南極格羅夫山核心區冰下地形測繪

王澤民 譚智，2 艾松濤 劉海燕 王立影

（1武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北 武漢430079；2天津市測繪院，天津300381；3國家海洋信息中心，天津300171）

0 引言

格羅夫山地區是位于東南極內陸冰蓋伊麗莎白公主地的一處裸露角峰群山區，共有64座獨立的冰原島峰，地理位置介于72°20′S—73°10′S，73°50′E—75°40′E，距離中山站大約 400 km，總面積約 8 000多平方公里［1］。格羅夫山地區是從中山站到昆侖站和冰穹A的考察路線中必經區域之一，也是中國南極科學考察重點研究區域之一，國內很多學者對這個區域的地質、環境、藍冰分布及搜集到的隕石開展過研究［2-6］。格羅夫山地區屬于南極內陸冰原島峰群，整個地區地形復雜，冰裂隙縱橫密布，冰裂隙對在該區域活動的人員和車輛構成很大威脅，同時格羅夫山地區又是中國建立考察站的備選地點之一，因此，在格羅夫山地區開展測繪工作具有非常重要的意義［7］。2009年前中國已組織過4次格羅夫山測繪、地質與冰川學綜合考察，實地測繪了格羅夫山核心區110 km2表面地形圖，利用不同分辨率光學影像、SAR影像等制作了格羅夫山地區平面衛星影像圖、大范圍數字高程模型及藍冰分布圖等，開展冰裂隙提取的初步研究［8-12］。受制于地形、惡劣氣候及技術條件，此前開展測繪工作都未曾對該區域展開冰下地形測繪，僅在小比例尺的全南極地理圖上對格羅夫山區域的冰下地形情況做簡單的闡述［13］，該區域目前還沒有一張真正意義上的大比例尺冰下地形圖。近些年的地質和古環境研究表明：格羅夫山地區冰下可能存在液態冰下湖或古冰蝕沉積湖盆地［2］，但由于缺乏相關的冰下地形資料，影響了對格羅夫山區域地質構造成因的認識，有必要在該區域開展冰下地形測繪工作。

中國第26次南極科學考察格羅夫山分隊（2009—2010），利用專業探地雷達（Ground Penitrating Radar，GPR）對格羅夫山東部核心區具有代表意義的哈丁山-薩哈羅夫嶺一帶，共計50 km2區域進行網格式冰下地形測繪，采集了該區域的測深數據。首次利用精細實測的GPR數據繪制了格羅夫山核心區冰下地形圖，初步展現了該區域的冰下地貌，對于今后研究整個格羅夫山地區的基巖地貌和可能存在的上新世古冰下沉積盆地具有探索性意義。作者有幸成為第26次南極科學考察格羅夫山分隊的一員，負責完成了核心區冰下地形的測繪工作，本文利用此次野外采集的實測數據繪制了南極格羅夫山核心區冰下地形圖，并對冰下地形的橫斷面形態進行了探索性分析。

1 數據采集與處理

1.1 現場數據采集

本次野外數據采集的儀器設備包括：加拿大探測器與軟件公司生產的pulseEKKO PRO型探地雷達，加拿大諾瓦泰SMART-V1型一體化GPS接收機，一組木質雪橇和雪地摩托車。科考隊員將現場采集設備安放在木質雪橇上，前雪橇上安放GPR主機、接收天線和GPS接收機，后雪橇上安裝發射天線（圖1），天線頻率配備有100 MHz和25 MHz?？紤]到測區冰層厚度有可能超過1 000m，采集數據時采用了25 MHz的天線。兩個雪橇之間利用塑料管連接并保持固定的相對位置，收發天線步長設為6 m，測量時疊加次數為 8，雷達波速取 0.167 m／ns［14］，雷達觀測模式為點測。考慮天線步長，實際測量中深度計算公式為：

圖1 冰雷達探深工作示意（a）及現場工作圖（b）Fig.1.GPR sounderworking schematic diagram and field survey work

式中，V為雷達波速，T為雷達波往返雙程走時，X為天線步長。

2010年1月，科考隊員利用雪地摩托車牽引木質雪橇，在哈丁山、薩哈羅夫嶺、陣風懸崖之間開展野外數據采集工作，采樣間距（移動步長）為50 m，實測了大量的GPR數據和GPS點?？倻y線長度近100 km，測區面積50 km2，具體的測線分布圖參見圖2。為了便于冰下地形圖的繪制，本文將研究區域分為兩部分，Part1位于薩哈羅夫嶺東南部，Part2位于薩哈羅夫嶺西北部，如圖2所示。

