高晟俊 郝衛(wèi)峰 李斐 郭井學(xué) 崔祥斌

(1武漢大學(xué)中國南極測繪研究中心,湖北 武漢 430079;2極地測繪科學(xué)國家測繪地理信息局重點實驗室,湖北 武漢 430079;3武漢大學(xué)國家領(lǐng)土主權(quán)與海洋權(quán)益協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430079;4中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

地球重力場是地球本身固有的一種物理特性,與地球表層及其內(nèi)部的質(zhì)量分布、物質(zhì)運動與變化密切相關(guān)[1]。同時,重力場還制約著地球本身及鄰近空間內(nèi)的一切物理事件,在自然科學(xué)、地球物理學(xué)、地球動力學(xué)、大地測量學(xué)、空間科學(xué)、資源勘探、海洋科學(xué)、現(xiàn)代軍事等各個學(xué)科領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[2-5]。

目前來說,地球重力場信息主要依靠 3種技術(shù)手段綜合獲取: 一是傳統(tǒng)地面靜態(tài)重力測量,二是船載重力測量與航空重力測量,三是衛(wèi)星重力及運用衛(wèi)星測高反演重力的方法[6]。

傳統(tǒng)地面靜態(tài)重力測量技術(shù)可以獲取地球重力場的高頻信息,是目前獲取重力數(shù)據(jù)精度最高的技術(shù)手段,但是其受到作業(yè)區(qū)域、地形等因素的影響只能局限于可進入的陸地地區(qū),對于諸如極地、高原、無人區(qū)等難以進入的地區(qū),進行傳統(tǒng)的地面靜態(tài)重力測量,會使得作業(yè)難度與危險性加大,同時效率也會降低、作業(yè)的人力物力成本會相應(yīng)升高。

船載重力測量技術(shù)是近 20多年來,獲取高精度、高頻海洋重力場信息最為有效同時也是最主要的一種技術(shù)手段,但由于航船運動速度低并且只能局限于海面作業(yè),對于海陸交界的灘涂及淺水地區(qū),其作業(yè)難度也很大,因此船載重力測量技術(shù)依然是一種低效的、有局限性的重力測量方法。

衛(wèi)星重力及衛(wèi)星測高重力反演技術(shù)經(jīng)過 40多年的發(fā)展能夠較好地解決占全球面積 71%的海洋重力場的確定問題。但是在近海、兩極等地區(qū)仍然存在“盲區(qū)”,并且只能測定地球重力場的中長波長分量,要獲取高精度、高分辨率的高頻重力場信息依然需要綜合其他重力測量技術(shù)手段[7]。

航空重力測量是以飛機為載體來獲取局部重力場信息的方法,其測量效率高、成本低、使用區(qū)域廣,可以很好地彌補之前 3種重力測量方法的不足[8]。綜合來看,該方法是現(xiàn)階段在南北極地區(qū)快速、高效獲取大區(qū)域高精度高分辨率重力場信息最為有效的手段。國際上,美國、英國、德國、丹麥、澳大利亞、日本等國家都在極區(qū)開展了大范圍的航空重力測量工作。

但兩極地區(qū)作為地球上最偏遠、氣候最惡劣的區(qū)域,飛行條件相比其他地區(qū)要惡劣得多。以南極為例,作為地球的“風(fēng)極”,南極大陸周邊海域的西風(fēng)帶連綿不斷的自西向東移動給南極周邊帶來的強風(fēng)與降水,使得南極大陸天氣變化迅速,時常出現(xiàn)低云、能見度低、結(jié)冰、低空風(fēng)切變等對飛行安全產(chǎn)生威脅的不利天氣[9-11]。同時,由極地氣旋、風(fēng)切變引起的大氣湍流不可避免地會使飛機上下顛簸,而這種由湍流產(chǎn)生的顛簸是飛機垂直加速度中長波部分的主要來源,也是制約著航空重力測量精度的最大影響[12]。因此相對于其他區(qū)域,在極區(qū)開展航空重力測量任務(wù)要更為困難。

