基于GPS資料研究喜馬拉雅構(gòu)造帶中段地殼形變特征

郭炳輝 郭博峰 李經(jīng)緯 黨學(xué)會(huì)

摘要：利用2015年尼泊爾MW7.8地震發(fā)生前后喜馬拉雅構(gòu)造帶中段地區(qū)境內(nèi)外的GPS連續(xù)站及流動(dòng)站資料，以優(yōu)化后的BERNESE解算策略進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，通過(guò)同震位移場(chǎng)分析、典型基線的時(shí)間序列分析、速度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化分析等多種手段分析地震發(fā)生前后的地殼形變特征。結(jié)果表明：該次地震并沒(méi)有完全釋放應(yīng)力積累能量，震后印度板塊推擠作用并未減緩，該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力積累仍處于較高水平，震情形勢(shì)值得關(guān)注。

關(guān)鍵詞：尼泊爾地震；喜馬拉雅構(gòu)造帶；GPS；BERNESE

中圖分類號(hào)：P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）03-0398-09

0 引言

喜馬拉雅構(gòu)造帶歷史地震活動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境影響深刻，特別是2015年4月25日位于此區(qū)域的尼泊爾發(fā)生MW7.8地震，引起我國(guó)西藏日喀則等地區(qū)強(qiáng)烈余震，此次大震引起的動(dòng)力調(diào)整過(guò)程無(wú)疑會(huì)對(duì)中國(guó)大陸（特別是中國(guó)大陸中西部地區(qū)，青藏高原及其東部、北部臨近地區(qū)）的震情形勢(shì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響（杜方等，2016；徐晶等，2016）。地震發(fā)生后，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者利用GPS和InSAR資料迅速給出了同震位移及地表破裂結(jié)果（Wu et al，2016；單新建等，2015；占偉等，2015，Lindsey et al，2015），取得了一定的認(rèn)識(shí)。

本文收集了該區(qū)域“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CMONOC，以下簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)）”、尼泊爾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（境外）2010—2017年GPS連續(xù)站和流動(dòng)站觀測(cè)資料，特別是尼泊爾地震前后應(yīng)急觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)更為豐富和精確的GPS觀測(cè)資料，分析了震前、同震、震后該區(qū)域的地殼形變特征。首先，利用BERNESE軟件，采用改進(jìn)后的GPS數(shù)據(jù)解算策略對(duì)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”和尼泊爾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)2010—2017年GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到該區(qū)域連續(xù)站的時(shí)間序列及震前、震后速度場(chǎng)結(jié)果；然后，利用更加精確的GPS連續(xù)觀測(cè)資料計(jì)算同震位移，得到較為準(zhǔn)確的同震位移場(chǎng)結(jié)果；最后，通過(guò)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”和尼泊爾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線時(shí)間序列分析以及喜馬拉雅構(gòu)造帶中段速度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化分析，基于上述結(jié)果，對(duì)喜馬拉雅構(gòu)造帶中段區(qū)域的地殼形變進(jìn)行綜合分析。

1 GPS同震位移場(chǎng)

1.1 資料收集與數(shù)據(jù)處理

本文共收集到2010—2017年西藏地區(qū)15個(gè)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”連續(xù)站數(shù)據(jù)、中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心（以下簡(jiǎn)稱一測(cè)中心）3個(gè)新建連續(xù)站數(shù)據(jù)、ARIA團(tuán)隊(duì)建立的尼泊爾連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（由NASA UNAVCO網(wǎng)站提供原始觀測(cè)數(shù)據(jù)）28個(gè)連續(xù)站和一測(cè)中心在尼泊爾地震前后觀測(cè)得到的震前震后20個(gè)流動(dòng)站數(shù)據(jù)（觀測(cè)時(shí)間分別是震前40 d和震后30 d內(nèi)），如圖1所示?；谝陨县S富的GPS連續(xù)和流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用BERNESE軟件進(jìn)行處理，分別計(jì)算了同震位移場(chǎng)、跨喜馬拉雅構(gòu)造帶2側(cè)典型基線時(shí)間序列以及震前、震后2期速度場(chǎng)，以此分析喜馬拉雅構(gòu)造帶中段近期地殼形變特征和趨勢(shì)。

