基于GPS資料研究喜馬拉雅構造帶中段地殼形變特征

郭炳輝 郭博峰 李經(jīng)緯 黨學會

摘要：利用2015年尼泊爾MW7.8地震發(fā)生前后喜馬拉雅構造帶中段地區(qū)境內(nèi)外的GPS連續(xù)站及流動站資料，以優(yōu)化后的BERNESE解算策略進行數(shù)據(jù)解算，通過同震位移場分析、典型基線的時間序列分析、速度場動態(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。結果表明：該次地震并沒有完全釋放應力積累能量，震后印度板塊推擠作用并未減緩，該區(qū)域構造應力積累仍處于較高水平，震情形勢值得關注。

關鍵詞：尼泊爾地震；喜馬拉雅構造帶；GPS；BERNESE

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0398-09

0 引言

喜馬拉雅構造帶歷史地震活動強度大，對中國大陸構造環(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，引起我國西藏日喀則等地區(qū)強烈余震，此次大震引起的動力調整過程無疑會對中國大陸（特別是中國大陸中西部地區(qū)，青藏高原及其東部、北部臨近地區(qū)）的震情形勢產(chǎn)生深遠影響（杜方等，2016；徐晶等，2016）。地震發(fā)生后，國內(nèi)外專家學者利用GPS和InSAR資料迅速給出了同震位移及地表破裂結果（Wu et al，2016；單新建等，2015；占偉等，2015，Lindsey et al，2015），取得了一定的認識。

本文收集了該區(qū)域“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡（CMONOC，以下簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡）”、尼泊爾監(jiān)測網(wǎng)絡（境外）2010—2017年GPS連續(xù)站和流動站觀測資料，特別是尼泊爾地震前后應急觀測數(shù)據(jù)，通過更為豐富和精確的GPS觀測資料，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，采用改進后的GPS數(shù)據(jù)解算策略對“陸態(tài)網(wǎng)絡”和尼泊爾監(jiān)測網(wǎng)絡2010—2017年GPS觀測數(shù)據(jù)進行解算，得到該區(qū)域連續(xù)站的時間序列及震前、震后速度場結果；然后，利用更加精確的GPS連續(xù)觀測資料計算同震位移，得到較為準確的同震位移場結果；最后，通過“陸態(tài)網(wǎng)絡”和尼泊爾監(jiān)測網(wǎng)絡最新的數(shù)據(jù)進行基線時間序列分析以及喜馬拉雅構造帶中段速度場的動態(tài)變化分析，基于上述結果，對喜馬拉雅構造帶中段區(qū)域的地殼形變進行綜合分析。

1 GPS同震位移場

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“陸態(tài)網(wǎng)絡”連續(xù)站數(shù)據(jù)、中國地震局第一監(jiān)測中心（以下簡稱一測中心）3個新建連續(xù)站數(shù)據(jù)、ARIA團隊建立的尼泊爾連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)絡（由NASA UNAVCO網(wǎng)站提供原始觀測數(shù)據(jù)）28個連續(xù)站和一測中心在尼泊爾地震前后觀測得到的震前震后20個流動站數(shù)據(jù)（觀測時間分別是震前40 d和震后30 d內(nèi)），如圖1所示?；谝陨县S富的GPS連續(xù)和流動觀測數(shù)據(jù)，采用BERNESE軟件進行處理，分別計算了同震位移場、跨喜馬拉雅構造帶2側典型基線時間序列以及震前、震后2期速度場，以此分析喜馬拉雅構造帶中段近期地殼形變特征和趨勢。

在數(shù)據(jù)處理策略方面，本文利用BERNESE軟件，將所有流動站、連續(xù)站數(shù)據(jù)放在一起進行不分區(qū)模式處理，同時選取全球框架下較為穩(wěn)定的約37個IGB08核心站在統(tǒng)一框架下進行整體平差，這樣避免了GAMIT軟件因為每次只能處理不超過100個站而必須進行分區(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)缺點對比郭炳輝等（2016）有所提及。

