重力遥感与导航团队在山地冰川区InSAR/GNSS形变观测约束地幔黏度横向非均匀性方面取得新进展

背景和意义

      在全球变暖背景下，南美洲南端巴塔哥尼亚冰原正处于冰川加速消融与地表快速隆升的活跃阶段。在纳斯卡板块向南美洲板块俯冲作用下，巴塔哥尼亚地区的俯冲板片发生撕裂并形成板片窗构造，这一过程引发深部高温地幔物质的显著上涌，同时导致下伏岩石圈发生侵蚀与系统性减薄。值得注意的是，冰川物质快速流失区域与下方板片窗构造在空间分布上呈现显著的重合特征。这种由特殊构造活动与现代冰川变化过程耦合形成的地质环境，为系统研究板片窗流变学特征对现今冰川均衡调整（Glacial Isostatic Adjustment, GIA）过程的响应机制，提供了不可多得的天然实验场所（图1a）。
      本研究通过整合高精度GNSS观测数据与InSAR遥感形变数据，构建了覆盖研究区的高分辨率、大范围地表形变场，精细刻画了冰川快速消融背景下的黏弹性形变响应特征（图1b）；进一步通过对比分析实测形变场与区域GIA数值模拟结果，系统揭示了地幔黏度横向非均匀性与地表形变空间分布模式的内在关联，研究成果可为区域三维GIA模型的精细化构建提供关键参数约束，同时深化对板块俯冲带-冰川相互作用下地球动力学过程的理解。

图1. （a）南美洲南部地质背景与研究区范围。（b）巴塔哥尼亚冰原GNSS与Sentinel-1数据覆盖情况。

研究内容与结果

      基于覆盖研究区的七幅Sentinel-1升轨数据，本研究结合区域网平差方法与GNSS观测数据，对形变速率图进行了拼接与校正，最终获得覆盖巴塔哥尼亚冰原周边的完整形变场。结果显示，该区域最大抬升速率约为40 mm/yr（图2）。通过形变速率剖面分析，可清晰识别南冰原东西两侧形变特征存在显著空间异质性，且该分布格局与板片窗的地理边界呈现一定的空间耦合关系（图2c–d），为进一步揭示地幔结构的横向变化提供了重要依据。

图2. (a) 巴塔哥尼亚冰原的InSAR形变场，红色实线为板片窗空间位置，黑色虚线框为剖面分析位置。(b) GNSS速率与InSAR速率比较。（c）、（d）为沿AA´、BB´、CC´作形变速率剖面分析，灰色阴影为地形。

      为推断上地幔黏度的空间分布差异，本研究以大地测量观测获取的地表形变数据为约束条件，结合地球物理模型与冰川消融历史开展一维GIA模拟。通过精细的参数空间搜索，测试了不同上地幔黏度（1×1018–3×1019 Pa s）与弹性层厚度（30–40km）组合（图3）。本文将研究区域离散化为0.5°×0.5°格网，以每个格网内InSAR观测值与模拟形变间最小均方根误差（RMSE）对应的上地幔黏度与弹性层厚度作为最佳参数。结果显示，研究区上地幔黏度呈现显著的南北向差异，且在南巴塔哥尼亚冰原所在的49°–50°纬度带，东西两侧的黏度特征形成鲜明对比。通过设定黏度阈值进行聚类分析，我们进一步将研究区划分为4个子区域，其上地幔黏度范围介于3×10¹⁸–1.7×10¹⁹ Pa·s之间。尽管一维模型未能完全反映三维地幔流变结构的全部复杂性，但本研究将一维GIA建模与格网化参数搜索相结合，所得地幔黏度横向变化及区域划分结果与三维模型具有较高一致性（图4）。

图3. （a）地球模型设置，（b）巴塔哥尼亚冰原质量损失历史曲线

图4. （a）每个格网最佳黏度匹配结果，（b）子区域划分结果，（c）InSAR形变观测与子区域最佳黏度下模拟结果的残差分布，（d）残差统计图。

结论与展望

      本研究融合GNSS与InSAR观测数据，构建了巴塔哥尼亚冰原周边高精度、空间连续的垂直形变场。分析表明，与现代冰质量损失相关的冰川均衡调整（GIA）是驱动该区域地壳快速隆升（峰值速率达~40 mm/yr）的主控机制。基于形变观测约束，通过一维GIA反演建模，反演获得了冰原下方上地幔黏度系数的空间分布特征，并清晰识别出地幔黏度的显著横向非均匀性。进一步依据黏度分布特征设定科学阈值进行聚类分析，将研究区精准划分为四个具有差异化黏度特征的子区域。该分区方案为后续三维粘弹性结构建模提供了关键约束条件，不仅能有效提升区域GIA模拟的精度，还将深化对板片窗构造与冰川卸载相互作用下地球动力学过程的理解。

发表信息

      研究成果近期在地球物理领域权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》上发表。中山大学遥感科学与技术学院博士研究生王正阳为第一作者，中山大学遥感科学与技术学院重力遥感与导航团队冯伟教授、姜中山副教授为通讯作者，重力遥感与导航团队吴洲博士生、田宝明博士生、钟敏教授、魏灏本科生，南方科技大学罗海澎副教授为合作者。该项研究得到了国家重点研发项目（No. 2024YFC2813500）与广东省基础与应用基础研究基金（No. 2024A1515030169）的资助。
      原文信息：Zhengyang Wang, Wei Feng, Zhongshan Jiang, Zhou Wu, Baoming Tian, Haipeng Luo, Min Zhong, Hao Wei, 2026. Significant crustal uplift attributed to contemporary glacier loss over laterally heterogeneous mantle, Earth and Planetary Science Letters, 673: 119725. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119725.
      原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25005230