本文主要簡述航空重力測量技術(shù)的發(fā)展歷史及其原理(數(shù)學(xué)模型、各項改正、濾波方法、平差和向下延拓方法)。在此基礎(chǔ)上著重介紹了在南北極開展過的航空地球物理勘探項目中的航空重力測量部分,并對其研究成果進行了總結(jié)。最后對中國南極科學(xué)考察正在實施的航空重力計劃進行介紹。需要說明的是,本文主要側(cè)重于南北極地區(qū)航空重力的相關(guān)計劃與應(yīng)用進展,航空重力測量技術(shù)原理和研究進展等已有許多研究成果,本文在這兩方面僅作簡略說明,詳細論述見文獻[12-14]。

1 航空重力的發(fā)展歷史

航空重力測量的設(shè)想最早是由加拿大學(xué)者Hans Lundberg于1950年提出的[15]。世界上首次航空重力測量試驗由美國空軍于1958年11月在愛德華茲空軍基地實施,飛行平臺為一架 KC-135型固定翼加油機,使用一臺 LaCoste&Romberg S型海洋重力儀,采用攝影測量結(jié)合多普勒雷達的方式進行定位,并使用三角測高儀來跟蹤高度變化,最終測量精度達到了±10 mGal。世界上首次使用直升機作為載具進行的航空重力測量試驗是由LaCoste&Romberg公司于1963年進行的。1965—1970年間,美國海軍使用直升機通過平衡環(huán)作為穩(wěn)定平臺,搭載 LaCoste&Romberg S型海洋重力儀,配合早期的激光高度計、氣壓校準計來獲取飛機垂直變化信息,運用NASA雷達系統(tǒng)、高密度飛行區(qū)導(dǎo)航雷達定位系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)來獲取飛機的實時位置,進行了多次直升機航空重力測量試驗,實驗結(jié)果表明,當直升機以 140—280 km·h–1的速度穩(wěn)定飛行時,測量精度可以達到 3—5 mGal。1970年,一家名為EnTech的私人公司開始將其應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域,進行石油物探的相關(guān)試驗與測試,試驗表明直升機重力測量系統(tǒng)已具備了探測由地質(zhì)構(gòu)造引起的重力異常的能力。1974—1977年間,卡森(Carson)公司試圖將直升機重力測量系統(tǒng)應(yīng)用于石油勘探領(lǐng)域并于1978年初在墨西哥灣將直升機重力測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)地面重力測量系統(tǒng)進行了一次比對。比對結(jié)果表明,除了在地面起伏劇烈的區(qū)域外,兩者之間的精度差約為 0.5 mGal,標志著直升機重力測量系統(tǒng)已經(jīng)具備了石油乃至地址勘探的能力[16-17]。

對于固定翼飛機而言,早期的導(dǎo)航手段無法獲得優(yōu)于10 mGal的飛機垂直擾動加速度,因此基于固定翼飛行平臺的航空重力測量技術(shù)在GPS技術(shù)出現(xiàn)之前一直處于停滯狀態(tài)。在這段時間里,科學(xué)家們重點研究了重力儀穩(wěn)定平臺技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)據(jù)記錄與處理方法、航空重力測量技術(shù)解決地質(zhì)問題的可行性等諸多問題。直到1984 年,卡森(Carson)公司使用“Twin Otter”固定翼飛機進行航空重力測量試驗并取得成功。1992年,蘇黎世地球動力學(xué)和大地測量實驗室(Geodynamics and Geodesy Laboratory in Zurich)使用“Twin Otter”飛機搭載 LaCoste&Romberg重力儀,運用 DGPS技術(shù)進行定位,對瑞士全境進行了航空重力觀測。同年,LCT公司(后被卡森公司收并)也開始研制基于 GPS技術(shù)定位的固定翼航空重力測量系統(tǒng),并于1994年在賓夕法尼亞州與新澤西州的飛行測試中獲得成功,測量精度達到了±1 mGal。在1995年,該系統(tǒng)正式投入商業(yè)使用,標志著固定翼載具的航空重力測量正式進入規(guī)?；瘜嵱秒A段[17]。同期,美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory,NRL)使用P-3A獵戶座海上巡邏機搭建了一套應(yīng)用于大尺度范圍的固定翼航空重力測量系統(tǒng),并在北極地區(qū)投入使用[18]。在隨后的十幾年內(nèi),美國、加拿大、丹麥、德國、挪威等國相繼應(yīng)用航空重力測量的方法完成了大量的測量作業(yè),獲取了精度為2—10 mGal、分辨率為6—10 km的局部重力場勘測數(shù)據(jù),滿足了科研、工程等各方面的需要[16]。

