基于InSAR和GPS觀測數(shù)據(jù)的尼泊爾地震發(fā)震斷層特征參數(shù)聯(lián)合反演研究

單新建， 張國宏， 汪馳升， 李彥川,3， 屈春燕，宋小剛， 庾露， 劉云華

1 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029 2 深圳大學(xué)， 深圳 518060 3 中國石油大學(xué)(華東)， 青島 266580

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基于InSAR和GPS觀測數(shù)據(jù)的尼泊爾地震發(fā)震斷層特征參數(shù)聯(lián)合反演研究

單新建1， 張國宏1， 汪馳升2， 李彥川1,3， 屈春燕1，宋小剛1， 庾露1， 劉云華1

1 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地震局地質(zhì)研究所， 北京 100029 2 深圳大學(xué)， 深圳 518060 3 中國石油大學(xué)(華東)， 青島 266580

利用日本ALOS-2和歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星獲得的尼泊爾地震同震形變場，結(jié)合GPS同震位移數(shù)據(jù)，聯(lián)合反演了斷層滑動(dòng)分布特征和空間展布.結(jié)果表明：尼泊爾地震的同震形變場主要集中在150 km×100 km的范圍內(nèi)，且分為南北兩個(gè)相鄰的形變中心，南形變中心的視線向抬升量約為1.2 m，北形變中心的視線向沉降量約為0.8 m，均位于發(fā)震斷層上盤.位于形變抬升區(qū)的KKN4和NAST兩個(gè)GPS站，抬升量和南向運(yùn)動(dòng)量均達(dá)到了m級，而遠(yuǎn)離震區(qū)的其他GPS臺(tái)水平和垂直觀測量均在1 cm以內(nèi).聯(lián)合反演得到的斷層位錯(cuò)分布主要集中在沿走向150 km，沿傾向70 km的范圍內(nèi)，最大滑動(dòng)量為5.59 m，平均滑動(dòng)量為0.94 m.斷層面傾角在淺部約為7°，隨著深度增加，傾角逐漸變大，到垂直深度20 km時(shí)傾角接近12°；5月12日MW7.2級余震位于主震破裂區(qū)的“凹”型滑動(dòng)缺損區(qū)域；主震破裂區(qū)的上邊界與MBT空間位置十分吻合，主震破裂區(qū)主要集中的MBT以北50～60 km處，垂直深度為8～9 km，傾角為9°，繼續(xù)向北時(shí)主震破裂面以10°～12°的傾角向深延伸，在18～20 km可能與MHT交匯.因此，初步判定MBT為此次地震的發(fā)震斷層.

InSAR； GPS； 聯(lián)合反演； 滑動(dòng)位錯(cuò)； 發(fā)震斷層

1 引言

2015年4月25日，尼泊爾發(fā)生MS8.1地震，據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測定，此次地震震中(北緯28.2°，東經(jīng)84.7°)位于加德滿都西北80 km處，處于印度—?dú)W亞大陸主碰撞帶的前沿部位.地震發(fā)生后，Global CMT、USGS、GFZ、中國地震局等不同研究機(jī)構(gòu)給出了該地震的震源機(jī)制解結(jié)果，結(jié)果顯示節(jié)面特征較為接近.根據(jù)震源機(jī)制解，結(jié)合德國科學(xué)研究中心GFZ(http:∥geofon.gfz-potsdam.de)給出的余震分布所顯示出的斷層走向由西向東南遷移這一特征，初步判斷此次地震發(fā)震斷層走向?yàn)楸蔽魑鳎覟橐淮尉哂袠O緩傾角的逆沖型地震事件(圖1).Global CMT給出的發(fā)震斷層參數(shù)為走向293°，傾角 7°，滑動(dòng)角108°，矩震級為MW7.9，震源深度15 km.尼泊爾處于印度—?dú)W亞板塊的俯沖碰撞帶上，印度板塊以約40 mm·a-1的速度向北與歐亞板塊會(huì)聚，造成喜馬拉雅山脈的隆起(Bilham et al., 1997)，形成了長達(dá)2500 km的喜馬拉雅構(gòu)造帶，該帶是能量集聚和釋放比較活躍的地區(qū).從歷史地震看，在該地震活動(dòng)帶已經(jīng)發(fā)生了若干次8級以上地震，早年有記錄的大地震有1505年尼泊爾格爾納利河8.2級地震，1897年不丹MW8.1地震，1905年印度8.0級地震，1934年尼泊爾比哈爾邦8.1級地震，以及1950年中國察隅8.6級地震.此次地震發(fā)生在1934年比哈爾邦8.1地震與1505年格爾納利河8.2地震中間的空段上.實(shí)際上，許多科學(xué)家研究表明(Feldland Bilham，2006；Ader et al.,2012)，這次地震的發(fā)生是該段長期應(yīng)力聚集的結(jié)果，發(fā)生地震實(shí)屬必然.