在數(shù)據(jù)處理策略方面，本文利用BERNESE軟件，將所有流動(dòng)站、連續(xù)站數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行不分區(qū)模式處理，同時(shí)選取全球框架下較為穩(wěn)定的約37個(gè)IGB08核心站在統(tǒng)一框架下進(jìn)行整體平差，這樣避免了GAMIT軟件因?yàn)槊看沃荒芴幚聿怀^(guò)100個(gè)站而必須進(jìn)行分區(qū)造成的精度損失，提高了數(shù)據(jù)解算精度。2種軟件和解算策略的精度及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比郭炳輝等（2016）有所提及。

1.2 同震位移場(chǎng)

圖2為同震水平位移場(chǎng)結(jié)果，圖中顯示：主前山斷裂帶（MFT）以北區(qū)域首先具有整體向南運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，靠近震中區(qū)域的站點(diǎn)水平位移方向與主前山斷裂帶MFT走向近垂直，且最大水平位移達(dá)到1.84 m（KKN4站點(diǎn)，該站點(diǎn)位于震中東邊40 km處）；西藏南部地區(qū)的流動(dòng)站點(diǎn)的水平位移方向相對(duì)于尼泊爾境內(nèi)的連續(xù)站點(diǎn)的位移方向，發(fā)生一定角度的改變，且呈現(xiàn)兩側(cè)向最大位移區(qū)域匯聚的趨勢(shì)。

因此，從GPS同震水平位移場(chǎng)可以看出該地震斷層運(yùn)動(dòng)以逆沖傾滑為主，與USGS提供主震震源機(jī)制解的斷層幾何參數(shù)及震間GPS地殼形變場(chǎng)特征相吻合，屬于典型的喜馬拉雅型（低角度逆沖型）地震。這也與國(guó)內(nèi)外學(xué)者得到的GPS和InSAR聯(lián)合解算的同震位移結(jié)果基本一致（趙斌等，2015；占偉等，2015；單新建等，2015）。

圖3為同震垂直位移場(chǎng)結(jié)果，由圖可知，主震震中與最大余震震中連線以南變形位移區(qū)域具有較大的垂直向上運(yùn)動(dòng)，最大位移達(dá)1.25 m左右（KKN4站點(diǎn)）；主震震中與最大余震震中連線以北具有垂直向上和向下2種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，KKN4站點(diǎn)以北的CHLM站點(diǎn)具有近60 cm垂直向下運(yùn)動(dòng)，CHLM站點(diǎn)以東的J041站點(diǎn)具有近8 cm垂直向下位移；然而遠(yuǎn)離最大變形區(qū)的西藏南部具有垂直向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，最大形變量可達(dá)1～2 cm。

同時(shí)，主前山斷裂帶MFT的南部區(qū)域的站點(diǎn)GPS垂直位移幾乎為零，表明該地震并沒(méi)有破裂到地表引起地表形變，這也與國(guó)內(nèi)外測(cè)震科學(xué)研究小組基于遠(yuǎn)場(chǎng)地震波資料快速獲得震源機(jī)制解及滑動(dòng)分布模型中顯示的該地震純逆沖、低傾角、沒(méi)有破裂至地表的基本特征相吻合（趙斌等，2015）。

表1給出的GPS同震位移場(chǎng)結(jié)果，全部為實(shí)際解算結(jié)果利用時(shí)間序列分析方法去除了趨勢(shì)變化得到的結(jié)果，利用更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累擬合出更優(yōu)的時(shí)間序列模型，從而得到較為準(zhǔn)確的同震位移場(chǎng)結(jié)果（Wu et al，2016）。

