这个神秘的地震波,在全球传播了整整9天,严重后果却很少有人察觉

2023 年 8 月,丹麦奥胡斯大学的 Søren Rysgaard 来到了格陵兰岛东北部的迪克森峡湾(Dickson Fjord)。迪克逊峡湾夹在上千米高的陡峭崖壁之间,与其他大大小小的峡湾一起,组成了一个蜿蜒复杂的峡湾系统。

图片来源:Stephen Hicks; Kristian Svennevig; Alexis Marbeouf

Rysgaard 来到这里,是为了在山体和水下安装一系列监测设备,以完善格陵兰岛东北部实时冰下海洋环境监测网络。但就在他们离开的几星期后,9 月 16 日,一场巨大的山体滑坡打破了平静的海面。Rysgaard 安装的设备恰好监测到了海平面的异常波动——这里发生了一场海啸。紧接着,以格陵兰岛东部为中心,一个地震信号传遍了整个地球。并且在接下来的 9 天里,这个地震波持续回荡在全球每一个人的脚下。

滑坡发生前后的卫星图像(图片来源:Copernicus, Sentinel-2, EO browser)

神秘地震波

Kristian Svennevig 是丹麦和格陵兰地质调查局(GEUS)的研究员,他最初注意到这个信号,是应丹麦北极联合司令部(Greenland and Danish Joint Arctic Command)的要求,调查这场滑坡和海啸事件。

从现场和卫星照片中,可以清晰地看到这里发生了什么:耸立在峡湾上方约 1200 米高的一处山顶坍塌,引发了山体滑坡。坠落的山体一路沿着冰川下滑,裹挟着更多冰块和沉积物,坠入了峡湾。坍塌的山体岩石与冰块的体积达到了 2500 万立方米,足以填满一万个奥运规格的游泳池。

图片来源:原论文

骤然的冲击在迪克森峡湾激发了剧烈的海啸,第一波的海浪高达 200 米——远超 2004 年印尼海啸和 2011 年袭击日本福岛核电站海啸的海浪高度。而就在峡湾往东 70 千米处,是一处监测站点 Ella ø。这里的海浪高度依然达到了 4 米,海水蔓延到了距离海岸线 80 米远的内陆。万幸的是,此时监测站内并没有人员工作或居住,海啸只是冲毁了这里的大量设备,并没有造成人员伤亡。

滑坡和海啸发生前(左图)与发生后(右图),从峡湾拍摄的山峰和冰川,图中黄色区域为坠落的山顶岩石,红色区域为受到海啸影响的区域。(图片来源:Søren Rysgaard, Danish Army)

就在同一时期,一个在线社区里聚集了一大群来自全球各地的地震学家。引发他们关注的,是同一个神秘的地震信号:就在迪克森峡湾的滑坡和海啸发生后,从北极到南极,全球各地的高灵敏度地震传感器都探测到了一个奇怪的地震波。自动播放

地震波在全球传播,圆圈代表单个地震台站的数据(视频来源:Stephen Hicks; Kristian Svennevig; Alexis Marbeouf)

说它奇怪,原因之一在于这是一个非常简单、频率单一的地震波。如果将地震信号转换成可以听到的声音,我们熟悉的那些地震听起来就像是一场管弦乐的合奏——它由许多不同频率的波共同组成。然而这个来自格陵兰岛的信号却非常单调,像是一阵稳定的蜂鸣,维持着约 90 秒一个周期(这个频率极慢,以至于人类无法直接感觉到)。而它的另一个奇怪之处在于,这个信号在长达 9 天的时间里,一直维持着一定的强度。以至于研究者起初将这个信号称为“不明地震物”(Unidentified Seismic Object, USO)自动播放

丹麦格陵兰岛的地震台站监测到的地震信号,以及地震波加速并转换为可听频率后的声音

很快,Svennevig 所在的团队与线上社区中的科学家联手组成了一个多学科团队,这个团队由来自 15 个国家或地区 40 个机构的 68 名科学家组成。就在滑坡发生 1 年后,他们的研究成果登上了《科学》(Science)杂志,揭示了格陵兰岛的一场海啸,如何引发了持续 9 天的全球地震。