圖2 格羅夫山核心區冰下地形測繪線路圖Fig.2.The route of subglacial topographic surveys in the kernel area of Grove Mountains

1.2 野外測量數據處理

野外實測的GPS數據利用編寫的程序提取出原始數據的經度、緯度、高程（B、L、H），采用高斯投影將每個測點的B、L投影到平面上，得到每一個GPS測點的三維坐標（xi、yi、Hi），其中 xi、yi為每個GPS測點的平面坐標，Hi為冰面高程。GPR數據利用與pulseEKKO PRO型探地雷達配套的雷達處理軟件EKKO軟件處理。處理的基本流程主要為數據整理編輯、濾波和增益調整等基本處理，高級數據處理以及可視化表達等幾個步驟［15］。運用配套的EKKO軟件對每一條測線處理之后，獲取了較清晰的格羅夫山冰下地形的冰巖界面橫斷面圖（圖3）。利用筆者基于Visual C＋＋6.0開發的“GPRead”軟件，人機交互提取了每一個測點的深度（Di），并利用相同的測點編號（Trace number），在“GPRead”軟件中給每一個GPR測點信息疊加GPS坐標。對于采集的GPS測點，利用每一個測點的冰面高程（Hi）減去對應的測深（Di），就可以得到該測點的冰下高程（Ei）。

GPS采集數據方式為經過濾波的單點定位，其高程精度估計在3—5m；冰雷達測量時采用25 MHz的天線，發射脈沖寬度為80 ns，保守估計測量精度為脈沖寬度的1／10，測時精度則為8 ns，轉化為測冰深度則不超過1 m；電波冰速精度，由于公認的電波在冰內的傳播速度介于 0.165—0.170 m／ns，本文采用0.167 m／ns，認為其誤差在1%左右，而在該地區的測深最大為800 m左右，冰速誤差引起的深度誤差在8 m以內。綜合上述誤差，本文認為最后高程精度在10 m左右，能用本文的測量結果繪制50 m等高線間距的地形圖。

圖3 雷達斷面示意圖Fig.3.Radar cross-section diagram

1.3 冰下地形圖的繪制

Surfer軟件是由美國Golden軟件公司開發的圖形軟件，被廣泛用于地學、地球物理學、水文學、考古學、海洋學等學科領域的等值線圖、三維立體圖的繪制［16］。借助于Surfer軟件，本文利用克里金插值法對格羅夫山核心區野外測點的冰下高程進行了空間插值，生成了規則的格網數據和等值線圖，在此基礎上繪制了格羅夫山核心區冰下地形的曲面圖（3D surface），見圖4。

圖4 格羅夫山核心區冰下地形曲面圖.（a）Part 1—薩哈羅夫嶺東南部；（b）Part2—薩哈羅夫嶺西北部Fig.4.3D surface diagrams in the kernel area of Grove Mountains.（a）Part 1，the southeast of Zakharoff Ridge；（b）Part2，the northwest of Zakharoff Ridge

利用CorelDraw X5編繪了格羅夫山核心區冰下地形圖。將冰下等值線、注記點及在格羅夫山采集的冰巖界面高程數據［7］等進行數據格式轉換后導入CorelDraw X5，經矢量跟蹤、圖面整飾后繪制成圖。在冰下地形圖編繪過程中，地圖投影采用的是高斯-克呂格投影，地理參考坐標系為WGS-84橢球，高程系統為大地高高程系統，投影中央經線為75°E，等高線間距為50 m，比例尺為1∶10 000。以薩哈羅夫嶺作為分界線，繪制了薩哈羅夫嶺西北部冰下地形圖和薩哈羅夫嶺東南部冰下地形圖，見圖5。

2 討論

經過前四次格羅夫山綜合考察研究發現，東南極大冰蓋在上新世早期以前，出現過大規模的消融，大陸冰川前沿曾退縮到格羅夫山地區，距現今冰蓋邊緣400 km［17-18］。由此可以推斷格羅夫山地區在當時處于東南極大冰蓋的邊緣，是冰穹A流域的冰舌末端，這會在這個地域形成眾多的終磧堤。受到終磧堤堆積和阻擋作用，易形成冰川前沿湖盆，這些冰川前沿湖又被后來上升推進的冰層所掩蓋，成為現今的冰下古沉積盆地（古冰下湖）。本次在格羅夫山核心區開展的冰雷達測繪工作，雖未能在雷達反射波形中發現液態水的存在，但通過圖4的曲面圖，可清楚看到格羅夫山冰下地形中存在眾多下凹的盆地，可用以今后說明這個區域在過去存在過眾多的冰川前沿湖泊的依據之一。