2 基線時(shí)間序列

GPS站間大地線（橢球面上連接兩點(diǎn)的最短弧線）弧長(zhǎng)作為基線長(zhǎng)度，對(duì) GPS三維定位信息只取N（南北向）、E（東西向）信息而避免了精度較低的U向（橢球面法向）誤差影響，且GPS基線長(zhǎng)度不受參考框架本身漂移、旋轉(zhuǎn)等因素影響，可以較為客觀地反映地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化信息（江在森等，2009）。利用BERNESE軟件解算得到的中國(guó)大陸“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”連續(xù)站、一

測(cè)中心連續(xù)站時(shí)間序列以及尼泊爾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站時(shí)間序列，進(jìn)行粗差剔除、階躍修復(fù)，并通過(guò)去除線性和周期變化得到的測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列文件。在跨喜馬拉雅帶中段兩側(cè)典型測(cè)站篩選了一些連續(xù)站基線時(shí)間序列，以分析地震前后該區(qū)域地殼形變特征。

2.1 尼泊爾地震前后GPS基線結(jié)果對(duì)比

2015年尼泊爾MW7.8地震同震和震前形變結(jié)果顯示：尼泊爾地震導(dǎo)致了青藏高原中部地區(qū)顯著的拉張應(yīng)變釋放，但高原東、西部應(yīng)變釋放量值有限。為了進(jìn)一步研究該地震對(duì)青藏高原的影響，給出了震源區(qū)東西兩側(cè)跨喜馬拉雅構(gòu)造帶GPS基線結(jié)果（如圖4所示，所選測(cè)站在尼泊爾同震過(guò)程中變形均不顯著）。結(jié)果顯示，震源區(qū)西側(cè)基線在尼泊爾地震前后表現(xiàn)出明顯的縮短增強(qiáng)作用，主要反映了青藏高原內(nèi)部2個(gè)測(cè)點(diǎn)在尼泊爾地震后指向震源區(qū)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，震后調(diào)整過(guò)程明顯。震源區(qū)東側(cè)基線表現(xiàn)出穩(wěn)定的地殼縮短效應(yīng)，尼泊爾地震前后動(dòng)態(tài)變化不明顯，反映了該區(qū)域受尼泊爾地震影響較小，為強(qiáng)震調(diào)整過(guò)程中的不變區(qū)，預(yù)示該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力積累可能處于較高水平。尼泊爾地震震源區(qū)附近斷層發(fā)生了較大范圍解鎖，震源區(qū)東側(cè)受該地區(qū)震后影響不明顯，維持穩(wěn)定的應(yīng)變積累特征，有利于強(qiáng)震孕育過(guò)程。

2.2 跨喜馬拉雅構(gòu)造帶與構(gòu)造帶兩側(cè)GPS基線結(jié)果對(duì)比 為了研究地震前后跨喜馬拉雅構(gòu)造帶與構(gòu)造帶兩側(cè)GPS基線不同變化趨勢(shì)，選取了緊靠構(gòu)造帶兩側(cè)的尼泊爾境內(nèi)連續(xù)觀測(cè)站點(diǎn)，將以上站點(diǎn)和喜馬拉雅構(gòu)造帶南側(cè)到中國(guó)西藏境內(nèi)連續(xù)站之間不同的幾條GPS基線進(jìn)行對(duì)比。

