2015尼泊爾MS8.1地震中等余震震源機制研究

張廣偉， 雷建設

中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室)， 北京 100085

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2015尼泊爾MS8.1地震中等余震震源機制研究

張廣偉， 雷建設*

中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室)， 北京 100085

本研究利用西藏臺網(wǎng)記錄的波形數(shù)據(jù)，采用gCAP方法反演了2015年4月25日尼泊爾MS8.1大震5次中等余震(5.0≤MS≤6.5)及西藏定日MS5.9地震震源機制解.結果顯示，6次地震包含2個正斷、2個走滑及2個逆沖型地震.其中2個正斷型地震位于主震的東北方向，即發(fā)震斷層的上盤，表明該區(qū)域受到主震同震位移的影響，表現(xiàn)出應力拉張的變化特征；2個走滑型地震在主震破裂的東南方向上，說明隨著破裂往東南方向延伸，余震的走滑分量增強；另外2個逆沖型地震位于5月12日MS7.5強余震區(qū)域，與MS7.5地震的滑移狀態(tài)一致，可能與主震同震位移引起該區(qū)域處于應力擠壓狀態(tài)密切相關.這些結果表明，尼泊爾MS8.1主震發(fā)生后，由于同震位移的影響，不同區(qū)域處于不同的應力狀態(tài)，從而使中等余震表現(xiàn)出不同的震源類型.

震源機制解； 中等地震； 尼泊爾MS8.1地震； gCAP方法

Using the digitally broadband seismic data recorded by the Xizang network stations, we obtained focal mechanisms of six moderate-sized earthquakes with the generalized Cut and Paste (gCAP) inversion method. This method divides three-componental waveforms into Pnl and surface wave segments, and allows adjustable time shifts between observed and synthetic waveforms, which reduce the influence of uncertainties in the 1-D velocity model used.

Our results show that the six moderate-sized earthquakes present different source types, two events for normal types, two events for strike-slip types, while the rest two events for thrust-fault types. The six earthquakes with different types are located at different regions, respectively. The two normal-fault earthquakes are distributed to the northeast of the mainshock and they are situated in the hanging wall of the fault. These normal-fault sources may be due to the tension stress change caused by the coseismic slip. The two strike-slip sources are located between the mainshock and the May 12MS7.5 strong aftershocks, suggesting that the strike-slip component is getting larger with the southeast extension of the fault. The two thrust-fault earthquakes are also interpreted as a compressional stress change due to the mainshock coseismic slip. Intergrating these focal mechanism solutions with the aftershock distribution, we conclude that different source types of these moderate-sized earthquakes in different regions all might be due to different stress regime caused by the coseismic displacement.Keywords Focal mechanism; Moderate-sized earthquake; NepalMS8.1 earthquake; gCAP method

1 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，北京時間2015年4月25日14時11分26秒，尼泊爾發(fā)生MS8.1大地震，震中位置28.2°N、84.7°E，震源深度20 km.截至5月6日，尼泊爾境內已經(jīng)造成至少7566人喪生，超過14500人受傷(中國地震局，2015).強震還引發(fā)珠穆朗瑪峰雪崩，部分基地大本營被掩埋.此次地震震中距離尼泊爾首都加德滿都約80 km，其余震由近西北向近東南方向遷移，震源深度多集中在20 km以上(圖1)，屬于淺源型地震，因此造成地表建筑破壞嚴重.

此次尼泊爾MS8.1地震引發(fā)多次中強余震，精確的震源參數(shù)，如發(fā)震斷層面、震源質心深度、矩震級等是地震學研究中重要的基礎資料，因此快速求取可靠的震源機制解對后續(xù)研究非常重要.對于MS≥7.0強震，其破裂過程具有一定的尺度，點源模型不適應于描述震源破裂的真實情況，故通常采用非點源模型，比如有限斷層破裂模型(Chen et al., 2005; Zhang et al., 2009; 王衛(wèi)民等，2013; 張勇等，2015).而對于中等地震，其破裂尺度小，將震源簡化為點源可以很好地反映震源破裂特征(鄭勇等, 2009；陳偉文等，2012；Chen et al., 2015).本研究就針對尼泊爾MS8.1主震后發(fā)生的中等地震，求取震源機制解，探討震源破裂的變化特征，討論尼泊爾MS8.1地震對青藏高原及中國西南地區(qū)的影響作用.

