GIA研究进展

1.引言

冰川均衡调整(GIA)是固体地球主要受到末次冰期消融和海平面上升所激发的动力学过程(汪汉胜等，2010)。大约21000年前的末次冰期，在北半球和南半球的大部分地区被厚厚的冰盖覆盖。尽管冰雪已经消融很长时间，由于地球的黏弹性，北美大部分地区、格林兰岛、欧洲斯堪的纳维亚半岛地区和南极洲地区仍然在隆升(Zhou et al., 2020)。地球历史上存在多次的冰川期，而最近的一次出现于约10万年前，在2.1万年前全球冰量达到顶峰，称为末次冰盛期(LGM)。而之后冰川逐渐消退，并于约6000年前冰退基本结束(Peltier, 2004)。研究GIA不仅对研究地球的演化历史有重要的科学意义，在诸如地壳运动、海平面变化、地球重力场、地球应力状态和地球旋转等问题研究上也有着重要的影响。对于GIA的研究，还可为研究地幔流变学、估计末次冰期规模、板块运动、地壳垂向运动、GRACE重力场、卫星测高和全球气候研究提供重要的地球物理改正(Ma et al., 2016)。

GIA原理机制：当大陆被大量的高山冰雪覆盖时，其巨大的质量将对地壳产生巨大的压力，促使下部的地幔物质向周围移动。冰盖覆盖下部下沉，而其周围一定范围的地区隆升：也就是前缘隆起。当冰雪渐渐消融，之前下沉的地区隆升，而前缘地区下降，这种现象称为“冰后回弹”，更准确地说，冰川均衡调整。

 

 

图1 (a) GIA机制示意图(The general process of GIA. Top: heavy ice loads Earth’s surface. Bottom: once the ice is removed, some areas rebound, while others collapse. (UNAVCO, 2020))；

(b) Schematic representation of the glacio-isostatic adjustment processes in response to the waxing and waning of continental-scale ice sheets and the associated land-level change in near-, intermediate-, and far-field locations modified from Kemp et al.( Khan et al., 2015)

 

那么在大约两万年前，地球的南北半球主要的冰雪覆盖的地区是哪些？覆盖的冰雪厚度是多少？以及如何确定冰雪覆盖的厚度呢？ 我们将逐一介绍多种GIA模型，并进行对比评估。目前国际上有很多的GIA模型，Ma et al.(2016)研究了目前主要的GIA模型，并评估了这些模型在南极地区的预测结果和不确定性。目前主要的GIA模型可分为全球模型和区域模型：全球模型有ICE系列模型(Tushingham and Peltier, 1991;Peltier, 1994,1996,2002; Peltier, 2004; Argus and Peltier, 2010;Argus et al., 2014; Peltier et al., 2015)、ICE-4G+RF3L20模型(汪汉胜等, 2008,2009)、Paulson07模型(Paulson et al., 2007)和Geruo13模型(Geruo et al., 2013)/而区域的GIA模型主要是针对于南极地区(Ivins and James, 2005; Ivins et al., 2013)。

2.GIA模型对比

本节将针对于全球主要的GIA进行对比，并以中国大陆地区为例，研究不同GIA模型在区域研究结果的差异。ICE系列模型可以从Peltier的个人网站里获得(https://www.atmosp.physics.utoronto.ca/~peltier/data.php)。在个人网站里我们可以发现ICE-6G有C和D两个版本。其中ICE-6G_C(VM5a) 的阶和次为256，根据Purcell et al.(2016, https://doi.org/10.1002/2015JB012742)指出该模型存在缺陷(the published present-dayradial uplift rates are too high along the eastern side of the Antarctic Peninsula (by∼8.6 mm/yr) and beneaththe Ross Ice Shelf (by∼5 mm/yr))，并采用新的方法获得了一个改进的模型ICE6G-ANU。于是Peltier et al.(2017)给出了改进的模型ICE-6G_D(VM5a)。图2展示了C、D版本的空间分布和两者的差异的空间分布。从全球的GIA分布可见，全球的GIA隆升地区主要分布在南极洲东部、欧洲斯堪的纳维亚半岛、北美哈德逊湾以及格林兰岛地区。而ICE-6G模型的C、D版本的差异主要集中在格林兰岛部分地区和南极洲的东部，最大的差异超过1 mm/yr。

