唐學(xué)遠(yuǎn) 孫波 崔祥斌

（國家海洋局極地科學(xué)重點實驗室，中國極地研究中心，上海200136）

0 引言

自1957年Waite等［1-2］第一次利用機載脈沖雷達高度計（pulsed radar altimeters）探測南極冰蓋的冰厚以來，人類使用雷達技術(shù)對南極冰蓋的直接觀測已有50多年的時間。雷達技術(shù)得以作用于冰蓋的原因是冰蓋對兆赫級的電磁波是透明的。雷達技術(shù)最早的應(yīng)用是獲得冰蓋的冰厚及其副產(chǎn)品——冰下地形，后來經(jīng)過技術(shù)改進，穿越冰蓋的長距離冰內(nèi)分層結(jié)構(gòu)也被清晰地分辨出來［3-4］。截至目前，已在南極冰蓋上開展了大量冰雷達觀測內(nèi)部層調(diào)查。早期研究的焦點是辨識導(dǎo)致冰內(nèi)成層現(xiàn)象的原因，后來轉(zhuǎn)向通過內(nèi)部層蘊含的信息揭示冰蓋內(nèi)部的冰流過程、冰蓋表面積累率、冰下融化率、冰蓋動力學(xué)和冰下水系統(tǒng)的研究。通過雷達技術(shù)與冰川物理學(xué)相結(jié)合，已經(jīng)形成了一門新的交叉學(xué)科，稱之為雷達冰川學(xué)（Radioglaciology）。2008年，國際冰川學(xué)會（IGS）在西班牙馬德里召開“Radioglaciology and its Application”研討會，成為雷達冰川學(xué)被認(rèn)可并走向成熟的標(biāo)志。雷達冰川學(xué)較重要的研究領(lǐng)域即是通過雷達圖像顯示的冰蓋內(nèi)部反射功率譜信號考察冰蓋的內(nèi)部成層結(jié)構(gòu)。冰蓋內(nèi)部層結(jié)構(gòu)在冰蓋研究中的重要性日益顯現(xiàn)。冰蓋內(nèi)部層主要有兩個特點：（1）同一內(nèi)部反射層是近乎相同年代的雪被后來的雪冰覆蓋、壓實而成的冰層，因而具有“等時性”（isochronous），稱為內(nèi)部等時層；（2）內(nèi)部等時層的幾何形態(tài)和結(jié)構(gòu)是歷史上冰蓋表面物質(zhì)積累、冰面地形、內(nèi)部流場變化、底部融化和底部地形共同形成的結(jié)果，因而可以被用來理解冰蓋的運動和演化。內(nèi)部等時層在冰川學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)很多，例如1970年代，英國劍橋大學(xué)斯科特極地研究中心（Scott Polar Research Institute，SPRI）與美國國家科學(xué)基金委員會（National Scientific Foundation，NSF）、丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark，TUD）在南極冰蓋展開了第一次大面積的機載冰雷達調(diào)查，獲得了近400 000 km的冰蓋斷面數(shù)據(jù)（圖1）。Siegert等［5］據(jù)此給出了一個西南極的內(nèi)部等時層數(shù)據(jù)集及其應(yīng)用實例。崔祥斌等［6］在討論關(guān)于冰雷達在南極冰蓋的應(yīng)用綜述時對此有一個簡要的介紹，但是還沒有一個有關(guān)內(nèi)部等時層研究進展的綜合描述。鑒于此，有必要針對南極冰蓋內(nèi)部等時層研究進展做一個系統(tǒng)的闡述。

圖1 SPRI在1970年代獲得Vostok區(qū)域的機載雷達斷面顯示的內(nèi)部等時層（圖片為冰蓋雷達膠片，由Siegert M J提供）Fig.1.Internal layers revealed in airborne radar profile at Vostok from the SPRI programme in the 1970′s（the radar film from SiegertM J）

1 冰蓋內(nèi)部等時層：定義與表示

冰雷達觀測結(jié)果并不是簡單的反射波組合，而是多個反射相互干涉的結(jié)果［7-8］。雷達圖像顯示的冰蓋剖面實際上是冰下不同深度上的回波。自20世紀(jì)90年代后，研究發(fā)現(xiàn)，在理論上，冰蓋內(nèi)部反射層極可能代表了由近乎相同年代的雪被壓實后形成的冰層，或冰下基巖與冰的交界面。在水平方向表現(xiàn)為層的結(jié)構(gòu)表征了冰蓋內(nèi)部冰介電性質(zhì)的差異［9］。目前有三個主要的冰內(nèi)電介質(zhì)差異被識別出來，即冰的密度變化、冰體酸性變化和冰晶組構(gòu)差異［10］。雷達接收的冰蓋內(nèi)部反射信號用其接收和記錄的反射信號電壓值（記為W）的對數(shù)表達式給出，稱為反射功率（記為A），其中一種表達方式是：A＝20lgW［11］。通過雷達反射信號數(shù)據(jù)，內(nèi)部等時層可由圖像形式直觀表達（圖2）。圖像分為單道或多道記錄波形圖（A-Scope）和多道時間剖面圖（Z-Scope）［12］。通常，在空間尺度上識別并提取內(nèi)部等時層使用Z-Scope圖像。利用Z-Scope圖像顯示的內(nèi)部等時層所在冰蓋內(nèi)部的空間位置與幾何特征，獲取其所埋藏的深度和位置信息［13］。只是有時反射信號易被測量裝置和環(huán)境產(chǎn)生的各種噪聲所干擾，使得某些內(nèi)部等時層產(chǎn)生劇烈的擾動或者斷裂，而很難被示蹤。分析單點回波信號時，則使用A-Scope。

