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2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应

李宇磊 张永志 王帅 刘泰

李宇磊, 张永志, 王帅, 刘泰. 2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
引用本文: 李宇磊, 张永志, 王帅, 刘泰. 2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
LI Yulei, ZHANG Yongzhi, WANG Shuai, LIU Tai. Post-Seismic Deformation Processes:Afterslip and Vicoelastic Relaxation Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
Citation: LI Yulei, ZHANG Yongzhi, WANG Shuai, LIU Tai. Post-Seismic Deformation Processes:Afterslip and Vicoelastic Relaxation Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349

2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应

doi: 10.13203/j.whugis20180349
基金项目: 

国家自然科学基金 41374028

详细信息
    作者简介:

    李宇磊,硕士生,主要从事地壳形变方面的研究。1501685980@qq.com

    通讯作者: 张永志,博士、教授。cadxzyz@263.net
  • 中图分类号: P315

Post-Seismic Deformation Processes:Afterslip and Vicoelastic Relaxation Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41374028

More Information
    Author Bio:

    LI Yulei, postgraduate, specializes in the crustal deformation.E-mail: 1501685980@qq.com

    Corresponding author: ZHANG Yongzhi, PhD, professor. E-mail: cadxzyz@263.net
  • 摘要: 利用较为完善的球体位错理论,结合尼泊尔地震震后1年GPS数据,研究2015年尼泊尔Mw7.8地震震后形变机制。探索了两种不同的震后形变机制模型:①单一的震后余滑模型(模型1);②震后余滑和黏滞性松弛联合模型(模型2)。模型1研究结果表明,震后余滑主要发生在20 ~ 35 km深度处,位于同震破裂的下倾区域;余滑以逆冲为主,伴随有右旋走滑分量,其中最大逆冲和走滑分量分别为20 cm和11 cm;震后余滑释放的地震矩为1.23×1020 Nm,等效于Mw7.33地震。模型2得到的余滑分布与模型1相一致,但累积滑动量略小,释放地震矩为1.1×1020 Nm,等效于Mw7.32地震。模型2研究表明尼泊尔地震震源区岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数的最优值分别为40 km和2×1019 Pa·s。综上所述,尼泊尔地震震后1年时间内,震后余滑效应起主导作用,黏滞性松弛效应起次要作用。
  • 图  1  尼泊尔地震震后1年的水平形变和垂直形变[12]

    Figure  1.  Cumulative Horizontal Deformation and Vertical Deformation Observations of the 1 Year Following the Nepal Earthquake

    图  2  震后余滑断层模型倾角搜索结果

    红色圆点为最优搜索结果

    Figure  2.  Searching Result for Dip Angle of Fault Plane, Post-earthquake Afterslip

    Red Dot Represents the Optimal Searching Result

    图  3  2015年尼泊尔Mw7.8地震震后1年累计位移的观测值与震后余滑模型模拟结果(模型1)

    两红色五角星分别为主震和最大余震位置,矩形框为震后余滑断层面在地表的投影

    Figure  3.  Observed Values and Calculated Post-Seismic Displacements of the 1 Year Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake (Model 1)

    Two Red Stars Indicate the Mainshock and the Largest Aftershock, the Dotted Rectangular Frame Represents Post-Seismic Afterslip Fault Plane

    图  4  震后1年累计断层余滑分布

    灰色线为断层面深度等值线,蓝色等值线为间隔1 m的同震滑动分布,白色箭头为断层余滑滑动方向

    Figure  4.  Distribution of Afterslip in 1 Year Following the Main shock

    The Gray Lines are the Depth Contous of Fault Plane, the Blue Contours are the Coseismic Slip with an Interval of 1 m, The White Arrow is Afterslip Direction of the Fault

    图  5  不同岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数对应的拟合结果与观测值之间的拟合残差

    Figure  5.  Fitting Residues Between the Calculated Results and the Observed Results of Elastic Layer Thickness and Mantle Viscosity Coefficient in Different Lithosphere

    图  6  2015年尼泊尔Mw7.8地震震后1年累计位移和联合模型模拟结果(模型2)

