劉剛, 王琪, 喬學(xué)軍, 楊少敏, 游新兆,張銳, 趙斌, 譚凱, 鄒蓉, 方榮新

1 中國地震局地震研究所,中國地震局地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430071 2 中國地質(zhì)大學(xué),地球物理與空間信息學(xué)院, 武漢 430074 3 地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心, 北京 100036 4 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心, 武漢 430079

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用連續(xù)GPS與遠(yuǎn)震體波聯(lián)合反演2015年尼泊爾中部MS8.1地震破裂過程

劉剛1,2, 王琪2*, 喬學(xué)軍1, 楊少敏1, 游新兆3,張銳3, 趙斌1, 譚凱1, 鄒蓉2, 方榮新4

1 中國地震局地震研究所,中國地震局地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430071 2 中國地質(zhì)大學(xué),地球物理與空間信息學(xué)院, 武漢 430074 3 地殼運(yùn)動監(jiān)測工程研究中心, 北京 100036 4 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心, 武漢 430079

由于印度-歐亞板塊碰撞，位于板塊邊界帶的喜馬拉雅地區(qū)大震頻繁，但對其活動性的認(rèn)識仍十分有限.2015年4月25日尼泊爾中東部地區(qū)時隔80年再次發(fā)生8級地震，為研究板緣地震提供了一次難得機(jī)遇.本文用西藏和尼泊爾的GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)和全球分布的遠(yuǎn)震地震波記錄聯(lián)合反演此次特大地震的破裂過程，結(jié)果顯示此次地震發(fā)生在印度板塊與青藏高原接觸邊界面——喜馬拉雅主滑脫斷層上.北傾11°、近東西(295°)走向的斷層面破裂約100 km長(博卡拉到加德滿都)，130 km寬(從加德滿都深入我國西藏吉隆縣), 破裂以逆沖滑動為主，平均幅度達(dá)到2.4 m，釋放的地震矩高達(dá)9.4×1020N·m.反演結(jié)果還顯示，震源體主要破裂分布深度范圍為5～25 km，應(yīng)無地表破裂，屬于一次盲地震.基于GPS資料推測的地殼現(xiàn)今運(yùn)動速率及1833年地震的震源位置，我們推測地震在此次地震破裂區(qū)域復(fù)發(fā)的周期可能為150～200 a，而極震區(qū)以南的深部滑脫斷層仍保持閉鎖，未來仍有導(dǎo)致災(zāi)害性大震的可能性.

尼泊爾MS8.1地震； 破裂模型； 時空分布； GPS與遠(yuǎn)震體波聯(lián)合反演

1 引言

喜馬拉雅是全球大陸地震最活躍的地區(qū)之一，僅過去的一個世紀(jì)就曾發(fā)生多起8級左右的特大地震(Bilham et al., 2001; Kumar et al., 2010)，進(jìn)入新世紀(jì)來，曾出現(xiàn)過2005年克什米爾MW7.6地震(Pathier et al., 2006)，而2015年4月25日尼泊爾中東部郎唐地區(qū)(Lamjung)的MS8.1級地震則是自1950年察隅地震后，喜馬拉雅地區(qū)震級又一次達(dá)到8級的地震.據(jù)全球臺網(wǎng)觀測，該次地震發(fā)生于UTC時間06:11:26.2，破裂從博卡拉下方開始，在此后約80 s時間，破裂(圖1)向東偏南方向單側(cè)擴(kuò)展，延伸到加德滿都以東，并引發(fā)60余次(MW>4)余震, 其中兩次為MW6.7、6.8強(qiáng)震.盡管極震區(qū)主要位于喜馬拉雅南緣的尼泊爾境內(nèi)，但地震也波及到喜馬拉雅北緣的西藏定日、聶拉木、吉隆三地，地震當(dāng)日境內(nèi)曾誘發(fā)出一次MS5.9地震.

