基于InSAR分析2015年尼泊尔M_W7.8地震形变场特征及断层滑动分布反演

2015年4月25日尼泊尔发生了MW7.8地震,本文基于震前、震后两景Sentinel-1A雷达影像,采用D-InSAR两轨差分干涉法提取了此次地震的同震形变场。结果显示,同震形变场位于喜马拉雅造山带—主边界逆冲断裂(MBT)和主前锋逆冲断裂(MFT)附近,形变场整体表现为自西北向往东南方向延伸近150 km的纺锤形包络状,以大面积隆起抬升形变为主,视线向最大隆升形变达1.18 m,抬升区北侧存在一小沉陷区,以InSAR观测值定位同震最大形变中心。基于均匀介质弹性半空间模型(Okada模型)与InSAR观测数据反演了断层滑动分布。反演结果表明该地震属于典型逆冲型地震,发震断层为主喜马拉雅逆冲断裂(MHT),同震破裂从主喜马拉雅逆冲断裂(MHT)向上沿着主前锋逆冲断裂(MFT)传递。基于InSAR同震形变场局部形变细节,结合震区地质背景、断裂分布及断层运动特征,获得了同震破裂拟出露地表迹线。

2015年尼泊尔Ms8.1地震构造成因及对青藏高原及邻区未来强震趋势的影响

2015年尼泊尔Ms8.1地震的余震分布、震源机制解、震源破裂过程反演结果和喜马拉雅造山带地质构造特点表明,此次大震是印度板块沿喜马拉雅主前缘逆冲断裂向欧亚板块进行低角度俯冲的结果。地震破裂从北西向东南方向传播,累计长度达170km,最大倾向滑移量5-7m。其发震断裂全新世活动强烈,历史地震活动频率高、强度大,M≥7.5地震的原地复发平均间隔在500年左右,而在地震活跃阶段分段破裂的平均间隔只有10年左右,并且历史地震活动在最近1800年期间显示出比较明显的从西向东迁移规律。历史地震活动过程揭示,喜马拉雅主逆冲断裂带上目前存在兴都库什、尼泊尔西部、锡金-不丹和印缅交界区4个地震空区段,特别是位于此次地震东部的两个空区,未来地震危险性较显著。由于印-欧大陆俯冲碰撞作用是中国大陆现今地壳变形的主要动力来源,也是中国大陆强震频发的主要地质构造原因,这决定了喜马拉雅、青藏高原及邻区的大震活动之间存在明显的时空关联性,主要表现为大地震活跃阶段在时间上的交替出现和大地震沿垂直喜马拉雅造山带的纵向迁移过程。进一步结合青藏高原及邻区历史地震活动及未来地震危险性的分析成果推断,在喜马拉雅地震带的新一轮活跃过程中,中国大陆必将面临更为严峻的地震形势,尤其是青藏高原及邻区晚第四纪活动性显著的区域性活动构造带或断裂带的潜在强震危险性比较突出,主要包括：藏南的近南北向裂谷带与北西向右旋走滑断裂带,川滇地块中的安宁河-小江断裂带与大凉山断裂带、南汀河断裂带与畹町断裂带、澜沧-景洪断裂带和滇西北大理-丽江裂陷带,西北地区的西昆仑山前逆冲-褶皱带、阿尔金断裂带和天山的主要逆冲-褶皱变形带等。但当前活动构造调查研究的不足限制了对区域大地震危险性做出更准确的地质评估,这也是目前城镇化与重大工程规划建设过程中地壳稳定性评价的＂瓶颈＂所在。

2015年尼泊尔M_S8.1地震的地壳重力均衡背景与地表形变响应特征

对2015年尼泊尔MS8.1地震的地壳均衡背景及其引起的地表形变特征进行了研究,结果表明：（1）尼泊尔MS8.1地震震中以南的印度板块岩石圈有效弹性厚度大约为9km,加载主要来自地幔;地震以北的拉萨地块岩石圈有效弹性厚度大约为2km,加载主要来自地表.（2）尼泊尔MS8.1地震震中以南地区的地壳均衡异常大约为-100mGal（10-5 m·s-2）,但其北部的地壳均衡异常则为300~400mGal,尼泊尔MS8.1地震发生在地壳均衡负异常向正异常过渡的高梯度带上.（3）尼泊尔MS8.1地震使震中周围地区的地壳整体向南运动,最大水平位移超过1.5m,分布在震中东南.震中以北的同震垂向位移总体为负值,最大下降幅度超过0.5m,同震重力变化总体为正值,最大超过60μGal（10-8 m·s-2）;震中以南的垂向位移总体为正值,最大升幅超过0.7m,同震重力变化总体为负值,最大降幅超过-120μGal.（4）尼泊尔MS8.1地震使＂世界屋脊＂喜马拉雅山脉产生沉降,最大同震降幅超过120mm,震后松弛效应将使＂世界屋脊＂持续缓慢下降.该强震使世界最高峰珠穆朗玛峰降低了2~3mm,有可能被GPS、InSAR等现代大地测量工具检测到.

