南极冰震如何被监测？科研设备记录下的冰川“轰鸣声”全解析

一、 冰震监测的主要手段

地震仪网络：

• 原理： 这是最核心的手段。冰震（如冰裂隙快速扩展、冰山崩解、冰流加速时的基底滑动或粘滑事件）会产生弹性波（地震波），传播到冰盖内部、基岩甚至很远的地方。
• 部署：
  • 固定台站： 在南极大陆上战略性地布设永久或长期运行的地震台站。这些台站通常配备宽带地震仪，能记录从高频到超低频的震动信号。它们需要克服极端低温、强风、积雪掩埋的挑战，通常由太阳能或风力发电结合电池供电，通过卫星或无线电传输数据。
  • 流动台阵： 针对特定研究区域（如冰流、冰架前沿、冰下湖区域）部署密集的、短期的流动地震仪阵列。这能提供更高分辨率的数据，精确定位冰震源和研究局部冰体结构。
• 数据处理： 记录到的地震波形需要经过复杂的分析：
  • 检测： 使用算法自动识别地震事件。
  • 定位： 利用不同台站接收到波形的到时差，确定冰震发生的位置（经度、纬度、深度）。
  • 震源机制解： 分析波形特征，推断冰震发生的物理机制（是张裂、剪切还是挤压？是冰体内部断裂还是基底滑动？）。
  • 频谱分析： 研究震动的频率成分，不同频率的波携带了不同尺度和物理过程的信息。

全球导航卫星系统：

• 原理： 高精度GNSS接收机（如GPS, GLONASS, Galileo）可以测量冰盖表面点的位置变化（水平位移和垂直升降），精度可达毫米级。
• 作用：
  • 监测冰流速度： 连续跟踪点位移动，直接测量冰川运动速度及其变化。
  • 检测冰震伴随的位移： 大型冰震事件（如大型冰山崩解前兆或大型基底粘滑事件）可能导致地表产生可测量的瞬时位移或阶跃。
  • 潮汐影响： 监测冰架对海洋潮汐的响应，这种响应本身也可能引发高频震动或“震颤”。
• 部署： 固定基准站和流动站结合，形成监测网络。

应变仪：

• 原理： 直接测量冰体的变形（拉伸、压缩、剪切）。
• 部署： 通常钻孔安装在冰盖内部深处（甚至接近基岩），或安装在冰架表面/钻孔中。
• 作用： 捕捉冰震发生前、发生时和发生后的局部应变变化，提供对冰震触发机制和应力释放过程的直接观测。特别有助于研究冰流底部的粘滑事件。

卫星遥感：

• 合成孔径雷达干涉测量： 测量大范围的地表形变，精度达厘米级。可监测冰流速度场变化、冰架弯曲、冰震后可能的地表形变区域。
• 光学/热红外遥感： 监测冰裂隙的扩展、冰山崩解事件、冰面融水状况（融水可能影响冰震活动）。
• 激光测高： 精确测量冰盖高程变化，反映物质平衡和冰动力变化。
• 作用： 提供大范围、空间连续的背景信息，帮助解释点观测（地震仪、GPS）的意义，识别可能发生冰震活动的热点区域。

二、 冰川“轰鸣声”的解析 - 声学监测

冰川发出的声音，特别是低频的“轰鸣声”，是冰震和冰动力过程的重要声学表现。主要监测手段：

次声监测：

• 原理： 冰川活动（尤其是大型冰山崩解、冰裂隙大规模扩展、冰流快速运动）会产生强烈的次声波（频率低于20Hz，人耳听不到）。次声波在大气中传播损耗小，可以传播数千公里。
• 部署：
  • 全球次声台网： 国际监测系统建立的用于监测核爆炸的次声台网，意外地成为了监测全球大型冰川崩解事件的强大工具。南极洲本身也部署了专门的次声监测站。
  • 本地次声阵列： 在目标冰川附近部署密集的次声传感器阵列。
• 解析：
  • 事件检测与定位： 通过不同台站接收信号的时差，定位声音来源。
  • 频谱分析： 分析次声信号的频率特征。不同过程（如冰山翻滚、断裂、水溅）可能产生特征性的频谱“指纹”。
  • 量化能量： 估算崩解事件释放的能量。
  • 过程反演： 结合其他数据（如卫星图像），推断崩解发生的具体阶段和机制。