喜馬拉雅地區(qū)處于大陸板塊邊界，其高海拔、陡峭地形和高山地貌是印度-歐亞板塊長時間大幅度匯聚縮短、地殼增厚和山體隆升的結(jié)果( Harrison et al., 1992; Avouac et al., 2003).該地區(qū)近來人口快速增長，但嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)是一旦大震降臨，災(zāi)害效應(yīng)也急劇擴(kuò)大(Bilham et al., 2001)，傷亡往往格外慘烈，2005年克什米爾地震即是顯證.本次地震也不例外，截至5月5日已導(dǎo)致7300余人死亡，大量房屋毀損，震區(qū)數(shù)百萬民眾不同程度受災(zāi).因此對該地區(qū)大震活動性的研究需求十分迫切，而此次地震對研究板緣地帶的大震成因機(jī)制提供了一次難得機(jī)遇.我們利用“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)西藏境內(nèi)GPS基準(zhǔn)站和尼泊爾境內(nèi)加州理工學(xué)院布設(shè)的GPS連續(xù)觀測臺網(wǎng)(Ader et al., 2012)，結(jié)合全球地震臺網(wǎng)資料反演本次地震的破裂過程，特別是通過近場強(qiáng)地面運(yùn)動GPS觀測展示大陸板緣地帶一次逆沖型特大地震的震源時空分布.

2 資料和方法

地震發(fā)生后，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼給出了基于遠(yuǎn)震地震波資料反演的震源模型(張勇，2015； 王衛(wèi)民，2015; USGS，2015；Wei Shengji，2015；Yagi and Okuwaki， 2015)，這些模型具有大致相同的破裂特征，但模型之間的差異也十分明顯.張勇等(2015)在此基礎(chǔ)上，利用境外兩個GPS點(diǎn)的同震形變作為約束，初步聯(lián)合反演了此次地震的破裂過程，對破裂模型進(jìn)行了一定程度的修訂.以往的實(shí)踐表明，近場的強(qiáng)地面觀測可在一定程度彌補(bǔ)由于遠(yuǎn)震紀(jì)錄對破裂細(xì)節(jié)不敏感的缺陷，恰巧本次地震我國境內(nèi)分布了一定數(shù)量的高頻GPS連續(xù)觀測站，本文利用連續(xù)GPS揭示的近場強(qiáng)地面運(yùn)動、永久同震形變與全球均勻分布的遠(yuǎn)震P波，聯(lián)合反演了此次地震的破裂過程，以優(yōu)化現(xiàn)有的破裂模型細(xì)節(jié)特征.

2.1 GPS與遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)

本文所用14個GPS臺站的地理分布如圖1所示，其中境內(nèi)的5個GPS站距離震中相對較遠(yuǎn)，較近的3個臺站(XZZB、XZAR、XZZF)分別位于震中的西北、東北和正東方位，震中距大約170～300 km.除位于拉薩的GPS站外，境內(nèi)的4個站全部為基巖觀測墩(李強(qiáng)等，2012)，采用Trimble接收機(jī)和扼流圈天線，其已穩(wěn)定運(yùn)行3年有余.這4個站以0.02、1及30 s采樣三種方式記錄數(shù)據(jù)，其中1 s高頻采樣數(shù)據(jù)每隔1 h上傳到北京的“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”數(shù)據(jù)中心.境外9個連續(xù)觀測GPS站均距震中較近，最近的CHLM、KKN4、NAST位于極震區(qū)內(nèi)，震中距分別為60 km、70 km和80 km.境外GPS站公布了15 s采樣數(shù)據(jù)，上傳到美國UNAVCO的數(shù)據(jù)庫(http:∥www.unavco.org)供自由下載.本文所用遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)由國際地震學(xué)聯(lián)合會(IRIS)地震數(shù)據(jù)中心提供，我們選取了全球地震臺網(wǎng)中震中距30°～90°范圍、信噪比較高且方位角均勻分布的43個臺站的垂向P波紀(jì)錄(圖1).數(shù)據(jù)的時間窗口為110 s , 各窗口起始時刻設(shè)定為P波達(dá)到前10 s.