圖2 雷達生成的冰蓋內(nèi)部反射信號圖.縱坐標(biāo)表示冰蓋下方相對于表面的深度.A-scope（右）：橫坐標(biāo)表示雷達反射功率譜值A(chǔ)；Z-scope（左）：橫坐標(biāo)表示距離雷達觀測測線的起始點的水平距離（據(jù)文獻［3］）Fig.2.Reflect signals of radar echo sounding to ice sheet.Vertical coordinates represent the depth beneath ice surface.A-scope（right）：the level coordinates are the power of the reflection，and Z-scope（left）：the level coordinates show the distance from the starting point of radar operation along the observed route.（From the Ref.［3］）

2 冰蓋內(nèi)部等時層產(chǎn)生的原因

南極冰蓋雪的密實化過程和成冰深度在不同位置是不同的。然而，在雪轉(zhuǎn)成冰的過程中，自冰蓋表面以下，密度變化有兩個明顯的深度臨界點：從表面向下，隨深度增加密度迅速增加，密實化過程由機械壓密階段向塑性變形和再結(jié)晶階段逐漸轉(zhuǎn)變，其臨界密度為550 kg·m-3；到達此臨界密度后，密度增加幅度減緩，830 kg·m-3成為雪層內(nèi)空隙封閉為氣泡的臨界密度。冰芯研究表明，冰密度變化的下限在700—900 m之間，隨著深度增加，冰內(nèi)氣泡被孤立和壓縮，最后相變進入晶格內(nèi)部形成籠形水合物形式，冰密度也趨于917 kg·m-3穩(wěn)定下來，再往下密度趨于均勻。在冰蓋淺部介電常數(shù)變化引起的反射波主要是由密度變化引起，相反在深部出現(xiàn)與介電常數(shù)有關(guān)的反射主要是由晶體組構(gòu)（Crystal Orientation Fabrics，COF）變化產(chǎn)生。根據(jù)介電常數(shù)和電導(dǎo)率來區(qū)分優(yōu)勢反射原因是基于冰晶體六方晶系復(fù)雜的介電特性，據(jù)此可找出引起反射的優(yōu)勢原因是介電常數(shù)還是電導(dǎo)率。研究表明，淺層的冰密度變化（深度＜700 m），較深層的酸性物質(zhì)和冰晶組構(gòu)變化（深度＞900 m）決定了不同深度的內(nèi)部層結(jié)構(gòu)［10］。密度和導(dǎo)電性變化具有等時性特征［14-15］。在判別內(nèi)部等時層的形成來源究竟是冰密度變化、冰體酸度變化還是冰晶組構(gòu)變化時，有效途徑為采用雙頻或多頻冰雷達系統(tǒng)進行探測試驗對比，分析雷達回波信號在冰蓋不同深度和局部的變化特征［15-16］。密度變化引起介電常數(shù)的變化（記為PD），主要在冰蓋最上層700 m內(nèi)顯現(xiàn)；在深度＞900 m時，密度變化很小，不會顯著影響介電常數(shù)。酸度變化主要引起冰體電導(dǎo)率的變化（記為CA）。酸度變化的主要來源是火山噴發(fā)懸浮物沉淀在雪冰中所形成的酸層。冰晶結(jié)構(gòu)變化主要是指冰蓋內(nèi)部冰晶C軸的指向變化，其能引起介電常數(shù)的變化（記為PCOF）。冰晶結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化可能引起介電常數(shù)的劇烈變化，形成內(nèi)部反射層。

基于文獻［10］，令RP和RC分別表示介電常數(shù)和電導(dǎo)率的反射系數(shù)，則介電常數(shù)（PD和PCOF）和電導(dǎo)率（CA）可用來區(qū)分相對優(yōu)勢的反射波。在平坦邊界，RP與介電常數(shù)Δε變化的平方成正比（即RP∝Δε2），其中涉及密度對介電常數(shù)PD的影響和冰晶結(jié)構(gòu)對介電常數(shù)PCOF的影響；RC與電導(dǎo)率Δσ變化的平方也成正比（即），涉及酸度對電導(dǎo)率的影響（CA），這里f為電磁波頻率。冰雷達信號不是記錄的反射功率系數(shù)，而是接收功率的時間序列。接收天線的接收功率（PR）和目標(biāo)體的反射可通過下列等式描述：