在喜馬拉雅山縫合帶，1970年以來的震源機(jī)制大多數(shù)為逆沖型，也表明該地區(qū)為劇烈碰撞擠壓區(qū)，由多條逆沖斷層構(gòu)成，由南向北分布有喜馬拉雅主前緣逆沖斷裂(MFT,Main Frontal Thrust fault)、主邊界逆沖斷裂(MBT,Main Boundary Thrust fault)、主中央逆沖斷裂(MCT,Main Central Thrust fault)和西藏南部拆離斷裂系(Guo et al., 2009).地表出露的主前緣逆斷裂(MFT)、主邊界逆斷裂(MBT)和主中央逆斷裂(MCT)在深部都匯入主喜馬拉雅逆斷層(MHT，Main Himalayan Thrust fault)上.幾乎所有在喜馬拉雅前緣斷裂發(fā)生的大地震都與MHT的破裂有關(guān)(Ambraseys and Douglas, 2004; Bilham, 2004).實(shí)際資料也表明，地震活動(dòng)多發(fā)生在淺于30 km的深度上，特別是群集在10～20 km上的主喜馬拉雅逆沖斷層附近.許多學(xué)者認(rèn)為晚第四紀(jì)以來，MBT和MFT仍在活動(dòng)，尤其是其南部最新的活動(dòng)邊界MFT活動(dòng)性最強(qiáng)，尼泊爾地區(qū)低喜馬拉雅的南北向地殼縮短在尼泊爾東部為17.8±0.5 mm·a-1，西部為20.5±1.0 mm·a-1(Lavé and Avouac, 2000；Ader et al., 2012；鄧起東等，2014).Hodge等(2004)則認(rèn)為主中央逆斷裂(MCT)存在活動(dòng)斷裂和較大變形.由于尼泊爾地震發(fā)震斷層為極低傾角，發(fā)震斷裂很難出露地表，給發(fā)震斷層的空間展布位置和性質(zhì)判斷帶來了一定的困難，發(fā)震斷裂是MBT和MFT，還是MCT，是一個(gè)需要探索的問題.尼泊爾地震發(fā)生后，國內(nèi)許多學(xué)者(劉志鵬和蓋增喜，2015；張旭和許力生，2015；張勇等，2015)在利用遠(yuǎn)場地震波資料研究尼泊爾地震破裂過程時(shí)，認(rèn)為破裂為單側(cè)破裂，從破裂起始點(diǎn)開始，沿?cái)鄬用嫦驏|南方向擴(kuò)展達(dá)100 km量級，最大位錯(cuò)5 m以上.張貝等(2015)在研究尼泊爾地震同震變形和應(yīng)力變化時(shí)，推測此次MS8.1地震在地表上顯示發(fā)生在MBT斷裂帶附近，向深部延伸則很有可能發(fā)生在MHT上.由于大多數(shù)學(xué)者用的是遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)，分辨率不高，要想進(jìn)一步確定發(fā)震斷層，還需要依據(jù)同震近場形變數(shù)據(jù)來研究滑動(dòng)分布和幾何特征.

圖1 喜馬拉雅構(gòu)造帶中段地震構(gòu)造及地震分布

D-InSAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar)觀測技術(shù)，可獲得空間連續(xù)覆蓋的近場形變場，精確提取同震形變中心及地表形變展布情況，同時(shí)結(jié)合GPS同震觀測數(shù)據(jù)，開展地震破裂特征反演，可以更好地理解尼泊爾MS8.1地震的滑動(dòng)分布特征，揭示發(fā)震斷層的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，幫助我們更好地認(rèn)識(shí)喜馬拉雅低角度逆斷層型強(qiáng)震的活動(dòng)構(gòu)造變形特征和發(fā)震機(jī)制.

