青藏高原及周缘深部结构的重力异常解释与尼泊尔Ms8.1地震

玄松柏 申文斌 申重阳 谈洪波 冯建林

1 武汉大学测绘学院，武汉市珞瑜路129号，430079

2 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

3 中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002

青藏高原及其周缘历史上曾发生多次8级以上地震［1－3］。2015－04－25尼泊尔Ms8.1地震发生在青藏高原南缘，属于典型的俯冲型地震。关于此次地震的孕震背景和过程［4－5］、同震效应［6］及其对中国大陆的影响［7］等研究，已取得了一些有意义的成果。

布格重力异常反映的是壳幔密度结构与正常地壳密度之间的差异性分布，与地震孕育具有紧密联系。布格重力异常小波多尺度分解的总水平梯度（HGM）［8］和各方向分量平方和的平方根（HVDM）［9］揭示不同深度构造体特征的方式虽有所不同，但在探测构造体形态方面均具有较好的效果。

本文利用离散小波变换对全球重力场模型EGM2008［10］获得的布格重力异常进行多尺度分解，计算获得HGM 和HVDM图像。通过分析青藏高原及周缘HGM 和HVDM 分布特征，讨论青藏高原周缘壳幔结构的深浅层差异及其与强震之间的关系。

1 构造背景

始于45 Ma前的印度板块与欧亚板块的陆陆碰撞，使得流变学强度较小的亚洲大陆挤压缩短［11－13］。在印度板块持续推挤的作用下，青藏高原不断隆升，且表现为向北、东北、东和东南扩展。印支块体的挤出形成喜马拉雅东构造结（EHS），使其周缘和内部逐渐形成了一系列的大型冲断层（如喜马拉雅主冲带）、大型走滑断层（如昆仑断裂带、鲜水河断裂带、阿尔金断裂带）和逆冲断层（如龙门山冲断带）。这些断层历史上均发生过强烈地震（图1），如北缘阿尔金断裂2014年于田Ms7.3地震，东北缘1920年海原Ms8.5地震，东缘2008年汶川Ms8.0地震，东构造结（EHS）附近1950年察隅Ms8.6地震，南缘喜马拉雅构造带中段的尼泊尔喜马拉雅亦曾发生过1934年加德满都 以 东Mw8.2地震［2－3］。2015－04－25 尼 泊 尔Ms8.1地震震中所处的喜马拉雅构造带位于青藏高原南缘，其发震构造主要由藏南拆离系、主中冲断层（MCT）、主边冲断层（MBT）和主前锋冲断层（MFT）组 成［14－15］（图1），该地区历史地震主要是因印度板块低角度下挤入青藏高原［15－16］，北东向约55 mm／a的 汇聚被喜马拉雅吸收了18～20 mm／a［17］，剩余能量则以大地震的形式释放所致。

图1 青藏高原及周缘地形、主要构造和强震Fig.1 Topography，major tectonic and great earthquakes in the Tibetan plateau

2 地壳结构的重力异常多尺度分析

2.1 布格重力异常

本研究所应用的布格重力异常数据从BGI（bureau gravimétrique international）网 页下载。BGI提供的布格重力异常首先通过全球重力场模型EGM2008［10］的球谐系数计算自由空气异常，然后利用1′×1′数字地球模型ETOPO1进行最大半径为167km 的地形校正和正常场校正而获得。经过2.5′×2.5′格网的研究区域布格重力异常如图2所示，异常值在－570～0mGal之间，其主要特征是青藏高原呈现高负异常，南侧的印度板块、北侧的塔里木盆地及东侧的四川盆地异常较低，喜马拉雅东构造结（EHS）和华南块体之间的川滇地区负重力异常较高（－300～－200 mGal），总体上形成了环青藏高原重力异常变化过渡的梯度带。

图2 布格重力异常Fig.2 Bouguer gravity anomalies

2.2 不同尺度HGM 和HVDM 特征

根据小波分解的低阶细节不变性［18］，将布格重力异常进行5阶分解，获得相应的细节成分和逼近成分（1阶细节受地形的影响具有高频特征，本文不予考虑）。依据杨文采等［19］的研究成果和对多种细节组合试验，将2、3阶细节之和作为地壳浅层结构变化反映的重力异常，4、5 阶细节之和作为地壳深部结构变化反映的重力异常，5 阶逼近作为Moho起伏及上地幔顶部结构变化反映的重力异常。利用李进［20］给出的计算水平梯度方法获得青藏高原及周缘不同尺度的布格重力异常水平梯度的东向和北向分量，进而获得HGM图像（图3）。HVDM 的计算则根据Oruç［9］提供的方法，获得的HVDM图像如图4所示。HGM和HVDM 均对青藏高原及周缘构造与结构差异性变化具有较好的探测能力，HGM 为布格重力异常的总水平梯度，HVDM 则是重力异常水平、垂直和对角3个方向分量的综合体现。

