, 陈刚, 何平, 丁开华, 陈云锅, 王琪. 2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
引用本文: 李水平, 陈刚, 何平, 丁开华, 陈云锅, 王琪. 2015年尼泊尔地震同震滑动及震后余滑的三角位错模型反演[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
LI Shuiping, CHEN Gang, HE Ping, DING Kaihua, CHEN Yunguo, WANG Qi. Inversion for Coseismic Slip Distribution and Afterslip of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake Using Angular Dislocations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
Citation: LI Shuiping, CHEN Gang, HE Ping, DING Kaihua, CHEN Yunguo, WANG Qi. Inversion for Coseismic Slip Distribution and Afterslip of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake Using Angular Dislocations[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(12): 1787-1796. doi: 10.13203/j.whugis20180128
  • 2015年4月25日尼泊尔发生Mw 7.9级地震(简称尼泊尔地震),并于5月12日在其主震破裂区东侧触发了Mw 7.3级余震。震源机制解和余震精定位结果表明,这两次地震均发生在主喜马拉雅断裂带(main Himalayan thrust, MHT)上[1]。喜马拉雅造山带是地球上最具代表性的、仍在活动的陆-陆碰撞型造山带,是研究板块构造活动的经典试验场[2]。由于刚性印度板块向北对欧亚板块的持续推挤碰撞,使得喜马拉雅断裂带挤压缩短,吸收了约20 mm/a的板块汇聚速率,约占印度板块向欧亚板块俯冲速率的一半[3]。强烈的构造变形孕育了频繁的地震活动,有历史记录以来,喜马拉雅地震带发生过至少8次Mw 7.5级以上地震[4]。2015年尼泊尔地震就发生在1505年格尔纳利河M 8.5级地震和1934年比哈尔邦M 8.2级地震破裂区之间(图 1)。

    图  1  2015年尼泊尔Mw 7.9地震及其Mw 7.3余震同震形变场

    Figure 1.  2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake and the Mw 7.3 Aftershock Coseismic Deformation

    尼泊尔地震具有独特的地理位置和构造环境,精化对该地震滑动模型的研究,有助于更深入理解喜马拉雅造山带及类似构造环境的孕震、同震和震后过程。国内外学者利用地震波和大地测量资料对此次地震的同震断层滑动进行了详细研究,揭示了此次地震的破裂特征, 表明尼泊尔地震是一次以断层低角度逆冲为主的单侧破裂事件[5-17]。文献[7-12]联合全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)数据反演尼泊尔地震的同震滑动,模型约束的同震滑移深度基本位于5~25 km,破裂区范围约150 km×60 km,反演的最大滑移量最小为4.39 m,最大达到8.0 m[7, 12]。文献[13-16]联合近场大地测量和地震波资料约束地震同震滑移与破裂过程,尽管联合反演的滑移模型总体轮廓与仅利用大地测量资料约束的滑移模型大致相同,但局部特征仍存在明显差异,原因主要有两个方面。一是不同类型的观测数据基于不同的模型假定和反演算法,获得的震源模型有差异;二是大部分研究都采用简化的平面断层模型,忽略了MHT在浅部和中地壳存在的断坡结构。尽管部分研究在建模时考虑了MHT的“双断坡”几何模型[12],但这些模型在上下层连接处、断层表面存在角度突变,与实际断层沿倾向的渐变不符,因此有必要构建真实的断层曲面来模拟断层滑动分布。

    相比同震破裂模型,对尼泊尔地震震后变形机制的研究相对较少。文献[18-23]分别利用GPS和InSAR观测给出了震后不同时间尺度的地表位移,通过对震后变形的模拟,表明尼泊尔地震的短期震后变形以断层面余滑为主,下地壳-上地幔的粘弹性松弛效应比较微弱。不同研究揭示出一个共同特点,即震后余滑主要位于同震破裂周围以北的区域,不同余滑模型所揭示的特征存在差异,这不仅反映了震后观测资料在获取时间尺度上的差别,也可能与所采用的断层几何模型密切相关。

    本文拟采用三角位错构建主喜马拉雅断裂的“双断坡”几何模型。相较于传统的矩形位错模型,三角位错能够有效避免由于断层面起伏造成的滑动间断与重叠,在构建复杂断层几何模型方面具有明显优势[24]。联合GPS和InSAR资料,本文反演了尼泊尔Mw 7.9级地震的同震滑动和震后余滑,分析了同震破裂和震后余滑之间的空间相关性,结合震间断层闭锁状态和同震库伦应力变化,讨论了该地区未来的地震危险性。