    Figure  6.  Cumulative Displacements and Simulated Results of the Joint Model of the 1 Year Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake (Model 2)

    图  7  黏弹性球体位错理论计算的2015年尼泊尔Mw7.8地震引起的震后东西向水平位移分量时空演化过程,东西方向以东为正,两黑色五角星分别代表主震和最大余震位置

    Figure  7.  Spatial-Temporal Evolution of the EW Horizontal Displacement Component After the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake, Calculated by the Viscoelastic Sphere Dislocation Theory, with the East-West Direction Being Position, and the Two Black Pentagons Represent the Locations of the Mainshock and the Largest Aftershock

    图  8  黏弹性球体位错计算的震后南北向水平位移分量时空演化过程,南北方向以北为正

    Figure  8.  Spatial-Temporal Evolution of the N-S Horizontal Displacement Component Calculated by the Viscoelastic Sphere Dislocation After the Earthquake, with the N-S direction Being Positive

    图  9  黏弹性球体位错理论计算的震后垂直位移时空演化过程,垂直方向以上为正

    Figure  9.  Spatial-Temporal Evolution of Post-Earthquake Vertical Displacement Calculated by Viscoelastic Sphere Dislocation Theory, with the Vertical Direction Being Positive

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-25
  • 刊出日期:  2020-10-05

2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应

doi: 10.13203/j.whugis20180349
    基金项目:

    国家自然科学基金 41374028

    作者简介:

    李宇磊,硕士生,主要从事地壳形变方面的研究。1501685980@qq.com

    通讯作者: 张永志,博士、教授。cadxzyz@263.net
  • 中图分类号: P315

摘要: 利用较为完善的球体位错理论,结合尼泊尔地震震后1年GPS数据,研究2015年尼泊尔Mw7.8地震震后形变机制。探索了两种不同的震后形变机制模型:①单一的震后余滑模型(模型1);②震后余滑和黏滞性松弛联合模型(模型2)。模型1研究结果表明,震后余滑主要发生在20 ~ 35 km深度处,位于同震破裂的下倾区域;余滑以逆冲为主,伴随有右旋走滑分量,其中最大逆冲和走滑分量分别为20 cm和11 cm;震后余滑释放的地震矩为1.23×1020 Nm,等效于Mw7.33地震。模型2得到的余滑分布与模型1相一致,但累积滑动量略小,释放地震矩为1.1×1020 Nm,等效于Mw7.32地震。模型2研究表明尼泊尔地震震源区岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数的最优值分别为40 km和2×1019 Pa·s。综上所述,尼泊尔地震震后1年时间内,震后余滑效应起主导作用,黏滞性松弛效应起次要作用。

English Abstract

李宇磊, 张永志, 王帅, 刘泰. 2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
引用本文: 李宇磊, 张永志, 王帅, 刘泰. 2015年尼泊尔Mw7.8地震的震后形变机制—震后余滑效应和黏滞性松弛效应[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
LI Yulei, ZHANG Yongzhi, WANG Shuai, LIU Tai. Post-Seismic Deformation Processes:Afterslip and Vicoelastic Relaxation Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
Citation: LI Yulei, ZHANG Yongzhi, WANG Shuai, LIU Tai. Post-Seismic Deformation Processes:Afterslip and Vicoelastic Relaxation Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1578-1587. doi: 10.13203/j.whugis20180349
  • 2015年4月25日,在喜马拉雅南麓国家尼泊尔发生了Mw7.8地震,震源位于首都加德满都的西北方向77 km,震源深度为20 km;2015年5月12日,在主震东南方向大约150 km处又发生了Mw7.3最大余震。这次地震的破裂面位于主喜马拉雅逆冲断裂(main Himalayan subduction fault,MHT)带上,主喜马拉雅俯冲断裂(main Himalayan thrust fault,MHS)是印度板块与欧亚板块之间的分离边界,在尼泊尔两板块以20 mm/a的速度进行汇聚[1]。在震间期存储的弹性应变能量由于地震而周期性释放,并导致沿着MHT的闭锁脆弱区上部破裂[2]。长期以来,由于欧亚板块和印度板块两板块陆-陆俯冲挤压,使得尼泊尔及喜马拉雅地区地壳活动剧烈,导致了此次尼泊尔大地震的发生[3]。尼泊尔地震主震向东方向传播使得沿MHT的孕震闭锁部分的下边缘解锁[4],余震主要发生在长150 km、宽45 km、东南东走向的区域上。此次地震对震区造成较大影响,李水平等[5]利用InSAR垂直同震形变数据研究发现该次地震造成尼泊尔首都加德满都地区抬升约0.95 m,珠穆朗玛峰地区受地震的影响有所下降,其主峰的沉降量为2~3 m。