2.2 同震靜態(tài)位移與動態(tài)波形

圖1中12個GPS站30 s采樣數(shù)據(jù)被用于計算由于地震導(dǎo)致的永久性位移.數(shù)據(jù)處理采用GIPSY軟件，以各站24 h觀測數(shù)據(jù)為一個單元，首先計算各站震前、震后各三天在ITRF框架下的坐標(biāo)位置，坐標(biāo)解算選用了IGS發(fā)布的最終精密星歷和衛(wèi)星鐘差，采用PPP靜態(tài)處理策略和各種標(biāo)準(zhǔn)模型(Zumberge et al., 1997)，以前后三日坐標(biāo)均值的差分估計同震位移(圖1)，其水平誤差為4 mm，垂直誤差約為10 mm.境內(nèi)GPS站的位移大致在5～30 mm范圍，全部指向地震震中.境外各站中，位于極震區(qū)的三個站南向移動1.3～1.9 m，西向位移0.2～0.5 m, 隆升達(dá)0.6～1.3 m.

我們采用PANDA軟件(Shi et al., 2010; Fang et al., 2013)，按PPP瞬時精密定位(Larson et al., 2003)處理1 s采樣數(shù)據(jù)，獲取各站的地震動態(tài)位移.數(shù)據(jù)處理選用IGS發(fā)布的快速星歷和鐘差.瞬時坐標(biāo)的解算精度水平向優(yōu)于2 cm，垂直向優(yōu)于3 cm. 1 s采樣GPS站動態(tài)效應(yīng)得到充分展示，其中XZZF、XZAR、XZRK水平向動態(tài)幅度達(dá)12 cm左右(圖1), 是靜態(tài)同震位移的6～10倍.甚至600 km以外的LHAS站的波形信號也十分清晰.不過距離較近的XZZB站的波形信號微弱，多路徑效應(yīng)相對突出，動態(tài)波形的信噪比不高，為此特別利用震前三日的數(shù)據(jù)對該站地震動態(tài)位移時間序列進(jìn)行恒星日濾波(Choi et al., 2004 ).

圖1 尼泊爾MW7.9地震的滑動分布及GPS揭示的永久同震位移、動態(tài)形變波GPS水平同震位移以藍(lán)、綠、紅邊框箭頭及95%的置信區(qū)間表示的不同尺度的形變量組成，垂直位移以點(diǎn)位處的不同顏色柱體表示，圖左上方的插入圖像為圖中白色方框區(qū)域，標(biāo)明了此處的GPS位移矢量；動態(tài)形變波形以歸一化尺度繪制于點(diǎn)位四周，波形附近的同色數(shù)字表示最大振幅值，單位為m；黑色粗線為發(fā)震斷層；灰色細(xì)線為繪圖區(qū)域的主要斷裂；黑色方框?yàn)楸疚臄鄬幽Ｐ瓦吔缭诘乇硖幫队?；紅色及粉色圓圈為余震分布；紅色五角星為震源位置；灰色圓點(diǎn)表示城市或城鎮(zhèn)位置；圖右上角插入的地球模型上的品紅色圓點(diǎn)為聯(lián)合反演的遠(yuǎn)震地震臺站分布.Fig.1 Slip distribution and surface deformation including permanent offset and kinematic wave inferred from GPS measurementsThe horizontal displacements are depicted using differently scaled arrows with 95% confidence ellipses, as well as the vertical displacements are inferred by the rectangles fitted with different color. The upper left insert shows the GPS displacements in the white rectangle in detail. The locations of the XZAR, XZRK, XZZF, LHAZ, and XZZB station are surrounding the corresponding kinematic deformation waves, respectively, and the max amplitudes are annotated nearby with same colors. Black heavy line indicates the causative fault. Gray thin line shows the main faults in mapping area. Black solidline box outlines the profile of the fault model. Red and pink circles correspond to the aftershocks with magnitude greater than MW6.6 and smaller than MW6.0, respectively. Red star shows the epicenter. Gray dots with white circle infer the locations of cities and towns. Magenta dots on the earth model inserted on the right upper depict the distribution of teleseismic waves used in this paper.

2.3 反演算法

本文采用有限斷層位錯模型反演破裂時空過程.破裂被限定在走向295°、傾角11°、長210 km、寬為160 km的單一矩形平面內(nèi)，該斷層面與USGS公布的震源機(jī)制解相一致，也與喜馬拉雅主滑脫斷層的產(chǎn)狀相似(Schult-Pelkum et al.,2005).模型斷層面被進(jìn)一步劃分為21×8=168個子斷層，每個子斷層的尺度為20 km×10 km.其中走向方向上第11個、傾向方向上第4個子斷層設(shè)為初始破裂點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)于USGS公布的震源位置(28.147°N, 84.708°E，depth=15 km).