    • 尼泊尔地震的地表大地测量资料主要包括GPS和InSAR数据,其中GPS数据主要来自中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)和美国卫星导航系统以及地壳形变观测研究大学联合体(University Navstar Consortium, UNAVCO)公布的同震GPS资料[5, 25]。此外,课题组在地震之后赴中尼边界带获取了BI01和BT08两个GPS站点的震后观测资料。本文采用最新的GIPSY-OASIS-II软件对GPS数据进行综合处理,获取了40个站点的同震形变结果,数据处理策略可参见文献[26]。震后观测站点数据获取时间基本在震后一周以内,站点震后蠕滑形变量级较小,在计算同震位移时予以忽略,最终获得的站点水平同震位移误差基本在2 mm左右。

      InSAR资料来源于ALOS-2卫星L波段的影像资料,为单独约束主震和最大余震的地表变形,本文分别处理了2015年4月5日至5月3日、5月3日至5月17日的3景幅宽为350 km的影像资料。SAR卫星数据为干涉宽幅模式,提供了对地表形变区的完整覆盖。此外,哨兵1号卫星和RADARSAT-2卫星也提供了此次地震的SAR数据,但条带覆盖范围相对狭窄,无法对同震滑动模型提供强约束,因此不予采用。InSAR数据处理平台为GMTSAR软件[27]。利用90 m分辨率的SRTM-DEM(shuttle radar topography missio-digital elevation model)数据去除地形相位的影响。同时,为降低干涉相位的噪声水平,本文采用基于能量谱的局部自适应滤波和最小费用流算法进行相位解缠,得到差分干涉相位[28]。获取的主震和最大余震经过地理编码的地表形变结果见图 1图 1中红色和白色箭头表示主震GPS同震变形,彩色点表示InSAR降采样点的视线向(line of sight, LOS)形变值,紫色阴影区表示1505年和1934年地震破裂区)。主震的最大LOS向隆升量为1.22 m, 最大LOS向沉降量为0.65 m,余震的最大LOS向抬升量为0.73 m,最大LOS向沉降量为0.35 m。通过四叉树降采样,分别获取了主震和余震5 485个和3 950个采样点参与模型反演。

    • 本文收集了文献[22]处理的50个GPS站点在震后一年的累积位移场来反演断层震后余滑。GPS站点包括尼泊尔境内和陆态网络在藏南地区的部分连续站。数据处理时,改正了长期震间形变、同震位移和季节性水文变化对震后形变的影响,并采用对数模型拟合变形时间序列。震后地表变形显示出明显的南向运动模式,与同震地表变形特征基本一致,GPS站最大震后位移达到73 mm,数据来自尼泊尔境内的GUMB站。在藏南地区,GPS最大位移17 mm,数据来自珠穆朗玛峰脚下的XZZF站。

    • 文献[12]利用震间和同震大地测量资料对主喜马拉雅断裂的几何结构进行约束,最优模型显示,主喜马拉雅断裂从地表到5 km深度存在一个断坡结构,倾角为30°;在深度5~15 km,断层面以低角度向北扩展,倾角为7°;在深度15~25 km,主断层面存在一个中地壳断坡,倾角为20°;在25 km以下,主断层面近水平向北延伸,倾角约为6°。本文以该“双断坡”结构为基础,同时,为避免该模型在上下层连接处存在角度突变,与实际断层沿倾角方向的角度渐变不符,采用文献[29]提出的CFMM(curved-fault modelling method)方法构建光滑的断层三角元曲面,具体步骤如下:①根据断层走向和断层上下边界位置构建断层面的二维不规则三角网;②确定断层西边界和东边界上特征拐点(断坪和断坡的分界点)的位置和深度,采用分段三次Hermite插值方法,分别沿倾向和走向内插,构建平滑的断层四边形辅助网格;③根据二维不规则三角网和每个四边形辅助网格上4个顶点的空间位置,采用二维双线性插值方法重建每个四边形辅助网格上的三维不规则三角网,进而扩展到整个断层面,构建光滑的断层三角曲面。

      利用上述方法建立了主喜马拉雅断裂的断层三角元模型,如图 2所示,断层走向为285°,长度约300 km,宽约250 km。断层面被离散成2 312个三角形位错元,每个三角元面积约为10 km2