    在地震发生之后,震后形变机制主要包括同震破裂面周围区域的震后余滑、地球内部的黏滞性松弛、断层附近区域的介质孔隙流体回弹及以上震后形变机制的多种联合震后形变机制[6-11]。通常认为孔隙流体回弹仅仅对断层破裂面周围几十千米的区域的震后形变产生影响,且孔隙流体回弹持续时间较短,在以年为单位的长时间尺度震后形变的研究中可以忽略介质孔隙流体回弹的影响,而震后余滑和黏滞性松弛被认为是两种主要的震后形变机制,对震后形变产生较强的时空影响[12]

    2015年尼泊尔Mw7.8地震发生之后,一些学者利用GPS数据和InSAR数据研究了尼泊尔地震早期的震后形变机制。Sreejith等[13]利用GPS数据和InSAR数据分析比较了尼泊尔地震同震形变和早期的震后形变,发现尼泊尔地震震后所造成的垂直位移是有别于同震所引起的垂直形变,在该方向上两者存在相对立的运动形式,且用震后4~16 d的InSAR数据和GPS数据联合反演了尼泊尔地震早期震后余滑,反演的结果显示震后余滑是东西走向、低倾角、以向右走滑为主,主要分布在同震破裂面的周围区域。Mencin等[14]利用尼泊尔地震震后6个月的GPS数据研究发现在同震破裂面上无震后余滑发生,在同震破裂面的北侧最大震后余滑滑动量达到70 mm,在同震破裂面南侧的狭窄区域最大震后滑动量不足25 mm。Gualandi等[4]利用尼泊尔地震震后7个月的GPS时间序列数据反演了震后余滑时空演化过程,研究结果显示震后余滑时空变化服从对数的时间演化过程,震后余滑主要分布在主震破裂面的北侧,但在主震破裂面上和主震与震后最大余震破裂面之间也有震后余滑分布。Zhao等[15]研究了尼泊尔地震震后1年的GPS观测数据,估算出了尼泊尔地震震区的地幔黏滞性系数达到1019 Pa·s。Wang等[16]和Jiang等[17]基于黏弹性半无限空间位错理论,利用尼泊尔地震震后1.6年的GPS观测数据研究了尼泊尔地震震区的岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数,研究结果显示两者的最优值分别为25 km和1.6×1019 Pa·s。Wang等[18]基于黏弹性半无限空间位错理论,利用尼泊尔地震震后约2年的GPS观测数据对尼泊尔地震震后形变机制展开研究,获得震区的地幔黏滞性系数为5×1018 Pa·s。

    综上所述,一些学者利用InSAR和GPS观测数据针对该次地震所诱发的早期震后形变机制(震后几天到几个月)进行了研究,其采用的震后观测数据时间尺度相对较短,还不足以对震后形变机制有较深入的研究;另外一些学者利用震后超过1年的GPS观测数据研究了尼泊尔地震震后形变机制,由于他们所利用的GPS观测数据相对较少,因此无法对震后余滑和黏滞性松弛有较好的约束;且采用的方法都是基于平面半无限空间位错理论,未考虑地球曲率等的影响,理论精度上相对有限。鉴于此,本文收集和整理了位于尼泊尔地震震源区域及临近区域更多GPS连续观测站所监测到的震后1年地表累计位移量,将较接近真实地震模型的球体位错理论[19]和黏弹性球体位错理论[20-21]运用到尼泊尔地震震后形变机制的研究中,以期更好地研究震后断层余滑效应和黏滞性松弛效应。

