氣候變遷研究中的地震方法
人們通常透過氣溫、溫室氣體濃度或衛星觀測到的冰川融化和海平面上升等數據來討論氣候變遷。然而，有一個天然的「檔案庫」卻常常被大眾忽略：地球本身。透過穿過地殼、地函和地核的振動——即地震波——科學家可以間接地獲得大量信息，從而了解環境變化。地震勘探方法最初用於繪製地下結構圖和監測地震，如今已成為理解氣候變遷各個方面的關鍵工具，從冰川動力學和冰量變化到海洋環流的變化，無所不包。
什麼是地震探勘法？
地震勘探方法是測量和解釋地球內部傳播的彈性波的技術。這些波可能源自於自然源，例如構造地震、火山爆發、山崩、冰崩以及海浪與海底的相互作用。人工源，例如可控爆炸或地震振動器，也能引發地震波，但氣候研究通常更依賴自然源和持續的地震噪音。
地震測量的主要儀器是地震儀－一種記錄地面運動三個分量的裝置。地震波在介質中傳播時，其速度、振幅和波形會受到介質物理性質的影響，例如密度、彈性、孔隙率、流體含量和溫度。隨著氣候變遷導致各種環境中的水、冰和溫度變化，地震訊號可以作為間接的「感測器」來捕捉這些變化。
為什麼地震學與氣候研究有關？
氣候變遷正在影響地球系統：極地冰蓋融化、永凍土融化、降雨量變化、風暴潮加劇、海平面上升。所有這些變化都與物質（水和冰）的重新分佈、壓力變化以及物質力學性質的變化有關。地震探勘法之所以優勢顯著，原因有以下幾點：
1. 能夠連續監測：地震儀全天候工作，即使在夜間或惡劣天氣下，目視和衛星觀測可能會受到阻礙。
2. 對地下變化敏感：許多氣候影響發生在地下或冰層之下，例如融水的流動、岩石孔隙的變化或永久凍土的減弱。
3. 覆蓋範圍廣：全球地震網路能夠進行區域間比較和長期監測。
4. 與其他方法互補：地震探勘可以與衛星、GPS 和現場測量結合，從而使解釋結果更有力。
冰川地震學：解讀融化冰的“聲音”
冰川地震學是新興應用領域之一。當冰川移動、斷裂或崩解時，這些事件會產生振動，這些振動可以被記錄為特定的地震事件。有幾種與氣候相關的訊號類型：
冰震：冰層內部的裂縫和位移會產生地震訊號。隨著氣溫升高和冰層表面融化加劇，冰震的頻率和強度也會增加。
冰川震顫：通常與冰川底部融水流動相關的持續震動。融水潤滑冰川底部，會加速冰流，影響冰川穩定性，並導致海平面上升。
– 冰崩事件：冰崖崩塌會產生低到中等能量的訊號，可以追蹤這些訊號來計算質量損失率，尤其是在格陵蘭島和南極洲等極地地區。
透過結合地震資料和衛星觀測，研究人員可以評估冰川何時何地加速移動，以及這些模式與季節、溫度和長期變化的關係。
永久凍土和邊坡穩定性：來自凍土減弱的訊號
永久凍土——常年保持凍結狀態的土壤——儲存大量的有機碳，在寒冷地區的邊坡穩定性和基礎設施建設中發揮著至關重要的作用。隨著氣候變暖，永久凍土融化，土壤孔隙被水填充，機械強度下降。這個過程可能引發土石流、地面沉降和地下水流變化。
地震勘探方法主要在以下兩個方面發揮作用：
1. 微震監測：細小的裂縫和邊坡位移會產生微震訊號。微震活動增強可能是地質不穩定的早期徵兆。
2. 地下特性成像：地震波在凍結物質中的傳播速度通常高於在較溫暖、含水飽和的物質中的傳播速度。透過重複地震勘探（時移地震勘探），速度的變化可以指示融化區域。
這種方法對於北極和高山地區非常重要，因為氣候變遷對永凍土的影響正在迅速發生，並直接影響當地社區。
地震噪音以及風暴和海浪的“指紋”
並非所有氣候資訊都來自地震或其他劇烈事件。即使是背景地震噪音——持續的、微弱的振動——也蘊含著海洋和大氣狀況的訊息。海浪的相互作用會產生微震，這是一種週期性振動，即使在內陸很遠的地方也能偵測到。
微震與以下因素有關：
– 海洋波浪能量：當風暴加劇或風型改變時，波浪能量增加，微震也會隨之改變。
– 季節性與年際變化：厄爾尼諾-拉尼娜等氣候模式的變化可以反映在微震的特徵中。
– 海冰狀況：在極地地區，海冰覆蓋會抑制巨浪的形成，進而影響記錄到的微震程度。
對微震進行長期統計分析，可以讓科學家評估風暴和海浪模式的變化，而這些變化與全球暖化和大氣-海洋動力學密切相關。
利用次聲波和地震波監測洪水、河流和泥沙沉積
氣候變遷也正在改變水文狀況：有些地區的降雨強度增加，有些地區的旱季延長，極端洪水事件也變得更加頻繁。湍急的河流會輸送泥沙和岩石，產生震動，這些震動可以被河岸上的地震儀記錄下來。
利用這種方法，研究者可以：
– 透過振動強度間接估算排放量，
– 追蹤泥沙輸送情況，這對於了解侵蝕和地形變化至關重要，
– 監測火山地區的突發洪水或降雨引發的火山泥流。
由於地震儀可以在極端條件下工作，而且不需要與水流直接接觸，因此這種方法在偏遠或危險地區非常有用。
地震時移和地下水儲層變化
在某些地區，氣候變遷正在影響含水層的補給和損耗。此外，人類為因應乾旱而採取的措施（例如抽取地下水）也正在影響著地下水系統。重複（延時）地震勘探可以識別與孔隙空間含水飽和度變化相關的波速變化。雖然實施此方法需要精心設計勘探方案，但它有望成為地下水監測的重要補充，與水井和重力測量數據相輔相成。
解釋的優點、限制和挑戰
地震勘探方法具有連續監測、高靈敏度和能夠「看到」地下結構等優點。然而，它也存在一些局限性，這些局限性必須加以了解：
– 源不確定性：地震號誌可能來自許多過程（人類活動、風、交通、工業），因此需要仔細分離號誌。
– 對儀器網路的依賴：高品質資料需要經過良好校準和策略性部署的地震儀，這在極地或高山地區並不總是容易的。
– 複雜的物理模型：將地震變化與氣候變量（例如溫度或融化速率）聯繫起來需要強大的機械和熱力模型，以及與其他數據的整合。
因此，基於地震的氣候研究幾乎總是多學科的：地震學、冰川學、水文學、氣象學和數值模擬相互補充。
關閉
地震勘探方法正在開闢觀察氣候變遷的新途徑：不僅透過地表可見的變化，還能透過記錄冰、水和岩石動態變化的細微振動來了解氣候變遷。從冰川中的「冰震」到預示海洋風暴的微震訊號，再到洪水期間的河流振動，地震學提供了獲取連續氣候指標的途徑，這些指標往往更接近實際的物理過程。展望未來，隨著感測器網路日益密集、基於人工智慧的分析以及衛星數據和氣候模型的整合，地震數據有望成為監測和理解全球氣候變遷的關鍵支柱。