其中PT是發(fā)射功率；R是反射功率系數(shù)，表示為RP或RC；G、λ和q分別是天線增益、真空中波長以及折射增益。

因此對于同一深度雙頻雷達系統(tǒng)接收的相對PR系數(shù)，我們有：

通過對比兩種頻率的雷達反射信號，計算其反射功率差值，可判定出反射主要是由哪種變化機制所引起的。物理機理在于：與頻率相關(guān)的獨立項C與引起反射的冰蓋內(nèi)部冰介質(zhì)電磁參數(shù)無關(guān)，而只與儀器系統(tǒng)參數(shù)相關(guān)。如果能忽略C項，將得到只與反射功率系相關(guān)的ΔPR值。如果反射主要是由PD或PCOF引起，則上式ΔPR中第一項值為0（dB）；如果反射主要是由CA引起，則ΔPR中第一項值為20lg（f2/f1）（dB）。假定固定雷達的 λ、PT和G等參數(shù)，則第二項C將是一個固定的差值。通過觀測ΔPR隨深度變化的量值（20lg（f2/f1）（dB）），能從CA反射中區(qū)分出PD/PCOF引起的反射（圖3）。根據(jù)上述雷達信號包含的冰體信息，可給出冰蓋雷達剖面上由密度、冰晶組構(gòu)和酸性物質(zhì)決定的各個區(qū)域以及信號盲區(qū)（Echo-Free Zone，EFZ）。

冰晶組構(gòu)與內(nèi)部等時層的關(guān)系是當(dāng)前的一個研究熱點。研究表明冰晶組構(gòu)可能也具有等時特征，然而它易受冰體流動的影響［17］。冰芯記錄表明，在冰蓋深部晶體結(jié)構(gòu)主軸方向在冰川上游和下游有著結(jié)構(gòu)性的差異：上游以單極結(jié)構(gòu)的單晶冰為主，水平方向為各向同性特征，雙折射使得接收功率在水平面上具有90°的變化周期；而在下游地區(qū)則以垂直帶狀冰為主，水平方向具有各向異性，水平面內(nèi)接收功率的變化周期為180°［18］。說明使用雷達極化測量可識別冰晶組構(gòu)在冰蓋不同區(qū)域的變化規(guī)律［19］。例如，中國第21次南極考察隊在Dome A開展的旋轉(zhuǎn)極化面觀測，共測量了覆蓋360°范圍內(nèi)的16個方向反射功率系數(shù)。研究表明：Dome A多極化面雷達記錄中出現(xiàn)雙折射特有著90°變化周期，冰晶組構(gòu)類型是被拉長的單極COF，而且在不同周期上，其主軸方向存在的偏差可能與冰流方向在不同深度的變化有關(guān)［20］。

圖3 中山站-Dome A斷面五個測點的詳細(xì)單道A-scope的冰蓋內(nèi)部回波信號的比較（坐標(biāo)分別為（79.608°E，78.798°S），（79.560°E，78.482°S），（79.068°E，76.990°S），（78.788°E，77.032°S），（78.346°E，77.004°S））。數(shù)據(jù)由 2004/2005中國第21次南極考察隊在南極內(nèi)陸冰蓋斷面使用f1＝60 MHz和f2＝179 MHz雙頻極化雷達獲得.紅線和藍(lán)線分別表示PR（179）和PR（60）.ΔPR＝PR（179）-PR（60）＞0的部分用黃色顯示.不同深度范圍的主要反射機制用PD、PCOF、EFZ和CA來標(biāo)示（由王幫兵提供）Fig.3.A comparison of A-scope single records from five locations at the Zhongshan Station-Dome A section（the coordinates are（79.608°E，78.798°S），（79.560°E，78.482°S），（79.068°E，76.990°S），（78.788°E，77.032°S），（78.346°E，77.004°S），respectively）.Data were collected by using adual polarization radarwith frequency of f1＝60 MHz and f2＝179 MHz during the 21th Chinese National Antarctic Research Expedition in 2004/2005.The red and blue curves are PR（179）and PR（60）.The yellow areas present the range ofΔPR＝PR（179）-PR（60）＞0.Different reflection mechanism depending the depth are shown as PD，PCOF，EFZ and CA（From Wang Bangbing）

3 內(nèi)部等時層的形變

內(nèi)部等時層的形態(tài)被認(rèn)為與冰流運動與冰下地形緊密相關(guān)。首先，等時層空間分布與冰下地形密切相關(guān)，但并不與冰下地形嚴(yán)格一致。冰下等時層形態(tài)與冰蓋內(nèi)部冰流在山脈附近可能發(fā)生的轉(zhuǎn)向有關(guān)，Robin等［21］指出等時層信號擾動通常由不規(guī)則的冰流所引起。內(nèi)部等時層受到冰流劇烈的擾動，形成不規(guī)則的空間分布。數(shù)值模擬表明，內(nèi)部等時層的幾何結(jié)構(gòu)與冰下地形的起伏存在的相關(guān)性可由冰蓋內(nèi)部剪切力梯度在水平方向的變化來解釋，即在一定程度上內(nèi)部等時層追蹤了冰流線的軌跡［22］?？赡艿脑蚴潜w在這里的流速的水平分量很小而垂向分量起決定作用，并且冰蓋底部可能存在滑動現(xiàn)象，從而導(dǎo)致冰蓋內(nèi)部冰流出現(xiàn)顯著的垂向運動。特別地，假設(shè)底部沒有凍結(jié)，在冰穹地區(qū)（如Dome A），其近似徑向的冰體運動將物質(zhì)從冰蓋上表面輸送到下表面，使得流線軌跡在冰蓋底部與等時層漸近重合［23］。