 

图2 ICE-6G模型垂直隆升速率的空间分布：(a)ICE-6G_C;(b)ICE-6G_D;(c)C、D模型的差异的空间分布

 

Paulson et al.(2007)的GIA模型使用哈德逊湾GRACE卫星观测的重力场长期变化和同区域过去1万年地质记录的相对海平面(RSL)变化进行蒙特卡洛反演，来推断地幔黏度结构。GRACE获取的重力场在哈德逊湾的长期变化附近呈现明显的正异常信号，该异常的模式与使用ICE-5G模型预测的结果一致，因此文中采用了ICE-5G冰川消融历史，海洋动力学响应机制使用海平面方程计算，极点漂移模型参考Mitrovica et al.(2005)。

 

图3以等效水高形式表达的Paulson07 GIA. 其中a）质量变化；b)隆升速率

 

Geruo et al.(2013)通过建立一个三维有限元可压缩地球模型，并结合ICE-5G冰负荷历史，得到一个新的GIA模型Geruo13。Geruo的模型考虑了质心运动、极移反馈以及自洽海洋负荷的影响。Geruo模型由美国喷气动力实验室(JPL)发布，包含大地水准面变化、质量变化和垂向速度。图4展示了对应的质量变化和垂向速率的全球分布。

 

图4以等效水高形式表达的Geruo13 GIA. 其中a）质量变化；b)隆升速率

 

3.GIA在典型区域的精度对比

3.1 南极大陆PGR速率

由于南极地区缺少近场相对海平面(RSL)资料并且南极冰盖在全新世发生了巨大变化(Ma et al., 2016)，因而其冰川均衡调整较为特殊，为了更好地评估GIA模型，本文选择了南极区域从以下两方面各模型进行了比较分析。

 

图5 南极地区不同GIA模型的地壳隆升速率的预测结果：(a)ICE-6G_C; (b)ICE-6G_D; (c)Paulson07; (d)Geruo13

3.2 北极地区

图5 北半球地区不同GIA模型的地壳隆升速率的预测结果：(a)ICE-6G_C; (b)ICE-6G_D; (c)Paulson07; (d)Geruo13

 

3.3 中国大陆地区

图6 不同GIA模型在中国大陆地区的空间分布: (a)ICE-6G-C; (b)ICE-6G-D; (c)Pailson07; (d)geruo13

 

 

三、GIA研究进展

GIA在各类地球物理信号改正中，比如海洋、冰雪消融监测、水储量、南极研究、地震研究等方面，接下来本节将介绍不同的研究内容。

(一)  宇宙成因核素暴露年代研究中GIA效应的影响

Calculating cosmogenic-nuclide surface-exposure ages is critically dependent on a knowledge of the altitude of the sample site. Changes in altitude have occurred through time as a result of glacial isostatic adjustment (GIA), potentially altering local nuclide production rates and, therefore, surface-exposure ages. Altitude determines the atmospheric pressure at a location, which controls the site-specific nuclide production rate and, therefore, the surface-exposure age(Jones et al., 2019). Consequently, nuclide production rates increase with altitude(Lal, 1991; Lal and Peters, 1967; Sato et al., 2008).

 

(二) GIA改正对海平面研究的影响

海平面上升被视为是人为因素导致的全球气候变化的一个可观测的指示信号。在上个世纪，海平面的平均上升速率大致为1~2 mm/yr(Church et al., 2001)，目前全球的海平面上升速度大约为3.53 mm/yr(https://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/ocean-indicators-products/mean-sea-level/data-acces.html#c12195)。

 