      图  2  主喜马拉雅断层几何模型

      Figure 2.  Fault Geometry of the Main Himalayan Thrust

      本文采用三角形弹性半空间均匀位错模型构建断层面滑动和地表观测值之间的格林函数[24]。每个三角形位错元上的滑动量通过叠加6个角位错引起的位移构成。为稳定反演结果,引入伞式平滑算子作为光滑约束[30],该算子定义为:

      $$ {\nabla ^2}{s_i} = \frac{2}{{{L_i}}}\sum\limits_{j = 1}^3 {\frac{{{s_j} - {s_i}}}{{{h_{ij}}}}} $$ (1)

      式中,hij表示从三角元i中心到邻接三角元j中心的距离;Li代表三角元i到3个邻接三角元中心的距离之和;sisj分别表示三角元ij的滑动量。

      本文采用非负最小二乘法求解断层滑动与地表形变之间的关系,反演的目标函数为:

      $$ {\left\| {\mathit{\boldsymbol{W}}\left( {Gs - d} \right)} \right\|^2} + {k^2}{\left\| {{\nabla ^2}s} \right\|^2} = {\rm{min}} $$ (2)

      式中,G表示格林函数;s为断层片上的滑动量;d表示地表观测值;W为权重矩阵;k2表示最优平滑因子,通过模型加权残差平方和(weighted residual sum of squares, WRSS)与模型粗糙度之间的折衷曲线确定(图 3(b))。在联合GPS和InSAR反演同震滑动分布时,采用一维格网搜索确定最优权重因子(图 3(a))。根据不同相对权重情形下滑动模型对地表观测资料的平均解释程度,最终选取InSAR的最优权重因子为50。

      图  3  主震同震滑动反演权重因子和平滑因子确定

      Figure 3.  Setting of Weight Factor and Smooth Factor for Coseismic Slip Inversion of the Mainshock

    • 图 4给出了联合GPS和InSAR反演的尼泊尔地震及其Mw 7.3级余震的同震滑动分布。GPS和InSAR的整体拟合残差分别为1.2 cm和3.5 cm。图 5(a)~5(c)给出了主震InSAR数据的模拟效果,在地表形变区没有检测到明显的系统性偏差,表明断层滑移模型具有较高的可靠性。同震破裂位于起始震中的东南方向,证实了该地震明显的单侧破裂特征,并且此次地震以逆冲为主,符合喜马拉雅造山带整体挤压推覆的构造特点。主震破裂区范围为150 km×60 km,释放的地震矩为8.39×1020 N·m,对应的矩震级为Mw 7.93,与之前的结果基本一致[7-12]。最大滑移量达到7.8 m,深度为15 km,位于中地壳断坡与浅层断坪的接触部位,该结果接近之前的滑动模型给出的最大滑移量的上限(达到8 m)。断层能量释放主要集中在10~25 km的深度范围内,其中,约50%的主震释放能量集中在中地壳断坡上,表明该断坡在调节破裂能量分配过程中发挥着重要作用。大部分余震活动分布在深度8~20 km[1]处,与本文主震滑动模型计算的总滑动量大于2 m的深度吻合。

      图  4  2015年尼泊尔Mw 7.9级地震及其Mw 7.3级余震同震滑动分布

      Figure 4.  Coseismic Slip Distribution of the 2015 Nepal Mw 7.9 Earthquake and the Mw 7.3 Aftershock

      图  5  主震和余震的InSAR观测、模拟和残差形变场

      Figure 5.  Observed, Predicted and Residual InSAR Displacements of the Mainshock and the Largest Aftershock

      本文采用和主震相同的几何模型反演Mw 7.3级余震的滑移分布(图 4(a)),余震InSAR数据的拟合结果如图 5(d)~5(f)所示。余震破裂区面积为40 km×30 km,位于主震破裂区东侧,断层滑动同样以逆冲为主,兼具少量右旋走滑,余震最大滑移量为3.8 m,明显小于文献[10]反演的6 m的最大滑移,该差异可能与采用不同的断层几何模型有关。此外,平滑因子的选择也会对反演的最大滑移量产生影响。余震最大滑移的深度为15 km,与主震最大滑移的深度基本一致,同样位于中地壳断坡和浅层断坪的接触部位。本文构建的断层几何模型,中地壳断坡和浅层断坪之间是平滑过渡,不存在由于断层面局部突变造成的应力集中,因此在二者连接处产生的最大滑移现象与断层几何结构的变化关系不大,推测可能与断层面摩擦属性的变化有关。值得注意的是,在主震破裂区东北缘和最大余震破裂区之间存在一个破裂空区,大致位于聂拉木县附近,并且该区域存在明显的应力加载,根据断层长期缩短速率(18 mm/a),推断该地区有发生Mw 6.5级地震的可能。

