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题目
Systematic Detection of Glacial Earthquakes in Thwaites Glacier, West Antarctica, by Regional Surface Waves
一作与通讯作者信息
- 第一作者 & 通讯作者：Thanh-Son Phạm
- 单位：Research School of Earth Sciences, The Australian National University, Canberra, ACT, Australia
- 邮箱：thanhson.pham@anu.edu.au
一作其他三篇代表性著作
| 年份 | 题目 | 期刊 | DOI |
|---|---|---|---|
| 2024 | Enhanced glacial earthquake catalogues with supervised machine learning for more comprehensive analysis | Geophysical Journal International | 10.1093/gji/ggad402 |
| 2023 | Stormquakes in the Southern Ocean: Evidence from Antarctic seismic arrays | Geophysical Research Letters | 10.1029/2023GL103848 |
| 2021 | Microseismicity of the Whillans Ice Stream stick-slip cycle constrained by array processing | Journal of Geophysical Research: Earth Surface | 10.1029/2021JF006234 |
摘要
> 冰川地震是一类由冰川末端崩解出的冰山倾覆而产生的震源。虽然这类事件已在格陵兰冰川被全球地震台网远程观测到，但在南极的地震学探测一直难以实现。本文基于南极区域地震台网记录的短周期（17–25 s）瑞利波相干性，开发了一套自动识别算法。将该算法用于2010–2023年数据，得到362次、震级Ms 2–3、基本未被收录的地震事件，主要分布于思韦茨冰川与派恩艾兰冰川。思韦茨事件的发生频率与2018–2020年间冰川前缘冰舌的阶段性加速呈显著相关，支持其“冰山倾覆型冰川地震”的本质。派恩艾兰冰川事件集中于接地线附近，其成因仍需进一步研究。本研究证实南极普遍存在冰川地震，且其特征与格陵兰同类事件不同，值得持续深入调查。
相关研究的重要性
海平面贡献
思韦茨冰川若全部融化可致全球海平面上升 ≈ 0.65 m（Morlighem et al., 2020），其崩解-地震活动是冰量排放的重要“指示计”。冰-海-大气耦合机制
冰川地震频率与冰舌速度、海冰背应力联动，可实时反映冰-海相互作用强度，弥补卫星重访周期不足。早期预警潜力
地震台网可分钟级捕获崩解事件，为冰架失稳、冰山溢出提供“声学早期预警”，服务极地航行与沿海防灾。地球系统模型验证
地震目录可约束冰流模式中的崩解参数化，减少海平面预测的不确定性。
前人研究回顾与不足
| 研究 | 贡献 | 不足 |
|---|---|---|
| Ekström et al. 2003, 2006 | 首次定义“冰川地震”，建立全球长周期面波识别框架 | 仅格陵兰，南极事件因周期>35 s被遗漏 |
| Nettles & Ekström 2010 | 用全球台网给出南极14例候选 | 震级>Ms 4.5，小事件被淹没；空间覆盖稀疏 |
| Chen et al. 2011 | 联合面波与卫星给出17例 | 事件定位误差>50 km，无区域台网约束 |
| Winberry et al. 2020 | 首次在思韦茨用本地台网确认2次冰川地震 | 手动挑取，缺乏系统算法与长期目录 |
| Poli 2024 | 用30–100 s长周期面波搜索南极 | 周期带与波速(3.8 km/s)不匹配短周期事件，漏检率>80% |
→ 共同痛点：
- 依赖全球或长周期数据，南极小震级、短周期信号被噪声掩盖
- 无系统算法，事件样本<20，无法统计-动力学分析
- 缺少与卫星冰速、海冰状态同步对比
本文数据
| 类型 | 时段 | 关键参数 | 来源 |
|---|---|---|---|
| 宽频带地震波形 | 2010-01–2023-12 | 采样率 1 Hz–40 Hz，震中距 < 1100 km | IRIS DMC: POLENET/ANET, UKANET, TAMNNET 等21个台网（共>120站） |
| 卫星影像 | 2013-2023 | Sentinel-1/2, Landsat-8 | USGS Earth Explorer, Copernicus |
| 冰流速场 | 2015-2023 | 2 km 分辨率，季度均值 | CPOM/UCL InSAR 产品 |
| 接地线/海岸线 | 2017 版 | 250 m 分辨率 | Rignot et al., 2016 |
