尼泊爾MS8.1地震的形變同震響應(yīng)

屈 曼， 馬 棟， 侯曉真， 張 肖， 陳建國(guó)， 劉燕翔

(1．河北省地震局，石家莊 050022； 2．易縣地震臺(tái)，河北 保定 074200； 3．張家口中心臺(tái)，河北 張家口 075000)

尼泊爾MS8.1地震的形變同震響應(yīng)

屈 曼1， 馬 棟1， 侯曉真1， 張 肖2， 陳建國(guó)1， 劉燕翔3

(1．河北省地震局，石家莊 050022； 2．易縣地震臺(tái)，河北 保定 074200； 3．張家口中心臺(tái)，河北 張家口 075000)

通過對(duì)華北地區(qū)洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變以及傾斜觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析，將尼泊爾MS8.1地震引起的同震波動(dòng)幅度和初動(dòng)方向進(jìn)行了歸納總結(jié)，并與其它觀測(cè)手段的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：華北地區(qū)應(yīng)變觀測(cè)資料的EW向壓性初動(dòng)主要集中在EW向的斷裂附近，張性初動(dòng)變化則主要集中在NE向的斷裂附近，NS向同震變化主要是以張性初動(dòng)為主；華北地區(qū)傾斜觀測(cè)EW向的同震變化主要是以西傾初動(dòng)為主，NS向的同震變化主要是以南傾初動(dòng)為主，反映了尼泊爾強(qiáng)震震中以北地區(qū)向南運(yùn)動(dòng)的彈性響應(yīng)過程。

形變；同震響應(yīng)；尼泊爾地震

0 引言

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定：2015年 04月25日14時(shí)11分在尼泊爾發(fā)生了MS8.1地震(28.2°N，84.7°E)，震源深度達(dá)到20 km。本次地震發(fā)生在歐亞板塊和印度板塊的交匯地帶即喜馬拉雅地震帶，由于兩大板塊NS向的推擠作用，引發(fā)了這次低角度的逆沖型地震。

本次尼泊爾強(qiáng)震的發(fā)生受到了很多地震學(xué)家的重視,并開展了多方面研究。張勇等[1]通過快速反演以及地震波與GPS數(shù)據(jù)初步聯(lián)合反演的方式，研究了尼泊爾地震的破裂過程和震源特征；張貝等[2]利用有限元的方法，計(jì)算了尼泊爾強(qiáng)震的同震形變和同震應(yīng)力場(chǎng)的變化情況；占偉等[3]收集和融合了以往的多套GPS資料，對(duì)尼泊爾地震的發(fā)震區(qū)及鄰區(qū)的水平速度場(chǎng)、應(yīng)變率場(chǎng)以及GPS基線時(shí)間序列進(jìn)行了深入的剖析；Ader等[4]通過將GPS流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理分析，總結(jié)了喜馬拉雅斷層的匯集速率和震間耦合特點(diǎn)，并闡述了該地區(qū)未來的地震形勢(shì)。

地震發(fā)生時(shí)，形變數(shù)字化觀測(cè)手段可以記錄到地表傾斜和應(yīng)變的波動(dòng)情況，我們稱之為震時(shí)形變波[5]。本文主要針對(duì)華北地區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變和傾斜的數(shù)字化觀測(cè)資料，經(jīng)過分類篩選將尼泊爾MS8.1地震引起的同震波動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究震時(shí)華北地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整和變化情況。

1 研究區(qū)域及儀器概況

本文研究區(qū)域?yàn)槿A北地區(qū)(28°～45°N，108°～125°E)。主要觀測(cè)手段包括伸縮儀、體應(yīng)變、傾斜儀，觀測(cè)數(shù)據(jù)均為分鐘采樣。研究區(qū)域的伸縮儀為瓦棒伸縮儀，共87個(gè)測(cè)項(xiàng)；鉆孔應(yīng)變儀包括體積式鉆孔應(yīng)變儀和分量鉆孔應(yīng)變儀，共計(jì)37個(gè)測(cè)項(xiàng)；傾斜觀測(cè)儀器包括水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和水平擺傾斜儀，測(cè)項(xiàng)數(shù)依次為76個(gè)、54個(gè)、36個(gè)，共計(jì)166個(gè)傾斜測(cè)項(xiàng)(圖1)。