2 同震形變資料與形變特征分析

地震發(fā)生后，InSAR和GPS獲得了此次地震的同震形變數(shù)據(jù).我們采用InSAR技術(shù)，處理了歐空局Sentinel-1A C波段SAR數(shù)據(jù)，獲取了局部區(qū)域的同震形變場.同時(shí)，收集了日本ALOS-2衛(wèi)星L 波段獲得的同震形變場，以及美國加州理工大學(xué)及美國宇航局噴氣動(dòng)力性實(shí)驗(yàn)室(Caltech; http:∥aria.jpl.nasa.gov)提供的GPS同震形變場資料.Lindsey等(2015)利用日本ALOS-2衛(wèi)星的2015年2月22日和2015年5月3的SAR數(shù)據(jù)對，獲取了此次尼泊爾地震的同震形變場(圖2).從圖2a可以看出，形變場集中在南北相鄰的兩個(gè)形變中心區(qū)域，沿東偏南向伸展.北中心和南中心干涉色序相反，因此形變相反，北形變區(qū)域?yàn)橄鲁?，南形變中心為抬升，從形變的干涉條紋數(shù)量上，可以判斷出抬升量大于沉降量.值得注意的是，在虛線F1南側(cè)的區(qū)域，同震干涉條紋已開始發(fā)散，開始呈反向包絡(luò)的形態(tài)，因此，結(jié)合震源機(jī)制解，我們可以初步判定，F(xiàn)1為發(fā)震斷層地表行跡，該行跡與MBT空間位置恰好一致.從圖2b的解纏圖可以清楚的得知，南形變中心的視線向抬升量為1.1 m，北形變中心的視線向沉降量為0.8 m，抬升和沉降兩個(gè)中心均位于斷層上盤，顯示出低傾角逆斷層強(qiáng)震的變形特征.

圖2 ALOS-2獲取的尼泊爾地震同震形變場

我們收集了歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星地震前后2015年4月17日和2015年4月29日兩個(gè)時(shí)相SAR數(shù)據(jù)對，采用InSAR技術(shù)處理并獲得了尼泊爾地震同震干涉條紋圖(圖3a).圖3b為解纏后的形變場，與圖2b相比，可以看出Sentinel-1A衛(wèi)星只得到了部分隆升區(qū)域的形變場，且圖像東北部區(qū)域由于失相關(guān)較大很難解纏出可用的形變場，但整個(gè)抬升區(qū)域的形變場分布特征與ALOS抬升區(qū)域形態(tài)類似，且最大抬升也達(dá)到了1.2 m.

圖4為加州技術(shù)研究所和劍橋大學(xué)Jean-Philippe Avouac解算的GPS同震觀測資料.由圖4可以看出，位于震中區(qū)附近的站點(diǎn)水平位移量比其他站點(diǎn)大得多，其中位于震中東側(cè)約80 km的KKN4站，向南運(yùn)動(dòng)了近2 m，臨近的NAST站向南運(yùn)動(dòng)了近1.5 m，兩站在垂直方向上分別抬升了1.3 m和0.6 m.遠(yuǎn)離震區(qū)的臺(tái)站水平和垂直量都小兩個(gè)數(shù)量級，RMTE站向東運(yùn)動(dòng)了近1 cm，JMSM站向南偏東運(yùn)動(dòng)了0.7 cm.整個(gè)GPS同震形變場表現(xiàn)出震中區(qū)斷層上盤物質(zhì)受擠壓向南偏東運(yùn)動(dòng)的趨勢，DNSG站雖然水平位移偏小，但其下沉了近0.6 cm.

圖3 Sentinel衛(wèi)星獲取的尼泊爾地震同震形變場

圖4 GPS同震水平觀測分布

3 觀測數(shù)據(jù)重采樣與斷層初始模型建立3.1 形變場觀測數(shù)據(jù)重采樣

過密的形變柵格點(diǎn)數(shù)據(jù)不僅不能提供更多的信息，而且增加了反演計(jì)算量.因而在反演前必須降低形變場圖像的分辨率.這里我們采用的四叉樹采樣方法，形變場梯度大的區(qū)域采樣密度高，反之就小，該方法既降低了形變場的空間分辨率，同時(shí)又保證了對形變場變化的精細(xì)刻畫.在重采樣過程中，設(shè)定采樣的形變梯度閾值為0.05 m，即形變梯度大于0.05 m時(shí)進(jìn)行四叉樹劃分，如果劃分后其子區(qū)形變梯度仍然大于0.05 m，則再對子區(qū)進(jìn)行四叉樹劃分，如此類推，直到形變梯度小于0.05 m.對于沒有形變值的非相干區(qū)域，則不進(jìn)行采樣.圖5a和圖5a1給出了經(jīng)過四叉樹重新采樣后的ALOS-2和Sentinel-1衛(wèi)星的形變觀測值.