另一方面，冰巖界面信號返回時在表面產(chǎn)生的平移依賴于冰下地形的波長，其結(jié)果也會影響等時層的形變。由于內(nèi)部等時層會追蹤冰下地形，覆蓋長波波段上的起伏，而在短波波段則趨向于平行于冰巖界面，并產(chǎn)生褶皺。因此局部的單個冰下山峰（不論其空間尺度多大）將使內(nèi)部等時層產(chǎn)生強烈的形變［22］。在冰蓋500 m以上的近表面和淺層，由于積累率在空間分布上的變化，內(nèi)部等時層會出現(xiàn)局部背斜和向斜現(xiàn)象。在積累率增加的局部，等時層出現(xiàn)向上突出的背斜層；而在積累率相對減少的局部，內(nèi)部等時層呈向下彎曲的向斜層。冰芯研究表明，在厘米尺度上冰芯剖面上可識別的等時層形變由冰蓋內(nèi)部局部存在的物理和化學(xué)性質(zhì)差異所造成［24］。然而，雷達信號中顯示的內(nèi)部等時層水平分辨率在數(shù)十米級，而垂向分辨率至少在米級，因此雷達剖面顯示的內(nèi)部等時層的不連續(xù)或斷裂來自結(jié)構(gòu)性干涉信號的缺失［7］。

4 內(nèi)部等時層的應(yīng)用

4.1 深冰芯斷代與選址

內(nèi)部等時層反映了冰蓋的冰體介電性質(zhì)的成層性變化和擾動特征。其幾何特征包含了歷史上的火山噴發(fā)、降水差異等以反映冰蓋過去特定時間的冰體形變特征。通過內(nèi)部等時層可將已有深冰芯鉆孔與潛在的深冰芯位置連接起來，獲取其深度-年代關(guān)系，然后利用數(shù)值模式對深冰芯候選點進行斷代和估計古平均積累率，為冰芯斷代與選址提供數(shù)據(jù)支持［25］。Siegert等［26］利用內(nèi)部等時層將 Dome C與Vostok冰芯連接起來，在長度超過500 km雷達剖面里找出的5條連續(xù)的內(nèi)部等時層，為Dome C深冰芯位置定年。結(jié)果顯示在末次間冰期（120 000年）Dome C冰沉積對應(yīng)的冰厚比Vostok大300 m；在同一深度上，Dome C冰芯處在10 000—25 000年的冰比Vostok對應(yīng)的冰年代輕。Steinhage等［27］對EPICA在毛德皇后地（Dronning Maud Land，DML）的冰芯鉆探計劃做出前期調(diào)查，在其深度的2/3范圍內(nèi)的雷達剖面上部，對數(shù)百上千米范圍內(nèi)的等時層同時進行了示蹤定年，對DML深冰芯鉆探候選位置進行了評估。另外，可通過內(nèi)部等時層將已有的冰芯記錄年代信息拓展到南極冰蓋的內(nèi)部，獲得某些有獨特環(huán)境地區(qū)的冰蓋內(nèi)部冰體特定深度的年代地層學(xué)信息。例如，通過雷達測線與Vostok冰芯的結(jié)合，可獲知Titan Dome最底部的冰層年代在165 000年，說明南極點存在涵蓋末次冰期-間冰期旋回記錄的冰芯，是一個潛在的高分辨率冰芯鉆探理想位［28］。對Hercules Dome和南極點之間冰蓋雷達斷面的研究顯示那里存在一個適合冰芯鉆探的冰下盆地，該盆地埋藏在一個有顯著表面侵蝕，海拔高達1 400 m的冰下山脈附近［29］?？梢栽O(shè)想，利用內(nèi)部等時層連接的相關(guān)性可將目前的深冰芯研究熱點如Dome A、Ridge B與 EPICA Dome C、EPICA DML、Vostok、Dome Fuji等已有深冰芯通過內(nèi)部等時層聯(lián)系起來，獲得東南極冰蓋內(nèi)陸許多典型區(qū)域的年代信息，從而優(yōu)化未來的深冰芯鉆探選址和定年。

4.2 冰蓋動力學(xué)過程

內(nèi)部等時層也可被用來研究冰蓋流動歷史及內(nèi)部形變過程，并評估冰蓋內(nèi)部形變及估計速度場的空間分布特征［6］?；诶走_剖面能估計并描繪冰蓋內(nèi)部一些特殊區(qū)域的流場特征，平坦的內(nèi)部等時層往往暗示冰下湖泊的出現(xiàn)，而湖上方等時層呈現(xiàn)的許多局部隆起和凹槽則意味著湖上的冰流受到了表面坡度的影響［30］。使用內(nèi)部等時層通過湖岸坡度判斷，可以計算湖中的水深以及對湖泊表面上方的冰蓋流場進行估算［31］。在某些特定情況下內(nèi)部等時層可作為冰蓋內(nèi)部流場的指示物，如褶皺形態(tài)的內(nèi)部等時層通常伴有一條揭示古冰流特征的長距離對稱軸（數(shù)十至數(shù)百上千米不等），此類對稱軸在西南極冰蓋已被發(fā)現(xiàn)通常不與現(xiàn)代冰流方向一致，其形態(tài)揭示出南極冰蓋內(nèi)部冰流歷史上發(fā)生過突然的轉(zhuǎn)向（圖 4）［32］。