基于库仑应力变化分析2015年尼泊尔M_S8.1地震对中国大陆的影响

本文采用分层黏弹性介质模型,模拟了2015年4月25日尼泊尔MS8.1地震产生的同震和震后地表位移场,计算了尼泊尔大地震引起的青藏高原及其周缘主要断裂上的同震和震后库仑应力变化。地表位移场结果显示,此次尼泊尔8.1级地震对中国大陆的影响区域主要是拉萨地块和羌塘地块,对拉萨块体的影响主要表现为水平向南朝喜马拉雅构造带的汇聚作用,垂直同震位移以下降为主,震后以上升为主。静态库仑破裂应力变化的计算结果显示,尼泊尔大地震对青藏块体中南部的拉张性断层影响最为显著,其中,使尼泊尔地震北部的拉张断层的库仑应力显著增加,个别断层库仑应力增加量超过0.01MPa,而使其两侧的拉张断层库仑应力明显降低;对青藏块体中部的走滑断裂则以正影响为主;另外,对南北地震带主要以负影响为主,但量值微小。

高频GPS测定的尼泊尔M_W7.8和M_W7.3地震震时地表动态变形过程

以陆态网络和尼泊尔境内高频(1Hz)GPS观测数据为基础,采用动态双差相对定位方法,获取2015年尼泊尔M_W7.8和M_W7.3地震震时近场地表动态变形过程。结果表明,M_W7.8地震震中东侧高频GPS站动态位移幅度明显大于震中西侧;各高频GPS站动态位移幅度不仅与测站震中距有关,而且与地震破裂传播方向有关;M_W7.3地震引起的水平动态位移相对较小。将高频GPS与邻近强震仪动态位移时序进行对比发现,二者在振幅和相位上具有较好的一致性。

2015年新疆皮山M_W6.4地震发震断层和滑动分布反演

本文基于Sentinel-1A卫星影像数据提取了2015年皮山MW6.4地震的同震形变场,震中北部以隆升为主,最大抬升量为12.9 cm;南部以沉降为主,最大沉降量为5.5 cm。采用基于单一断层滑动模型的多峰粒子群优化和蒙特卡罗算法,以LOS向InSAR形变场为约束,对发震断层的几何模型进行非线性反演。在此基础上,联合InSAR和GPS数据,利用最速下降法反演断层滑动分布。综合结果表明:发震断层是顶部埋深约7.4 km的隐伏断裂,断层面大小为48 km×35 km,断层走向、倾角、断层滑动角分别为111°、19°、91°;断层最大滑动量0.47 m,位于深度为10.6 km的区域;累计地震矩3.89×10^18 N·m,约合矩震级MW6.33。最后,依据主震断层滑移量计算了主震对周围中小断裂的库仑应力扰动变化,结果显示距离震中最近的泽普断裂受主震影响的库仑应力明显增加;震后3年内余震集中分布在泽普断裂库仑应力增加区域,表明皮山地震主震对余震的发生可能具有一定的应力触发作用。