2 資料與方法

本研究采用國家數(shù)據(jù)備份中心提供的西藏臺網(wǎng)波形資料(鄭秀芬等，2009)，選擇4月25日—5月16日尼泊爾MS8.1地震5次余震(5.0≤MS≤6.5)及西藏定日MS5.9地震，總共6次中等地震事件.通過波形篩選，挑選震中距6°以內共11個臺站的三分量記錄(圖1).速度模型采用基于人工源地震剖面結果給出的平均速度結構分層模型(滕吉文等，2015).

震源機制解采用gCAP(generalized Cut and Paste)方法求取(Zhu and Ben-Zion, 2013).該方法是在CAP法(Zhu and Helmberger,1996)的基礎上增加各向同性源(ISO)和補償線性偶極子(CLVD)兩個分量，求解地震全矩張量解(李圣強等，2013; 張廣偉和雷建設，2015).本研究將非雙力偶分量ISO和CLVD約束為0，求解地震的最佳雙力偶節(jié)面解.與CAP方法相同，gCAP法在反演過程中將三分量全波形分為Pnl和面波兩部分，對Pnl和面波兩部分賦予不同權重，采用不同頻段濾波后參與反演，通過計算理論和實際波形的擬合誤差函數(shù)，利用網(wǎng)格搜索得到最小誤差的最優(yōu)解.該方法允許每個時間窗理論波形和實際觀測波形相對時移擬合，大大減少了速度模型不精確及地殼速度橫向不均勻性的影響(Zhu and Helmberger, 1996；鄭勇等, 2009)，并且前人研究表明，僅使用二個臺站記錄的區(qū)域波形資料也可以得到較好的震源機制結果(Tan et al., 2006).本研究反演過程中，Pnl和面波濾波范圍分別為0.05～0.2 Hz和0.02～0.1 Hz，走向、傾角和滑動角的搜索間隔均為5°，深度為2 km.格林函數(shù)采用頻率-波數(shù)法(FK)計算(Zhu and Rivera, 2002)，采樣間隔設為0.1 s，采樣點2048個.

圖1 本研究震源機制反演所用臺站(藍色三角)及尼泊爾MS8.1地震序列分布.地震序列數(shù)據(jù)來自USGS.星號代表大于7級地震震中，小圓圈代表7級以下余震震中，填充的顏色代表震源深度，色標位于圖底Fig.1 Distribution of the seismic stations (blue triangles) used in focal mechanism inversion in the present study and the Nepal MS8.1 earthquake sequences. The earthquake sequence data are from USGS. Stars denote the epicenters of the earthquakes with magnitude greater than 7.0, whereas small circles denote the epicenters of events with magnitude smaller than 7.0, the color filled in which represents the focal depth. The scale for focal depth is shown at the bottom

3 結果

表1給出6次地震事件最佳雙力偶節(jié)面解及震源質心深度，圖2詳細展示事件1、2、3和6理論與實際波形擬合圖以及震源機制解(下半球投影)，整體上波形擬合效果較好.每個事件至少有7個臺站參與反演(表1)，我們依據(jù)波形平均擬合相關系數(shù)對震源機制結果質量進行分類，如果平均擬合相關系數(shù)>65%則為A，在60%～65%之間為B，小于60%則為C.由表1可以看出，6次地震事件震源機制解的質量均在B及以上，說明我們所獲得的震源參數(shù)較為可靠.

事件1西藏定日地震表現(xiàn)為正斷型，質心深度6 km，與韓立波反演得到結果(中國地震局地球物理研究所，2015)較為一致.事件2也為正斷型地震，但與事件1有所區(qū)別，其不僅兼有少量走滑分量，且質心深度也較深，為16 km.事件1和2位于發(fā)震斷層的上盤區(qū)域(圖3)，表明該區(qū)域受到主震同震位移的影響，表現(xiàn)出應力拉張的變化特征.事件3和4在MS8.1主震后2天內發(fā)生，均表現(xiàn)為走滑型地震(表1)，震中位于主震的東南向，其他余震也多位于主震的東南方向，說明主震破裂可能是東南向為主的單側破裂.事件5和6發(fā)生于5月12日MS7.5強余震之后，表現(xiàn)為逆沖類型(圖3)，與MS7.5強余震的逆沖破裂機制相同；另外，事件5和6在全球矩張量解中也給出結果(www.globalcmt.com，簡寫為GCMT)(圖3)，我們將這兩次事件與GCMT結果進行對比，均為逆沖性質，也證實了本研究結果的可靠性.