水声监测：

• 原理： 冰山崩解、冰架底部融化、冰体落入海中、冰与海水相互作用等过程会在水下产生强烈的声波。
• 部署：
  • 水听器阵列： 在冰川前缘附近的海洋中布放锚系水听器阵列或使用水下自主航行器携带水听器。
• 解析： 类似于次声分析，但针对水下声学环境。对研究冰-海界面过程、冰山崩解动力学、冰架底部融化尤其重要。

地震仪记录的声学信号：

• 地震仪不仅能记录固体地球传来的地震波，也能记录耦合到地面的空气声波（包括次声）和水声波。分析这些“非地震”信号也是解析冰川声音的重要途径。

“轰鸣声”的物理意义解析

• 低频为主： 冰川的“轰鸣声”通常集中在低频（几Hz到几十Hz）。这是因为：
  • 大型冰体的断裂和运动过程本身时间尺度较长（秒到分钟），产生低频能量。
  • 低频声波在冰、水、空气中传播更远，衰减更小。
• 频谱特征揭示过程：
  • 冰裂隙稳定扩展： 可能产生持续的、频率相对单一的“嗡嗡”声或“呻吟”声。
  • 冰体突然断裂： 会产生尖锐的、宽频的“爆裂”声或“咔嚓”声，通常伴随高频成分。
  • 冰山崩解与碰撞： 大型崩解会产生极其强烈的低频次声脉冲；冰山在水中的翻滚、摩擦、碰撞会产生复杂的宽频噪声。
  • 冰流基底滑动/粘滑： 可能产生重复性的、类似地震的震颤信号，频谱特征与滑动速度、基底物质有关。
  • 融水活动： 融水在冰裂隙、冰下通道中流动、喷涌、滴落会产生高频的“汩汩”声或“滴答”声。
• 声源定位： 结合多个传感器的数据，可以精确确定声音产生的具体位置（在冰面、冰内、冰架底部还是冰山）。
• 能量估算： 声学信号的振幅可以反推事件释放的机械能，是衡量冰川活动强度的重要指标。

三、 综合分析与应用

科学家们将来自地震仪、GPS、应变仪、次声、水声、卫星等多种来源的数据进行综合分析、交叉验证和联合反演：

全面理解冰震机制： 结合地震波形（震源机制）、GPS位移、应变变化、声学信号，可以更准确地判断冰震是发生在冰体内部、冰架底部还是基岩接触面，是张裂、剪切还是挤压造成的。 监测冰架稳定性： 冰震和“轰鸣声”活动频率和强度的增加，特别是冰架前沿附近重复发生的特定类型冰震（如“冰震群”），往往是冰架即将发生大型崩解的前兆。次声监测是预警大型崩解事件的关键工具。 研究冰流动力学： 监测冰流基底粘滑事件（冰震）的频率、大小和空间分布，对于理解冰流如何运动、阻力来源以及其对海平面上升的贡献至关重要。 揭示冰下环境： 冰震波传播受到冰下地质结构（基岩地形、沉积物、冰下湖/水道）的影响。分析冰震波在冰川内部的传播特征（地震层析成像），可以绘制冰下环境图。 量化冰川消融： 冰山崩解事件的次声/水声记录是量化南极冰盖物质流失（尤其是通过崩解方式）的重要独立数据源。 气候变化指示器： 长期监测冰震和声学活动的时空变化模式，可以反映气候变化（如大气和海洋变暖）对冰川动力学的深远影响。 总结

南极冰震和冰川“轰鸣声”的监测是一个高度技术集成的领域，依赖于部署在极端环境下的地震台网、GNSS站、应变仪、次声/水声阵列，并结合卫星遥感的宏观视角。对这些设备记录的信号进行波形分析、频谱分析、定位、震源机制反演和能量估算，科学家们得以“倾听”冰盖的“心跳”和“呻吟”，解析冰体内部断裂、基底滑动、冰山崩解等各种动态过程的物理机制，从而深入理解南极冰盖的稳定性、运动规律及其对全球海平面和气候变化的响应。这些“声音”是解读地球冰冻圈变化的关键密码。