南极冰盖，你往哪里走？

南方科技大学陈晓非教授团队最新成果，利用中国第36次南极考察期间被动源地震观测时获得的导航级GPS位置信息，准确地对东南极拉斯曼丘陵冰盖和泰山站区冰盖运动特征进行了追踪，该结果对于冰盖动力学研究、冰川质量平衡研究和在地震成像中评估由冰盖流动带来的系统误差具有重要意义。论文发表于《中国科学：地球科学》2021年第8期，第一作者为傅磊，通讯作者为陈晓非院士。

冰川表面流速是冰川和冰盖的基本特征，它的测定对于南北极冰盖物质平衡估算至关重要。地震仪器一般内置一个导航级单模GPS接收器，台站在运行过程中，记录地震数据的同时，在固定的时间间隔记录台站的位置信息。尽管这些单模GPS接收器的数据精度不如大地测量GPS的位置精度，仍然可以通过在足够长的时间内采集的单模GPS数据来测量冰流速。

中国第36次南极科学考察期间，该团队首次利用100台短周期地震仪（Smartsolo-BD3C-5）在东南极拉斯曼丘陵冰盖（中国南极中山站）进行了约一个月的背景噪声地震学观测，此外使用4个短周期台站在泰山进行了一个月的观测；在记录地震数据的同时每个台站记录了约4000多个GPS位置数据。研究发现当台站位于基岩时，不管是经度（图1a）还是纬度（图1b），其分布特征随着时间推移基本没有变化；而当台站位于冰盖时，其经度（图1c）分布特征整体向西偏移，说明随着时间的推移，在冰盖上的台站整体向西移动了。

图1  地震台站记录的原始GPS位置的直方图

2020/01/01~2020/01/30期间台站251位于露头时, 经度(a)和纬度(b)分布, 黑色虚椭圆内为偏离2.5倍标准差的异常点; 2019/12/06~2019/12/27期间台站250位于拉斯曼丘陵冰盖处, 经度(c)和纬度(d)分布. 红色和绿色分别表示观测期间开始和结束阶段经纬度的直方分布

为了量化冰盖运动方向和位移大小，该研究计算了首尾两段观测时间内平均GPS相对位置，结果显示当台站位于基岩时，随着时间推移最大位移约为0.2米（图2a）；而当台站位于拉斯曼丘陵冰盖时，随着时间推移，其平均位置整体向西移动了约1米（图2b）。

图2  观测期间内台站所在处流动方向和位移大小

(a) 当台站251位于中山站熊猫码头基岩，其移动大小约为0.2米；(b) 当台站250位于拉斯曼丘陵冰盖，其移动大小约为1米。不同时间段内台站的平均位置由红、绿、蓝、黄和青色圆圈表示

基于定量计算方法，研究估算了测线处拉斯曼丘陵冰盖流速（图3、图4）。第40至100台计算的冰盖流动方向连续性较好，其流动方向基本为270°左右，代表了此处的冰盖流动整体向西偏北流动。但是，第1至39台的冰盖流动方向数值在180°至270°范围内变化，部分台站差异达到了90°，说明此局部区域冰流速比较复杂。冰盖在观测期间冰盖流动大小基本在0.5至1.5米/月左右；部分台站（如台站17至21）超过了1.5米/月。

图3 拉斯曼丘陵地震测线处对应的冰盖流动

(a) 方向；(b) 月均速率. 其中红色、绿色和黑色分别为按5、6和7天时间间隔计算的结果

图4  拉斯曼丘陵地震测线处冰流速矢量场

红色箭头方向和大小分别代表了冰盖流动方向和月均速率,黄色箭头指向极记录冰川方向 

该研究基于中国第36次南极考察期间被动源地震观测时获得的导航级GPS位置信息，准确的对拉斯曼丘陵冰盖和泰山站区冰盖运动特征进行了追踪。此次1个月的被动源地震观测期间，泰山站和拉斯曼丘陵冰盖流动了约1米左右，按照冰盖的横波速度为1.85公里/秒计算，上述误差对面波到时产生约1毫秒影响，可以忽略不计；因此研究区域冰盖流动对后续面波层析成像结果不构成影响。但如果冰流速大于几百米和进行长时间的观测的话，必须慎重评估冰盖流动给地震数据处理中带来的系统性误差。

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中文版: 傅磊, 郭井学, 陈晓非. 2021. 基于短周期地震仪内置GPS位置数据的东南极冰流速测定. 中国科学: 地球科学, 51(8): 1332–1340

英文版: Fu L, Guo J, Chen X. 2021. Measurement of ice flow velocities from GPS positions logged by short-period seismographs in East Antarctica. Science China Earth Sciences, 64(8): 1381–1389, https://doi.org/10.1007/s11430-021-9765-6