表1 中等地震震源機制解Table 1 Focal mechanism solutions of the moderate-sized earthquakes

圖2 表1中事件1、2、3和6地震震源機制解及理論(紅色)和實際(黑色或藍色)波形對比圖，擬合較好觀測波形用黑色表示，擬合較差用藍色表示；波形下方數(shù)字表示理論相對實際波形的相對移動時間和二者的相關系數(shù)；左側大寫字母表示臺站名，臺站下方數(shù)字為震中距(km)和相對偏移時間(s)Fig.2 The focal mechanisms and the comparison between synthetic (red) and observed (black for better fits or green for bad fits) waveforms of the events 1、2、3 and 6 in Table 1. The numbers below each traces are relative time shifts and cross-correlation coefficients. The station names are given on the left and the numbers below each station are epicentral distances (km) and relative time shifts (s)

圖3 本研究獲得的中等地震震源機制解(黑色震源球)和事件5、6的全球矩張量解(紅色震源球，由GCMT下載).星號代表大于7級地震，小圓圈代表7級以下余震，填充的顏色代表震源深度，色標位于圖底Fig.3 Focal mechanism solutions of the moderate-sized earthquakes obtained by present study (black focal sphere) and downloaded from global central moment tensor (red focal sphere from GCMT). Stars denote the earthquakes with magnitude greater than 7.0, whereas small circles denote the events with magnitude smaller than 7.0, the color filled in which represents the focal depth. The scale for focal depth is shown at the bottom

4 討論與結論

尼泊爾位于印度和歐亞板塊交界處，北部為喜馬拉雅山，地形起伏明顯，在其境內分布有多條逆沖斷裂，分別有喜馬拉雅主前鋒斷裂(MFT)、主邊沖斷裂(MBT)和主中沖斷裂(MCT)(許志琴等，2013).尼泊爾近代地震活動頻繁，比如1934年1月15日發(fā)生的MS8.4尼泊爾—比哈爾邦地震，造成約10600人死亡，而近期發(fā)生的地震主要集中在尼泊爾東部和西部，中部地區(qū)不太活躍，這次MS8.1地震就發(fā)生在該地區(qū)，說明此次地震是印度板塊北向俯沖擠壓歐亞板塊(Huang and Zhao, 2006; Li et al., 2008; Lei et al., 2014)應力長期積累的結果.

我們獲取的6個中等地震震源機制解，分別有2個正斷類型、2個走滑類型和2個逆沖類型(表1).其中，2個正斷類型地震(事件1和2)位于主震的東北方向，即發(fā)震斷層的上盤(圖3)，這與2011年日本9級大地震上盤主要分布正斷型地震非常類似(Asano et al., 2011)，主要受到主震同震位移的影響，上盤表現(xiàn)出應力拉張的特征.但事件1與事件2有所不同，事件1與尼泊爾MS8.1主震相距較遠，約250 km，位于中國境內的西藏定日縣，震源機制解顯示發(fā)震斷層面近南北向(表1)；靜態(tài)應力觸發(fā)研究表明，尼泊爾地震產(chǎn)生的應力加載在中國大陸主要集中在本次地震鄰近的西藏及新疆地區(qū)部分斷層上(盛書中等，2015)；同震位移結果也顯示，主震對雅魯藏布江地區(qū)和拉薩塊體南北走向的正斷層影響較大(張貝等，2015)；同時，從余震序列分布特征可以看出(圖3)，余震主要沿東南向擴展，與事件1所處的東北方向不在一個方位.因此本研究認為事件1不是尼泊爾地震的余震，而是由于主震發(fā)生后引發(fā)鄰近區(qū)域構造應力調整所造成的觸發(fā)型地震.事件2雖然也為正斷類型，但其包含一定的走滑分量，且其節(jié)面I走向(138°)與余震序列的走向也較為一致(圖3和表1)，因此我們認為該地震為尼泊爾地震的余震，其正斷型破裂機制是由于主震同震位移影響導致發(fā)震斷層上盤應力拉張而引起.

