一、 冰震監(jiān)測的主要手段
地震儀網(wǎng)絡(luò)：
- 原理： 這是最核心的手段。冰震（如冰裂隙快速擴(kuò)展、冰山崩解、冰流加速時的基底滑動或粘滑事件）會產(chǎn)生彈性波（地震波），傳播到冰蓋內(nèi)部、基巖甚至很遠(yuǎn)的地方。
- 部署：
- 固定臺站： 在南極大陸上戰(zhàn)略性地布設(shè)永久或長期運(yùn)行的地震臺站。這些臺站通常配備寬帶地震儀，能記錄從高頻到超低頻的震動信號。它們需要克服極端低溫、強(qiáng)風(fēng)、積雪掩埋的挑戰(zhàn)，通常由太陽能或風(fēng)力發(fā)電結(jié)合電池供電，通過衛(wèi)星或無線電傳輸數(shù)據(jù)。
- 流動臺陣： 針對特定研究區(qū)域（如冰流、冰架前沿、冰下湖區(qū)域）部署密集的、短期的流動地震儀陣列。這能提供更高分辨率的數(shù)據(jù)，精確定位冰震源和研究局部冰體結(jié)構(gòu)。
- 數(shù)據(jù)處理： 記錄到的地震波形需要經(jīng)過復(fù)雜的分析：
- 檢測： 使用算法自動識別地震事件。
- 定位： 利用不同臺站接收到波形的到時差，確定冰震發(fā)生的位置（經(jīng)度、緯度、深度）。
- 震源機(jī)制解： 分析波形特征，推斷冰震發(fā)生的物理機(jī)制（是張裂、剪切還是擠壓？是冰體內(nèi)部斷裂還是基底滑動？）。
- 頻譜分析： 研究震動的頻率成分，不同頻率的波攜帶了不同尺度和物理過程的信息。
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：
- 原理： 高精度GNSS接收機(jī)（如GPS, GLONASS, Galileo）可以測量冰蓋表面點(diǎn)的位置變化（水平位移和垂直升降），精度可達(dá)毫米級。
- 作用：
- 監(jiān)測冰流速度： 連續(xù)跟蹤點(diǎn)位移動，直接測量冰川運(yùn)動速度及其變化。
- 檢測冰震伴隨的位移： 大型冰震事件（如大型冰山崩解前兆或大型基底粘滑事件）可能導(dǎo)致地表產(chǎn)生可測量的瞬時位移或階躍。
- 潮汐影響： 監(jiān)測冰架對海洋潮汐的響應(yīng)，這種響應(yīng)本身也可能引發(fā)高頻震動或“震顫”。
- 部署： 固定基準(zhǔn)站和流動站結(jié)合，形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)變儀：
- 原理： 直接測量冰體的變形（拉伸、壓縮、剪切）。
- 部署： 通常鉆孔安裝在冰蓋內(nèi)部深處（甚至接近基巖），或安裝在冰架表面/鉆孔中。
- 作用： 捕捉冰震發(fā)生前、發(fā)生時和發(fā)生后的局部應(yīng)變變化，提供對冰震觸發(fā)機(jī)制和應(yīng)力釋放過程的直接觀測。特別有助于研究冰流底部的粘滑事件。
衛(wèi)星遙感：
- 合成孔徑雷達(dá)干涉測量： 測量大范圍的地表形變，精度達(dá)厘米級。可監(jiān)測冰流速度場變化、冰架彎曲、冰震后可能的地表形變區(qū)域。
- 光學(xué)/熱紅外遙感： 監(jiān)測冰裂隙的擴(kuò)展、冰山崩解事件、冰面融水狀況（融水可能影響冰震活動）。
- 激光測高： 精確測量冰蓋高程變化，反映物質(zhì)平衡和冰動力變化。
- 作用： 提供大范圍、空間連續(xù)的背景信息，幫助解釋點(diǎn)觀測（地震儀、GPS）的意義，識別可能發(fā)生冰震活動的熱點(diǎn)區(qū)域。
二、 冰川“轟鳴聲”的解析 - 聲學(xué)監(jiān)測
冰川發(fā)出的聲音，特別是低頻的“轟鳴聲”，是冰震和冰動力過程的重要聲學(xué)表現(xiàn)。主要監(jiān)測手段：
次聲監(jiān)測：
- 原理： 冰川活動（尤其是大型冰山崩解、冰裂隙大規(guī)模擴(kuò)展、冰流快速運(yùn)動）會產(chǎn)生強(qiáng)烈的次聲波（頻率低于20Hz，人耳聽不到）。次聲波在大氣中傳播損耗小，可以傳播數(shù)千公里。
- 部署：
- 全球次聲臺網(wǎng)： 國際監(jiān)測系統(tǒng)建立的用于監(jiān)測核爆炸的次聲臺網(wǎng)，意外地成為了監(jiān)測全球大型冰川崩解事件的強(qiáng)大工具。南極洲本身也部署了專門的次聲監(jiān)測站。
- 本地次聲陣列： 在目標(biāo)冰川附近部署密集的次聲傳感器陣列。
- 解析：
- 事件檢測與定位： 通過不同臺站接收信號的時差，定位聲音來源。
- 頻譜分析： 分析次聲信號的頻率特征。不同過程（如冰山翻滾、斷裂、水濺）可能產(chǎn)生特征性的頻譜“指紋”。
- 量化能量： 估算崩解事件釋放的能量。
- 過程反演： 結(jié)合其他數(shù)據(jù)（如衛(wèi)星圖像），推斷崩解發(fā)生的具體階段和機(jī)制。