反演基于多時窗疊加的線性算法(Hertzell and Heaton, 1983)，將子斷層的震源時間函數(shù)表示為5個上升時間為2 s的三角函數(shù)的疊加，通過非負(fù)最小二乘法線性解算每個三角函數(shù)的幅度，最佳擬合GPS站同震三維靜態(tài)位移、動態(tài)波形及遠(yuǎn)震P波垂直分量，進(jìn)而得到子斷層的地震矩和滑動矢量.遠(yuǎn)場體波的格林函數(shù)計算基于反射法(Kikuchi and Kanamori,1991)和一維分層的全球速度模型PREM，對波形數(shù)據(jù)和對應(yīng)的格林函數(shù)進(jìn)行0.002～1 Hz帶通濾波；動態(tài)GPS波形的格林函數(shù)則基于青藏高原一維速度結(jié)構(gòu)模型(Wang et al., 2007)，使用頻率波數(shù)法計算得到(Zhu and Rivera,2002)，而GPS靜態(tài)位移的格林函數(shù)計算基于同樣的巖石區(qū)速度結(jié)構(gòu)，采用分層彈性半空間的位錯模型計算(Wang et al. 2003).

2.4 棋盤測試

約束破裂模型的數(shù)據(jù)由于其不同的空間分布和數(shù)據(jù)類型，對震源破裂過程具有不同分辨力(Yue and Lay, 2013).本文設(shè)計了三組棋盤測試來檢驗(yàn)用于反演的三種數(shù)據(jù)單獨(dú)模型及聯(lián)合模型的分辨力：(1) 走向傾向均分布兩個凹凸體于斷層面邊界上(2×2，圖2左列)；(2) 走向傾向分別分布兩個與三個凹凸體于斷層面邊界與內(nèi)部(2×3，圖2中間列)；(3) 走向傾向分別分布三個與兩個凹凸體于斷層面內(nèi)部(3×2，圖2右列).在棋盤測試中，正反演所采用的斷層模型、站點(diǎn)分布及格林函數(shù)的計算均與此次地震的實(shí)際情況相同，滑動矢量設(shè)計為逆沖.測試結(jié)果(圖2)表明：(1) 聯(lián)合模型在走向上和傾向上均具備最佳分辨力，很好地恢復(fù)了凹凸體的分布范圍及滑動量值；(2) 高頻GPS與遠(yuǎn)震體波均具備較好的分辨力，且走向優(yōu)于傾向；(3) 同震永久位移的分辨力相對較弱，且斷層面的東南部分辨力優(yōu)于西北部的，主要原因是此次地震以南北向逆沖為主，使得分布在斷層面東西向的static GPS約束能力較弱，而具備有效約束的南北向的站點(diǎn)分布于斷層面東南部且數(shù)量較少(僅為CHLM，KKN4與NAST).

圖2 棋盤測試

3 聯(lián)合反演結(jié)果

聯(lián)合反演的結(jié)果如圖1、圖3a所示，地震主體破裂發(fā)生在斷層面的東南段，呈單側(cè)破裂的特征，走向上破裂展布約為100 km，擴(kuò)展至加德滿都以東30 km處，傾向上約130 km，向北延伸至我國西藏吉隆縣區(qū)域，深度范圍為5～25 km.破裂面滑動量區(qū)間為0.5～4.3 m，平均破裂幅度達(dá)2.4 m，最大滑動發(fā)生在約11 km深部，距離震源位置約35 km，位于加德滿都西北面約20 km處，量值達(dá)4.3 m.在5 km以上的淺層部位，滑動沿傾向向上迅速衰減，