    • 在2015年4月25日尼泊尔地震发生后,由在主震发生前所布设的GPS永久测站点(见图 1(a))记录下了尼泊尔地震震后形变。本文收集了Zhao等[15]处理的尼泊尔近场及临近区域震后1年的51个GPS测站点数据,图 1(b)1(c)是基于这些GPS数据绘制的尼泊尔地震震后水平和垂直位移场,由图 1可知,该地震震源附近震后水平位移和垂直位移都相对较大,震后水平位移最大达到73 mm,垂直位移最大达到66 mm。震后水平位移的南北向分量较为突出,揭示出震后欧亚板块从南北方向挤压印度板块的特征,且水平震后位移呈现出左旋运动的特征,这与震源附近区域的同震位移[13]空间分布特征相似。图 1(c)中的震后GPS垂直位移主要以上升为主,与Sreejith等[13]观测的尼泊尔地震早期震后形变相吻合,揭示了在震源附近区域震后地势上升的趋势。此外,获得的这些尼泊尔地震震后GPS数据对研究尼泊尔地震震后形变机制有很大的价值和作用。

      图  1  尼泊尔地震震后1年的水平形变和垂直形变[12]

      Figure 1.  Cumulative Horizontal Deformation and Vertical Deformation Observations of the 1 Year Following the Nepal Earthquake

    • 本文考虑两种不同的震后形变机制模型——震后余滑效应及震后余滑和黏滞性松弛联合效应,这些模型的建立都是通过反演的方法确定,本文将基于较接近真实地球的球体位错理论进行反演模拟,通过理论计算值与观测数据拟合残差最小搜索最优结果。下面详细介绍各模型的建立方法。

    • 震后余滑是在地震发生之后在同震破裂面及其延伸面上断层的滑动现象,在地震发生几天到几个月,甚至更长时间,震后余滑对区域地表形变的变化起主导作用[22-23]。Ozawa等[24]在仅考虑震后余滑效应下反演了2011年日本地震震后断层余滑模型,因此,本文也采用相同的方法,在仅考虑震后余滑效应下,利用尼泊尔地震震后1年GPS观测数据反演尼泊尔地震震后断层余滑模型。

    • 因为震后断层余滑通常发生在主震破裂面的附近区域[25-26],因此在构建震后断层余滑模型时可以在主震破裂面的基础上扩展和延伸,进而探索研究在主震破裂面以外区域可能发生的震后余滑[27]。刘刚等[28]基于近场GPS数据和InSAR数据联合反演了2015年尼泊尔地震同震滑动模型,本文在该同震滑动模型的基础上,将震后断层余滑模型的断层面的空间尺寸限定在400 km×220 km范围内,将震后余滑断层面划分为20×22个子断层,每个子断层的长和宽分别为20 km和10 km。为了更好地建立震后余滑断层模型,以更接近于该区域的实际震后余滑断层面,本文将重新搜索和设置震后余滑断层模型的倾角。

    • 震后余滑效应并不一定是震后地表形变的唯一诱发源,逆冲型地震破裂面周围区域存在着黏滞性松弛效应[29-31]。Sheu等[32]和Bruhat等[10]的研究发现震后余滑和黏滞性松弛联合效应能够更加合理地解释震后地表形变。因此,将震后余滑和黏滞性松弛联合效应模型运用到尼泊尔地震中,以期能更好地解释尼泊尔地震震后形变。