2.2.1 HGM 特征

2、3阶小波细节之和的HGM图像（图3（a））反映的是地壳浅层结构差异变化。在尼泊尔喜马拉雅（主要为尼泊尔西部）、喜马拉雅东构造结（EHS）和塔里木盆地南缘HGM 约0.5 mGal／km，说明这些地区构造带与周边地壳浅层结构存在较大差异。

图3（b）为4、5阶小波细节之和的HGM图像，反映的是地壳深层结构差异变化，其分布和量值与图3（a）具有明显差异。变化较为显著的地区不但分布在青藏高原周缘的喜马拉雅地区、阿尔金断裂带、东构造结（EHS）和龙门山断裂带，亦分布在高原内部的昆仑断裂带和雅鲁藏布江缝合带。值得关注的是，在尼泊尔喜马拉雅地区的主中冲断层（MCT）附近的高－低－高分布和喜马拉雅东构造结（EHS）地区的东向弧形分布。青藏高原南缘的喜马拉雅造山带地区HGM 分布较为复杂，以尼泊尔喜马拉雅最为显著。尼泊尔西部的主边冲断层（MBT）和雅鲁藏布江缝合带之间HGM 值较大，1916年印度尼泊尔边界Mw7.0地震发生则在高值区西侧。东部HGM 呈现高－低－高分布，即主边冲断层（MBT）和主前锋冲断层（MFT）之间，以及主中冲断层（MCT）和雅鲁藏布江缝合带之间呈现高HGM，沿主边冲断层（MBT）则呈现低HGM，体现了南北向印度板块－次喜马拉雅（SHM）－低喜马拉雅（LHM）－高喜马拉雅（GHM）－青藏高原地壳结构变化的基本特征［16］。尼泊 尔2015－04－25 Ms8.1地震 和05－21 Ms7.3 地震震中均分布于夹在两条高HGM 带之间的低值带上，震源深度约15km，大致位于主喜马拉雅冲断带（MHT）脆性和韧性转换带上［3］；青藏高原北缘的阿尔金断裂带附近较高的HGM总体呈现北东东向，与阿尔金断裂的走向基本一致，其南侧分布有近乎平行于阿尔金断裂带的HGM 较高的条带，2008和2014年于田发生的两次Ms7.3地震震中就分布在这两个较高的HGM条带之间，体现了作为青藏高原和塔里木盆地过渡带的左旋走滑的阿尔金断裂带；青藏高原东缘的龙门山断裂带北西侧附近亦存在较高的HGM带，与走滑的阿尔金断裂带不同的是其优势走向与龙门山断裂带形成一定夹角，体现了东向运移的物质在龙门山地区的上覆特征［13］，2008年汶川Ms8.0地震和2013年芦山Ms7.0地震就发生在HGM 较高值带的东侧；喜马拉雅东构造结（EHS）附近地区存在由西（约95°E）向东（约101°E）4条显著的HGM 较高弧形带，体现了青藏高原东南缘绕EHS顺时针旋转挤出的特征［13］，其中以雅鲁藏布江缝合带和嘉黎断裂带附近的HGM 较高值条带最为显著，其西侧多次发生7级以上地震，如1950年察隅Ms8.6地震。

图3（c）为5阶小波逼近的HGM图像，反映了地壳厚度和岩石圈地幔顶部差异性变化特征（或仅为地壳厚度变化）。图像显示，较大的HGM 存在于南缘的喜马拉雅造山带地区、北缘的塔里木盆地南侧和鄂尔多斯西南缘、东缘的龙门山断裂带附近以及喜马拉雅东构造结（EHS），较为清晰地刻画了青藏高原边界，高原周缘强震基本分布于HGM 高值带上。

2.2.2 HVDM 特 征

图4（a）、4（b）分别为2、3阶HVDM 之和及4、5阶HVDM 之和，两幅图像展示的形态基本一致，均在青藏高原南缘的喜马拉雅造山带、北缘的阿尔金断裂带、东缘的龙门山断裂带和喜马拉雅东构造结（EHS）地壳呈现较高值，走向与青藏高原周缘断裂带（构造带）基本一致。青藏高原内部HVDM 值则较低，较好地反映了青藏高原周缘主要构造带的走向特征。喜马拉雅造山带地区呈现南向弧形，极大值基本分布在尼泊尔和不丹地区；喜马拉雅东构造结地区表现为东向的弧形分布；青藏高原北部边界由西侧的SEE 向在阿尔金断裂带转变为NEE 向，而在东北缘则转变为NE向；与HGM图像不同的是，HVDM图像对柴达木盆地南缘给予了清晰的勾勒。青藏高原周缘7级以上强震大多分布在HVDM 较大值条带边缘。