我國的航空重力測量實質(zhì)性研究始于 1998年[19]。2002年,西安測繪研究所引進了國內(nèi)首套LaCoste&Romberg航空重力儀,并成功研制出我國首套航空重力測量系統(tǒng)CHAGS(China Airborne Gravity System)。該系統(tǒng)在2002—2003年間相繼在陜西漢中、山西大同和黑龍江哈爾濱地區(qū)進行了測試飛行,測量精度為±2—5 mGal,達到國際同類水平[8,19-20],可以滿足大地水準面測量等工程應(yīng)用的要求,但還不能達到地質(zhì)勘探等高精度高分辨率應(yīng)用的要求[21]。CHAGS于2005年正式裝備部隊使用,在我國的一些軍用工程項目中投入生產(chǎn),取得了令人滿意的成果。2007年,第二套 CHAGS系統(tǒng)也通過驗收,裝備部隊[22]。2002年,中國地質(zhì)調(diào)查局航空遙感中心也開始籌劃建立一套的航空重力測量系統(tǒng),經(jīng)過 4年的綜合考察與測試研究,于 2006年成功引進了俄羅斯GT-1A航空重力儀和數(shù)據(jù)處理軟件,并結(jié)合自行研發(fā)的測高、定位、數(shù)據(jù)記錄等設(shè)備,研制成功了航空重力測量系統(tǒng)。通過在渤海、黃海海域的試飛試驗測得,該套系統(tǒng)的內(nèi)符合精度能夠達到0.6 mGal,接近國際先進水平,標志著我國的航空重力測量技術(shù)具備了多領(lǐng)域的生產(chǎn)應(yīng)用能力[21]。

2 航空重力原理

由愛因斯坦廣義相對論等效原理可知,在飛機內(nèi)搭載的重力儀所觀測到的信號同時包含重力及由于飛行平臺的運動狀態(tài)極度不穩(wěn)定而產(chǎn)生的慣性力,并且自身系統(tǒng)內(nèi)無法區(qū)分。因此航空重力測量技術(shù)的實質(zhì),就是尋求某種能精確獲取飛機運動加速度的方法,分離載體加速度和重力加速度,從而得到精確的重力信息。目前由GPS提供的位置信息以及差分后得到的速度、加速度信息可以為飛行平臺提供足夠精確的改正,從而使得航空重力測量成為可能。

航空重力儀的搭載平臺,基本可以分為兩種:第一種是將重力儀搭載在一個水平穩(wěn)定平臺上,通過機械與電子手段,使得平臺盡可能地保持水平穩(wěn)定; 第二種是采用三軸陀螺儀及 3個垂直安裝的加速度計,通過計算的姿態(tài)矩陣直接獲取平臺在當?shù)厮阶鴺讼迪碌淖藨B(tài)信息,從而實現(xiàn)航空重力測量[23-24]。

目前航空重力測量所使用的重力儀均為相對重力儀,其每個采樣點上的重力異常 Δg計算公式為其中,gb為停機坪處的重力值,由重力基準點聯(lián)測得到;fz、fz0為相對重力儀比力觀測值及初值; 各項改正項見表1;γ0為橢球面上的正常重力[6,12-13]。

表1 航空重力采樣點重力異常計算公式改正項介紹Table 1.Introduction of correction items in the formula used to calculate airborne gravity sampling point's gravity anomaly

航空重力測量中,飛行平臺本身的穩(wěn)定性較差,各類觀測數(shù)據(jù)不可避免地包含了大量噪聲,噪聲的幅度可能會比重力信號高出幾個數(shù)量級。而原始重力異常功率譜主要集中在極低的頻率。垂直加速度、水平加速度改正集中在高頻部分;交叉耦合改正集中在低頻區(qū)域,但在中高頻也有一定的能量分布; 厄特弗斯改正表現(xiàn)為長波特性。因此,針對航空重力觀測數(shù)據(jù)特性,通常使用低通數(shù)字濾波器來消除噪聲,如何選擇適合的低通濾波器及其參數(shù)是航空重力測量的難點之一[6,12]。