如圖5所示，尼泊爾境內(nèi)緊靠構(gòu)造帶的GRHI站（南側(cè)）到西藏仲巴站的基線時(shí)間序列呈縮短態(tài)勢(shì)，約12 mm/a，喜馬拉雅構(gòu)造帶中部東側(cè)的BRN2（南側(cè)）到西藏日喀則站的基線時(shí)間序列也呈現(xiàn)約12 mm/a的縮短趨勢(shì)。緊靠構(gòu)造帶兩側(cè)的GRHI（南側(cè)）和PYUT（北側(cè)）站也是一直呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)，但量級(jí)較小，約4 mm/a，喜馬拉雅構(gòu)造帶中段東側(cè)的BRN2（南側(cè)）與北側(cè)的TPLJ站基線時(shí)間序列也呈約4 mm/a的壓縮趨勢(shì)。說(shuō)明構(gòu)造帶北側(cè)到西藏南部地區(qū)吸收了很大一部分印度板塊的推擠作用（有些研究表明大約是1/2（Ader et al，2015；譚凱等，2016），同時(shí)，震后的基線時(shí)間序列顯示，此應(yīng)力積累過(guò)程并未減緩。構(gòu)造帶中部由于位于尼泊爾地震震中區(qū)域，斷層發(fā)生了較大范圍的解鎖，但是構(gòu)造帶東部地區(qū)受到的影響較小，應(yīng)力積累一直在持續(xù)，有利于強(qiáng)震孕育。3 速度場(chǎng)變化

通過(guò)連續(xù)站時(shí)間序列擬合出了尼泊爾地震前后研究區(qū)域2期速度場(chǎng)，通過(guò)速度場(chǎng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，總體來(lái)說(shuō)有變緩趨勢(shì)，特別是中國(guó)西藏地區(qū)內(nèi)部，大部分測(cè)站速度有變緩趨勢(shì)。但構(gòu)造帶南側(cè)站點(diǎn)普遍表現(xiàn)出速度不變或變大，說(shuō)明印度板塊的運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有因?yàn)榇舜蔚卣鹩兴鶞p緩，該地區(qū)未來(lái)的震情趨勢(shì)值得持續(xù)關(guān)注。因?yàn)槟壳?015—2017年數(shù)據(jù)大約只有1～1.5 a，與2010—2015年近5年的數(shù)據(jù)擬合的速度場(chǎng)還有一定差距，所有結(jié)果值得進(jìn)一步討論，特別是對(duì)于尼泊爾地區(qū)連續(xù)站，因?yàn)檎鸷筮M(jìn)行了儀器更新和新站建設(shè)，還需要積累數(shù)據(jù)進(jìn)行重新評(píng)估。

4 討論和結(jié)論

4.1 同震位移場(chǎng)

基于BERNESE解算得到的同震位移場(chǎng)結(jié)果與目前的認(rèn)識(shí)和結(jié)論基本相符。根據(jù)前人研究成果，1934年Bihar-Nepal MW8.1地震與1905年Kangra MW7.8 地震之間存在一個(gè)沿喜馬拉雅造山帶走向長(zhǎng)約700～800 km的地震空區(qū)，正好2015年尼泊爾地震主破裂區(qū)位于該地震空區(qū)的東段（約200 km）區(qū)域。1833年距今，即2015年尼泊爾MW7.8 地震之前的近2個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi)，該地震空區(qū)沒(méi)有發(fā)生8級(jí)以上的大地震（Stevens et al，2015）。同時(shí)，該區(qū)域的西段上一次發(fā)生8級(jí)以上的地震的時(shí)間是公元1505年，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，該次地震的破裂滑移虧損可達(dá)10 m。然而根據(jù)2015年尼泊爾地震地震波及大地測(cè)量的反演破裂結(jié)果顯示，此次地震的平均滑移量只有4 m左右（Fan，Shearer，2015；張勇等，2015；趙斌等，2015），這反映了該次地震并沒(méi)有完全釋放應(yīng)力積累能量，誘發(fā)的震級(jí)要比預(yù)測(cè)的小。因此，該地區(qū)后期震情形勢(shì)值得持續(xù)關(guān)注。