图3 青藏高原及周缘布格重力异常不同尺度HGM图像Fig.3 HGM maps of Bouguer gravity anomalies at different scale in Tibetan plateau

3 结 语

2015年尼泊尔Ms8.1地震震中分布在喜马拉雅造山带地区地壳深部HGM 高－低－高转换的低值区域（图3（b）），可能是喜马拉雅地区吸收的近1／3印度板块北东向俯冲效应［17］在该地区汇聚，形成大量应力累积的结果。从地表上看，震中位于主中冲断层（MCT）附近，但约15km 的震源深度和震源机制解显示的低角度俯冲表明，此次地震很有可能是沿新生代以来最活跃的主前锋冲断层（MFT）滑脱引起的。震中位于地壳深部HGM（图3（b））呈现高－低－高分布的低值区和HVDM 高值带的边界（图4），出现该现象的喜马拉雅东构造结和阿尔金断裂带附近均发生过强震，如1950年察 隅Ms8.6地震 和2014年于田Ms7.3地震。与以走滑为主的阿尔金断裂带和喜马拉雅东构造结构造带不同，作为典型的俯冲构造，喜马拉雅地区因印度板块缓慢而低角度挤入青藏高原深部［16］，使得活跃的主前锋冲断层（MFT）北向低角度延伸，在地壳内形成主喜马拉雅冲断带（MHT）［3，15］，大地震多发生在MHT 的脆性和韧性转换带上［3］。从5 阶小波逼近的HGM图像（图3（c））可看出，从主边冲断层（MBT）至雅鲁藏布江缝合带地区深部可能存在印度板块的下地壳及上地幔顶部，与重震联合反演所得到的结论［21］吻合，说明印度板块与欧亚板块的持续汇聚贯穿整个地壳的过程。印度板块北向推挤过程中，阿尔金断裂带起到了青藏高原变形和物质向东挤出的调节作用［22］，使印度板块与欧亚板块能够持续汇聚，进而使青藏高原内部物质不断东向运移，受到坚硬的四川盆地阻挡和缅甸亚板块东向俯冲于中国大陆川滇地区［16，23］两种效应综合作用，致使川滇菱形块体和被挤出的印支块体在喜马拉雅东构造结（EHS）地区具有顺时针旋转的特征，从而形成了HGM 由西向东排列的弧形分布（图3（b））和HVDM 的东向弧形分布（图4），印支块体南向挤出［13］，为青藏高原内部物质持续东向运移提供了通道。

综上所述，2015年尼泊尔Ms8.1 地震是两大板块碰撞汇聚而被喜马拉雅造山带吸收部分能量，青藏高原周缘断裂带调节并促使这种汇聚得以持续等综合作用的结果。

图4 青藏高原及周缘布格重力异常不同尺度HVDM图像Fig.4 HVDM maps of Bouguer gravity anomalies at different scale in Tibetan plateau

［1］Bilham R.Location and Magnitude of the 1833 Nepal Earthquake and Its Relation to the Rupture Zones of Contiguous Great Himalayan Earthquakes［J］.Current Science，1995，69（2）：101－128

［2］Shah A A.Two Great Historical Earthquake Ruptures Revealed in Nepal［J］.Current Science，2013，104（8）：994

［3］Mugnier J L，Gajurel A，Huyghe P，et al.Structural Interpretation of the Great Earthquakes of the Last Millennium in the Central Himalaya［J］.Earth－Science Reviews，2013，127（2）：30－47

［4］李培，秦四清，薛磊，等.2015年4月25日尼泊尔Mw7.8地震孕育过程分析与震后趋势研判［J］.地球物理学报，2015，58（5）：1 827－1 833（Li Pei，Qin Siqing，Xue Lei，et al.On the Seismogenic Process of the 25 April 2015 Mw7.8Earthquake and Future Earthquake Situation［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（5）：1 827－1 833）

［5］付广裕，高尚华，张国庆，等.2015年尼泊尔Ms8.1地震的地壳重力均衡背景与地表形变响应特征［J］.地球物理学报，58（6）：1 900－1 908（Fu Guangyu，Gao Shanghua，Zhang Guoqing，et al.Gravitational Isostasy Background and Surface Deformation Response Characteristics of the 2015Nepal Ms8.1Earthquake［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（6）：1 900－1 908）

［6］张贝，程慧红，石耀霖.2015年4月25日尼泊尔Ms 8.1大地震的同震效应［J］.地球物理学报，2015，58（5）：1 794－1 803（Zhang Bei，Cheng Huihong，Shi Yaolin.Calculation of the Co－Seismic Effect of Ms8.1Earthquake，April 25，2015，Nepal［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（5）：1 794－1 803）