經(jīng)過各項改正和濾波后的重力數(shù)據(jù)還需要進行平差。實際航空重力測量測線交叉點處的重力值會出現(xiàn)差異,該值被稱為交叉點不符值。產(chǎn)生交叉點不符值的原因可能是系統(tǒng)誤差也可能是偶然誤差。系統(tǒng)誤差可以采用t檢驗法檢驗顯著性,對經(jīng)檢驗存在系統(tǒng)誤差的測線需通過最小二乘平差,求得各測線系統(tǒng)誤差模型中的系數(shù),對所有采樣值進行系統(tǒng)誤差補償。經(jīng)過系統(tǒng)誤差補償后可認為只存在偶然誤差,據(jù)此再對測線網(wǎng)進行平差最終得到測線網(wǎng)各個點的改正值。

航空重力測量獲得的是航線高度的重力異常值,而在實際應(yīng)用中需要將其格網(wǎng)化并歸算到平均地形面或大地水準面上。在現(xiàn)有的重力向下延拓方法中,常采用的方法是求解球外Dirichlet問題的逆泊松方法[25-30],此外還有最小二乘配置(LSC)[31]、快速傅里葉變換(FFT)[32-33]、直接代表法、梯度法、迭代法、倒錐法等[34-35]。但是,由于延拓問題的不適定性,這些方法都各自存在著一些不足,因此向下延拓問題一直是制約航空重力測量的精度和分辨率的主要原因之一。

航空重力測量數(shù)據(jù)處理的具體流程如圖1所示。圖中符號的含義由表1及公式(1)給出。

3 南北極航空重力測量應(yīng)用

近30來,美國、英國、澳大利亞等國在南北極開展了許多航空地球物理勘探項目,期間航空重力測量技術(shù)得到了巨大的發(fā)展與應(yīng)用。隨著航空重力測量儀器的不斷發(fā)展,極地航空測量的精度也在一步步的提高。同時,測量計劃的實施也從各國獨立開展?jié)u漸變成了多國間的合作。

圖1 航空重力測量數(shù)據(jù)處理流程圖[12]Fig.1.Flow chart of airborne gravity data processing[12]

3.1 各國獨立開展的南北極航空重力測量

自 1987年開始,美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory,NRL)聯(lián)合阿根廷和智利開展航空地球物理計劃對南極威德爾海(Weddell Sea)及別林斯高晉海(Bellingshausen Sea)的海冰進行了航空重力測量。NRL在北極考察項目也同時展開,其目標是測量并提供橫跨北冰洋的連續(xù)重力場和磁場模型以了解北極區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造演化,并運用項目測得的數(shù)據(jù)來加密并改善北極區(qū)域已有的地磁數(shù)據(jù)。在1991和1992年的夏季,NRL與美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)、美國國家圖像測繪局(National Imagery and Mapping Agency,NIMA)及丹麥國家調(diào)查地籍局(National Survey and Cadastre of Denmark,KMS)合作在格陵蘭島區(qū)域進行了第一次的大尺度空中重力測量[36]。隨后 1992—1999年,NRL繼續(xù)對北冰洋的大部分區(qū)域進行了超過20萬公里的航空重力測量,并一直持續(xù)不斷地提高了精度,精度水平從第 1次測量的 4—5 mGal逐步提升至約2 mGal[13]。

航空重力測量的路線如圖2所示,分別為Thule,Greenland(1992),Prudhoe Bay,AK(1994),Barrow,AK(1995,1996 和 1997)和 Svalbard(1998和 1999)。

圖2 NRL北極航空重力測量已實施的測量路線[18]Fig.2.Airborne gravity measurement routes which NRL has measured in the Arctic[18]

同時期,俄羅斯也一直在南極洲和北極海域進行航空重力測量。諸如在20世紀80年代和90年代開展的俄羅斯南極科考計劃(Russian Antarctic Expeditions)以及極地海洋地質(zhì)研究考察(Polar Marine Geological Research Expeditions,PMGRE,Lomonosov)等項目,這些項目中由于沒有應(yīng)用動態(tài)GPS定位方法,而是使用氣壓海拔計、無線電導(dǎo)航等定位手段,因此測量精度通常比較低(5—10 mGal以及更差)[18]。

