2015年尼泊爾MS8.1地震的地殼重力均衡背景與地表形變響應(yīng)特征

付廣裕， 高尚華， 張國慶， 佘雅文， 孫和平

1 中國地震局地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地震局地震預(yù)測研究所)， 北京 100036 2 大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077

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2015年尼泊爾MS8.1地震的地殼重力均衡背景與地表形變響應(yīng)特征

付廣裕1,2， 高尚華1*， 張國慶1， 佘雅文1， 孫和平2

1 中國地震局地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地震局地震預(yù)測研究所)， 北京 100036 2 大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077

對2015年尼泊爾MS8.1地震的地殼均衡背景及其引起的地表形變特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：(1)尼泊爾MS8.1地震震中以南的印度板塊巖石圈有效彈性厚度大約為9 km，加載主要來自地幔；地震以北的拉薩地塊巖石圈有效彈性厚度大約為2 km，加載主要來自地表.(2)尼泊爾MS8.1地震震中以南地區(qū)的地殼均衡異常大約為-100 mGal(10-5m·s-2)，但其北部的地殼均衡異常則為300～400 mGal，尼泊爾MS8.1地震發(fā)生在地殼均衡負(fù)異常向正異常過渡的高梯度帶上.(3)尼泊爾MS8.1地震使震中周圍地區(qū)的地殼整體向南運(yùn)動(dòng)，最大水平位移超過1.5 m，分布在震中東南.震中以北的同震垂向位移總體為負(fù)值，最大下降幅度超過0.5 m，同震重力變化總體為正值，最大超過60 μGal(10-8m·s-2)；震中以南的垂向位移總體為正值，最大升幅超過0.7 m，同震重力變化總體為負(fù)值，最大降幅超過-120 μGal. (4)尼泊爾MS8.1地震使“世界屋脊”喜馬拉雅山脈產(chǎn)生沉降，最大同震降幅超過120 mm，震后松弛效應(yīng)將使“世界屋脊”持續(xù)緩慢下降.該強(qiáng)震使世界最高峰珠穆朗瑪峰降低了2～3 mm，有可能被GPS、InSAR等現(xiàn)代大地測量工具檢測到.

2015年尼泊爾MS8.1地震； 巖石圈有效彈性厚度； EGM2008重力場模型； 球體位錯(cuò)理論； 喜馬拉雅山脈

1 引言

北京時(shí)間2015年4月25日14時(shí)11分，在喜馬拉雅山脈南麓的尼泊爾(北緯28.2°，東經(jīng)84.7°)發(fā)生MS8.1地震，震源深度約為20 km(中國地震臺(tái)網(wǎng)測定)，造成8000以上人員死亡，1萬以上人員受傷，許多珍貴文物損壞，同時(shí)還造成珠穆朗瑪峰雪崩，觸發(fā)我國西藏日喀則地區(qū)定日縣5.9級地震和聶拉木縣5.3級地震.尼泊爾MS8.1地震的余震多發(fā)生在震中東南，總體分布在長約140 km、寬約40 km的范圍內(nèi)，其中包括3次7級以上強(qiáng)余震.本次地震是由于印度板塊低角度俯沖到歐亞板塊之下沖造成的，屬于典型的俯沖型地震.震中處于喜馬拉雅塊體上，該塊體位于印度—?dú)W亞大陸主碰撞帶的前沿部位，喜馬拉雅造山帶的中段，距離尼泊爾首都加德滿都約80 km.

跨喜馬拉雅山脈的GPS觀測顯示，西藏南部與尼泊爾之間的相對運(yùn)動(dòng)速率為17 mm·a-1(王琪等，1998).北向運(yùn)動(dòng)的印度板塊俯沖到歐亞板塊之下，導(dǎo)致了非常多的地震，使喜馬拉雅構(gòu)造帶成為一條全球知名的地震帶.歷史上，沿這條長達(dá)2500 km的喜馬拉雅構(gòu)造帶發(fā)生過多次8級及以上巨大地震，僅20世紀(jì)就有：1905年印度8.0級地震、1934年尼泊爾比哈爾邦8.1級地震和1950年我國察隅8.6級地震，早年有記錄的大地震還有1505年尼泊爾格爾納利河8.2級地震，等等(Bollinger et al., 2014).本次地震位于1934年地震和1505年地震之間的地震空區(qū)內(nèi)，靠近1934年地震的西北部.