斷層淺表處未發(fā)生明顯破裂.在深度為20～30 km 范圍，滑動量隨深度迅速衰減，我國吉隆縣境內(nèi)的破裂可達(dá)0.5～1.0 m，吉隆鎮(zhèn)下方破裂達(dá)1 m以上.聯(lián)合模型的地震矩釋放率函數(shù)曲線(圖3b)及滑動歷史(圖4)表明此次地震持續(xù)時間為80 s，主要子事件發(fā)生在15～40 s區(qū)間，破裂極值發(fā)生約35 s前后，為此次地震的最大滑動量，位于震中東南側(cè)35 km、深度11 km處；次要子事件發(fā)生于約40～55 s區(qū)間，破裂極值發(fā)生于45 s前后，位于震中東南側(cè)60 km、深度18 km處；55～80 s區(qū)間則為破裂向東南及深部傳播，并伴隨部分破裂抵達(dá)淺部但未上及地表，部分破裂傳播至我國吉隆縣下部；此次破裂的平均速度約為2.5 km·s-1.根據(jù)破裂模型，本次地震釋放地震矩約為9.4×1020N·m，對應(yīng)的矩震級為MW7.9,大于USGS發(fā)布((7～8)×1020N·m)的計算結(jié)果.

與單一用遠(yuǎn)震P波的資料約束的破裂模型相比(圖3c,d)，聯(lián)合反演模型在走向上延展出更大破裂范圍，地震矩心位置也相應(yīng)向東南方向移動16 km，此外聯(lián)合反演顯示5～6 km深度的淺層也有1 m左右的破裂.

圖3 斷層面滑動分布與地震矩釋放率函數(shù)

圖4 聯(lián)合模型破裂的時空過程Fig.4 Space-time history of fault slip inferred by joint inversion

圖5 GPS同震位移觀測值與模擬值的擬合及殘差圖

圖6 高頻GPS模擬值與觀測值的對比

圖7 遠(yuǎn)震P波的模擬值與實(shí)測值的擬合圖

圖8 尼泊爾MW7.9地震構(gòu)造背景及歷史地震分布Fig.8 Tectonic setting and history earthquakes distribution of Himalayas earthquake zone

GPS同震位移觀測值和聯(lián)合模型的模擬值及殘差如圖5所示，擬合殘差水平向均值為0.71 cm，垂直向均值為2 cm，其中CHLM、KKN4和NAST水平向擬合殘差在3 mm內(nèi)，由于這三個GPS站正好位于主破裂的上方，表明淺層的破裂狀況得到了較好約束.基于聯(lián)合約束破裂模型計算的GPS波形與觀測波形的擬合狀況見圖6，兩者具有較好一致性，其中垂向與東西向的擬合度略優(yōu)于南北向的.合成的遠(yuǎn)場P波與觀測波形擬合較好(見圖7)，其平均互相關(guān)系數(shù)約為0.85，該結(jié)果表明聯(lián)合反演的破裂模型較好地反映遠(yuǎn)場P波的起伏變化.

4 討論

聯(lián)合反演破裂模型顯示本次地震發(fā)生在喜馬拉雅深部低角度滑脫斷層上.GPS觀測表明印度板塊以大約18～21 mm·a-1速率沿該斷層插入歐亞板塊(Bilham et al., 1997; Avouac, 2003)，占印度-歐亞大陸匯聚速率的一半.在尼泊爾東部，地震深反射資料顯示該滑脫斷層向北延伸到藏南的雅魯藏布一帶(Zhao et al., 1993)，向南在恒河平原最北緣斯瓦利克山前出露地表(Schulte-Pelkum et al., 2005)，滑脫斷層以上顯示為楔狀薄皮構(gòu)造，以擠壓褶皺變形為主(Lavé and Avouac, 2000)，而斷層面以下的印度板塊基本不變形，平緩插入青藏高原之下，控制了區(qū)域內(nèi)變形的樣式和空間展布.