2015年尼泊尔强震序列对中国大陆的应力影响

基于2015年尼泊尔地震序列的破裂模型及均匀弹性半空间模型,计算了该地震序列传递到中国西藏境内发生在定日县地震和聂拉木县地震的应力.2015年尼泊尔地震序列导致定日县地震和聂拉木地震节面和滑动方向的库仑应力增加（2~3）×10^3 Pa和（2.4~3.1）×10^5 Pa,表明这两个地震受到尼泊尔地震序列的触发.其次,我们计算了2015年尼泊尔地震序列在中国大陆及其附近主要活动断层上产生的库仑应力变化.喜马拉雅主山前逆冲断裂和青藏高原内部的拉张正断层上的库仑应力有较大的增加,而青藏高原的走滑断裂,如阿尔金断裂、东昆仑断裂、玉树玛曲断裂、班公错断裂西部、嘉黎断裂的库仑应力有较大的降低.天山南北两侧的断裂库仑应力降低.而华北及东北、华南地区的库仑应力变化几乎可以忽略不计.最后,计算了该地震序列造成的水平应力变化.水平面应力在2015年尼泊尔地震序列北向（青藏高原大部和新疆区域）增加（拉张）,而在地震序列东侧的西藏南部和川滇地区南部降低（压缩）,在华北和东北仅有少许增加,在华南地区有少许降低.在中国西部,主压应力表现为以2015年地震序列为圆心的向外辐射状,而主张应力方向与同心圆切线方向大体一致.水平主压应力方向在东北地区为北东向,在华北地区为北东东向,在华南地区为南东东向.这种模式与现今构造应力场方向相似,表现了2015尼泊尔地震序列所代表的印度板块和欧亚板块的碰撞是中国大陆构造变形的主要动力来源.

2015年尼泊尔强震序列导致的喜马拉雅山峰位移场

基于2015年尼泊尔地震序列的破裂模型及均匀弹性半空间模型,计算了该地震序列导致的喜马拉雅山脉及邻区的位移场。结果表明:尼泊尔地震序列所导致的位移场呈南北两侧水平分量向震中会聚的分布形式,水平位移最大达871~962mm,并且距震中越远水平位移量越小,但震中南侧的水平位移量随震中距衰减更快。震中北侧出现了明显沉降,最大沉降量达376~474mm,大部分震中及以南区域出现了明显隆升,最大值达626~677mm。文中还估计了该地震序列导致的周围喜马拉雅山脉部分山峰的位移场,结果表明希夏邦马峰的位移最大,水平位移达393mm,下沉36mm;世界最高峰珠穆朗玛峰近S向水平移动36mm,下沉9mm;其他山峰的位移因与到尼泊尔地震序列的震中距离和方位的不同而不同。

2015年尼泊尔M_s8.1与M_s7.5级地震活动特征

2015年尼泊尔8.1级地震发生在喜马拉雅地震带上,为低角度逆冲型单侧破裂.余震区呈WNW-ESE展布,长轴约170 km,短轴约60 km.余震空间分布不均匀,主震和强余震分布在余震区两端,中部余震稀疏,这与8.1级地震矩释放主体区一致.7.5级地震发生在8.1级地震余震区的东部边缘,8.1级地震对其具有显著的触发作用.8.1级和7.5级地震发生在尼泊尔1505年和1934年两次大震之间的8级地震破裂空段上,1870年以来至本次地震前该破裂空段内没有发生过6级以上地震,存在6级地震背景空区.这次地震前13年,形成长约590 km的5级地震空区,震前19个月空区被打破.8.1级地震序列发生在5级地震空区的中部,其东、西两侧仍有较大范围没有发生地震,库伦应力计算表明8.1级地震对其东西两侧断层具有明显的触发作用.考虑到历史地震的离逝时间与复发周期,认为1934年地震破裂区再次发生大震的危险性较小,而1505年地震破裂区发生大震的危险性增大.2005年巴基斯坦M_w7.6和2015年尼泊尔8.1级地震的发生,表明喜马拉雅地震带已经进入了一个7级以上地震相对活跃的时段.

全球定位系统测定的尼泊尔M_w7.8级地震同震位移

据尼泊尔境内的连续GPS观测资料显示,2015年4月25日的尼泊尔M_w7.8级地震造成尼泊尔向南移动,最大位移量达到了1.88 m.利用国家重大科技基础设施项目"中国大陆构造环境监测网络"、中国气象局中日合作JICA项目及加州理工学院在尼泊尔境内所建的连续GPS观测资料,分析了此次地震对中国大陆构造形变场的震时动态响应及同震影响.结果显示,地震造成中国西藏地区毫米至厘米级的同震水平位移,最大值在震中北东方向,震中距220 km的珠峰站,约为30 mm,波及范围远至1500 km之外的高原东北部的祁连山地区.1 Hz的高频GPS数据分析表明,震中距1200 km内的站点记录了弹性震波和永久变形的叠加和破裂方向效应等丰富信息.通过分析中国境内地震活动频度并对比2011年日本宫城地震发现,本次尼泊尔地震并未造成中国境内微震活动显著增加,同震过程对中国西藏部分地区、川滇地区及南北地震带断裂带的应力扰动和构造加载有限,与其震级相对较小有关.