圖1 華北地區(qū)形變臺(tái)站分布圖

2 應(yīng)變同震變化

同震響應(yīng)主要是根據(jù)尼泊爾強(qiáng)震發(fā)生時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線，從中提取出初動(dòng)方向、最大波動(dòng)幅度和波動(dòng)類型等特征，該波動(dòng)類型主要分為地震形變波形、臺(tái)階、突跳等。根據(jù)尼泊爾強(qiáng)震時(shí)形變儀記錄下的震時(shí)形變波，地震發(fā)生后觀測(cè)曲線初次波動(dòng)的方向?yàn)槌鮿?dòng)方向，其最大波動(dòng)幅度是震時(shí)形變波觀測(cè)值的最大值和最小值之差。

應(yīng)變同震統(tǒng)計(jì)按照儀器的類別和觀測(cè)方向的不同，分別統(tǒng)計(jì)了洞體應(yīng)變NS向、洞體應(yīng)變EW向和鉆孔應(yīng)變的同震變化情況。

2.1 洞體應(yīng)變EW和NS向同震變化

如圖2所示，應(yīng)變初動(dòng)方向以綠色向上三角形為張性變化，紅色向下三角形為壓性變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北地區(qū)洞體應(yīng)變EW向張性初動(dòng)和壓性初動(dòng)的數(shù)量基本一致，張性初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為19個(gè)，壓性初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為21個(gè)，同震變化幅度最大的臺(tái)站是陜西華陰臺(tái)，幅度為7.558×10-7。從張壓性變化的空間位置分析，存在一定的分布規(guī)律，震時(shí)的壓性初動(dòng)的臺(tái)站位置主要集中在EW走向的斷裂附近，而張性初動(dòng)變化的臺(tái)站則主要集中在NE走向的斷裂附近。例如，鄂爾多斯北緣斷裂、秦嶺北麓斷裂等地區(qū)主要是壓性變化，河北平原帶、錦州阜新斷裂和二界溝斷裂附近也表現(xiàn)為壓性變化。

華北地區(qū)洞體應(yīng)變NS向的同震變化主要是以張性初動(dòng)為主，張性初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為25個(gè)，壓性初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為15個(gè)，同震變化幅度最大的臺(tái)站是陜西寧強(qiáng)臺(tái)，幅度為2.048×10-7。從張壓性變化的空間位置分析，未總結(jié)出明顯的分布規(guī)律。

a 華北洞體應(yīng)變EW向 b 華北洞體應(yīng)變NS向圖2 華北洞體應(yīng)變同震響應(yīng)結(jié)果

2.2 鉆孔應(yīng)變同震變化

如圖3所示，華北地區(qū)鉆孔應(yīng)變的同震變化主要是以張性初動(dòng)為主，張性初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為25個(gè)，壓性初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為14個(gè)，同震變化幅度最大的臺(tái)站是江蘇省江寧臺(tái)，幅度為1.631 2×10-4。從張壓性變化的空間位置分析，壓性變化主要分布在北京和張家口附近地區(qū)，華北其他地區(qū)主要是張性初動(dòng)變化。

3 傾斜同震變化分析

傾斜同震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)方法與上述應(yīng)變觀測(cè)的同震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)方法相同。本文分別統(tǒng)計(jì)了EW向和NS向的同震變化，考慮到儀器的精度問題，統(tǒng)計(jì)結(jié)果主要以水管儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)為主，擺式傾斜儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)只作為參考。

圖3 華北鉆孔應(yīng)變同震響應(yīng)結(jié)果

如圖4所示，紅色向西的箭頭表示地面向西傾斜，綠色向東的箭頭表示地面向東傾斜，華北地區(qū)傾斜觀測(cè)EW向的同震變化主要是以西傾初動(dòng)為主，西傾初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為26個(gè)，東傾初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為13個(gè)，同震變化幅度最大的臺(tái)站是內(nèi)蒙古烏加河臺(tái)，變化幅度為7.654×103ms。

華北地區(qū)傾斜觀測(cè)NS向的同震變化主要是以南傾初動(dòng)為主，南傾初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為23個(gè)，北傾初動(dòng)測(cè)項(xiàng)數(shù)為14個(gè)，同震變化幅度最大的臺(tái)站是內(nèi)蒙古烏加河臺(tái)，變化幅度為2.822×103ms。