3.2 斷層初始模型參數(shù)選取

從表1可以看出，Global CMT震源機(jī)制結(jié)果的節(jié)面1與USGS的節(jié)面1，以及GFZ的節(jié)面2的走向與發(fā)震斷層基本一致，選定這3個(gè)節(jié)面參數(shù)為斷層初始模型參考依據(jù),結(jié)合InSAR形變場資料，建立了彈性半空間的發(fā)震斷層初始模型，初試模型參數(shù)包括斷層起始點(diǎn)經(jīng)度和緯度，斷層長度、深度、走向、傾角、滑動(dòng)量、滑動(dòng)角等8個(gè)參數(shù).表2給出了斷層初始模型參數(shù)，由InSAR干涉形變場圖像，發(fā)震斷層起始點(diǎn)經(jīng)緯度、長度和走向可以由圖2a的F1來確定，初始斷層長度為200 km，走向由290°，傾角選為5°～12°.Global CMT給出的震源深度為15 km，但斷層傾角僅7°，這里我們初步取斷層沿傾向?qū)挾葹?20 km.Global CMT給出的標(biāo)量地震矩M0為7.76×1020N·m.剪切模量μ取33 GPa.在統(tǒng)一計(jì)量單位后，由公式M0=μULW，可求出發(fā)震斷層面上平均滑動(dòng)量U約為1.0 m左右.

表1 尼泊爾地震震源機(jī)制參數(shù)Table 1 Focal mechanism solutionsof the 2015 Nepal event

表2 斷層初始模型參數(shù)Table 2 Parameters of initial fault model

圖5 InSAR觀測同震形變場與模擬同震形變場對比

圖6 GPS同震位移觀測與模擬對比

4 InSAR與GPS數(shù)據(jù)同步擬合結(jié)果

4.1 InSAR數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

在反演模擬中，將斷層沿走向與傾向分成多個(gè)5×5 km子塊(fault patches)，假定每個(gè)子塊內(nèi)部滑動(dòng)均勻分布，就可以將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題來解決.我們通過構(gòu)建均方差減小函數(shù)對地表模擬形變值同時(shí)與ALOS-2和Sentinel-1獲得的InSAR觀測數(shù)據(jù)、GPS觀測數(shù)據(jù)的擬合效果進(jìn)行聯(lián)合評價(jià)，使模擬值與各類觀測數(shù)據(jù)擬合均方差達(dá)到最小時(shí)，而最終獲得了發(fā)震斷層滑動(dòng)分布，該方法即為基于敏感性迭代擬合方法(SBIF)(Wang等，2008).

圖5給出了經(jīng)過四叉樹重新采樣后的觀測值、模擬值和殘差值分布圖.從圖5a—c來看，模擬得到的ALOS-2的同震形變場與觀測值非常一致，在同震變形集中區(qū)域殘差在-10 cm至10 cm之間，說明模擬結(jié)果很好地反映出了實(shí)際觀測值的分布特征.對于Sentinel-1衛(wèi)星，模擬同震形變場(圖5b1)與實(shí)際觀測形變場(圖5a1)類似.由于Sentinel-1是C波段，在植被覆蓋區(qū)相干性比起ALOS-2的L波段較差(盧倩云等，2015)，整個(gè)殘差較ALOS-2衛(wèi)星大，在-15 cm至15 cm之間，特別是在圖5c1東北角區(qū)域失相關(guān)較大，從而影響到抬升區(qū)域的東北外側(cè)邊形變值，造成殘差偏大.