圖4 雷達圖像揭示南極冰蓋內(nèi)部冰流歷史上發(fā)生過突然的轉(zhuǎn)向，該圖像為Siegert［32］根據(jù)在西南極 Byrd站的雷達內(nèi)部等時層建立的冰流與等時層褶皺變化關(guān)系概念模型（據(jù)文獻［32］改畫）.（a）內(nèi)部等時層褶皺可被看做是冰流穿越無滑動/滑動過渡帶及冰下融化區(qū)的結(jié)果.這里褶皺軸平行于冰流方向，褶皺的振幅自X至Y方向增大；（b）冰流方向的變化引起等時層褶皺上冰體額外的應(yīng)變，進一步改變了褶皺的振幅Fig.4.A conceptualmodel of ice flow and englacial fold based on radar data in the Byrd station ofWest Antarctica.（a）The fold is a resultof ice flow across a no-sliding/sliding zone and subglacial melting.The foldaxis is parallel to ice flow and the amplitude ofthe fold increases from X to Y.（b）Ice flow change causessecondary deformation of the ice on the fold and the undulation of the amplitude（Reprinted from Siegert［32］）

根據(jù)內(nèi)部等時層是否被擾動這一性質(zhì)可對冰蓋雷達斷面進行分類，其中被擾動的內(nèi)部等時層意味著來自冰蓋表面和底部的反射存在明顯的發(fā)散。此類內(nèi)部等時層近似平行于冰蓋表面與底部地形等幾何曲面。被擾動內(nèi)部等時層和光滑冰下地形能表征過去或者目前的增強冰川支流（enhanced-flow tributaries）。因此在某些冰流區(qū)域，即使不存在衛(wèi)星或者地面觀測數(shù)據(jù)，也可通過冰蓋雷達圖像，并綜合數(shù)值化計算（如冰蓋底部的粗糙度和底部反射因子），識別出快速冰流區(qū)的內(nèi)部狀態(tài)、范圍和源頭［33］。斷代后的內(nèi)部等時層與模式相結(jié)合也被用來討論冰蓋歷史上的消融狀態(tài)。例如Siegert等［34］通過考察沿著穿越南極橫斷山脈（Transantarctic Mountains）前緣的一條冰流（繞過1座幾何尺度＞1 km的冰下山脈）的冰蓋內(nèi)部等時層，將這些層連接到Vostok冰芯后進行了定年，再使用一個二維的冰流模式去計算穩(wěn)定條件下內(nèi)部等時層和冰晶顆粒的軌跡。發(fā)現(xiàn)在末次冰期最盛期（過去85 000年以來），那里存在一個大的表面消融區(qū)。內(nèi)部等時層的幾何形態(tài)也蘊含著冰穹運動的信息。事實上，冰蓋的弧形內(nèi)部層總是出現(xiàn)在底部凍結(jié)的穩(wěn)定冰穹內(nèi)部。如果底部處于冰的壓力融點之上，通過雷達圖像呈現(xiàn)的冰流狀態(tài)能判斷出底部冰是否曾經(jīng)發(fā)生過滑動，從而識別出冰穹已經(jīng)發(fā)生了遷移或者底部發(fā)生了滑動的特征［35］。

冰下山脈的地形與冰流的時空演化圖景直接相關(guān)。內(nèi)部等時層的形態(tài)與冰下地形的相關(guān)性對于了解冰蓋內(nèi)部的冰體運動歷史尤為重要。一般來說，內(nèi)部等時層與冰下地形之間的關(guān)系有兩種特征：（1）內(nèi)部等時層覆蓋（override）了下面的冰下地形，在那些冰下山峰上方的內(nèi)部等時層不會隨著山峰的起伏而起伏，幾何上表現(xiàn)為較為平坦的形態(tài)；（2）內(nèi)部等時層呈現(xiàn)褶皺（drape）狀態(tài)，隨著冰下山峰的起伏而起伏。Hindmarsh等［22］通過一個力學(xué)模式顯示這兩種特征是冰下地形波長與冰厚關(guān)系在滿足一定條件下的一種必然表現(xiàn)。當(dāng)冰下地形波長與冰厚可比較或者小于冰厚時，內(nèi)部等時層將覆蓋冰下地形，不反映冰下地形的起伏變化；當(dāng)冰下地形的波段處于長波波段時，內(nèi)部等時層表現(xiàn)為褶皺。不管是固定的冰床還是滑動的冰床，內(nèi)部等時層形成上述兩種特征之一的決定性因素是冰下地形波長的變化或者說是底邊界條件的變化。而且當(dāng)冰下地形除以冰厚波長小于冰速除以積累率時（即沿著流線冰齡水平梯度小于沿著任何其他路徑的冰齡水平梯度時），內(nèi)部等時層與冰流線的形態(tài)相似，即此時內(nèi)部等時層可以用來近似表征冰流線。