4.2 基線時(shí)間序列

基線時(shí)間序列基本能夠反映斷層兩側(cè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，構(gòu)造帶北側(cè)到西藏南部地區(qū)吸收了很大一部分印度板塊的推擠作用，反映出在震前相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的應(yīng)力積累。通過(guò)密集的跨喜馬拉雅構(gòu)造帶GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外很多專家獲得了該區(qū)域的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，印度板塊以40 mm/a的速度持續(xù)沿北北東方向下插入歐亞板塊，印度與藏南間跨喜馬拉雅山的地殼匯聚速率約為20 mm/a，吸收了約一半的匯聚速率（Bilham et al，1997； Tapponnier et al，2001；趙斌等，2015），這與震前的基線時(shí)間序列結(jié)果基本一致。震后跨喜馬拉雅構(gòu)造帶兩側(cè)的基線時(shí)間序列雖然存在一定的震后余滑和粘彈性松弛，但本文特別篩選了遠(yuǎn)離震中區(qū)域的喜馬拉雅帶中段西側(cè)和東側(cè)，在充分考慮震后效應(yīng)的同時(shí)分析了其變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力積累過(guò)程并未減緩。同時(shí)，也需要通過(guò)境內(nèi)外連續(xù)站數(shù)據(jù)的積累，對(duì)該區(qū)域的基線變化進(jìn)行持續(xù)關(guān)注。

震源區(qū)西側(cè)基線在尼泊爾地震前后表現(xiàn)出明顯的縮短增強(qiáng)作用，主要反映了青藏高原內(nèi)部2個(gè)測(cè)點(diǎn)在尼泊爾地震后指向震源區(qū)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，震后調(diào)整過(guò)程明顯。震源區(qū)東側(cè)基線表現(xiàn)出穩(wěn)定的地殼縮短效應(yīng)，尼泊爾地震前后動(dòng)態(tài)變化不明顯，反映了該區(qū)域受尼泊爾地震影響較小，為強(qiáng)震調(diào)整過(guò)程中的不變區(qū)，預(yù)示該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力積累可能處于較高水平。

4.3 速度場(chǎng)變化

從2010—2015年與2015—2017年2期速度場(chǎng)變化可以看出，尼泊爾地震之后該區(qū)域地殼形變總體來(lái)說(shuō)有變緩趨勢(shì)，特別是中國(guó)西藏地區(qū)內(nèi)部，但喜馬拉雅構(gòu)造帶南側(cè)站點(diǎn)普遍變現(xiàn)出速度不變或變大，說(shuō)明印度板塊的推擠運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有因?yàn)榇舜蔚卣鹩兴鶞p緩。

國(guó)內(nèi)外很多專家也在尼泊爾地震發(fā)生后進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，特別是震后趨勢(shì)方面，從孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論（李培等，2015）、震后庫(kù)倫應(yīng)力及粘彈性介質(zhì)模型（徐晶等，2016）等多個(gè)方面分析了該區(qū)域的震后形變趨勢(shì)，大部分專家認(rèn)為該地區(qū)仍處于臨界狀態(tài)，應(yīng)力積累仍處于較高水平。結(jié)合本文的研究成果，該區(qū)域的震情趨勢(shì)值得持續(xù)關(guān)注。

感謝AIRA團(tuán)隊(duì)及NASA UNAVCO網(wǎng)站提供的尼泊爾監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文在撰寫(xiě)過(guò)程中得到了占偉博士等一測(cè)中心GPS數(shù)據(jù)解算小組成員的大力支持。同時(shí)感謝審稿專家提出的寶貴修改意見(jiàn)和編輯部老師的熱心幫助，在此表示由衷的感謝！

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Abstract In this paper，we collect the GPS data in the middle section of the Himalayas structural belt before and after the 2015 25th April MW7.8 Gorkha，Nepal earthquake，including observation data from continuous and regional stations，and the data is solved using the BERNESE software.To study the crustal deformation before and after the Nepal earthquake，the coseismic displacement field，the typical baseline time series，and the velocity field analysis are carried out.The results show that the earthquake did not completely release the accumulated stress energy，and the push of the Indian plate did not slow down after the earthquake.Energy accumulation is still at a relatively high level，and we should pay more attention to the seismic risk.

Keywords：the Nepal earthquake；Himalayan structural belt；GPS；BERNESE