4.2 GPS數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖6給出了GPS同震水平和垂直位移觀測與模擬對比圖，表3列出了各個(gè)臺(tái)站的同震位移觀測、模擬與殘差值.可以看出，位于震中東側(cè)約80 km的KKN4站和NAST站水平位移和垂直位移都非常大，達(dá)到了m級，均表現(xiàn)出向南和抬升運(yùn)動(dòng)，其中，KKN4臺(tái)的水平和垂直位移分別為188 cm和127 cm.從觀測和模擬結(jié)果看，震區(qū)及周邊地區(qū)水平和垂直擬合的非常好，特別是震中區(qū)KKN4站和NAST站，擬合殘差只占觀測值的2%～3%.而遠(yuǎn)離震區(qū)的8個(gè)臺(tái)站，水平和垂直同震位移都非常小，除了DNGD臺(tái)的垂直同震位移為11.4 mm外，其他臺(tái)的同震位移均只有幾個(gè)毫米，擬合誤差較大，特別是垂直位移，這可能與GPS垂直觀測精度不高有關(guān)，例如，遠(yuǎn)離余震區(qū)200～400 km范圍的DNGD、NPGJ、TPLJ臺(tái)站的觀測值與模擬值出現(xiàn)了反向.但由于遠(yuǎn)離震區(qū)的8個(gè)臺(tái)站觀測值都非常小，對斷層模擬結(jié)果不會(huì)有太多的影響.

表3 GPS同震位移觀測、模擬與殘差Table 3 GPS-derived coseismicdisplacements, model predictions and residuals

5 斷層位錯(cuò)分布聯(lián)合反演結(jié)果

通過聯(lián)合反演，得到了尼泊爾地震斷層位錯(cuò)分布，各數(shù)據(jù)源與模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9955.圖7、8和9分別給出了不同視角下的尼泊爾地震的斷層位錯(cuò)分布圖.從滑動(dòng)位錯(cuò)由東向西沿?cái)鄬幼呦蚺c傾向深度的關(guān)系可以看出(圖7)，滑動(dòng)分布主要集中在沿走向150 km，沿傾向70 km的范圍內(nèi)，最大滑動(dòng)量為5.59 m，平均滑動(dòng)量為0.94 m，平均滑動(dòng)角為94.8°，顯示出以逆沖為主兼微量右旋分量.張勇等(2015)在采用地震波加2個(gè)GPS臺(tái)站的靜態(tài)位錯(cuò)反演，聯(lián)合反演得到的最大滑動(dòng)量為5.2 m，與本研究結(jié)果接近.由圖8顯示，發(fā)震斷層傾角在不同深度并不一致，傾角在淺部約為7°，隨著深度增加，傾角逐漸變大，到垂直深度20 km時(shí)傾角接近12°.滑動(dòng)量超過4 m的區(qū)域主要集中在垂直深度8～10 km之間.

圖9給出了斷層滑動(dòng)分布在地表的投影，可以看出整個(gè)滑動(dòng)分布在200 km×120 km的范圍內(nèi)，4月25日的MW7.8級主震發(fā)生在西端，破裂由西向南東東方向單側(cè)破裂，主要形成了長約150 km場的主滑動(dòng)面.張旭和許力生(2015)時(shí)空破裂過程圖像證實(shí)破裂幾乎是純粹的單側(cè)破裂，從破裂起始點(diǎn)開始，沿?cái)鄬用嫦驏|南方向擴(kuò)展約100 km，同時(shí)沿?cái)鄬用嫦蛏畈繑U(kuò)展約80 km，最大位錯(cuò)約5.8m.余震主要分布在主震破裂區(qū)域周邊，余震區(qū)與主震破

裂區(qū)形成了互補(bǔ)的關(guān)系.震后5月12日最大余震MW7.2級位于主震破裂區(qū)的“凹”型滑動(dòng)缺損區(qū)域，可以初步判定該強(qiáng)余震的發(fā)生，填補(bǔ)了主震破裂的空區(qū).

從斷裂MFT、MBT和MCT與滑動(dòng)面地表投影的位置來看，主震破裂區(qū)的上邊界與MBT位置十分吻合，由于發(fā)震斷層傾角很小，很難在地表形成破裂帶.主震破裂面和余震分布均在MBT北側(cè)，雖然在東側(cè)MBT與MCT位置十分靠近，但西部沿過震中的a1—a剖面顯示，MFT、MBT和MCT間隔距離相當(dāng)，均在50 km左右.主震破裂區(qū)主要集中的MBT以北50～60 km處，此處的深度為8～9 km，傾角為9°，繼續(xù)向北時(shí)主震破裂面以10°～12°的傾角向深延伸，在18 km～20 km處與MHT交匯.從圖10的斷層示意圖可以看出，主破裂面主要集中在MBT上，已經(jīng)深入到MCT斷面的下方，滑動(dòng)面繼續(xù)向深部已達(dá)到MHT.因此，從位錯(cuò)三維分布、斷層空間位置來看，可以初步判定MBT為此次地震的發(fā)震斷層.