湖啸山撞

想要将海啸与这场漫长的地震联系起来,线索就藏在地震信号里。不同于在地球内部传播的体波(也就是我们熟悉的横波与纵波),在地表传播的面波有着一些特殊的性质。根据振动的模式和方向,面波主要可以分为水平向振动的勒夫波(Love wave),与上下滚动式的瑞利波(Rayleigh wave,可以视为质点做圆周性滚动)。研究团队以东格陵兰岛为中心,绘制了全球地震台站检测到的面波信号。结果发现,最大振幅的勒夫波在西南到东北方向,而最大振幅的瑞利波在西北到东南方向。这个角度恰好与迪克森峡湾的长轴和短轴相平行。

“因此我们推测,这只能是由于存在一个与迪克森峡湾的长轴成 90° 的力,这个力的来回振荡才能导致这样的面波。”英国牛津大学的 Paula Koelemeijer 解释道。做到这一点的,正是迪克森峡湾中的水体。

左图中红色代表瑞利波,绿色代表勒夫波,右图为迪克逊峡湾(图片来源:原论文)

研究者发现,地震波的主振荡周期约为 90 秒,考虑到迪克森峡湾的宽度约 3 千米,深约 540 米,这一频率恰好与峡湾的共振频率一致。换句话说,是起初剧烈的海啸演变成了迪克森峡湾中沿短轴方向的“湖震”(seiche,又称湖啸)。随着峡湾中的水体每 90 秒来回晃动一次,水的动能被传递给峡湾两侧的地壳。“可以说,这场湖震就像是迪克森峡湾的心跳,”英国伦敦大学学院的 Stephen Hicks 说道,随后这种地震波传播到地球各处。自动播放

迪克森峡湾中湖震的数值模拟(视频来源:原论文)

事实上,湖震是一种相当普遍的现象,通常在强风等天气下出现,发生在湖泊或其他封闭或半封闭水域。然而此前从未有研究发现,湖震可以持续长达 9 天的时间。

最后一块拼图由数值模拟填补。为了精确重建湖震的持续演变,研究团队建立了非常精细的模型,尝试解释为何这场振动可以持续 9 天的时间。最终,他们将答案锁定在迪克森峡湾独特的地形上。

迪克森峡湾夹在高达上千米的悬崖之间,西侧没有通路,东侧则为一个近 90° 的急转弯,研究者提出,这使得水体的能量不会轻易逸散出去,而是像钟摆一样,稳定地在峡湾内摆动。

同时,随着山体滑坡在冰川上加速,直直冲向峡湾的一侧,大部分能量集中到了平行于峡湾长轴一侧的海岸线,这可能也帮助积攒了足够的冲击力。

脚下的气候变化

这样一场振动全球的地震看似偶然,但从气候变化的角度来说,一切已经早有预兆了。作为格陵兰岛东部复杂峡湾系统中的一环,迪克森峡湾两侧的崖壁上充满了沟壑,沟壑间填充着古老的冰川,正是这些冰川支撑着更高处的岩石。

然而研究者发现,从 1987 年到 2018 年,位于此次发生滑坡的山顶下方的冰川已经变薄了 30 米。“我们相信,(从 2018 年)到近年来冰川甚至变薄了更多,导致它无法继续支撑山顶岩石的重量,最终发生了滑坡。”Svennevig 说道,“这是有史以来第一次在格陵兰岛东部观测到山体滑坡和海啸,表明气候变化已经对这里产生了重大影响。”自动播放

滑坡发生 3 天后的现场视频(视频来源:Danish Amy, Joint Arctic Command)

同时,可以肯定的是,这也不会是这里发生的最后一次由山体滑坡引发的特大海啸。气候变化正在削弱多年冻土层和冰川。不仅是迪克森峡湾和格陵兰岛东部,类似的事件也将更频繁、更大规模地发生在极地和世界各地的山区。正如这次持续 9 天的地震信号一样,更多不可思议、过去从来无法想象的极端情况正在成为现实。

“这也许是我们第一次从脚下观察到气候变化的影响,”Hicks 说道,“迪克森峡湾发生的振动已经传到了每一个人的脚底,没有任何一个地区可以幸免。”

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