4 討論及結(jié)論

4.1 同震變化幅度分析

根據(jù)觀測(cè)方向和初動(dòng)方向的不同，對(duì)研究區(qū)域的洞體應(yīng)變儀和水管傾斜儀的同震變化幅度分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。從變化幅度和變化規(guī)律來看， 洞體

圖4 華北傾斜觀測(cè)EW(左)和NS(右)向同震響應(yīng)結(jié)果

應(yīng)變EW向的同震變化幅度相對(duì)于NS向的同震變化幅度要大一些；水管傾斜儀的同震變化幅度相差不大。

如圖5所示，分別統(tǒng)計(jì)了洞體應(yīng)變EW向壓性初動(dòng)、EW向張性初動(dòng)、NS向壓性初動(dòng)和NS向張性初動(dòng)的變化幅度，縱軸表示變化幅度的大小，橫軸表示不同臺(tái)站測(cè)點(diǎn)，其順序分別為按照震中距由小到大排序。通過統(tǒng)計(jì)對(duì)比，NS向同震變化幅度基本在2×10-7以下，而EW向同震變化幅度接近以及大于2×10-7的測(cè)點(diǎn)數(shù)量幾乎占據(jù)了總測(cè)點(diǎn)數(shù)的一半，可以明顯看出EW向總體的變化幅度大于NS向的變化幅度。隨著經(jīng)緯度的增大即震中距的增大，未發(fā)現(xiàn)同震變化幅度有明顯的減小以及逐漸衰減的過程，但是可以大致看出起伏波動(dòng)的變化，此現(xiàn)象一定程度上反映了地震波能量的傳播過程，此外，也與不同儀器的靈敏度以及性能密切相關(guān)。

圖5 洞體應(yīng)變同震變化幅度統(tǒng)計(jì)圖

4.2 庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

盛書中等[6]依據(jù)構(gòu)造外推以及重復(fù)地震的理論，利用國(guó)內(nèi)以往中強(qiáng)地震的震源機(jī)制解，得到了本次地震對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)狀態(tài)。其結(jié)果表明，庫倫應(yīng)力發(fā)生明顯改變的地區(qū)主要集中在新疆和西藏附近的一些斷層上；南北帶附近的計(jì)算結(jié)果主要表現(xiàn)為庫倫應(yīng)力卸載，并且變化量級(jí)相對(duì)較?。欢A北地區(qū)的主要斷層都位于庫倫應(yīng)力的影區(qū)內(nèi)，應(yīng)力加載的地區(qū)僅限于山西平遙等少數(shù)地震斷層。由此可以看出，本次尼泊爾強(qiáng)震對(duì)我國(guó)西部產(chǎn)生的影響比較大，而對(duì)華北地區(qū)產(chǎn)生的庫倫應(yīng)力的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.01 MPa的觸發(fā)閾值。

通過對(duì)華北地區(qū)應(yīng)變和傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)的同震波形統(tǒng)計(jì)分析，不同測(cè)點(diǎn)的同震波形的最大變化幅度可能隨著測(cè)點(diǎn)的位置以及儀器靈敏度的不同而出現(xiàn)波動(dòng)，但是大多數(shù)的觀測(cè)曲線在震時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，之后都會(huì)逐漸恢復(fù)到和震前基本相當(dāng)?shù)淖兓?。由此可見，尼泊爾?qiáng)震對(duì)于華北地區(qū)的影響相對(duì)偏小，與庫倫應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果較為一致。

4.3 GPS解算結(jié)果對(duì)比分析

占偉等[3]將以往地震學(xué)者解算的尼泊爾及附近地區(qū)的多個(gè)GPS速度場(chǎng)結(jié)果融合起來，獲得了在近似統(tǒng)一參考框架下的速度場(chǎng)結(jié)果。GPS應(yīng)變率場(chǎng)的解算結(jié)果表明，尼泊爾地震震中附近的應(yīng)變量在近NS向的高值過渡區(qū)內(nèi)，并且GPS基線時(shí)間序列也出現(xiàn)連續(xù)的縮短現(xiàn)象，尤其是近3年以來這種縮短現(xiàn)象有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，這些解算結(jié)果表明印度板塊不斷地推擠歐亞板塊，以至于出現(xiàn)地殼形變，并且這種推擠作用在逐漸地增強(qiáng)。與此同時(shí)，GPS同震位移的解算結(jié)果也顯示出，青藏高原地區(qū)多個(gè)站點(diǎn)朝向震中的方向向南移動(dòng)，說明了尼泊爾強(qiáng)震的發(fā)生造成了西藏地區(qū)的逆沖應(yīng)變釋放的現(xiàn)象，并且波及范圍比較大。