喜馬拉雅大震活動則與構(gòu)造楔的彈性應(yīng)變狀態(tài)有關(guān).根據(jù)GPS和微震觀測，在兩次大震間，位于喜馬拉雅主峰以北的滑脫斷層則自由蠕滑，以南的滑脫斷層及其向下延伸的高角度斷坡完全閉鎖，寬度可達(dá)90～100 km (Feldl andBilham, 2006).積累的彈性應(yīng)變大多通過閉鎖的滑脫斷層局部和整體破裂向喜馬拉雅最南端的斯瓦利克山前傳遞，如此前1905年印度康拉MW7.8(Wallace et al., 2005)、1934年尼泊爾和印度交界的比哈爾MW8.1(Sapkota et al., 2013)、1950年中國西藏察隅MW8.3級地震(Chen and Molnar, 1977)以及2015年郎唐地震都是如此.此前普遍認(rèn)為，此類地震破裂應(yīng)從喜馬拉雅主峰下方閉鎖與蠕滑的交接部位開始，低角度向上擴(kuò)展，部分甚至可能上達(dá)地表，如1934年比哈爾地震；但大多數(shù)如1905年康拉、1950年察隅以及本次地震，可能在應(yīng)變傳遞的途中湮滅，形成所謂盲地震.不過聯(lián)合反演結(jié)果顯示此類地震破裂可能深入青藏高原下方自由蠕滑的滑脫斷層，與2008年汶川地震的反演結(jié)果十分相似(Wang et al., 2011).

本次地震極震區(qū)與1934年比哈爾地震震區(qū)相接或重疊(Kumar et al. 2010)，幾乎是1833年MW7.7和1866年MW7.2 兩次地震的原地再現(xiàn)(Szelig et al., 2010).此前普遍認(rèn)為1833—1866年序列地震不可能發(fā)生在滑脫斷層部位，而是位于其上的高角度逆斷層，如此1934年比哈爾地震才可能在時隔101 a在震區(qū)下方的滑脫斷層爆發(fā)(Rajendranand Rajendran, 2011).聯(lián)合反演模型顯示本次地震平均2.4 m左右的滑動幅度，基本上等于從1833年以來其閉鎖導(dǎo)致的滑移虧失，這說明1833—1866年序列地震可能與本次地震破裂方式類似，并由此我們推測地震在此次地震破裂區(qū)域復(fù)發(fā)的周期可能為150～200 a.鑒于本次地震破裂面南端至喜馬拉雅前緣推覆斷層間滑脫斷層仍保持閉鎖，此后數(shù)十年間再次爆發(fā)災(zāi)害性地震的可能性依然存在.

5 結(jié)論

聯(lián)合反演GPS靜、動態(tài)位移和遠(yuǎn)震體波一致顯示，2015年4月20日尼泊爾MS8.1地震是一次發(fā)生在喜馬拉雅深部滑脫斷層上的特大地震，破裂以逆沖為主，喜馬拉雅整體向南仰沖，導(dǎo)致喜馬拉雅南緣極震區(qū)內(nèi)GPS測站南向水平位移2 m以上，垂直隆升1 m以上.地震破裂沒有上達(dá)地表，但向下延伸至藏南吉隆縣，位于震中東北400 km的日喀則縣高頻采樣GPS站紀(jì)錄到持續(xù)時間60 s、幅度為10～15 cm的動態(tài)位移，由于地震向東偏南方向單側(cè)破裂，位于震中西北450 km的仲巴縣GPS站動態(tài)位移僅在2～4 cm.本次地震破裂抵消了自1833年以來積累的彈性應(yīng)變，但極震區(qū)以南的深部滑脫斷層仍保持閉鎖，未來仍有導(dǎo)致災(zāi)害性大震的可能性.

致謝 本文使用的地震波數(shù)據(jù)來源于IRIS數(shù)據(jù)中心，尼泊爾境內(nèi)GPS數(shù)據(jù)來源于UNAVCO，GPS數(shù)據(jù)解算利用了GIPSY軟件，部分圖件繪制使用了GMT繪圖軟件.感謝兩位匿名審稿專家提出的寶貴修改意見和編輯部老師的幫助！

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(本文編輯 胡素芳)

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The 25 April 2015 NepalMS8.1 earthquake slip distribution from joint inversion of teleseismic, static and high-rate GPS data

LIU Gang1,2, WANG Qi2*, QIAO Xue-Jun1, YANG Shao-Min1, YOU Xin-Zhao3, ZHANG Rui3, ZHAO Bin1, TAN Kai1, ZOU Rong2, FANG Rong-Xin4

1KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,CEA,Wuhan430071,China2InstituteofGeophysicsandGeomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China3NationalEarthquakeInfrastructureService,Beijing100036,China4ResearchCenterofGNSS,WuhanUniversity,Wuhan430079,China

