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GPS和2015年廓尔喀地震

首次覆盖5Hz GPS网络的破裂区域

通过马赛厄斯Lemmens • 2016年1月6日

尼泊尔是一个地震多发地区，几个世纪以来，该国首都加德满都经常发生类似的地震。由2015年Gorkha地震破裂的喜马拉雅主逆冲断层的部分直接位于GPS连续运行参考站(CORS)网络的下方，以每秒5个样本(5Hz)的高速率记录三维位置。这是首次用5Hz GPS网络在断层破裂两侧设置接收器，观测到一次大型大陆逆冲地震。

从1255年(有记录的最早地震)开始，到1344年、1408年、1681年、1833年、1934年，以及最近的2015年4月，尼泊尔发生了数个世纪以来的各种地震，造成了巨大的破坏。后者，即廓尔喀地震，震级为7.8级，与1833年的地震相似。1934年的地震摧毁了加德满都20%的建筑，似乎是1255年地震的重演。相比之下，廓尔喀地震只摧毁了不到1%的建筑。考虑到廓尔喀地震的震级和加德满都附近的位置，人们可能会认为这些脆弱的住所会受到更大的破坏，尽管它们最多有四层楼高。与此同时，一些高层建筑遭受了严重的破坏，如60米高的达拉哈拉塔倒塌，尽管它在1934年的地震中部分幸存。

歌珥GPS网络

自20世纪90年代以来，加州理工学院(Caltech)与尼泊尔矿业和地质部(NDMG)合作，建立了一个由28个GPS站组成的网络，包括Trimble NetRS、NetR8和NetR9参考站接收器。这个尼泊尔规模最大、质量最高的CORS网络旨在监测构造应变。总共有大约50个CORS GPS站在运行中，由几个国家组织与来自法国、意大利和无人机系统的各种科学机构密切合作建立。图1显示了尼泊尔的GPS CORS网络地图，该地图是根据联合国教科文组织提供的数据绘制的。联合国教科文组织是一个由大学管理的非营利联盟，利用大地测量学促进地球科学研究和教育。加州理工学院的GPS接收器以15秒和0.2秒(5Hz)的间隔捕捉数据。15秒的间隔提供了数周、数月和数年的正常、缓慢板块运动的信息。5Hz的数据提供了地震过程中震动的细节。2013年，这些监测站配备了移动调制解调器，将15秒的全球定位系统数据传送到联安核查团的FTP服务器，用于长期监测板块运动和地球物理研究。由于5Hz数据仅用于地震时检测行为和影响，而且对于蜂窝网络连接有限的带宽来说，数据量也太大，因此数据会在接收器上存储数周。一旦地震发生，应该有足够的时间通过现场访问收集数据。 In order to deal with connection failures the receivers can also store 15-second data for up to one year or up to three years, depending on the type of receiver. As the 5Hz data accumulates very rapidly and recent data prevails, older data is overwritten by newer data within several weeks. Therefore, to prevent loss of important data, the data must be downloaded during on-site visits within just a few weeks of an earthquake striking.

图1尼泊尔GPS CORS网络;绿色圆圈表示GPS站;橙色线表示廓尔喀断裂带(数据由联阿核查团提供，背景图像通过谷歌地球)。

数据救援

尽管有这些预防措施，但一旦廓尔喀地震发生，数据检索就变得不稳定。安装两年后，许多GPS站的无线连接中断。地震发生时，只有9个监测站能够传输数据，其他监测站的状况尚不清楚。尽管许多站点失去了连接，但它们仍在继续存储GPS数据。然而，由于山体滑坡和其他灾害使该地区难以进入，通过现场视察进行取回似乎非常困难。此外，直升机的可用性也很有限，因为它们当然更迫切地需要用于救助急需救助的人。通过特林布尔的资助，直升机可以租用几个小时，他们不忙于救援工作。在现场，数据被下载，只要有可能，断开连接的接收器就会被修复。无法修复的接收器，包括因雷击、破坏或其他原因损坏的接收器，都换成新的全球导航卫星系统接收器，并运到加德满都，以便在可能的情况下进行数据恢复、修复和重新使用。地震造成不同程度的损伤的各种网站和破旧的接收器有点但没有使无能力或损坏任何天线,尽管一些车站建在直接在断层断裂(图2)。GPS数据的完整性似乎一直很好。 Obviously, the short-braced monuments were solid enough to withstand the shock waves.

图2损坏的法国GPS站GUMB;GPS接收器和天线都没有受损(图片来源:John Galetzka)。

结果

图3显示了地震期间在两个独立的CORS (KKN4和NAST)上的5Hz GPS测量值，清楚地显示了在强运动加速度计KATNP上发生的与震动相关的大初始位移和加速度，该加速度计安装在美国驻加德满都大使馆操作的美国俱乐部。KKN4位于岩石上，NAST位于河谷沉积物上。两个台站的北、东位移明显表现出不同的行为(图4)。NAST的沉积物共振时间延长，扫径近2m。KKN4位移路径上的小圆表示1秒间隔;NAST位移路径上较大的圆圈表示0.2秒的间隔。结合5Hz GPS数据和KATNP捕获的数据显示，加德满都山谷上升了60厘米，并在不到5秒的时间内以高达50cm/s的速度向西南方向移动了1.5米。在接下来的60秒内，河谷沉积物以4秒为间隔进行横向振荡，振幅为20-50cm。地震前水平的地表现在向西南方向倾斜不到1度。加德满都机场的跑道抬升约50厘米，倾斜12厘米。加德满都的地震并不像人们预期的那样剧烈和严重，因为大量的压力已经释放。 More work is needed to understand whether the Gorkha quake put additional stress on other faults in the area, which could influence occurrence of future earthquakes. Surface displacements were also measured with interferometric synthetic aperture radar (InSAR). The combination of all these measurements enables visualisation of the kinematics of the sources and the strong ground motion that led to the pattern of damage.

GNSS接收器

尼泊尔的GPS网络继续监测构造运动。由于现有接收站的GPS设备基本未受损坏，特林布尔捐赠的许多接收器被用来替换失效的接收器，以建立新的接收站。由于这些接收器具备gnss能力，它们不仅能捕获GPS信号，还能捕获GLONASS、伽利略和北斗系统的信号。这种信号量的扩展允许将接收器放置在深谷中，因为它们很容易到达。许多CORS站点都安装了地震传感器。