4.3 冰蓋物質(zhì)平衡

在各個歷史時期的表面冰雪積累率空間分布對于冰蓋的形成與穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用，也顯著影響著海平面的升降。在南極，由于觀測資料空間上的稀疏，存在許多盲區(qū)。通常，數(shù)據(jù)盲區(qū)的資料通過插值得到，顯然插值對于理解當(dāng)今的積累率分布存在很大限制。另一方面，對歷史上南極冰蓋表面的冰積累情況的了解，只有數(shù)目很少的冰芯記錄和數(shù)值模擬結(jié)果。首先，古積累率數(shù)據(jù)主要通過冰芯數(shù)據(jù)獲得。一般通過憑借連接冰芯和機雷達剖面，對內(nèi)部等時層進行斷代獲取深度-年代關(guān)系，然后以此作為輸入量，通過一維模式（Danagard-Johnsen模式或其改進型）得到了積累率的空間分布［36］。計算結(jié)果也用來判斷古冰蓋在過去某個特定時間或者時間段上表面積累率的空間分布與差異，據(jù)此推斷其降水與當(dāng)時氣象或者氣候特征的關(guān)系。例如，通過使用內(nèi)部等時層信息的計算顯示在124 000年前，Vostok湖到Ridge B一線，積累率總體上是增加的。冰穹Ridge B的西側(cè)比東側(cè)相應(yīng)時期里經(jīng)歷了更多的降水。此外，沿著冰脊向北，積累率是增長的［13］。在過去3 100年，Byrd冰芯鉆探位置平均積累率與目前相當(dāng)，這與在Siple Dome已有的觀測結(jié)果相當(dāng)。過去6 400—16 000年間的平均積累率約是目前的一半，這與最近冰蓋模擬的結(jié)果一致［32］。通過連接Ross海與Amundsen海之間冰穹雷達剖面中顯示的內(nèi)部等時層，并利用Byrd冰芯及另一支在該冰穹附近鉆取的105 m長的冰芯研究表明，在過去5 000—3 000年時間段里，該區(qū)域的積累率較現(xiàn)在高出了30%。說明，今天南極氣候變化的決定因素是由于繞極渦增強（circumpolar vortex）產(chǎn)生的周期性震蕩，即積累率高的時期可能對應(yīng)著繞極渦較弱的時期。而最近沿著該斷面穿越該冰穹的積累率幾乎是線性減少的［34］。Neumann等［35］研究顯示出，Ross海斷面是接近穩(wěn)定的，然而在200年前那里有一個強的物質(zhì)支出，因為那時Kamb Ice Stream是活躍的。相反，最近Pine Island和Thwaites冰川流速的增強，可能導(dǎo)致了Amundsen斷面的物質(zhì)平衡為負(fù)。因此，該冰穹現(xiàn)在可能正在朝Ross海遷移。

4.4 冰蓋穩(wěn)定性

冰蓋物質(zhì)平衡的估算與有關(guān)冰蓋的穩(wěn)定性的緊密相連，內(nèi)部等時層成為探討冰蓋穩(wěn)定性的重要媒介。相對于西南極冰蓋來說，傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為東南極冰蓋較為穩(wěn)定，在末次冰期最盛期，其表面輪廓可能只有很小的變化。但是根據(jù)在東南極Coats Land獲得的雷達圖像顯示的內(nèi)部等時層褶皺，識別出了一個已不再活躍的冰流增強區(qū)域（enhanced flow unit），這可能是由于在20 000年前末次冰期最盛期，冰流在某些位置被阻斷引起的［37］。該現(xiàn)象說明東南極冰蓋的部分外流區(qū)（outlet drainage system）自末次冰期最盛期以來已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，因此東南極冰蓋在末次冰期最盛期較為穩(wěn)定的觀點可能需進一步厘清。

4.5 冰下環(huán)境

冰下底部環(huán)境對于冰流的狀態(tài)和演化起著重要的控制作用。當(dāng)其下方的冰巖界面傾斜時，內(nèi)部等時層會發(fā)生相應(yīng)的扭曲和傾斜，這可能是由于冰下冰巖界面變化使得其上方冰體的剪切力和應(yīng)變率發(fā)生相應(yīng)變化引起的［38］。不規(guī)則冰蓋表面與冰下的剪切力變化會產(chǎn)生冰蓋內(nèi)部等時層的褶皺（folding）、混合（mixing）和斷裂（faulting），導(dǎo)致連貫一致的反射受到約束［10］。

內(nèi)部等時層的幾何圖像可被用來發(fā)現(xiàn)冰蓋下方的湖泊。冰下湖由冰蓋底部的地?zé)釋?dǎo)致的融水聚集在冰下的凹陷谷地所生成。目前，在南極冰蓋上共發(fā)現(xiàn)了超過300個冰下湖，其中最大的冰下湖是Vostok湖，該湖寬度超過 250 km，深度達1 000 m［39-40］。另外，冰蓋內(nèi)部回波強度和冰厚可被用來估計局部區(qū)域的平均變化率，評估冰蓋底部是否具有液態(tài)水體——高底部反射率意味著底部有水相出現(xiàn)［41］。