圖5 格羅夫山核心區冰下地形圖.（a）薩哈羅夫嶺西北部冰下地形；（b）薩哈羅夫嶺東南部冰下地形Fig.5.Subglacial topographic mapping in the kernel area of Grove Mountains.（a）Northwest Zakharoff Ridge subglacial topography；（b）Southeast Zakharoff Ridge subglacial topography

由于格羅夫山冰原島峰群對東南極冰蓋冰穹A流域的阻隔作用，格羅夫山區域成為了目前大冰蓋積累區和消融區之間的平衡線［2］，國內學者通過對格羅夫山地區冰蓋多年的物質平衡情況觀測也發現，格羅夫山地區多年物質平衡線在哈丁山附近。國外學者認為冰流速在物質平衡線處速度是最快的［19］，目前通過遙感手段監測也發現格羅夫山地區存在著復雜的冰流，且流速較快。較快的冰流速及冰流側向刮削作用，將會導致冰流兩側的山脈越來越陡峭，變成陡壁。通過冰川地質地貌觀測發現，格羅夫山地區冰蓋表面在歷史上曾頻繁振蕩，冰面在歷史上曾上升到高于現今冰面100 m左右的位置，如今這些高于冰蓋的巖石巖壁陡峭，表面有冰川磨光面和擦痕，這些強烈的冰流剝蝕特征就是最好的證明。但對于格羅夫山冰原島峰在冰蓋下的情況，是否也和冰面上一樣陡峭，還一直沒有探索。本文利用此次采集的冰雷達數據，在哈丁山和薩哈羅夫嶺之間截取了2個橫剖面，定性地分析了兩個冰原島峰間槽谷的橫剖面形態，參見圖6。

圖6 哈丁山-薩哈羅夫嶺間橫截面圖（單位：m）Fig.6.Cross-sections in the Harding Hill and Zakharoff Ridge（Unit：m）

槽谷形態能夠反映冰川侵蝕特征的沿程分異，對冰川動力學研究具有重要的意義，一般來說，發育成熟的槽谷形態一般呈現“U”型特征，表現為槽谷越寬、越深和谷璧越來越陡峭［20］。通過圖6可發現，在哈丁山和薩哈羅夫嶺之間的槽谷形態偏向于U型谷，而通過圖5發現哈丁山-薩哈羅夫嶺冰下巖壁也極為陡峭，說明這兩個冰原島峰之間的U型谷發育已經十分成熟。

3 結論

中國第26次南極科學考察格羅夫山分隊在格羅夫山核心區開展的冰雷達探測工作，是中國首次在格羅夫山地區開展的冰下地形測繪工作。本文以本次在格羅夫山核心區采集的野外測點數據（GPS／GPR數據）為基礎，繪制了格羅夫山核心區兩張冰下地形圖，首次真實地展示了該區域冰蓋下的地形地貌特征，也為今后在該區域開展大規模冰下地形測繪工作做了一個初探研究。通過繪制格羅夫山核心區冰下地形曲面圖，發現該區域存在著眾多下凹的盆地，說明歷史上有可能存在過冰川終端湖泊，暗示格羅夫山地區在歷史上可能曾經成為東南級大冰蓋的邊緣。同時通過對哈丁山-薩哈羅夫嶺之間的槽谷形態進行研究，發現這兩個冰原島峰冰蓋下依然為陡峭的巖壁，兩個冰原島峰之間的槽谷已經發育成U型谷。

由于格羅夫山地區氣候條件惡劣，冰裂隙密布，隨處可見碎石帶及深達1 000 m的冰厚，這些外界環境都不利于在格羅夫山表面開展冰面地形測繪工作，本次開展的冰下地形測繪工作雖然順利完成，也繪制了1∶10 000的冰下地形圖，但采集的測點不多，不足以生產大比例尺的冰下地形圖，同時也沒有發現液態冰下湖泊。未來在條件許可的情況下，建議在該區域展開密集的冰雷達測線調查，了解冰層分布特征及尋找出可能存在的冰下湖泊。

致謝 感謝中國第26次南極科考隊的隊員在數據采集過程中給予的大力支持和配合。

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