1.2 同震位移場

圖2為同震水平位移場結果，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動的趨勢，靠近震中區(qū)域的站點水平位移方向與主前山斷裂帶MFT走向近垂直，且最大水平位移達到1.84 m（KKN4站點，該站點位于震中東邊40 km處）；西藏南部地區(qū)的流動站點的水平位移方向相對于尼泊爾境內(nèi)的連續(xù)站點的位移方向，發(fā)生一定角度的改變，且呈現(xiàn)兩側向最大位移區(qū)域匯聚的趨勢。

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

圖3為同震垂直位移場結果，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動，最大位移達1.25 m左右（KKN4站點）；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種運動趨勢，KKN4站點以北的CHLM站點具有近60 cm垂直向下運動，CHLM站點以東的J041站點具有近8 cm垂直向下位移；然而遠離最大變形區(qū)的西藏南部具有垂直向上運動的趨勢，最大形變量可達1～2 cm。

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

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

2 基線時間序列

GPS站間大地線（橢球面上連接兩點的最短弧線）弧長作為基線長度，對 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基線長度不受參考框架本身漂移、旋轉等因素影響，可以較為客觀地反映地殼相對運動變化信息（江在森等，2009）。利用BERNESE軟件解算得到的中國大陸“陸態(tài)網(wǎng)絡”連續(xù)站、一

測中心連續(xù)站時間序列以及尼泊爾監(jiān)測網(wǎng)絡連續(xù)站時間序列，進行粗差剔除、階躍修復，并通過去除線性和周期變化得到的測站坐標時間序列文件。在跨喜馬拉雅帶中段兩側典型測站篩選了一些連續(xù)站基線時間序列，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基線結果對比

2015年尼泊爾MW7.8地震同震和震前形變結果顯示：尼泊爾地震導致了青藏高原中部地區(qū)顯著的拉張應變釋放，但高原東、西部應變釋放量值有限。為了進一步研究該地震對青藏高原的影響，給出了震源區(qū)東西兩側跨喜馬拉雅構造帶GPS基線結果（如圖4所示，所選測站在尼泊爾同震過程中變形均不顯著）。結果顯示，震源區(qū)西側基線在尼泊爾地震前后表現(xiàn)出明顯的縮短增強作用，主要反映了青藏高原內(nèi)部2個測點在尼泊爾地震后指向震源區(qū)運動增強，震后調整過程明顯。震源區(qū)東側基線表現(xiàn)出穩(wěn)定的地殼縮短效應，尼泊爾地震前后動態(tài)變化不明顯，反映了該區(qū)域受尼泊爾地震影響較小，為強震調整過程中的不變區(qū)，預示該區(qū)的構造應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)東側受該地區(qū)震后影響不明顯，維持穩(wěn)定的應變積累特征，有利于強震孕育過程。

2.2 跨喜馬拉雅構造帶與構造帶兩側GPS基線結果對比 為了研究地震前后跨喜馬拉雅構造帶與構造帶兩側GPS基線不同變化趨勢，選取了緊靠構造帶兩側的尼泊爾境內(nèi)連續(xù)觀測站點，將以上站點和喜馬拉雅構造帶南側到中國西藏境內(nèi)連續(xù)站之間不同的幾條GPS基線進行對比。

如圖5所示，尼泊爾境內(nèi)緊靠構造帶的GRHI站（南側）到西藏仲巴站的基線時間序列呈縮短態(tài)勢，約12 mm/a，喜馬拉雅構造帶中部東側的BRN2（南側）到西藏日喀則站的基線時間序列也呈現(xiàn)約12 mm/a的縮短趨勢。緊靠構造帶兩側的GRHI（南側）和PYUT（北側）站也是一直呈現(xiàn)縮短趨勢，但量級較小，約4 mm/a，喜馬拉雅構造帶中段東側的BRN2（南側）與北側的TPLJ站基線時間序列也呈約4 mm/a的壓縮趨勢。說明構造帶北側到西藏南部地區(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，震后的基線時間序列顯示，此應力積累過程并未減緩。構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，但是構造帶東部地區(qū)受到的影響較小，應力積累一直在持續(xù)，有利于強震孕育。3 速度場變化

