冰流地震级联变形：揭示格陵兰冰盖内部脆性破裂机制及其对海平面变化的潜在影响

这篇开创性研究通过分布式声学传感（DAS）技术首次在格陵兰东北冰流（NEGIS）钻孔中观测到冰内地震级联现象，揭示了与经典黏性流变学（Glen’s flow law）相悖的脆性变形模式。研究发现，火山杂质（SO4和火山灰层）诱发晶界破裂，触发长达600米的垂直断层滑动级联，其应变速率与大地测量结果相当。这一发现为冰流模型与观测差异提供了关键解释，并暗示千米尺度代表体积元（RVE）的存在，对改进海平面上升预测模型具有里程碑意义。

　　

冰流地震级联变形的发现与机制

研究团队在格陵兰东北冰流（NEGIS）的EastGRIP钻孔中部署分布式声学传感（DAS）系统，首次捕捉到冰盖内部独特的脆性变形现象——垂直方向上的地震级联活动。这些事件表现为水平断层滑动引发的反对称辐射模式，其破裂尺度达1-10米，位移量级为微米至百微米。值得注意的是，事件级联的触发深度与火山喷发相关的硫酸盐（SO₄）峰值层及火山灰（tephra）层高度吻合，暗示火山杂质通过促进晶界微裂和位错增殖，成为脆性变形的关键诱因。

观测技术与数据分析

DAS系统以1 kHz采样率和1米道间距记录了14小时数据，揭示出五组显著的地震序列。这些序列包含数十至上百个子事件，表现出三个特征：1）向上传播的平面波视速度达2000-3000 m/s，介于S波（1800 m/s）与P波（3800 m/s）之间；2）薄层（10-20米）蠕变持续数十秒，并产生反射系数约0.5的强反射；3）地表地震仪阵列完全未检测到信号，说明变形被限制在冰盖内部。通过矩张量反演，研究确认其源机制为水平断层滑动（M_rz分量主导），且破裂起始点距离钻孔10-50米。

火山杂质的关键作用

硫酸盐峰值层与事件触发深度的高度相关性揭示了火山活动对冰流变形的深远影响。实验室研究表明，SO₄可通过增加位错密度和晶界微裂降低冰黏度。当火山灰（颗粒尺寸数十微米）存在时，会进一步诱发晶界滑移，导致薄层长期蠕变和暂时性"解焊"界面形成。例如，7.6 ka b2k的Mt. Mazama火山灰层和10.2 ka b2k的Saksunarvatn层对应了最显著的蠕变层，其反射特性在主动源实验中未被观测到，证实其为动态破裂而非固有结构。

对冰流动力学的启示

保守估算表明，单次大型级联（如序列2.i）可产生10^-6-10^-5 m/m剪切应变。若每年发生百次类似事件，其累积效应将与GPS观测的年应变率（10^-4 m/m）相当。这挑战了传统冰流模型的两个核心假设：1）Glen流动律（n=3）在千米以下尺度失效，需考虑率弱化流变学；2）代表体积元（RVE）可能达千米级，远大于实验室厘米尺度。研究推测，这种宏-微观耦合的变形机制或是解释NEGIS上游异常流动的关键，并为近期提出的高流动指数（n≈4）提供物理基础。

未来研究方向

作者建议从三方面深化研究：1）延长钻孔DAS观测以确定级联事件的时空分布规律；2）结合显微成像技术解析杂质-晶界相互作用机制；3）开发耦合脆性-黏性变形的多尺度流变模型。这些工作将显著提升对冰流不稳定性和海平面上升预测的准确性，为应对气候变化提供科学依据。