圖9 斷層位錯(cuò)分布在地表投影

圖10 喜馬拉雅地區(qū)斷層(紅色為尼泊爾地震主破裂帶)Fig.10 Schematic diagram of the fault system beneath the Himalayas(The red line denotes the main rupture zone of the Nepal earthquake)

6 結(jié)論

利用日本ALOS-2和歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星獲得了尼泊爾地震InSAR同震形變場，結(jié)合GPS同震位移數(shù)據(jù)，在對形變場特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，聯(lián)合反演了發(fā)震斷層滑動(dòng)分布特征，并分析了可能的發(fā)震斷層.通過研究和分析，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)尼泊爾地震的地表同震形變場主要集中在150 km×100 km的范圍內(nèi)，且分為南北兩個(gè)相鄰的形變中心，南形變中心的視線向抬升量約為1.2 m，北形變中心的視線向沉降量約為0.8 m.在圖2a F1南側(cè)的區(qū)域，同震干涉條紋已開始反向包絡(luò)，與北側(cè)區(qū)域相反，可以初步判定F1為發(fā)震斷層地表行跡，該行跡與MBT空間位置恰好一致.抬升和沉降中心均位于斷層上盤，顯示出低傾角逆斷層強(qiáng)震的變形特征.位于形變抬升區(qū)的KKN4和NAST兩個(gè)GPS站，水平和垂直位移都非常大，向南運(yùn)動(dòng)和抬升量均達(dá)到了m級，顯示出上盤物質(zhì)受擠壓向南偏東運(yùn)動(dòng)的趨勢，遠(yuǎn)離震區(qū)的其他GPS臺(tái)水平和垂直觀測量均小于1 cm.

(2)采用基于敏感性迭代擬合方法，同時(shí)模擬InSAR、GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)模擬值與觀測數(shù)據(jù)擬合均方差達(dá)到最小時(shí)，即獲得發(fā)震斷層滑動(dòng)量分布.結(jié)果表明，各數(shù)據(jù)與模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9955.ALOS-2同震模擬形變場與觀測值非常一致，最大殘差在-10 cm至10 cm之間.而Sentinel-1衛(wèi)星同震模擬形變場與實(shí)際觀測值基本一致，最大殘差在-15 cm至15 cm之間.主震區(qū)附近的GPS水平和垂直擬合的非常好，特別是震中區(qū)KKN4站和NAST站，擬合殘差只占觀測值的2%～3%.而遠(yuǎn)離主破裂區(qū)的8個(gè)臺(tái)站，垂直位移擬合誤差較大，這可能與GPS垂直觀測精度不高有關(guān).

(3)通過聯(lián)合反演得到的斷層位錯(cuò)分布主要集中在沿走向150 km，沿傾向70 km的范圍內(nèi)，最大滑動(dòng)量為5.59 m，平均滑動(dòng)量為0.94 m.斷層面傾角在淺部約為7°，隨著深度增加，傾角逐漸變大，到垂直深度20 km時(shí)傾角接近12°.滑動(dòng)量超過4 m的區(qū)域主要集中在垂直深度8～10 km之間.余震主要分布在主震破裂區(qū)域周邊，5月12日MW7.2級余震位于主震破裂區(qū)的“凹”型滑動(dòng)缺損區(qū)域.

(4)主震破裂區(qū)的上邊界與MBT空間位置非常吻合，主震破裂區(qū)和余震分布均在MBT北側(cè)，主震破裂區(qū)主要集中的MBT以北50～60 km處，垂直深度約為8～9 km，傾角為9°，繼續(xù)向北時(shí)主震破裂面以10°～12°的傾角向深延伸，在18～20 km可能與MHT交匯.因此，我們初步判定MBT為此次地震的發(fā)震斷層.