內(nèi)部等時層的幾何形態(tài)在一定程度上反映了冰蓋內(nèi)部冰晶組構(gòu)與EFZ的性質(zhì)。EFZ一般出現(xiàn)在距冰巖界面上方幾百米無反射信號或者信號很弱的區(qū)域。由于缺乏其來源的直接證據(jù)，以前對產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是不清楚的。最近Drews等［42］通過比較在東南極毛德皇后地EPICA DML鉆探點的反射信號，分析EPICA-DML冰芯的微結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部等時層信號的缺失與冰流的擾動有內(nèi)在聯(lián)系。EPICA DML的研究表明EFZ的出現(xiàn)以2 100 m深度為上邊界，在該深度之下，冰流可能經(jīng)歷了不同程度的擾動。因此在1 900 m以下有關(guān)氣候記錄斷代面臨的困難大大增加，到2 400 m以下，它與Dome C冰芯記錄的關(guān)聯(lián)則全部消失了。該現(xiàn)象表明在流變學(xué)上，EFZ內(nèi)部與內(nèi)部等時層清晰存在的冰蓋區(qū)域顯著不同。若EFZ不是來源于雷達系統(tǒng)的敏感性，那么冰體的冰晶結(jié)構(gòu)重組（重結(jié)晶化）可能代表了EFZ形成的一個重要因子［43］。即EFZ可作為一個冰芯古氣候反演指示物。因此，通過其上方的內(nèi)部等時層，可估算出EFZ區(qū)域冰體相應(yīng)深度上的年代下界。自EFZ發(fā)現(xiàn)以來，盡管EFZ在南極冰蓋的廣大地區(qū)都有所發(fā)現(xiàn)。然而由于沒有直接的證據(jù)可資利用，并不了解為何EFZ內(nèi)會出現(xiàn)層缺失現(xiàn)象［10，38，43-45］。最近的研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部等時層缺失的部分EFZ區(qū)域也能被新的雷達系統(tǒng)識別出來。它們代表了冰蓋底部水重復(fù)凍結(jié)形成的冰（Frozen-on ice）。這一過程由匯集于冰蓋底部的水通過對流、冷卻，或是當(dāng)水從陡峭谷壁被擠迫而上遭遇超級冷凍時發(fā)生的［46］（圖5）。結(jié)果可能改變冰體的熱力學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)，使得該區(qū)域冰體的介電性質(zhì)差異變得紊亂，形成了重復(fù)凍結(jié)冰。

圖5 （a）位于Dome A地區(qū)冰下山谷下流20 km長雷達斷面顯示的冰巖界面、內(nèi)部等時層、信號盲區(qū)與底部反射信號“亮區(qū)”表達的重復(fù)凍結(jié)冰區(qū)域；（b）根據(jù)雷達圖像描述的內(nèi)部等時層、重復(fù)凍結(jié)冰區(qū)、冰巖界面，以及冰流方向；其中：重復(fù)凍結(jié)冰區(qū)厚度達1 100 m，其上方的內(nèi)部等時層向上偏轉(zhuǎn)擾動400 m以上，在朝向山谷出口方向由于冰流的影響，內(nèi)部等時層斷裂，并趨近冰巖界面（圖片引自文獻［46］）Fig.5.（a）Radargram with a length of 20 km，showing the bedrock，internal layers，echo free zones and freeze-on icepackage，beneath the Dome A region；（b）Illustration of the internal layers，freeze-on icepackage，bedrock and ice velocity from the radargram，where the thickness of the accretion ice package is 1 100 m，the internal layers are disturbed upward 400 m along the profile，and towards the direction of the outflow ice，the internal layers are disrupted and close to the topography of the bedrock.（Redrawed from the Ref.［46］）

冰蓋雷達剖面內(nèi)反映的冰蓋內(nèi)部與底部回波信號，也被用來調(diào)查冰巖界面的狀態(tài)，測試底部是否出現(xiàn)液態(tài)水環(huán)境。其前提是從底部回波信號中提取有關(guān)冰巖界面的信息，并給出一個有關(guān)信號在冰體中衰減的估計。底部環(huán)境可通過FFT（快速傅里葉變換）分析雷達圖像顯示的底部粗糙度來刻畫。來自東南極的雷達數(shù)據(jù)得到的粗糙度實例可用來提供前第四紀(jì)冰蓋冰下環(huán)境的演化歷史內(nèi)細(xì)節(jié)，其中冰下侵蝕主要在內(nèi)陸流速慢的區(qū)域，其冰下地形保留了冰川作用前的較粗糙狀態(tài)。冰下沉積是冰下地貌在冰川作用后的產(chǎn)物，主要發(fā)生在冰流下游的一些較光滑的區(qū)域。通過對穿越西南極Institute到M?ller冰流雷達斷面與穿越Siple Coast海岸冰流的底部冰下粗糙度進行的計算及比較結(jié)果表明，冰下粗糙度的空間變化是系統(tǒng)性的，反映了冰下侵蝕和沉積過程［47］。來自西南極的2個例子表明粗糙度可以用來評估是否存在冰下沉積物、沉積物的范圍以及冰川動力學(xué)狀態(tài)和歷史上冰蓋的尺度［48］。