尼泊爾MS8.1地震發(fā)生在喜馬拉雅山脈附近，是21世紀(jì)以來第五次八級以上內(nèi)陸強(qiáng)震，也是本世紀(jì)距離世界最高峰珠穆朗瑪峰最近的8級以上強(qiáng)震.該強(qiáng)震的發(fā)震背景如何？對“世界屋脊”喜馬拉雅山脈造成了什么樣的影響？是否再次抬升了地球最高峰珠穆拉瑪峰的高度？等等，都是值得關(guān)注的科學(xué)問題.本研究計(jì)劃依據(jù)地球重力場模型EGM2008和地形模型Topo，用重力導(dǎo)納方法(Fielding and McKenzie，2012)研究尼泊爾MS8.1地震周邊地區(qū)巖石圈有效彈性厚度和加載機(jī)制，給出區(qū)域重力均衡分布與該地震之間的位置關(guān)系；本研究還計(jì)劃利用球體位錯(cuò)理論(Tanaka et al.,2006；Sun et al.，2009)研究尼泊爾MS8.1地震引起的同震與震后位移與重力變化，計(jì)算該地震發(fā)生后喜馬拉雅山脈，包括穆拉瑪峰，的高度變化，為闡明“世界屋脊”的后續(xù)演化規(guī)律提供地震形變場理論參考.

2 尼泊爾MS8.1地震周邊地區(qū)巖石圈有效彈性厚度及其加載機(jī)制

巖石圈有效彈性厚度Te定義為與巖石圈板塊中實(shí)際應(yīng)力分布所產(chǎn)生的彎矩相等的彎曲彈性板的厚度，標(biāo)志著在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)，巖石圈承受超過100 MPa壓力時(shí)，發(fā)生彈性行為向流體行為轉(zhuǎn)變的深度(付永濤等，2000；胡敏章等，2015).Te的確定，對認(rèn)識(shí)其力學(xué)性質(zhì)及演化過程等問題具有重要意義(楊亭等，2012)，可為板塊動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建、巖石圈撓曲形變動(dòng)力學(xué)機(jī)制等研究提供依據(jù)(胡敏章等，2015).地震活動(dòng)是斷層活動(dòng)的結(jié)果，由撓曲加載產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力可能是引起地殼斷裂的應(yīng)力來源之一，可以通過重力導(dǎo)納方法(McKenzie，2003)計(jì)算.全球范圍的活動(dòng)造山帶Te的分布與相應(yīng)深度發(fā)震次數(shù)的分布極為相似，因此Te與地震活動(dòng)之間存在密切的聯(lián)系(Watts，2001).

本文通過地球重力場數(shù)據(jù)，利用自由空氣重力導(dǎo)納方法(Watts, 2001)，計(jì)算尼泊爾MS8.1地震震中周圍地區(qū)巖石圈有效彈性厚度Te及其加載位置.自由空氣重力導(dǎo)納方法是通過分析自由空氣重力異常和相應(yīng)地區(qū)地形的波數(shù)域相關(guān)性來估計(jì)Te和形成撓曲的加載位置.本文使用McKenzie(2003)給出的計(jì)算方法進(jìn)行研究，可有效消除自由空氣重力異常與地形不相關(guān)的干擾成分.

本文使用EGM2008自由空氣重力異常數(shù)據(jù)及其配套的DEM數(shù)據(jù)(研究區(qū)域?yàn)?02°E—110°E，33°N—38°N)計(jì)算導(dǎo)納值.具體地說，為了壓制數(shù)據(jù)中高頻成分的影響，分別對重力數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)在頻率域進(jìn)行了50 km和20 km的低通濾波處理(Fielding and McKenzie，2012)，可在確保去除低頻成分的同時(shí)，得到較高的重力與地形的相關(guān)性.在對自由空氣重力異常與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行譜估計(jì)的計(jì)算中，使用多窗譜分析方法(Thomson，1982)將空間域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波數(shù)域數(shù)據(jù)，該方法可減小頻譜泄露，同時(shí)可增加頻峰寬度，減少信息丟失，提高頻譜分辨率.在模型參數(shù)中，不同的Te和加載比Ff(F1、F2和F3分別代表地表加載、上地殼和下地殼界面加載以及地幔與下地殼界面加載在總加載中所占比例，且F1+F2+F3=1)對應(yīng)不同的理論導(dǎo)納，在得到模型導(dǎo)納和實(shí)測導(dǎo)納之后，使二者擬合度最佳的Te和加載比Ff即為研究區(qū)域巖石圈有效彈性厚度Te和加載比.