    • 本文采用与同震滑动模型相同的断层几何结构反演震后余滑分布,结果如图 6所示。余滑模型能较好拟合近场地表位移场,但在部分远场站点,如藏南地区, GPS站点的拟合程度较差,采用不同的平滑因子也无法有效改善远场GPS站点的拟合程度。震后余滑主要分布在同震破裂区北侧,位于中地壳断坡下部的近水平滑脱层上,余滑以逆冲为主,走滑分量不明显,滑动深度普遍大于25 km,其中最大余滑达到0.5 m,稍大于联合GPS和InSAR获得的结果[23]。余滑释放的地震矩为1.02×1020 N·m,相当于一次Mw 7.3级地震,约占主震释放地震矩的12%。在Mw 7.3级余震破裂区东侧,存在一个小的余滑区域,可能由于余震破裂引起的应力变化所导致。相对于同震破裂,震后余滑范围较广,并且和主震破裂存在部分重叠;同时,存在两个明显的余滑集中区,均位于藏南地区(图 6),地表GPS数据主要分布在尼泊尔境内,位于余滑区南侧,在震后余滑区域上方存在明显的数据缺失,震后余滑区的边界有待藏南地区未来更密集的震后观测资料进行进一步约束。

      图  6  尼泊尔地震震后余滑模型

      Figure 6.  The Afterslip Model of the Nepal Earthquake

    • 为比较不同的断层几何模型对同震地表位移的解释程度,本文分别构建3种不同的断层几何模型。模型A为三角剖分的“双断坡”结构,模型B为三角剖分的平面结构,模型C为矩形分割的平面结构。联合GPS和InSAR数据反演同震滑动,模拟结果如表 1所示,模型ABC获得的均方根误差分别为3.5 cm、4 cm和3.8 cm,模型A的均方根误差最小,表明采用三角剖分构建的“双断坡”断层几何模型相比一般平面断层模型,不仅接近真实的断层产状,还能更好拟合地表观测数据。模型BC获得的最大滑移量分别为6.98 m和6.8 m,差别不大,均明显小于模型A的最大滑移量。表 1总结了不同的同震滑移模型,对比发现,利用简单的平面断层模型反演的最大滑移量均小于7 m,小于考虑中地壳断坡结构获得的最大滑移量。这表明,尽管数据分布不同,约束条件和平滑算法都可能会影响滑动模型的最大滑移量,但忽略中地壳断坡结构可能会造成反演的最大滑移量偏低,偏差能达到1 m。

      表 1  尼泊尔地震破裂参数

      Table 1.  Rupture Parameters of the Nepal Earthquake

      来源 数据 断层结构 位错元 最大滑移量/m 地震矩/1020 N·m 震级
      文献[9] GPS、InSAR 平面 矩形 5.7 7.55 Mw 7.89
      文献[10] GPS、InSAR 平面 矩形 6.0 7.8 Mw 7.84
      文献[12] GPS、InSAR “双断坡”结构 三角形 8.0
      文献[13] 地震波、InSAR 平面 矩形 6.5 7.2 Mw 7.84
      文献[14] 地震波、GPS、InSAR、强震仪 平面 矩形 7.0 7.7 Mw 7.86
      文献[15] 地震波、GPS、InSAR 平面 矩形 5.8 7.87 Mw 7.9
      文献[31] 地震波、InSAR 平面 三角形 6.0
      本文 GPS、InSAR “双断坡”结构 三角形 7.8 8.39 Mw 7.93
      平面 三角形 6.98 7.85 Mw 7.90
      平面 矩形 6.8 7.8 Mw 7.88