    • Sreejith等[13]研究发现尼泊尔地震震后余滑是一个低倾角的滑动分布,顾及这个因素,本文将震后余滑断层模型的倾角设置在0° ~ 15°的范围内,采用一维网格搜索法进行搜索。在反演震后断层余滑分布时,本文采用Zhou等[33]提出的基于球体位错理论[19]的反演算法;在反演过程中,首先利用球体位错理论计算出格林函数,之后利用ABIC(Akaike’s Bayesian information criterion)法则[34]对拟合结果进行反演约束。通过式(1)中的拟合残差最小值搜索最优震后余滑断层模型倾角和对应的震后断层余滑分布。

      $$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{Misfit}}\left( {{\rm{afterslip}}} \right) = \\ \sqrt {\left( {\mathop \sum \limits_{i = 1}^n \mathop \sum \limits_{j = 1}^3 {\rho _{ij}}{{({\rm{Ob}}{{\rm{s}}_{ij}} - {\rm{Ca}}{{\rm{l}}_{{\rm{afterslip}}, i, j}})}^2}} \right)/n} \end{array}$$ (1)

      式中,n是GPS测站点的数目;j=1,2,3分别对应GPS测站点的东西向、南北向和垂直向的分量;Obs >为震后GPS观测值;Calafterslip为震后断层余滑效应所造成的地表形变的理论计算值;ρ为GPS观测值东西向、南北向和垂直向分量对应的权重,根据GPS各方向上的测量误差和为了减弱计算的复杂程度,将观测值东西向、南北向和垂直向分量对应的权重设置为9:9:1。

      图 2为震后余滑断层模型倾角的搜索结果,从图 2中可以发现,当倾角为8°时,观测值与理论计算值的拟合残差最小,因此震后余滑断层模型倾角的最优值为8°。图 3为震后GPS观测值与理论计算值的拟合结果,从图 3中可以看出,在水平方向上,理论值与观测值的拟合结果较好,而在垂直方向拟合结果相对较差,这可能与震区地形因素和重力效应对垂直向测量精度影响有关。图 4(a)为在主震发生1年后仅考虑震后断层余滑效应反演的断层余滑分布,图中所示震后断层余滑主要发生的深度分布于20 ~ 35 km之间,靠近同震破裂面且位于同震破裂面的北侧,其最大震后余滑滑动量为23 cm,深度为25 km。断层余滑的反演结果也揭示出震后断层余滑以倾滑为主,伴随着向右走滑,最大倾滑滑动量和走滑滑动量分别为20 cm、11 cm。由反演的震后断层余滑模型计算出震后余滑对应的地震矩为1.23×1020 Nm,等同于Mw7.33地震。

      图  2  震后余滑断层模型倾角搜索结果

      Figure 2.  Searching Result for Dip Angle of Fault Plane, Post-earthquake Afterslip

      图  3  2015年尼泊尔Mw7.8地震震后1年累计位移的观测值与震后余滑模型模拟结果(模型1)

      Figure 3.  Observed Values and Calculated Post-Seismic Displacements of the 1 Year Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake (Model 1)

      图  4  震后1年累计断层余滑分布

      Figure 4.  Distribution of Afterslip in 1 Year Following the Main shock

    • 本文采用Tanaka等的黏弹性球体位错理论,模拟计算2015年尼泊尔Mw7.8地震震后地幔黏滞性松弛效应造成的地表形变,所依据的地球分层模型由PREM模型改造而来[20-21]。基于该理论采用二维网格搜索法搜寻震源区域最优的岩石圈弹性层厚度(E)和地幔的黏滞性系数(η)。在模拟黏滞性松弛效应所造成的地表形变时,考虑到震后余滑造成的黏滞性松弛的不可忽略性[13],将尼泊尔地震断层同震滑动[28]及上节反演所得的震后断层余滑作为震后黏滞性松弛效应的共同诱发源。

      根据前人的研究结果,在搜寻过程中将研究区域地幔的黏滞性系数设置在1×1018~1×1020 Pa·s的范围内,岩石圈弹性层厚度设置在20~50 km的范围内,并将其步长设置为10 km,采用二维网格搜索法搜寻最优结果。利用二维网格搜索法搜寻的过程为:①在给定的岩石圈弹性层厚度E和地幔黏滞性系数η,通过黏弹性球体位错理论计算震后黏滞性松弛效应引起的地表形变,并将其从GPS观测数据中去除。②利用①中去除黏滞性松弛效应影响的GPS观测数据,采用与§3.1相同的方法反演震后断层余滑模型,通过下式来计算观测值与联合模型的拟合残差值:

      $$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{Misfit}}\left( {E, \eta , {\rm{afterslip}}} \right) = \\ \sqrt {\left( {\mathop \sum \limits_{i = 1}^n \mathop \sum \limits_{j = 1}^3 {\rho _{ij}}{{({\rm{Ob}}{{\rm{s}}_{ij}} - {\rm{Ca}}{{\rm{l}}_{{\rm{vis}}\left( {E, \eta } \right), i, j}} - {\rm{Ca}}{{\rm{l}}_{{\rm{afterslip}}, i, j}})}^2}} \right)/n} \end{array}$$ (2)

      式中,Calvis(E, η)为震后黏滞性松弛效应所造成地表形变的理论计算值;其他参数含义与式(1)相同。

      模型2的搜索结果如图 5所示,震源区岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数的最优值分别为40 km和2×1019 Pa·s。由模型2反演的震后断层余滑分布(见图 4(b))与模型1所反演的余滑分布相一致,但是由于震后黏滞性松弛效应的影响,断层余滑滑动量与由模型1结果相比有小幅度减弱。模型2所反演的震后断层余滑模型对应的地震矩为1.1×1020 Nm,且模型2反演的震后断层余滑滑动量约占模型1的96%,等同于Mw7.32地震。

      图  5  不同岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数对应的拟合结果与观测值之间的拟合残差

      Figure 5.  Fitting Residues Between the Calculated Results and the Observed Results of Elastic Layer Thickness and Mantle Viscosity Coefficient in Different Lithosphere

      由模型2反演的震源区岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数的最优值分别计算出震后余滑和黏滞性松弛效应引起的地表形变量及其残差值,如图 6所示。模型2和模型1都能很好地解释2015年尼泊尔Mw7.8地震震后1年的形变机制,震后断层余滑是震后地表形变的主要诱发源;但从图 6(c)6(g)可以看出,黏滞性松弛效应对尼泊尔地震震后1年的形变机制也造成一定的影响,且黏滞性松弛效应引起的地表垂直形变相对水平形变较大。因此,考虑震后黏滞性松弛效应的影响能更好地解释震后形变机制。

      图  6  2015年尼泊尔Mw7.8地震震后1年累计位移和联合模型模拟结果(模型2)

      Figure 6.  Cumulative Displacements and Simulated Results of the Joint Model of the 1 Year Following the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake (Model 2)

      由于尼泊尔地震震源区域及其相邻区域所布设的GPS观测站数量有限,尤其在中国区域观测数据缺乏,从图 3可以看出,沿倾向向北延伸的断层深部余滑的约束效果相对较差。

    • 基于黏弹性球体位错理论,采用上述确定的尼泊尔Mw7.8地震震区最优岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数模拟尼泊尔地震震后由黏滞性松弛效应所引起的东西向水平位移、南北向水平位移和垂直向位移的演化过程,模拟计算的网格密度为0.25°×0.25°,模拟结果如图 7图 8图 9所示。可以发现:震后由黏滞性松弛效应引起的水平位移和垂直位移都主要集中在同震和最大余震临近区域,随着时间的增加,所引起的震后位移变化量逐渐显著,且由黏滞性松弛效应引起的震后位移有上下对称的特点。由图 7图 8可知,震后1年东西向水平位移最大模拟值达到1 mm,南北向水平位移最大模拟值达到10 mm,震后4年东西向水平位移最大模拟值达到5 mm,而南北向水平位移最大模拟值达到20 mm,揭示出震后由黏滞性松弛效应引起的南北向水平位移较东西向水平位移变化显著。图 9表示的是黏滞性松弛效应引起的震后垂直位移演化过程,由模拟结果可知震后1年垂直向位移最大模拟值超过10 mm,震后4年垂直向位移最大模拟值超过30 mm,由此可知,尼泊尔地震震后由黏滞性松弛效应引起的垂直向位移变化较水平方向更加显著。由模拟结果可以推断尼泊尔地震震后随着时间的推移,在某一时刻震后黏滞性松弛效应的影响将取代断层余滑效应的影响起主导作用。