Bai等(2013)系統(tǒng)分析了喜馬拉雅山脈和拉薩地塊三維巖石圈密度構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)喜馬拉雅山脈南北地殼地幔結(jié)構(gòu)明顯差異.本文依據(jù)Bai等(2013)的研究成果，以尼泊爾MS8.1地震震中附近的喜馬拉雅山脈為界，分別設(shè)定巖石圈密度參數(shù).在喜馬拉雅山脈以北，上地殼深度為20 km，密度為2.7 g·cm-3，下地殼深度為35 km，密度為2.9 g·cm-3，地幔密度為3.3 g·cm-3(模型1).但在喜馬拉雅山脈以南，上地殼深度為20 km，密度為2.7 g·cm-3，下地殼深度為55 km，密度為2.95 g·cm-3，地幔密度為3.3 g·cm-3(模型2).

根據(jù)上述地殼模型參數(shù)，本文分別計(jì)算區(qū)域巖石圈有效彈性厚度與加載機(jī)制，結(jié)果見圖1和圖2，分別適用于喜馬拉雅山脈以南的印度板塊與我國的拉薩地塊.圖1和圖2中，(a)表示自由空氣重力導(dǎo)納計(jì)算結(jié)果及其擬合曲線，在甚長波長域，自由空氣導(dǎo)納應(yīng)該為零，圖1和圖2中，長波長域的計(jì)算結(jié)果與擬合值的不符合應(yīng)該與喜馬拉雅山脈南北地殼地幔結(jié)構(gòu)明顯差異有關(guān)；(b)表示自由空氣重力導(dǎo)納的相位角，理想情況下該值為0；(c)表示自由空氣重力異常與地形的相干性，理想情況下該值為1；(d)表示實(shí)測導(dǎo)納與模型導(dǎo)納的不符合度，當(dāng)不符合度最小時(shí)，相應(yīng)的厚度即為巖石圈有效彈性厚度.

據(jù)圖1d可知，喜馬拉雅山脈以南的印度板塊的巖石圈有效彈性厚度大約為9 km，相對堅(jiān)硬，相應(yīng)的加載比為F1=0.29，F(xiàn)2=0.11，F(xiàn)3=0.60，該結(jié)果表明，印度板塊的初始加載主要來自地幔與下地殼界面的深部加載，意味著印度板塊巖石圈的加載主要來自深部的地幔.據(jù)圖2d可知，喜馬拉雅山脈以北的拉薩地塊的巖石圈有效彈性厚度大約為2 km，相對柔軟，相應(yīng)的加載比為F1=0.78，F(xiàn)2=0.12，F(xiàn)3=0.10，該結(jié)果表明，拉薩地塊巖石圈的加載主要來自地表荷載.綜合圖1和圖2可知，來自深部地幔的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)堅(jiān)硬的印度板塊北向運(yùn)動(dòng)，擠壓北部相對柔軟的拉薩地塊；拉薩地塊被動(dòng)承受來自印度板塊的擠壓、變形，形成喜馬拉雅等山脈，山脈自身物質(zhì)的重量是拉薩地塊巖石圈的主要加載來源.

3 尼泊爾MS8.1地震周邊地區(qū)地殼重力均衡分布

依據(jù)巖石圈彈性板均衡模型，利用布格重力異常數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，可以計(jì)算彈性板均衡重力異常(陳石等，2011).依據(jù)上述思路，本文研究了尼泊爾MS8.1地震震中周圍地區(qū)地殼重力均衡分布.布格重力異常為EGM2008模型給出的自由空氣重力異常數(shù)據(jù)、經(jīng)過地形改正后獲得的布格重力異常數(shù)據(jù)(圖3).由于采樣點(diǎn)較密集，在進(jìn)行地形重力校正時(shí)，將近場、中場和遠(yuǎn)場的網(wǎng)格地形數(shù)據(jù)分別定義為5″×5″、25″×25″和50″×50″，以減少計(jì)算時(shí)間.地形數(shù)據(jù)為Topo V18.1版本的DEM數(shù)據(jù).本文使用的數(shù)據(jù)范圍為東經(jīng)80°E—90°E，北緯21°N—35°N，以避免傅里葉變換的邊緣效應(yīng)，最后采用中心區(qū)域(東經(jīng)82°E—88°E，北緯26°N—30°N)的均衡重力異常，結(jié)果見圖4.