      本文主震震源模型的破裂深度和破裂面形态与以往研究基本一致,但在局部细节上,本文的滑动模型揭示出一些新的特征:①本文的滑移模型显示约50%的主震释放能量集中于中地壳断坡上,文献[12]和[18]的同震断层滑移模型也考虑了“双断坡”几何结构,但其反演的滑移分布主要位于中地壳断坡以南地区,余震精定位结果(图 4)显示在中地壳断坡及其底部存在丰富的余震活动,表明中地壳断坡上可能存在明显的同震滑动,与本文结果一致;②尽管主震破裂以倾滑为主,本文的滑动模型表明同震滑移中存在较为明显的走滑分量,走滑变形主要位于中地壳断坡和浅部断坪的转换区,结合震源破裂过程[13-16],推测走滑分量的产生可能与破裂从深部断坡往浅层断坪传播时受到浅部断坪的阻挡有关。此外,本文的主震滑移模型不支持文献[16]提出的双凹凸体模型,主震最大滑移与全球矩心矩张量给出的矩震中位置基本重合(图 4中蓝色五角星),全球矩心矩张量的矩心张量解是利用全球数字台网资料解算的,代表在更平均尺度下震源的能量核心[11],地表大地测量数据反演的最大滑移区与全球矩心矩张量的平均能量核心一致,表明大地测量反演的震源模型可以与波形资料约束的震源模型很好的统一。

    • 2015年尼泊尔Mw 7.9级地震位于喜马拉雅造山带中段,处于低喜马拉雅和高喜马拉雅的过渡部位。该地区主喜马拉雅断裂长期处于脆性黏滑模式的闭锁状态,凹凸体面积大,是大震孕育发生的主要区域[4, 32]。文献[33]利用GPS速度场建立了该地区的震间闭锁模型,结果表明该地区的断层闭锁宽度大约为100 km,断层闭锁沿走向均匀分布,并且在浅部不存在明显的蠕滑。2015年尼泊尔地震就发生在主喜马拉雅断裂带震间闭锁的凹凸体上。本文利用反演的同震滑动和震后余滑模型,与震间断层闭锁状态进行对比,分析该地区的地震危险性。如图 7(a)所示,2015年尼泊尔地震的破裂区主要位于断层闭锁区下部,破裂区下边界接近断层蠕滑区,断层闭锁程度低。从同震破裂区上边界至地表,宽约60 km的断层面在此次地震中没有明显滑动,该区域在震间期处于强闭锁状态,表明该地区仍然具有很高的地震危险性。震后余滑主要分布在断层闭锁程度很低的区域,该区域岩石温度较高,断层面摩擦系数低,难以积累弹性应力,在同震破裂过程中通常作为障碍体阻碍破裂传播,因此该地区地震危险性较低。

      图  7  尼泊尔地震各空间关系和同震库伦应力变化

      Figure 7.  Spatial Correlation Between Coseismic Slip, Afterslip and Interseismic Locking and Coseismic Coulomb Stress Change

      本文利用文献[24]给出的三角位错应力计算公式计算了Mw 7.9级主震触发的同震库伦应力变化,计算深度设为15 km,有效摩擦系数取0.4。计算结果如图 7(b)7(c)所示,可以看出,2015年尼泊尔地震在主破裂区造成了明显的库伦应力卸载;同时,在主破裂区周围造成了明显的应力加载。在主破裂区南部,同震错动激发了明显正库伦应力变化,对该地区下一次地震的发生具有促进作用。

    • 本文采用“双断坡”结构的断层模型反演了2015年尼泊尔地震的同震滑动和震后余滑,采用CFMM方法构建断层面三角元模型,构建的断层曲面沿倾角有渐变的过程,符合断层的实际构造情况。反演的同震最大滑移量为7.8 m,深度为15 km。在反演中不考虑中地壳断坡结构会使获得的最大滑移量偏低。尼泊尔地震震后余滑主要位于同震滑移区北侧,最大余滑为0.5 m。余滑释放的地震矩为1.02 × 1020 N·m,相当于一次Mw 7.3级地震,约占主震释放地震矩的12%。

      由于喜马拉雅构造带区域内精细地震学成像研究还不充分,主喜马拉雅断裂沿走向的结构差异还十分不清楚,因此在本研究中没有考虑主喜马拉雅断裂的横向变化。2017年,Kumar等[34]利用地震波资料推测尼泊尔地震破裂区存在横向不均匀结构。在未来应综合考虑主喜马拉雅断裂沿走向和倾向的三维结构变化,建立更加精细的断层几何模型,将有助于研究喜马拉雅断裂带的几何形态对地震破裂的控制作用,从而对喜马拉雅大地震孕育模式进行深入的理解。

参考文献 (34)

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