5 討論與展望

經(jīng)過近30年的研究，對冰蓋內(nèi)部等時層已在更大的時間與空間尺度上進行了量化分析，擴張了對南極冰蓋的理解與認(rèn)識。內(nèi)部等時層研究在南極冰蓋的演化、冰蓋動力學(xué)方面的應(yīng)用顯示未來對內(nèi)部等時層的更深刻理解與科學(xué)運用需要多學(xué)科的合作與交叉。需要冰川學(xué)家、地球物理學(xué)家、遙感技術(shù)工程師、數(shù)學(xué)家和地球系統(tǒng)科學(xué)家等共同致力于對內(nèi)部等時層的物理與化學(xué)本質(zhì)，以及在冰蓋動力學(xué)演化歷史中的角色進行進一步的辯論與解析。需要更細(xì)致的野外考察，更大范圍、精度與分辨率更高的觀測數(shù)據(jù)。需要引入更廣泛的分析技術(shù)與理論針對多尺度的內(nèi)部等時層分布進行研究。同樣地，在數(shù)值模擬方面，對內(nèi)部等時層的研究依賴于目前已經(jīng)獲得的對內(nèi)部等時層的觀測與理論事實。需要在抽象的物理條件下進行新的計算及結(jié)果分析與提煉。需要結(jié)合更多尺度的現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄、遙感和地球物理技術(shù)。未來研究內(nèi)部等時層的潛在途徑及其可能面臨的挑戰(zhàn)，涉及如下幾點。

（1）冰雷達技術(shù)和冰蓋數(shù)值模式的發(fā)展給我們提供了前所未有在更大時空尺度上對內(nèi)部等時層演化進行研究的機遇。這可能使我們對冰蓋內(nèi)部等時層蘊含的冰蓋內(nèi)部動力學(xué)過程、南極冰蓋潛在不穩(wěn)定性等機理有更明確的解析，進而加深對冰蓋演化的預(yù)測及其對未來海平面變化貢獻的了解。內(nèi)部等時層包含了反演古冰蓋歷史與過程以及預(yù)測其未來變化的關(guān)鍵證據(jù)，然而對埋藏在冰蓋表面以下的包含古冰流信息的內(nèi)部等時層仍然缺乏系統(tǒng)的觀測。冰雷達技術(shù)的發(fā)展使得我們有機會獲得高分辨率的冰下環(huán)境要素（如冰巖界面、冰下地形、底部凍結(jié)狀態(tài)等）。因此發(fā)展更精細(xì)描述并測試內(nèi)部等時層結(jié)構(gòu)時空變化的數(shù)值模擬技術(shù)框架尤為緊迫。通過發(fā)展冰蓋模擬（如高階的有限元或者差分格式的三維冰蓋模式）可能有助于揭示現(xiàn)代冰蓋的底部過程，驗證有關(guān)冰蓋起源及其演化和底部沉積與滑動過程的假設(shè)，同時能避開目前仍無法觀測到南極冰蓋大部分地區(qū)的冰下環(huán)境這一困境。

（2）冰下環(huán)境要素數(shù)據(jù)的獲取，及其覆蓋范圍的擴展為獲得整體性的冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像提供了可能。從而將會為內(nèi)部等時層的研究，特別是三維情形下的模擬研究提供數(shù)據(jù)支持。此類數(shù)據(jù)收集需要花更多時間進行極地野外考察，并要求衛(wèi)星遙感技術(shù)、冰雷達技術(shù)和冰芯鉆探取樣等能進行集成觀測。小尺度的冰川或冰蓋特殊區(qū)域（如冰穹或者冰脊、快速冰流區(qū)）可以提供內(nèi)部等時層的地球物理成像，例如對Dome A、Dome C和Ridge B的冰雷達測量。此類冰蓋“典型”區(qū)域可視為用于測試冰雷達設(shè)備和技術(shù)，檢驗適用于空間尺度更大和時間尺度更長的有關(guān)內(nèi)部等時層的猜測、理論和物理定律。結(jié)合數(shù)值模擬，可獲得冰蓋內(nèi)部動力學(xué)的基本原則，并通過對在所有尺度上的分析，提供大陸冰蓋尺度的冰內(nèi)動力學(xué)過程研究框架。綜上可知，為便于得到冰內(nèi)冰體形變與演化的更多數(shù)量化信息，獲得更高分辨率的內(nèi)部等時層圖像，應(yīng)強化冰蓋冰下環(huán)境的重復(fù)觀測。

（3）雖然在利用內(nèi)部等時層推測冰蓋的形態(tài)演變，并反推以目前南極冰蓋作為初始條件的冰蓋質(zhì)量變化方面在穩(wěn)步推進，但缺乏顯著進展。原因在于，一方面，盡管已獲得了南極冰蓋大部分地區(qū)的冰下地形數(shù)據(jù)（Bedmap 2）［49］，但是大范圍的冰內(nèi)等時層數(shù)據(jù)仍顯稀疏。另一方面，在刻畫冰蓋底部的性質(zhì)與演化過程方面，數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展未有實質(zhì)突破。反演冰蓋物質(zhì)平衡的一條主要途徑是研究內(nèi)部等時層標(biāo)示的古冰蓋內(nèi)部及其底部動力過程，特別是古冰流的動力學(xué)。這需要地球物理觀測方式與冰蓋數(shù)值模擬技術(shù)的結(jié)合運用。但是如何從內(nèi)部等時層蘊含的信息推斷鑒別以目前南極冰蓋作為初始條件的冰蓋質(zhì)量變化，對此，目前知之甚少，而這是評估冰蓋不穩(wěn)定性及其對海平面變化的重要前提。

致謝英國布里斯托爾大學(xué)（University of Bristol）的Martin John Siegert教授提供了1970年代南極冰蓋Vostok站附近機載雷達斷面膠片。浙江大學(xué)王幫兵副教授提供了中山站-Dome A斷面的相關(guān)雙頻雷達數(shù)據(jù)比較圖，在此深表謝意。

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