      图  7  黏弹性球体位错理论计算的2015年尼泊尔Mw7.8地震引起的震后东西向水平位移分量时空演化过程,东西方向以东为正,两黑色五角星分别代表主震和最大余震位置

      Figure 7.  Spatial-Temporal Evolution of the EW Horizontal Displacement Component After the 2015 Nepal Mw7.8 Earthquake, Calculated by the Viscoelastic Sphere Dislocation Theory, with the East-West Direction Being Position, and the Two Black Pentagons Represent the Locations of the Mainshock and the Largest Aftershock

      图  8  黏弹性球体位错计算的震后南北向水平位移分量时空演化过程,南北方向以北为正

      Figure 8.  Spatial-Temporal Evolution of the N-S Horizontal Displacement Component Calculated by the Viscoelastic Sphere Dislocation After the Earthquake, with the N-S direction Being Positive

      图  9  黏弹性球体位错理论计算的震后垂直位移时空演化过程,垂直方向以上为正

      Figure 9.  Spatial-Temporal Evolution of Post-Earthquake Vertical Displacement Calculated by Viscoelastic Sphere Dislocation Theory, with the Vertical Direction Being Positive

    • 本文利用收集到的2015年尼泊尔Mw7.8地震震源区及其临近区域布设的51个GPS观测站所获取的主震发生后1年的GPS位移场,通过球体位错理论和黏弹性球体位错理论研究了尼泊尔地震震后1年有关的震后形变机制,得出以下结论:

      1)由模型1反演结果显示震后断层余滑主要发生的深度分布于20~35 km之间,靠近同震破裂面且位于同震破裂面的北侧,最大断层余滑滑动量为23 cm,震后断层余滑以倾滑为主,伴随着向右走滑,最大倾滑滑动量和走滑滑动量分别为20 cm、11 cm;模型2反演的断层余滑分布与模型1反演结果相一致,但是震后断层余滑滑动量有小幅度减弱。由模型1和模型2获取的震后断层余滑累计滑动分布可知,研究区域震后断层余滑发生在主震破裂区的北侧且纵深加大,揭示出尼泊尔地震断层同震滑动在震后诱发了同震破裂面北侧更深处断层的活动,这可能对与尼泊尔相邻的中国西藏地区未来地震的发生造成一定的影响。

      2)模型1和模型2都很好地解释了尼泊尔地震震后1年的GPS观测数据,两模型表明了震后断层余滑在震后形变机制中起主导作用。由模型1及模型2的反演结果分别计算出震后余滑对应的地震矩为1.23×1020 Nm和1.1×1020 Nm,分别等同Mw7.33和Mw7.32地震。

      3)在模型2中,搜索出尼泊尔地震震源区岩石圈弹性层厚度和地幔黏滞性系数的最优值分别为40 km和2×1019 Pa·s。基于这些最优值,本文利用黏弹性球体位错理论,模拟计算出2015年尼泊尔地震震后由黏滞性松弛效应引起的震后位移,分析发现,震后1年,相对于余滑效应引起的震后位移,由黏滞性松弛效应所引起的震后位移较小,从而表明尼泊尔地震震后1年余滑效应起主导作用,黏滞性松弛效应起次要作用;且由模拟结果发现,黏滞性松弛效应引起的震后地表垂直形变较水平形变大。

      4)本文的研究结果再一次证明了考虑震后黏滞性松弛效应的影响能更好地解释震后形变机制。

      5)利用黏弹性球体位错理论模拟了2015年尼泊尔Mw7.8地震震后位移演化过程,结果表明,由黏滞性松弛效应引起的震后位移主要集中在震中和最大余震临近区域,伴随着时间的增加,震后位移变化量逐渐显著,南北向水平位移较东西向水平位移变化大,且模拟的震后垂直向位移量变化最大。由模拟结果可以推断尼泊尔地震震后随着时间的推移,黏滞性松弛效应的影响将会越加显著,在某一时刻将取代断层余滑效应并在震后形变中起主导作用。

参考文献 (34)

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