基于冰雷達(dá)的南極冰蓋冰厚和冰下地形探測及其演化研究.pdf

1、南極冰蓋是地球上最大的陸緣冰體，其物質(zhì)收支和穩(wěn)定性對(duì)全球氣候變化和海平面升高有重要的影響。冰雷達(dá)(Ice radar)，又稱無線電回波探測(Radio-echosounding，RES)或探冰雷達(dá)(Ice-penetrating radar)，主要用于極地冰蓋冰厚、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冰下地貌調(diào)查，是冰川學(xué)家調(diào)查南極冰蓋冰下特征的主要方法。這些參數(shù)是計(jì)算冰蓋體積和物質(zhì)平衡、重建過去冰雪積累和消融率以及冰蓋動(dòng)力和沉積過程的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，冰雷達(dá)測量覆蓋

2、了南極絕大部分區(qū)域，極大地提升了人們對(duì)南極冰蓋和全球系統(tǒng)間相互作用的理解。本文首先重點(diǎn)評(píng)述了冰雷達(dá)在探測研究南極冰蓋厚度和冰下地形、內(nèi)部反射層、冰下湖和冰下水系、冰床粗糙度以及冰晶組構(gòu)等主要領(lǐng)域的進(jìn)展，并且對(duì)未來冰雷達(dá)探測研究南極冰蓋的前景進(jìn)行了展望，給出了我國的現(xiàn)狀。
　　 冰雷達(dá)的性能，如探測深度、分辨率和精度等，直接決定了觀測結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響冰蓋的物質(zhì)平衡和穩(wěn)定性研究。自上世紀(jì)60年代被引入極地冰蓋調(diào)查和研究

3、以來，冰雷達(dá)性能、探測方法和研究內(nèi)容得到了不斷的提高和發(fā)展，成為冰蓋研究不可獲取的手段。本文分三個(gè)時(shí)間段(1960s～1980s，1980s～2000年和2000年之后)綜述了冰雷達(dá)的發(fā)展，并展望了其未來的發(fā)展趨勢。
　　 Dome A(冰穹A)位于東南極冰蓋中央，是南極冰蓋最高點(diǎn)。冰蓋演化模式顯示，DomeA區(qū)域很可能保存了過去超過百萬年的地球古氣候和古環(huán)境記錄，被認(rèn)為是深冰芯鉆孔的理想位置。冰厚和冰下地形是模式評(píng)估冰芯年代尺

4、度和深冰芯鉆孔選址的重要依據(jù)。中國第21次和24次南極科學(xué)考察(CHINARE21，2004/05； CHINARE24，2007/08)期間，車載冰雷達(dá)系統(tǒng)被用于Dome A區(qū)域中心30 km×30 km范圍內(nèi)冰蓋的三維調(diào)查，成功獲得高分辨率、高精度冰厚和冰下地形數(shù)據(jù)，得出140.5 m×140.5 m網(wǎng)格分辨率冰厚分布和冰下地形DEM。調(diào)查結(jié)果顯示，Dome A中心方形區(qū)域內(nèi)的冰厚平均值為2233 m，冰厚最小值1618 m，昆侖站

5、位置冰厚最大，為3139 m；冰下地形起伏相對(duì)劇烈，海拔范圍949-2445m，呈現(xiàn)典型、清晰的山地冰川作用地貌格局，很可能反映了南極冰蓋的早期演化。依據(jù)冰厚分布和冰下地形特征，認(rèn)為昆侖站位置適合開展首支分辨率高、年代久遠(yuǎn)深冰芯的鉆探。不過，冰蓋內(nèi)部層序結(jié)構(gòu)和冰底消融情況仍需進(jìn)一步研究確定。
　　 南極冰蓋的形成始于～3400萬年前，當(dāng)時(shí)的地球氣候出現(xiàn)顯著而快速的變化。冰蓋和氣候模式研究的結(jié)果顯示，大氣二氧化碳濃度的降低(不到工

6、業(yè)化前280 ppm的3倍)，以及南極繞極流的形成，導(dǎo)致了地球的大幅度降溫，并出現(xiàn)與地球軌道變化相關(guān)的冰川作用?；诂F(xiàn)有的南極冰蓋冰下地形，數(shù)值模擬得出的南極冰蓋發(fā)源地在南極的山脈區(qū)域，包括位于東南極冰蓋中央DomeA區(qū)域的Gamburtsev山脈。盡管如此，由于缺少對(duì)Gamburtsev山脈現(xiàn)在地形特征的了解，使得現(xiàn)在關(guān)于南極大陸型冰蓋的早期冰川作和后續(xù)發(fā)展仍然很不確定。根據(jù)我們通過冰雷達(dá)獲得的DomeA區(qū)域的冰下地形，冰下地貌呈現(xiàn)了

7、經(jīng)典的阿爾卑斯山脈地形特征，發(fā)育有經(jīng)過山地冰川剝蝕的早期河流谷底，而這樣的地形特征的形成需要平均約3℃的夏季表明溫度。Dome A區(qū)域的冰下地形很可能形成于南極冰蓋冰川作用的初期。根據(jù)南極的氣候歷史(來自深海沉積記錄)，認(rèn)為Gamburtsev山脈的形成可能早于3400萬年前，并且該區(qū)域是南極冰蓋起源的核心區(qū)域。此外，1400萬年以來，DomeA區(qū)域的冰下地形很可能得到了很好的保存。
　　 東南極冰蓋中山站至Dome A斷面是國

8、際橫穿南極科學(xué)考察計(jì)劃的核心斷面之一，途經(jīng)過伊麗莎白公主地，沿Lambert冰川東側(cè)上游至Dome A下覆的Gamburtsev冰下山脈區(qū)域。東南極冰蓋中山站至Dome A斷面的冰厚和冰下地形源于CHINARE24期間的車載冰雷達(dá)探測，測線總長1170 km，其中在82％的測線上成功探測到冰巖界面，實(shí)測數(shù)據(jù)的水平分辨率<5.6 m。測量結(jié)果顯示：斷面上的平均冰厚為2037 m，730 km處冰厚最大，冰蓋邊緣位置冰厚最小(891m)，內(nèi)

9、陸1020 km位置冰厚略大于冰厚最小值，為1078 m；冰下地形平均海拔728 m，遠(yuǎn)高于東南極冰下地形高程平均值，其中1034 km處海拔最高，達(dá)到2650m，765 km處海拔最低。內(nèi)陸深處900-1170 km范圍內(nèi)冰下地形海拔較高，與該段位于Gamburtsev冰下山脈區(qū)域有關(guān)。除900 km位置冰下地形的劇烈升高在冰面造成明顯的地形抬升外，總體上，冰下地形對(duì)冰面地形的影響不大。在冰雷達(dá)探測到冰巖界面的部分，小尺度的冰厚和冰下