(三)  GIA改正对冰川研究的影响

冰川是冰冻圈里重要的组成部分，它对太阳辐射有高反射以及自身的相变需要大量的潜热，因而冰川在能量平衡、全球的大气和海洋环流中有着重要的影响(汪秋昱, 2018)。全球冰盖主要分布在南极洲、格林兰岛、亚洲高山区和北美阿拉斯加、南美洲西部山脉(图7)，而全球的GIA隆升地区主要分布在南极洲东部、欧洲斯堪的纳维亚半岛、北美哈德逊湾以及格林兰岛地区，因而在这些地区的冰川研究中需要仔细考虑GIA效应。在南极冰盖的研究中，Gao et al.(2015)使用不同的GIA模型得到冰雪消融速率差异最大达到80 Gt/a，因而在使用GRACE研究南极的冰雪质量变化时，更准确的GIA是关键。有研究发现在使用GRACE研究南极和格林兰岛的冰雪时，相比于GIA改正之前，冰雪融化的速率明显减少。

 

图7 全球主要的冰川和冰盖的分布(http://nsidc.org/glims/)

 

 

(四) GIA改正对地震研究的影响

冰川均衡调整是黏弹地球对末次冰期融化以及海水负荷改变的响应，对地壳运动和地球重力场均有影响，因此在地震问题的研究中，GIA的改正尤为重要。Ojo et al.(2021) 研究了加拿大地区应力张量的累积和释放的速率，结果表明加拿大地区东部小于20%的累积应力是由于地震释放的，而大部分是归因为GIA效应；有研究在研究2015年的尼泊尔地震中重力变化中进行GIA改正的大小在那曲和拉萨站点与垂直运动产生的重力变化相当(Chen et al., 2015)；而GIA对地震的发生也有促进和诱发作用，Chris et al.(2020)评估了GIA在阿拉斯加东南部的主要断层对大地震的影响，发现在30次的观测中有23次5级地震是由GIA推动的。由此可见，在研究中GIA的效应不可忽视。

 

(五)如何在GRACE产品中扣除GIA效应

由于GRACE重力卫星观测得到的时变重力场包含了现今地表质量变化(PDSMC)和GIA效应，在各类地球科学问题的研究中需要有效扣除GIA效应。上述的章节介绍了不同的GIA模型，接下来将分析如何在GRACE产品中扣除GIA效应的方法。根据Bramha et al.(2022)，目前主要有三类方式：1）对于level 2级的GRACE球谐产品，通常直接扣除GIA对应的球谐系数，主要流程如下：

 

图1 方案一：直接从GRACE球谐产品中扣除球谐系数形式的GIA

 

图2 方案二：地球为弹性体，存在对重力场的影响。因此将GRACE和GIA转成格网数据再扣除

 

图3 方案三：地球为刚体，不存在对重力场的影响。同样将GRACE和GIA转成格网数据再扣除

 

为了对比三类方法的差异，我们使用GRACE level 2 06版本的球谐数据，并使用stokes系数版本的GIA效应，尝试改正GRACE时变重力场。（Hence, PDSMC estimates from option (b) are equivalent to option (a), and are correct. a slightly different relation (eq. 4) is used for obtaining GIA EWH fields, which leads to an error in the PDSMC EWH fields:）文中分析了方案二和方案三的差别，指出We conclude that due to such an error, the Antarctic ice mass loss rate would be overestimated by ≈18 per cent and the ocean mass increase rate would be underestimated by ≈6 per cent. This further demonstrates the importance of removing the GIA signal consistently. The error here is a function ofthe GIA model only, which is clear from eq. (5). Therefore, these numbers will change if we replace the Caron et al. (2018a)GIA model used here by a different GIA model. 接下来我们将使用ICE-6G-D GIA模型(变换GIA模型)，得到类似于文中的表一。

An additional option arises if users download a gridded PDSMC field that is already corrected for GIA and then want to apply a different GIA correction. These gridded fields could be level 3 GRACE products or the mascons, which are readily available from various data centres. In this case, users need to add back the previously removed GIA field and remove a GIA grid of their choice. Here, users should ensure consistency. Any provision of GIA EWH fields should include information on the relation used (eq. 3 or eq. 4)。此处将以GRACE mascon数据为例分析如何替换不一样的GIA模型并保持一致。本文使用的数据为CSR发布的 GRACE/GRACE-FO RL06 Mascon Solutions (version 02), The solutions with all the appropriate corrections applied (GAD, GIA, C20, C30, degree1, etc) in equi-angular grids. 同时A glacial isostatic adjustment (GIA) correction has been applied based on the model ICE6G-D。

 

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