圖1 尼泊爾MS8.1地震以南印度板塊自由空氣重力導(dǎo)納與巖石圈有效彈性厚度Fig.1 The free-air gravity admittance and the lithosphere effective elastic thickness at Indian block, south to the Nepal MS8.1 earthquake

圖3顯示，尼泊爾MS8.1地震以北的拉薩地塊的布格重力異常為顯著的負(fù)異常，最大達(dá)到-600 mGal左右.地震以南布格重力異常較小，在-100 mGal左右變動(dòng).喜馬拉雅山區(qū)的布格重力異常變化顯著，短波長信息較多.

依據(jù)圖3給出的布格重力異常數(shù)據(jù)，結(jié)合第2節(jié)給出的地殼模型1(基于印度板塊巖石圈建立的地殼模型)和模型2(基于拉薩地塊巖石圈建立的地殼模型)，分別計(jì)算區(qū)域地殼均衡異常分布.計(jì)算結(jié)果顯示，兩種巖石圈模型對應(yīng)的地殼均衡異?？傮w分布基本一致.圖4給出了模型1對應(yīng)的地殼均衡分布模型.該圖顯示，尼泊爾MS8.1地震以南地區(qū)的地殼均衡異常大約為-100 mGal左右，北部的喜馬拉雅山脈地區(qū)的地殼正均衡異常可達(dá)到300～400 mGal.尼泊爾MS8.1地震就發(fā)生在地殼均衡負(fù)異常向正異常過渡的高梯度帶上.喜馬拉雅山脈以北的拉薩地塊，地殼均衡異常大約在0值附近變化.

4 尼泊爾MS8.1地震引起的地表位移與重力變化

4.1 尼泊爾MS8.1地震斷層模型

尼泊爾MS8.1地震發(fā)生后，USGS網(wǎng)站即刻刊出他們的斷層模型反演結(jié)果(http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926 scientific_finitefault [2015-04-27];張貝等，2015)，為我們的正演分析提供了斷層模型數(shù)據(jù).Hayes從NEIC 波形服務(wù)中心下載寬帶GSN波形數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量及臺(tái)站分布，選取并分析了其中的42條遠(yuǎn)震寬頻帶P波波形數(shù)據(jù)，15條寬頻帶SH波波形數(shù)據(jù)，和62條長周期表面波數(shù)據(jù).Hayes首先把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成位移數(shù)據(jù)，然后利用有限斷層反演方法(Ji et al., 2002)約束尼泊爾MS8.1地震的斷層破裂過程.反演結(jié)果表明，尼泊爾MS8.1地震釋放的能量大約為8.1×1027達(dá)因(10-5kg·m·s-2)，對應(yīng)的矩陣級為Mw7.9，斷層的方位角為295°，是一個(gè)傾角為10°的低傾角俯沖斷層(圖5).圖5中，五角星表示震源所在位置，白色線條為“世界屋脊”喜馬拉雅山脈，紅色三角為世界最高峰珠穆拉瑪峰.色標(biāo)表示斷層面滑動(dòng)量.結(jié)果表明，斷層的最大滑動(dòng)量超過3 m，分布在震中東南.本文依據(jù)圖5給出的斷層模型進(jìn)行正演計(jì)算.

圖2 尼泊爾MS8.1地震以北拉薩地塊自由空氣重力導(dǎo)納與巖石圈有效彈性厚度Fig.2 The free-air gravity admittance and the lithosphere effective elastic thickness at Lhasa block, north to the Nepal MS8.1 earthquake

圖3 EGM2008給出的尼泊爾MS8.1地震周邊地區(qū)布格重力異常圖.紅色五角星為尼泊爾MS8.1地震震中位置Fig.3 The Bouguer gravity anomalies around the Nepal MS8.1 earthquake, which are calculated from EGM2008 gravitational model. Red Star denotes the epicenter of the great earthquake

圖4 尼泊爾MS8.1地震周邊地區(qū)地殼均衡異常分布圖.紅色五角星為尼泊爾MS8.1地震震中位置Fig.4 The isostasy anomalies around the Nepal MS8.1 earthquake. Red Star denotes the epicenter of the great earthquake