On 25 April 2015, a devastating (MS8.1) earthquake struck the central Nepal, causing severe damages in Kathmandu. The earthquake is believed to occur on a basal detachment fault along which the Indian plate plunged under Tibet, providing a rare opportunity to understand seismicity of the continental plate boundary. Strong ground motions and permanent surface displacements induced by this event were observed unprecedentedly by continuous GPS networks in Nepal and Tibet, and these geodetic observations close to the rupture zone are important as such when a finite fault model of rupture is constructed to characterize rupture processes and source properties. In this work, we focus on retrieving the slip distribution and temporal history of this earthquake through a joint inversion of teleseismic waveforms and near-field GPS data.

We derived 12 static coseismic offsets of GPS sites in Nepal and Tibet and retrieved 5 seismograms of strong motions recorded by high-rate (1 Hz) GPS sites in Tibet. In addition, we chose a total of 43 P-wave waveforms from global seismic networks to enhance the spatiotemporal resolution of source model. The fault geometry is prescribed on a subsurface plane that is buried at 5～30 km depths with a dip of 11° to the north and a strike of 295°, consistent with the USGS CMT solution and structural geology. This rectangular model plane in dimensions of 210 km×160 km was further divided into 21×8 matrix of sub-faults. The finite source modeling assumes that the rupture processes can be approximated by abrupt rise of slip on these subfaults in the wake of rupture front that passages successively through them from the hypocenter. The rupture velocity across adjacent subfauts is assumed to be a constant at 2.5 km·s-1. For each subfault, the slip growth is represented by a source time function that is parameterized by 5 overlapping triangles with a 2 sec half-time duration, each shifted by 2 sec. Seismic moments of all triangles, each corresponding to a subevent, are unknown parameters to be solved with the non-negative least squares algorithm. The slip magnitude, rake and rise time for each subfault are derived from the estimates of the associated subevents, all together to minimize postfit residuals of the waveforms and static offsets while maintaining smoothness of seismic moment over the model plane for which a Laplace operator is used to achieve spatial regularization. Green′s functions were generated assuming a one-dimensional structure model. The frequency-wavenumber integration algorithm was used for GPS dynamic waveforms and static offsets, and a reflectivity method developed by Kikuchi for teleseismic data.

The joint inversion shows that the detachment fault fails unilaterally from the hypocenter with slip extending eastward over an area of 100 km in along-strike length by 130 km in downdip width. The best-fitting model indicates that the seismic moments were released largely by thrusting motions within duration of 80 sec. In the first 40 sec, slip propagated essentially all the way to the Kathmandu. The slip model shows one major asperity between the hypocenter and Kathmandu, on which a peak slip of 4.3 m is found at 11 km depth, 35 km away from the hypocenter. During 40 to 75 sec, the rupture extends downward to the bottom of the model plane and slip attains the local maximum at 18 km depth and 60 km away from the hypocenter. Slip of 0.5～1.0 m is found at 25～30 km depths beneath the Gyrong town. Slip continues also upward but stops approximately at 5 km shallow depth. The slip model does not indicate that the earthquake has broken the surface, suggesting that a significant fraction of the basal detachment fault remain locked at shallower depths. The unlocked part of the detachment fault has yielded an averaged slip of 2.4 m with a total seismic moment of 9.4×1020N·m, which givesMW=7.9. If the asperity of this event corresponds to the rupture zone of the 1833MW7.7～7.8, its recurrence in the same rupture area would be every 150～200 year.

MS8.1 Nepal earthquake; Slip model； Spatial-temporal rupture process； Joint inversion of GPS and teleseismic waveforms

10.6038/cjg20151133

P227,P541

2015-05-29，2015-09-08收修定稿

中國地震局地震研究所所長基金(IS201506204，IS201326127)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41274027，41404016，41104024，41504011，41574017，41541029)聯(lián)合資助.

劉剛，男，1984年生，助理研究員，博士研究生，主要從事地震大地測量學(xué)研究.E-mail:whgpslg@gmail.com

*通訊作者 王琪，男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事大地測量與地球動力學(xué)研究.E-mail:wangqi@cug.edu.cn