本文統(tǒng)計(jì)的華北地區(qū)傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，同震初動(dòng)以南傾為主，應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果也顯示NS向以張性初動(dòng)變化為主，與GPS解算結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

2015年4月25日尼泊爾MS8.1級(jí)強(qiáng)震的發(fā)生雖然在中國(guó)境外，但是它的影響范圍不僅僅是我國(guó)的西藏地區(qū)，甚至對(duì)我國(guó)華北地區(qū)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過對(duì)華北地區(qū)應(yīng)變觀測(cè)和傾斜觀測(cè)資料同震響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析(暫不考慮儀器的性能和差別)，得到以下結(jié)論：

1)華北地區(qū)應(yīng)變觀測(cè)資料的EW向壓性初動(dòng)主要集中在EW走向的斷裂附近，張性初動(dòng)變化則主要集中在NE走向的斷裂附近；NS向同震變化主要是以張性初動(dòng)為主；洞體應(yīng)變EW向的同震變化幅度要高于NS向的同震變化幅度。

2)華北地區(qū)傾斜觀測(cè)EW向的同震變化主要是以西傾初動(dòng)為主；NS向的同震變化主要是以南傾初動(dòng)為主。

3)華北地區(qū)NS向的張性和南傾的結(jié)果與GPS解算結(jié)果較為一致，反映了震中以北地區(qū)向南運(yùn)動(dòng)的彈性響應(yīng)過程。

[1] 張勇, 許力生, 陳運(yùn)泰. 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(xué)報(bào), 2015, 58(5): 1804-1811.

[2] 張貝, 程惠紅, 石耀霖. 2015年4月25日尼泊爾MS8.1大地震的同震效應(yīng)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2015, 58(5): 1794-1803.

[3] 占偉, 武艷強(qiáng), 梁洪寶, 等. GPS觀測(cè)結(jié)果反映的尼泊爾MW7.8地震孕震特征[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2015, 58(5): 1818-1826.

[4] Ader T, Avouac J P, Jing L Z, et al. Convergence rate across the Nepal Himalaya and interseismic coupling on the main Himalayan Thrust: implications for seismic hazard[J]. Journal of Geophysical Research, 2012, 117(B4): B04403, doi: 10.1029/2011JB009071.

[5] 牛安福, 張晶, 吉平. 強(qiáng)地震引起的同震形變響應(yīng)[J]. 內(nèi)陸地震, 2005, 19(1): 1-7.

[6] 盛書中, 萬永革, 蔣長(zhǎng)勝, 等. 2015年尼泊爾MS8.1強(qiáng)震對(duì)中國(guó)大陸靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)影響的初探[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2015, 58(5): 1834-1842.

Coseismic Deformation Effect of the NepalMS8.1 Earthquake

QU Man1, MA Dong1, HOU Xiao-zhen1, ZHANG Xiao2, CHEN Jian-guo1, LIU Yan-xiang2

(1.Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050022,China; 2.Yixian Seismic Station, Yixian 074200,China; 3.Zhangjiakou Seismic Station, Zhangjiakou 075000, China)

Based on the data of cave strain, borehole strain and tilt observations on North China, the first motion direction and volatility caused by NepalMS8.1 earthquake are summarized, and compared with the results of other observing instruments. The results show that in North China the pressure of the first motion of EW strain observations is mainly concentrated in the vicinity of the east-west fault, while the tension of the first motion is mainly concentrated in the north-east fault nearby; the NS coseismic change is tension of the first motion. Coseismic changes of EW tilt observations in North China mainly tilt are westward, while coseismic changes of NS tilt observations mainly tilt are southward. This results show that the north of epicenter of Nepal earthquake moves southward and its strain have been released.

deformation; coseismic response; Nepal earthquake

2016-07-21

河北省地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目“GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用研究”(DZ20140703003)；“河北地區(qū)GPS速度場(chǎng)變化對(duì)比分析”(DZ20160329010)

屈曼(1986—)，女，河北石家莊人，助理工程師，主要從事地殼形變與地震預(yù)測(cè)方面的研究．E-mail：quman_2016@qq.com

P315.725

A

1003-1375(2017)02-0010-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.002