本文方法
检测算法
- 延迟-叠加（delay-and-stack）短周期（17–25 s）瑞利波
- 恒定群速度 2.95 km/s，网格搜索 50 km → 10 km 精定位
- 互相关系数阈值 0.65，得 2,461 候选 → ENS>1.75 & 人工分级 → 362 高可信
震源机制
- 质心单力（CSF）反演：需≥7个三分量台站，60% 事件成功，力轴方向与冰川流向一致
卫星验证
- 事件前后 ±15 天影像对比，识别倾覆冰山（红外反射差异、温度异常）
时序对比
- 将地震目录与 Surawy-Stepney et al. (2023) 冰速时序做季度相关分析
主要结果
- 目录：362 次 Ms 2–3 事件，其中 357 次为全新；思韦茨占 63%，派恩艾兰 18%
- 物理性质
- 力持续时间 ≈ 15 s，远短于格陵兰远程事件（~50 s）
- 主频 17–25 s，对应短周期面波，全球台网易衰减而漏检
- 动力学关联
- 2018–2020 年思韦茨冰舌速度提升 20–40%，同期地震频率翻倍（p < 0.01）
- 速度↑ → 冰间融冰背应力↓ → 更易产生可倾覆小冰山 → 地震↑
- 区域差异
- 派恩艾兰事件位于接地线内陆 60–80 km，非崩解带，可能对应基底滑移或冰-床分离
创新点与贡献
- 首个系统级短周期冰川地震目录（南极，2010-2023）
- 引入区域台网+17-25 s瑞利波突破“小震级盲区”
- 定量把地震频率与冰舌加速/海冰背应力联系，提供崩解机制新证据
- 发现南极事件特征（短力时、短周期、低速传播）与格陵兰远程事件显著不同
- 公开数据：362 事件定位、震级、CSF 解、卫星截图（Zenodo DOI: 10.5281/zenodo.17446145）
不足与展望
| 不足 | 可能改进 |
|---|---|
| 检测阈值、模板长度经验选取，完整性未知 | 引入机器学习（如 Pirot 2024 的 CNN）做无模板拾取 |
| 仅 60% 事件成功 CSF 反演，缺少深度与冰量估计 | 联合 InSAR 高程变化与力-矩转换模型，量化单次崩解体量 |
| 无法区分“多 iceberg 同时倾覆” vs “单 iceberg 多级翻转” | 部署近场 (<10 km) 高频阵列，捕捉微震级联 |
| 派恩艾兰事件成因仍悬而未决 | 增加接地线附近海底 GPS/地震仪，监测基底滑移 |
| 目录未覆盖东南极大型冰架 | 将算法迁移至 2018 年后东极新建阵列（如 DRAGNet） |
后续改进与跟进建议
| 维度 | 短期（1–2 年） | 中期（3–5 年） | 长期（>5 年） |
|---|---|---|---|
| 🎯 科学目标 | 1. 建立“地震-崩解-冰量”经验换算公式； 2. 厘清派恩艾兰事件的物理机制。 |
1. 量化南极冰川地震对总冰量损失的贡献（%）； 2. 把地震频率转化为冰架稳定性“早期预警指数”。 |
把地震目录同化进冰-海耦合模型，缩小 IPCC 海平面预测区间。 |
| 🛰️ 数据补强 | 1. 申请 2026 年 Sentinel-1C 超宽幅模式 6 天重访数据，做到“地震-影像”当天配对； 2. 收集 2024-25 年新建 9 个临时台站（Y9-Net）连续波形。 |
1. 在思韦茨冰舌布设 12 台短周期节点地震仪（1 kHz 采样），运行 2 年； 2. 同步搭载海底压力计与温度链，捕获冰-海-地震同步信号。 |
推动“南极冰震卫星”专星计划（类似 NASA’s ICESat-3 升级版），搭载高灵敏度重力-地震联合传感器。 |
| 🤖 方法升级 | 1. 用 Transformer 时序模型替换人工 0.65 相关阈值，提升小震级完整性； 2. 引入多频段（5–50 s）联合反演，减少 CSF 力轴 180° 模糊。 |
1. 开发“物理-机器学习混合”反演：以 iceberg 倾覆数值模拟为正向，神经网络做反向映射，直接输出崩解体积； 2. 采用分布式声学传感（DAS）光纤，空间采样提升至 1 m。 |
建立“南极冰震数字孪生”：实时数据同化 + 超算模拟，实现 1 km 分辨率冰-震-海耦合预报。 |
| 🌐 开放与协作 | 1. 2025 年底前将 362 事件扩展为 500+ 并发布 2.0 目录（含 uncertainty ellipsoid）； 2. 与 UK COMET 共享自动拾取代码，邀请全球台网套用。 |
1. 发起“南极冰川地震联盟”（AGQC），统一格式、质控与元数据； 2. 每两年举办一次联合培训班，向发展中国家开放。 |
把地震目录纳入 SCAR-ANTscape 地球系统框架，与冰芯、海洋、大气数据一站式调用。 |
| 📈 评估指标 | 1. 完整性震级 Mc 由 2.3 降至 1.8； 2. 卫星配对成功率 ≥ 80%。 |
1. 冰量损失估算误差 < ±15%； 2. 预警指数提前量 ≥ 30 天。 |
海平面贡献预测误差缩小至 ±2 cm（2100 年）。 |
| 💰 资金与风险 | 低-中成本：利用现有台网 + 开源AI；风险：卫星数据政策变动。 | 中成本：节点仪 + 海底装备；风险：极地物流延误。 | 高成本：专星 + 超算；风险：国际政治变动。 |