通過連續(xù)站時間序列擬合出了尼泊爾地震前后研究區(qū)域2期速度場，通過速度場對比可以發(fā)現(xiàn)，總體來說有變緩趨勢，特別是中國西藏地區(qū)內(nèi)部，大部分測站速度有變緩趨勢。但構造帶南側站點普遍表現(xiàn)出速度不變或變大，說明印度板塊的運動并沒有因為此次地震有所減緩，該地區(qū)未來的震情趨勢值得持續(xù)關注。因為目前2015—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)擬合的速度場還有一定差距，所有結果值得進一步討論，特別是對于尼泊爾地區(qū)連續(xù)站，因為震后進行了儀器更新和新站建設，還需要積累數(shù)據(jù)進行重新評估。

4 討論和結論

4.1 同震位移場

基于BERNESE解算得到的同震位移場結果與目前的認識和結論基本相符。根據(jù)前人研究成果，1934年Bihar-Nepal MW8.1地震與1905年Kangra MW7.8 地震之間存在一個沿喜馬拉雅造山帶走向長約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個世紀的時間內(nèi)，該地震空區(qū)沒有發(fā)生8級以上的大地震（Stevens et al，2015）。同時，該區(qū)域的西段上一次發(fā)生8級以上的地震的時間是公元1505年，根據(jù)地質調查結果及經(jīng)驗公式計算，該次地震的破裂滑移虧損可達10 m。然而根據(jù)2015年尼泊爾地震地震波及大地測量的反演破裂結果顯示，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有完全釋放應力積累能量，誘發(fā)的震級要比預測的小。因此，該地區(qū)后期震情形勢值得持續(xù)關注。

4.2 基線時間序列

基線時間序列基本能夠反映斷層兩側運動趨勢，構造帶北側到西藏南部地區(qū)吸收了很大一部分印度板塊的推擠作用，反映出在震前相當長一段時間的應力積累。通過密集的跨喜馬拉雅構造帶GPS監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，國內(nèi)外很多專家獲得了該區(qū)域的運動趨勢，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），這與震前的基線時間序列結果基本一致。震后跨喜馬拉雅構造帶兩側的基線時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離震中區(qū)域的喜馬拉雅帶中段西側和東側，在充分考慮震后效應的同時分析了其變化趨勢，發(fā)現(xiàn)其應力積累過程并未減緩。同時，也需要通過境內(nèi)外連續(xù)站數(shù)據(jù)的積累，對該區(qū)域的基線變化進行持續(xù)關注。

震源區(qū)西側基線在尼泊爾地震前后表現(xiàn)出明顯的縮短增強作用，主要反映了青藏高原內(nèi)部2個測點在尼泊爾地震后指向震源區(qū)運動增強，震后調整過程明顯。震源區(qū)東側基線表現(xiàn)出穩(wěn)定的地殼縮短效應，尼泊爾地震前后動態(tài)變化不明顯，反映了該區(qū)域受尼泊爾地震影響較小，為強震調整過程中的不變區(qū)，預示該區(qū)的構造應力積累可能處于較高水平。

4.3 速度場變化

從2010—2015年與2015—2017年2期速度場變化可以看出，尼泊爾地震之后該區(qū)域地殼形變總體來說有變緩趨勢，特別是中國西藏地區(qū)內(nèi)部，但喜馬拉雅構造帶南側站點普遍變現(xiàn)出速度不變或變大，說明印度板塊的推擠運動并沒有因為此次地震有所減緩。