［7］盛书中，万永革，蒋长胜，等.2015年尼泊尔Ms8.1强震对中国大陆静态应力触发影响的初探［J］.地球物理学报，2015，58（5）：1 834－1 842（Sheng Shuzhong，Wan Yongge，Jiang Changsheng，et al.Preliminary Study on the Static Stress Triggering Effect on China Mainland with the 2015 Nepal Ms8.1Earthquake［J］.Chinese Journal of Geophysics，2015，58（5）：1 834－1 842）

［8］OruçB，Sertçelik˙I，KafadarÖ，et al.Structural Interpretation of the Erzurum Basin，Eastern Turkey，Using Curvature Gravity Gradient Tensor and Gravity Inversion of Basement Relief［J］.Journal of Applied Geophysics，2013，88（1）：105－113

［9］OruçB.Structural Interpretation of Southern Part of Western Anatolian Using Analytic Signal of the Second Order Gravity Gradients and Discrete Wavelet Transform Analysis［J］.Journal of Applied Geophysics，2014，103（4）：82－98

［10］Pavlis N K，Holmes S A，Kenyon S C，et al.An Earth Gravitational Model to Degree 2160：EGM2008［C］.EGU General Assembly，Vienna，2008

［11］Molnar P，Tapponnier P.Cenozoic Tectonics of Asia：Effects of a Continental Collision［J］.Science，1975，189（4 201）：419－426

［12］Tapponnier P，Peltzer G，Dain A Y L，et al.Propagating Extrusion Tectonics in Asia：New Insights from Simple Experiments with Plasticine［J］.Geology，1982，10（12）：611－616

［13］嵇少丞，王茜，孙圣思，等.亚洲大陆逃逸构造与现今中国地震活动［J］.地质通报，2008，82（12）：1 644－1 667（Ji Shaocheng，Wang Qian，Sun Shengsi，et al.Continental Extrusion and Seismicity in China［J］.Acta Geologica Sinica，2008，82（12）：1 644－1 667）

［14］Burchfiel B C，Royden L H.North－South Extension within the Convergent Himalayan Region［J］.Geology，1985，13（10）：679－682

［15］许志琴，王勤，曾令森，等.高喜马拉雅的三维挤出模式［J］.中国地质，2013，40（3）：671－680（Xu Zhiqin，Wang Qin，Zeng Lingsen，et al.Three－Dimensional Extrusion Model of the Great Himalaya Slice［J］.Geology in China，2013，40（3）：671－680）

［16］Huang J L，Zhao D P.High－Resolution Mantle Tomography of China and Surrounding Regions［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111（B9）：4 813－4 825

［17］Jade S.Estimates of Plate Velocity and Crustal Deformation in the Indian Subcontinent Using GPS Geodesy［J］.Current Science，2004，86（10）：1 443－1 448

［18］Mallat S.A Theory for Multiresolution Signal Decomposition：The Wavelet Representation［J］.IEEE Pattern Anal and Machine Intell，1989，11（7）：674－693

［19］杨文采，施志群，侯遵泽，等.离散小波变换与重力异常多重分解［J］.地球物理学报，2001，44（4）：534－545（Yang Wencai，Shi Zhiqun，Hou Zunze，et al.Discrete Wavelet Transform for Multiple Decomposition of Gravity Anomalies［J］.Chinese Journal of Geophysics，2001，44（4）：534－545）

［20］李进.基于GRACE 时变重力梯度探测大地震的同震变化［D］.武汉：武汉大学，2011（Li Jin.Detection of Coseismic Changes Associated with Large Earthquakes by Gravity Gradient Changes from GRACE［D］.Wuhan：Wuhan University，2011）

［21］Basuyau C，Diament M，Tiberi C，et al.Joint Inversion of Teleseismic and GOCE Gravity Data：Application to the Himalayas［J］.Geophysical Journal International，2013，193（1）：149－160

［22］李海兵，杨经绥，许志琴，等.阿尔金断裂带对青藏高原北部生长、隆升的制约［J］.地学前缘，2006，13（4）：59－79（Li Haibing，Yang Jingsui，Xu Zhiqin，et al.The Constraint of the Altyn Tagh Fault System to the Growth and Rise of the Northern Tibetan Plateau［J］.Earth Science Frontiers，2006，13（4）：59－79）

［23］Li C，Hilst R D V D，Meltzer A S，et al.Subduction of the Indian Lithosphere beneath the Tibetan Plateau and Burma［J］.Earth and Planetary Science Letters，2008，274：157－168