4.2 位錯(cuò)理論

位錯(cuò)理論可視為地震發(fā)震斷層模型與地表形變場之間的一個(gè)橋梁，給出一個(gè)地震的發(fā)震斷層模型，就可以利用位錯(cuò)理論計(jì)算該地震在地球表面(或內(nèi)部)產(chǎn)生的同震與震后地殼形變，如位移、應(yīng)力、應(yīng)變、傾斜、重力位與重力變化等.Steketee(1958)最早把位錯(cuò)理論引入地震學(xué)中，之后很多學(xué)者研究了地震的同震與震后形變問題.基于平面半空間地球模型，Okada(1985)總結(jié)并整理了前人的研究成果，給出了完整、簡潔、實(shí)用的地表同震形變計(jì)算公式，適用于計(jì)算任意剪切與引張位錯(cuò)引起的位移、應(yīng)變與傾斜變形，并成為平面半空間位錯(cuò)理論的經(jīng)典表達(dá)式.隨后，為了考慮地球曲率和層狀構(gòu)造的影響，更高精度地計(jì)算同震與震后形變，特別是遠(yuǎn)場同震形變，Sun和Okubo(1993)、Sun等(1996，2009)以彈性球?qū)ΨQ地球模型為基礎(chǔ)建立了球體位錯(cuò)理論，Tanaka等(2006, 2007)以黏彈性球?qū)ΨQ地球模型為基礎(chǔ)建立了黏彈性球體位錯(cuò)理論，提高了位錯(cuò)理論的計(jì)算精度.

圖5 USGS給出的尼泊爾MS8.1地震斷層破裂模型Fig.5 Finite fault model of the Nepal MS8.1 earthquake presented by USGS

本文將利用精度較高的球體位錯(cuò)理論(Sun et al.，2009；Tanaka et al.，2006)，針對尼泊爾MS8.1地震展開研究，分析該地震對周邊地區(qū)地殼形變場與重力場的影響.

4.3 尼泊爾8.1地震引起的地表形變與重力變化

首先，本文利用Sun等(2009)給出的彈性球體位錯(cuò)理論，計(jì)算了尼泊爾MS8.1地震引起的地表同震位移與重力變化(圖6).計(jì)算程序來自付廣裕和孫文科(2012)，地球模型使用PREM模型(Dziewonski and Anderson，1981).

圖6a中，箭頭代表同震水平位移，色標(biāo)代表同震垂向位移.尼泊爾MS8.1地震使震中周圍地區(qū)的地殼整體向南運(yùn)動(dòng)，最大值超過1.5 m，發(fā)生在震中東南部地區(qū)，也就是斷層面位移較大、余震分布較為密集的區(qū)域.較大的形變集中發(fā)生在北緯27.5°N—28.5°N，東經(jīng)84.5°E—86.0°E之間的長方形區(qū)域內(nèi)部.在斷層面以北的喜馬拉雅山脈地區(qū)，總體同震垂向位移為負(fù)值，最大下降幅度超過-0.5 m；而在斷層面以南的山麓地區(qū)，總體同震垂向位移則為正值，最大上升幅度超過0.7 m.

圖6 尼泊爾MS8.1地震引起的同震位移(a)與重力變化(b)Fig.6 Co-seismic displacements (a) and gravity changes (b) caused by the Nepal MS8.1 earthquake

圖7 尼泊爾MS8.1地震引起的地表震后垂向位移分布圖.黑色五角星為尼泊爾MS8.1地震震中(a)震后7年；(b)震后70年.Fig.7 Post-seismic vertical displacements caused by the Nepal MS8.1 earthquake. Black star denote the epicenter of the great earthquake. (a) The vertical displacements at 7 years after the great earthquake; (b) The ones at 70 years after the great earthquake

圖8 尼泊爾MS8.1地震在喜馬拉雅山脈引起的同震與震后垂向位移Fig.8 Co-/post-seismic vertical displacements caused by the Nepal MS8.1 earthquake at the Himalayas

圖6b給出尼泊爾MS8.1地震震中周圍地區(qū)同震重力變化圖.白色線條為喜馬拉雅山脈，紅色三角為珠穆拉瑪峰.由此圖可知，尼泊爾MS8.1地震斷層面北部的喜馬拉雅山脈的重力變化總體為正值，最大值超過60 μGal(10-5m·s-2)；而在斷層面以南的山麓地區(qū)，同震重力變化總體為負(fù)值，最大下降幅度超過-120 μGal.