國內(nèi)外很多專家也在尼泊爾地震發(fā)生后進行了較為詳細的研究，特別是震后趨勢方面，從孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論（李培等，2015）、震后庫倫應力及粘彈性介質模型（徐晶等，2016）等多個方面分析了該區(qū)域的震后形變趨勢，大部分專家認為該地區(qū)仍處于臨界狀態(tài)，應力積累仍處于較高水平。結合本文的研究成果，該區(qū)域的震情趨勢值得持續(xù)關注。

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

參考文獻：

單新建，張國宏，汪馳升，等.2015.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[J].地球物理學報，58（11）：4266-4276.

杜方，旦增，朱德富.2016.2015年尼泊爾8.1級地震與喜馬拉雅弧的歷史地震研究[J].地震研究，39（2）：177-186.

郭炳輝，呂志鵬，黨學會，等.2016.基于BERNESE的GNSS連續(xù)站坐標時間序列解算策略研究[J].華北地震科學，34（2）：7-12.

江在森，武艷強，方穎，等.2009.汶川8.0級地震前區(qū)域地殼運動與應變場動態(tài)特征[J].地震，29（1）：68-76.

李培，秦四清，薛雷，等.2015.2015年4月25日尼泊爾MW7.8地震孕育過程分析與震后趨勢研判[J].地球物理學報，58（5）：1827-1833.

譚凱，趙斌，張彩紅，等.2016.GPS和InSAR同震形變約束的尼泊爾MW7.9和MW7.3地震破裂滑動分布[J].地球物理學報，59（6）：2080-2093.

徐晶，李海艷，邵志剛，等.2016.基于庫侖應力變化分析2015年尼泊爾MS8.1地震對中國大陸的影響[J].地震，36（1）：69-77.

占偉，武艷強，梁洪寶，等.2015.GPS觀測結果反映的尼泊爾MW7.8地震孕震特征[J].地球物理學報，58（5）：1818-1826.

張勇，許力生，陳運泰.2015.2015年尼泊爾MW7.9地震破裂過程：快速反演與初步聯(lián)合反演[J].地球物理學報，58（5）：1804-1811.

趙斌，杜瑞林，張銳，等.2015.GPS測定的尼泊爾MW7.9和MW7.3級地震同震形變場[J].科學通報（S2）：2758-2764.

Ader T，Avouac J P，Jing L Z，et al.2012.Convergence rate across the Nepal Himalaya and inter-seismic coupling on the Main Himalayan Thrust：Implications for seismic hazard[J].J Geophys Res，17（B04403），1-16.

Bilham R，Larson K，F(xiàn)reymueller J T.1997.GPS measurements of present-day convergence across the Nepal Himalaya[J].Nature，386（6620）：61-64.

Fan W，Shearer P M.2015.Detailed rupture imaging of the 25 April 2015 Nepal earthquake using tele-seismic P waves[J].Geophys Res Lett，42（14）：5744-5752.

Lindsey E O，Natsuaki R，Xu X H，et al.2015.Line-of -sightdisplacement from ALOS-2 Interferometry：MW7.8 Gorkha earthquake and MW7.3 aftershock[J].Geophys Res Lett，42（16）：6655-6661.

Stevens V L，Avouac J P.2015.Inter-seismic coupling on the main Himalayan thrust[J].Geophysical Research Letters，42（14）：5828-5837.

Tapponnier P，Xu Z Q，Roger F，et al.2001.Oblique stepwise rise and growth of the Tibet plateau[J]. Science，294（5547）：1671-1677，doi：10.1126/science.105978.

Wu Y Q，Jiang Z S，Liang H B，et al.2016.Coseismic deformations of the 2015 MW7.8 Gorkha earthquake and interseismic strain accumulation in the Himalayan tectonic belt and Tibetan plateau[J].Tectonophysics，670：144-154，doi：10.1016/j.tecto.2015.12.028.

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