基于大地测量学的斯科舍-南极板块边界火山地震群岩浆起源新证据

《Geophysical Journal International》：Geodetic Evidence of the Volcanic Magma Origin of the Earthquake Swarm in the Scotia-Antarctica Plate Boundary

本研究针对2020-2021年斯科舍板块边界发生的显著地震群活动，通过分析14个永久GNSS站和4个潮汐站的长时序观测数据，首次完整揭示了乔治王岛运动速度增加十倍且方向改变90度的异常现象。研究人员采用"Mogi点源+Okada扩张岩脉"组合模型，定量刻画了火山活动对区域地质构造的三阶段影响过程，为理解火山地震群的形成机制提供了新的大地测量学证据。该成果对南极地区地质灾害风险评估具有重要指导意义。

　　

在南极洲最活跃的火山构造带——斯科舍-南极板块边界，2020年8月至2021年6月期间发生了一场引人注目的地质事件：超过3万次地震事件密集爆发，其中在南设得兰群岛附近的布兰斯菲尔德海峡甚至出现单日超千次地震的异常活动。更令人震惊的是，2021年8月12日南桑威奇海沟附近相继发生M_w7.5和M_w8.1级强震及千余次强余震。这些地震群发生在斯科舍板块边缘的复杂构造区域，涉及南极板块、南美板块、南桑威奇板块和南设得兰微板块的多重相互作用，其形成机制一直是国际地学界争论的焦点。

传统上，火山地震研究主要依赖有限的地震仪数据，虽然能提供震源机制和地震波速度等重要信息，但难以捕捉板块运动和地壳形变的长期过程。特别是对于南极这种环境恶劣、观测站点稀疏的区域，缺乏高精度、长时序的大地测量证据，使得科学家们无法完整揭示火山地震与岩浆活动之间的内在联系。正是为了突破这一瓶颈，中国南极测绘研究中心的研究团队开展了一项开创性的研究。

研究人员创新性地构建了一个覆盖4个板块的密集观测网络，收集了2016-2022年间14个永久GNSS（全球导航卫星系统）站的高频数据（1秒/30秒采样率）以及4个潮汐站的分钟级数据。通过GAMIT/GLOBK软件进行基线解算和网平差处理，并采用经验模态分解（EMD）方法对非线性非平稳信号进行降噪处理，显著提升了数据可靠性。潮汐数据分析则通过调和分析提取了68个分潮波，包括主要太阳半日分潮M₂、S₂以及浅水成分M₁₀，从而准确分离出海平面异常中的非潮汐因素。

4.1 地震群期间的同震形变

高频GNSS监测显示，即使在2021年4月10日M5.6级和8月12日M8.1级等代表性地震事件中，所有测站均未检测到显著的短期突变波动。地震波传播时间表表明，南设得兰地震波需7-10秒到达测站，而南桑威奇群岛地震波需5-6分钟，但均未引发明显振荡。这一发现排除了地面震动对后续潮汐监测的潜在干扰，证实个体地震事件对GNSS信号波动影响有限。

4.2 震后早期海平面变化

潮汐站数据显示，OHIG、PRA3、VERN和ROTH站的方差比分别为9.8%、5.2%、8.5%和13.3%，表明天体引力因素是海平面变化的主因。但2021年8月12日地震后4小时10分钟，OHIG、PRA3和VERN站出现持续数小时的3-4分米强波动。通过 tsunami 波速计算（v=√(g·H)）结合EGM2008重力模型和IBCSO v2海底地形数据，预测波速达500-700公里/小时，到达时间与实测异常波动高度吻合。

4.3 地震群后的板块运动

4.3.1 乔治王岛的加速运动与方向旋转

UYBA、GWBD和DAL5站的位移时序揭示：2016年8月-2020年7月，所有站点以9-11毫米/年（东向）和16.7-17.5毫米/年（北向）的速度缓慢向东北漂移。2020年8月后运动速度急剧增加，北向速度达83.5-124毫米/年，方向由东北转为西北，偏移超90度。2021年1月开始减速，至8月逐渐恢复正常，但一年内总位移达12.8-16.7厘米。速度场显示地震后南设得兰微板块与南极板块主要表现为拉伸分离运动模式。

4.3.2 各板块整体运动趋势与布兰斯菲尔德海峡加速扩张

南极半岛上的PALM、OHI2和OHI3站显示缓慢东北向漂移，南美板块上的PARC、RGDG等站以北向漂移为主。GWBD-OHI3基线分析表明，海峡扩张速率由7.18毫米/年猛增至8.5-10厘米/年，2016-2023年间总裂谷达11.2厘米，其中2020年8月-2022年8月贡献了7厘米。GWBD-RGDG基线显示南设得兰微板块与南美板块呈现接近趋势。

4.3.3 乔治王岛东南部异常地壳隆起与持续抬升

垂直形变分析显示，DAL5站持续抬升，2020年8月-2022年8月累计约1分米，且无逆转迹象。值得注意的是，2019年5-6月所有三个站同时出现1-2厘米异常地面膨胀后快速沉降，这种震前地表波动可能反映底部岩浆运动过程。

5 建模研究

通过Mogi（茂木）模型和Okada（冈田）模型的正演模拟，优化得到最佳参数组合：Mogi源中心位于62.35°S、58.32°W，深度19公里，体积变化0.62公里³；Okada岩脉走向212°，倾角85°，长度18公里，宽度12公里，顶部深度12.5公里，开度2.87米。该组合下三个站的平均残差仅0.8毫米，最大残差不超3毫米，显著优于前人研究结果。

本研究通过多视角、长时序大地测量观测，完整揭示了火山地震群活动的三阶段演化过程：震前阶段（2016年1月-2020年7月）主要表现为稳定的缓慢东北向漂移；同震阶段（2020年8月-2021年8月）出现运动速度十倍增长、方向90度偏转以及海平面异常；震后阶段（2021年8月-2022年8月）水平运动逐渐恢复但垂直方向持续抬升。综合模型成功验证了深部岩浆房扩张与浅部岩脉侵入的耦合机制，为理解南极地区火山-构造活动提供了新的理论框架。该成果对预测南极冰盖稳定性、评估海底火山喷发风险具有重要意义，相关方法也可推广至全球其他活跃火山区的监测预警工作。

这项创新研究不仅填补了南极地区火山地震监测的技术空白，更建立了从大地测量数据中提取火山活动信号的完整方法论体系，为未来极地地质灾害预警提供了科学依据。相关成果已发表于国际权威地学期刊《Geophysical Journal International》。