圖9 尼泊爾MS8.1地震在珠穆朗瑪峰引起的同震與震后垂向位移Fig.9 Co-/post-seismic vertical displacements caused by the Nepal MS8.1 earthquake at Mt. Qomolangma

本文利用黏彈性球體位錯(cuò)理論(Tanaka et al.，2006)計(jì)算尼泊爾MS8.1地震引起的震后垂向位移，以了解震中周圍地區(qū)的震后松弛效應(yīng).計(jì)算程序來自張國慶等(2015)，該程序改編自Tanaka給出的黏彈性位錯(cuò)理論(Tanaka et al.，2006)配套計(jì)算程序與付廣裕和孫文科(2012)給出的彈性球體位錯(cuò)理論配套計(jì)算程序.根據(jù)石耀霖和曹建玲(2008)的研究可知，青藏高原上地幔黏滯系數(shù)可等效為1×1020Pa·s .因此本文在計(jì)算過程中，區(qū)域地幔黏滯性系數(shù)取為1×1020Pa·s .圖7給出了震后7年和震后70年震中周圍地區(qū)垂向位移分布圖.與同震垂向位移(圖6a)比較后發(fā)現(xiàn)，尼泊爾MS8.1地震引起的垂向位移總體分布形態(tài)不變，呈現(xiàn)北降南升的態(tài)勢，但變化幅度和變化區(qū)域漸漸變大.

圖8的橫軸為喜馬拉雅山脈(圖5中白色折線)對應(yīng)的經(jīng)度值.圖8給出了尼泊爾MS8.1地震后0、5、10、30和70年在喜馬拉雅山脈上引起的垂向位移.總體上，喜馬拉雅山脈在尼泊爾MS8.1地震時(shí)產(chǎn)生下降，最大同震降幅達(dá)到-120 mm左右，隨著時(shí)間的推移，震后垂向位移還會(huì)緩慢增加，70年后可達(dá)到-180 mm左右.

圖9給出了珠穆朗瑪峰因?yàn)槟岵礌朚S8.1地震而產(chǎn)生的同震與震后垂向位移.由圖9可知，尼泊爾MS8.1地震使珠穆朗瑪峰下降了2.4 mm以上.震后1年，珠穆朗瑪峰的下降量將達(dá)到2.5 mm以上.但隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移，珠穆朗瑪峰會(huì)緩慢地上升，世界最高峰的高度將再度攀升.珠穆朗瑪峰上的震后垂向位移變化趨勢與圖8所示的喜馬拉雅山脈較大垂向位移變化趨勢并不完全一致，顯示了震后位移的分區(qū)性.

5 結(jié)論

2015年尼泊爾MS8.1地震發(fā)生在喜馬拉雅構(gòu)造帶的中部，對周邊地區(qū)形變場，包括“世界屋脊”喜馬拉雅山脈和世界最高峰珠穆朗瑪峰，產(chǎn)生了顯著的影響.本文對尼泊爾MS8.1地震的地殼重力均衡背景與地表形變響應(yīng)特征進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論.

(1) 尼泊爾MS8.1地震震中以南的印度板塊巖石圈有效彈性厚度大約為9 km，相對堅(jiān)硬，相應(yīng)的加載比為F1=0.29，F(xiàn)2=0.11，F(xiàn)3=0.60，意味著印度板塊巖石圈的加載主要來自深部地幔.震中以北的拉薩地塊巖石圈有效彈性厚度大約為2 km，相對柔軟，相應(yīng)的加載比為F1=0.78，F(xiàn)2=0.12，F(xiàn)3=0.10，意味著拉薩地塊巖石圈的加載主要來自地表荷載.

(2) 尼泊爾MS8.1地震震中以南地區(qū)的地殼均衡負(fù)異常大約為-100 mGal(10-5m·s-2)，但其北部的喜馬拉雅山脈地區(qū)的地殼均衡正異常卻達(dá)到300～400 mGal.尼泊爾MS8.1地震發(fā)生在地殼均衡負(fù)異常向正異常過渡的高梯度帶上.