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(本文編輯 張正峰)

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Joint inversion for the spatial fault slip distribution of the 2015 NepalMW7.9 earthquake based on InSAR and GPS observations

SHAN Xin-Jian1, ZHANG Guo-Hong1, WANG Chi-Sheng2, LI Yan-Chuan1,3, QU Chun-Yan1, SONG Xiao-Gang1, YU Lu1, LIU Yun-Hua1

1StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics,InstituteofGeology,CEA,Beijing100029，China2ShenzhenUniversity,Shenzhen518060，China3ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao266580，China

AnMW7.9 earthquake, located at the front of the India-Eurasia collision belt, struck Nepal on April 25th, 2015. Focal mechanisms from different organizations show a dip angle of 7°～10°, which indicate a typical Himalayan-type low-angle thrusting earthquake. Almost no surface ruptures were found after the earthquake, making it difficult to interpret the spatial characteristic of the coseismic slip distribution, and most importantly, the possible causative fault buried underneath the sub-surface. We seek to answer these questions by joint inversion of InSAR coseismic deformation observed by ALOS-2 and Sentinel-1A SAR satellites, as well as some GPS measurements.

The method of joint inversion was used to analyze the spatial characteristic of the coseismic slip distribution and to infer the possible causative source fault of the 2015 Nepal earthquake. We collected the Sentinel-1A data immediately after the mainshock and processed them using the GAMMA software. Besides, the relevant ALOS-2 and GPS data were also collected. The quadtree sampling method was then used to resample the InSAR deformation results. In order to obtain a robust result and to reduce the uncertainties of the inversion, initial parameters for the fault were assigned according to focal mechanisms from Global CMT, USGS and GFZ.

(1) The coseismic deformation field derived from geodetic data shows that the NepalMW7.9 event is mainly distributed within a 150 km long and 100 km wide range, with two peak deformation centers aligned close to each other in north-south direction reaching about 1.2 m and about 0.8 m, respectively, and both of which are located on the hanging wall side, demonstrating a low-angle thrust. The InSAR results confirm that the surface trace of the causative source fault coincides with the MBT. Two GPS stations, namely KKN4 and NAST, about 80 km away from the epicenter on the hanging wall side, have peak displacements over 1 m. However, GPS stations at the far field decay very rapidly, which only have about 1 cm of coseismic displacements in both horizontal and vertical directions.(2) Based on the sensitivity iterative fitting method, a satisfactory fit to the GPS offsets and the InSAR displacements were achieved. Residuals for the ALOS-2 are between -10 cm and 10 cm, while residuals for the Sentinel-1A data are within -15 cm and 15 cm. Discrepancies arise from different coherences for C and L bands. Offsets for the GPS sites near the epicenter region are fitted well.However, sites away from the epicenter region have relatively poorer fitting especially in the vertical direction, which may be associated with the poor accuracy in GPS vertical measurements.(3) The inverted slip dislocations on the fault are mainly distributed in 150 km along strike and 70 km along down-dip direction. The maximum slip inverted reaches 5.59 m and the average is 0.94 m. The inverted dip angle of the fault model is 7°at shallow depth and 12° at deeper depth of 20 km. Results also show that with depth increasing, the dips of the causative fault increase as well, indicating reverse-listric shape of the fault. Slip more than 4 m is mainly concentrated between depths of 8 km and 10 km. Aftershocks are mainly distributed around the main rupture zone. TheMW7.2 aftershock on May 12, 2015 struck the slip deficit region left by the Nepal mainshock, which precisely filled the rupture gap.

The coseismic deformation field was derived for the Nepal earthquake and based on which the fault spatial slip distribution and the spatial characteristic of the coseismic slip distribution were inverted. The Nepal event ruptured a segment 50～60 km north of the MBT and at depth 8～9 km with an average dip angle of 9°, which, if projected onto the surface, is well aligned with the previously mapped fault MBT. And further north the Nepal rupture segment merges with MHT at depth of 18～20 km.We envision that the Nepal event has ruptured a segment of the MBT, which could be the causative fault.

InSAR； GPS； Joint inversion； Fault slip dislocation； The causative fault

10.6038/cjg20151131

P315

2015-08-04，2015-10-18收修定稿

國家自然科學(xué)基金(41461164002、41541031)和地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(LED2013A02)聯(lián)合資助.

單新建，男，1966年生，研究員，主要從事地殼形變觀測與動(dòng)力學(xué)研究. E-mail:xjshan@163.com