水聲監(jiān)測：
- 原理： 冰山崩解、冰架底部融化、冰體落入海中、冰與海水相互作用等過程會在水下產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲波。
- 部署：
- 水聽器陣列： 在冰川前緣附近的海洋中布放錨系水聽器陣列或使用水下自主航行器攜帶水聽器。
- 解析： 類似于次聲分析，但針對水下聲學(xué)環(huán)境。對研究冰-海界面過程、冰山崩解動力學(xué)、冰架底部融化尤其重要。
地震儀記錄的聲學(xué)信號：
- 地震儀不僅能記錄固體地球傳來的地震波，也能記錄耦合到地面的空氣聲波（包括次聲）和水聲波。分析這些“非地震”信號也是解析冰川聲音的重要途徑。
“轟鳴聲”的物理意義解析
- 低頻為主： 冰川的“轟鳴聲”通常集中在低頻（幾Hz到幾十Hz）。這是因?yàn)椋?ul>
- 大型冰體的斷裂和運(yùn)動過程本身時間尺度較長（秒到分鐘），產(chǎn)生低頻能量。
- 低頻聲波在冰、水、空氣中傳播更遠(yuǎn)，衰減更小。
頻譜特征揭示過程：- 冰裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展： 可能產(chǎn)生持續(xù)的、頻率相對單一的“嗡嗡”聲或“呻吟”聲。
- 冰體突然斷裂： 會產(chǎn)生尖銳的、寬頻的“爆裂”聲或“咔嚓”聲，通常伴隨高頻成分。
- 冰山崩解與碰撞： 大型崩解會產(chǎn)生極其強(qiáng)烈的低頻次聲脈沖；冰山在水中的翻滾、摩擦、碰撞會產(chǎn)生復(fù)雜的寬頻噪聲。
- 冰流基底滑動/粘滑： 可能產(chǎn)生重復(fù)性的、類似地震的震顫信號，頻譜特征與滑動速度、基底物質(zhì)有關(guān)。
- 融水活動： 融水在冰裂隙、冰下通道中流動、噴涌、滴落會產(chǎn)生高頻的“汩汩”聲或“滴答”聲。
聲源定位： 結(jié)合多個傳感器的數(shù)據(jù)，可以精確確定聲音產(chǎn)生的具體位置（在冰面、冰內(nèi)、冰架底部還是冰山）。
能量估算： 聲學(xué)信號的振幅可以反推事件釋放的機(jī)械能，是衡量冰川活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)。
三、 綜合分析與應(yīng)用
科學(xué)家們將來自地震儀、GPS、應(yīng)變儀、次聲、水聲、衛(wèi)星等多種來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、交叉驗(yàn)證和聯(lián)合反演：
全面理解冰震機(jī)制： 結(jié)合地震波形（震源機(jī)制）、GPS位移、應(yīng)變變化、聲學(xué)信號，可以更準(zhǔn)確地判斷冰震是發(fā)生在冰體內(nèi)部、冰架底部還是基巖接觸面，是張裂、剪切還是擠壓造成的。
監(jiān)測冰架穩(wěn)定性： 冰震和“轟鳴聲”活動頻率和強(qiáng)度的增加，特別是冰架前沿附近重復(fù)發(fā)生的特定類型冰震（如“冰震群”），往往是冰架即將發(fā)生大型崩解的前兆。次聲監(jiān)測是預(yù)警大型崩解事件的關(guān)鍵工具。
研究冰流動力學(xué)： 監(jiān)測冰流基底粘滑事件（冰震）的頻率、大小和空間分布，對于理解冰流如何運(yùn)動、阻力來源以及其對海平面上升的貢獻(xiàn)至關(guān)重要。
揭示冰下環(huán)境： 冰震波傳播受到冰下地質(zhì)結(jié)構(gòu)（基巖地形、沉積物、冰下湖/水道）的影響。分析冰震波在冰川內(nèi)部的傳播特征（地震層析成像），可以繪制冰下環(huán)境圖。
量化冰川消融： 冰山崩解事件的次聲/水聲記錄是量化南極冰蓋物質(zhì)流失（尤其是通過崩解方式）的重要獨(dú)立數(shù)據(jù)源。
氣候變化指示器： 長期監(jiān)測冰震和聲學(xué)活動的時空變化模式，可以反映氣候變化（如大氣和海洋變暖）對冰川動力學(xué)的深遠(yuǎn)影響。
總結(jié)
南極冰震和冰川“轟鳴聲”的監(jiān)測是一個高度技術(shù)集成的領(lǐng)域，依賴于部署在極端環(huán)境下的地震臺網(wǎng)、GNSS站、應(yīng)變儀、次聲/水聲陣列，并結(jié)合衛(wèi)星遙感的宏觀視角。對這些設(shè)備記錄的信號進(jìn)行波形分析、頻譜分析、定位、震源機(jī)制反演和能量估算，科學(xué)家們得以“傾聽”冰蓋的“心跳”和“呻吟”，解析冰體內(nèi)部斷裂、基底滑動、冰山崩解等各種動態(tài)過程的物理機(jī)制，從而深入理解南極冰蓋的穩(wěn)定性、運(yùn)動規(guī)律及其對全球海平面和氣候變化的響應(yīng)。這些“聲音”是解讀地球冰凍圈變化的關(guān)鍵密碼。