事件3和4為走滑型地震，這2個地震位于主震破裂延展的東南方向上，震中處在主震與5月12日MS7.5強余震之間(圖3)，可能表明隨著破裂往東南方向延伸，斷層的走滑特征愈加明顯.這樣的余震分布特征與2008年汶川MS8.0地震余震序列相類似(張勇等，2009)，在主震處為逆沖型，沿破裂方向分布的余震其走滑分量逐漸增強.但與汶川MS8.0地震擴展約300 km不同(Zhang et al., 2009)，此次尼泊爾MS8.1地震破裂長度相對較短，大約150 km(張勇等，2015)，我們推測主震的東南向破裂并未擴展完全，可能受到了阻擋.5月12日在主震破裂的東南向邊緣又發(fā)生了一個MS7.5強余震，我們反演的事件5和6也位于該區(qū)域，與MS7.5強余震破裂機制相同，均表現(xiàn)為逆沖類型地震(圖3).上述不同時間、不同空間分布的中等余震震源破裂機制表明，在尼泊爾MS8.1主震發(fā)生后，受到主震同震位移的影響，不同區(qū)域處于不同的應力狀態(tài)，從而使中等余震表現(xiàn)出不同的震源類型.

此次尼泊爾MS8.1地震位于青藏高原的南邊界，主震的破裂過程(張勇等，2015)以及余震序列分布特征(圖1)顯示，破裂沿東南方向遷移，表明此次MS8.1地震對青藏高原及我國西南地區(qū)具有應力加載作用，建議應加強這些地區(qū)的地震監(jiān)測預測工作.自2000年以來，在青藏高原及周邊地區(qū)發(fā)生了一系列強震活動，如2001年昆侖山MS8.1地震、2010年玉樹MS7.0地震、2008年汶川MS8.0地震和2013年蘆山MS7.0、于田MS7.3地震(張廣偉等，2014)，說明印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞對青藏高原及周邊構造運動和地震活動的強烈影響作用(鄧起東等，2010；徐錫偉等，2008，2011；聞學澤等，2011；Jia et al., 2012).此次尼泊爾地震，更印證了印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞作用，說明青藏高原仍處于強震活躍期(鄧起東等，2014).

致謝 感謝中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(doi:10.7914/SN/CB)為本研究提供地震波形數(shù)據(jù).

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(本文編輯 胡素芳)

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Focal mechanism solutions of moderate-sized aftershocks of the 2015MS8.1 Nepal earthquake

ZHANG Guang-Wei, LEI Jian-She*

KeyLaboratoryofCrustalDynamics,InstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085,China

On April 25, 2015, an earthquakes with magnitude 8.1(MS) occurred in Nepal, which killed more than 7566 people and caused more than 14500 injures. Its epicentre is located at about 20 km depth, and it is considered as a shallow earthquake with tremendous damages. The earthquake also triggered an avalanche on the Himalaya mountain, and buried parts of the base camp. It is the worst natural disaster to strike Nepal since the 1934 Nepal-Bihar earthquake in the region. There were three strong aftershocks (MS≥7.0) and some moderate aftershocks (5.0≤MS≤6.5) that occurred on the same fault. In this paper, we determined the focal mechanism solutions of six moderate-sized aftershocks having better recordings at the seismic stations in order to better understand the rupture characteristics of this large earthquake.

10.6038/cjg20151134

P315

2015-06-12，2015-09-30收修定稿

中國地震局尼泊爾地震科考、基本科研業(yè)務專項(ZDJ2013-12)和國家自然科學基金(41274059)資助.

張廣偉，男，1985年生，中國地震局地殼應力研究所助理研究員，主要從事震源機制反演研究. E-mail: jluaaa@163.com

*通訊作者 雷建設，男，1969年生，中國地震局地殼應力研究所研究員，主要從事地震層析成像理論及應用研究. E-mail: jshlei_cj@hotmail.com