(3) 尼泊爾MS8.1地震使震中周圍地區(qū)的地殼整體向南運(yùn)動(dòng)，最大值超過1.5 m，分布在震中東南余震較為密集的區(qū)域.較大水平位移集中分布在北緯27.5°N—28.5°N，東經(jīng)84.5°E—86.0°E之間的長方形區(qū)域內(nèi)部.斷層面以北的同震垂向位移總體下降，最大降幅超過-0.5 m，同震重力變化總體為正，最大值超過60 μGal(10-8m·s-2)；斷層面以南的垂向位移總體為正值，最大升幅超過0.7 m，同震重力變化總體為負(fù)，最大降幅超過—120 μGal.

(4) 尼泊爾MS8.1地震使“世界屋脊”喜馬拉雅山脈產(chǎn)生沉降，最大同震降幅超過-120 mm；由于地幔的黏滯性響應(yīng)，70年后，尼泊爾MS8.1地震對喜馬拉雅山脈最大垂向位移的貢獻(xiàn)將達(dá)到-180 mm.尼泊爾MS8.1地震使世界最高峰珠穆朗瑪峰下降了2～3 mm，可能會(huì)被GPS、InSAR等現(xiàn)代大地測量工具檢測到.

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(本文編輯 胡素芳)

Gravitational isostasy background and surface deformation response characteristics of the 2015 NepalMS8.1 earthquake

FU Guang-Yu1,2, GAO Shang-Hua1*, ZHANG Guo-Qing1, SHE Ya-Wen1， SUN He-Ping2

1KeyLaboratoryofEarthquakePrediction,InstituteofEarthquakeScience,CEA,Beijing100036,China2StateKeyLaboratoryofGeodesyandEarth′sDynamics,Wuhan430077,China

We studied the gravitational isostasy background and the surface deformation response characteristics of the 2015 NepalMS8.1 earthquake. The results showed that: (1) the lithosphere effective elastic thickness of Indian block, an area south to the epicenter of 2015 NepalMS8.1 earthquake, is about 9 km, and the load comes mainly from the mantle. However, the lithosphere effective elastic thickness of Lhasa block, an area north to the great earthquake, is about 2 km, and the load comes mainly from the tomography. (2) The gravitational isostasy anomalies are about -100 mGal (10-5m·s-2) at area south to the NepalMS8.1 earthquake, while at area north to the earthquake, the values become 300～400 mGal. The NepalMS8.1 earthquake occurred at a high gradient belt where the isostasy varies from negative anomalies to positive anomalies. (3) Due to the NepalMS8.1 earthquake, the earth surface around the epicenter moved southward as a whole. The maximum of the co-seismic horizontal displacements is above 1.5 m, located at the area southeast to the epicenter. At the area north to the epicenter, the co-seismic vertical displacements are negative and the maximum exceeds -0.5 m, the gravity changes are positive and the maximum is above 60 μGal (10-8m·s-2). However, the values at the area south to the epicenter are vice versa. The maximum co-seismic vertical displacements and gravity changes are 0.7 m and -120 μGal respectively. (4) The NepalMS8.1 earthquake made the roof of the world, the Himalayas, decease as a whole, and the maximum decrease magnitude is more than 120 mm. It is expected the Himalayas will continue to decrease because of the relaxation effects of the mantle. The NepalMS8.1 earthquake made Mt. Everest decrease about 2～3 mm, which may be detectable by modern measuring tool such as GPS and InSAR.

The 2015 NepalMS8.1 earthquake; The lithosphere effective elastic thickness； EGM2008 gravitational model; Spherical dislocation theory; The Himalayas

10.6038/cjg20150606.

國家自然科學(xué)基金(41461164004；41331066)，國家國際科技合作專項(xiàng)(2105DFR21100)，地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2013IES010103)，大地測量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGED2014-4-3-E)資助.

付廣裕，男，研究員，主要從事地震位錯(cuò)形變與地殼重力均衡研究.E-mail:fugy@cea-ies.ac.cn

*通訊作者 高尚華，女，副研究員，主要從事地震觀測技術(shù)與地震位錯(cuò)理論研究.E-mail:gao966@cea-ies.ac.cn

10.6038/cjg20150606

P315

2015-05-06，2015-06-04收修定稿

付廣裕，高尚華，張國慶等. 2015. 2015年尼泊爾MS8.1地震的地殼重力均衡背景與地表形變響應(yīng)特征.地球物理學(xué)報(bào)，58(6):1900-1908,

Fu G Y, Gao S H, Zhang G Q, et al. 2015. Gravitational isostasy background and surface deformation response characteristics of the 2015 NepalMS8.1 earthquake.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):1900-1908,doi:10.6038/cjg20150606.