1996—1997年,英國南極科考組織(British Antarctic Survey,BAS)對南極半島 2/3的區(qū)域進行了航空重力測量。

2000—2001年美國德克薩斯大學(xué)地球物理學(xué)院(University of Texas Institute for Geophysics,UTIG) 對東南極麥克默多站(McMurdo Station)和沃斯托克湖(Lake Vostok)區(qū)域進行了兩期航空重力測量。圖3中負異常區(qū)域即為沃斯托克湖的大致區(qū)域,而重力異?？焖僮兓膮^(qū)域則是沃斯托克湖大致邊界,與其他手段探測到的結(jié)果相吻合[37]。

2002—2003年,澳大利亞國立大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院聯(lián)合德國對蘭伯特冰川(Lambert Glacier)和查爾斯王子山脈(Prince Charles Mountains)附近區(qū)域進行了高精度的航空重力測量并在從海岸到內(nèi)陸450 km的斷面上建立了永久性的GPS跟蹤站,用以檢測在蘭伯特冰川和查爾斯王子山脈附近區(qū)域發(fā)生的冰后回彈。

圖3 Vostok湖區(qū)域的航空重力異常[37]Fig.3.Airborne gravity anomaly of Vostok Lake area[37]

3.2 ArcGP計劃

1998年10月,在德國策勒(Celle)舉行的北極邊界國際會議(International Conference on Arctic Margins,ICAM)上,各國提出開展一項名為ArcGP(Arctic Gravity Project)的計劃。該計劃通過對各國已有重力數(shù)據(jù)的匯總編輯,旨在對包括冰島與格陵蘭島全境、北冰洋、北美及俄羅斯部分邊緣在內(nèi)的北緯 64°以上的公共區(qū)域,建立一個5'×5'的自由空氣和布格重力異常數(shù)據(jù)庫。

這個項目由丹麥的Rene Forsberg及美國國家地理空間情報局(The National Geospatial-Intelligence Agency,NGA)領(lǐng)導(dǎo),由來自美國、丹麥、加拿大、俄羅斯、挪威、瑞典、芬蘭、冰島、英國、法國和德國11個不同國家的成員組成特別工作組。以NGA為主的數(shù)據(jù)存儲中心,匯總各成員國提供的機載、地面、船載、潛艇重力數(shù)據(jù)及俄羅斯部分地區(qū)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù),對不同重力源的數(shù)據(jù)進行比較和校準,并對北極范圍內(nèi)的大地水準面模型進行計算。在該任務(wù)中,由于北極地區(qū)遙遠而且無法進入,因此航空重力數(shù)據(jù)成為了北冰洋和格陵蘭島的主要數(shù)據(jù)來源,約占ArcGP總數(shù)據(jù)量的40%。該數(shù)據(jù)庫于2000年正式向公眾提供,并不斷吸納新數(shù)據(jù)進行更新。最后一次更新是在2008年3月,該數(shù)據(jù)庫的建立對大地測量學(xué)、地球物理學(xué)、導(dǎo)航學(xué)、精確軌道測定和大地水準面建模等研究有著很重要的意義[38-41]。圖4為最后一次更新的北極地區(qū) 5'×5'自由空氣異常圖。

3.3 AntGP計劃

2003年,在札幌舉行的國際大地測量與地球物理大會(The International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG)上,國際大地測量學(xué)協(xié)會(International Association of Geodesy,IAG)提出成立IAG 2.4項目委員會(IAG Commission Project 2.4)來實施南極大地水準面計劃(AntGP),意在建立一個高精度的南極大地水準面模型,用來改進南極地區(qū)的全球重力場模型。AntGP計劃的主要任務(wù)是匯總編輯全南極的重力數(shù)據(jù),以填補南極地區(qū)重力資料的空缺,來改進地面重力數(shù)據(jù)的分布,從而與Champ、GRACE、GOCE衛(wèi)星計劃一起來改進全球的重力場模型精度[42-43]。

傳統(tǒng)上用來獲取全球重力場模型的GRACE、GOCE以及CHAMP衛(wèi)星計劃在極區(qū)都存在盲區(qū),并由于衛(wèi)星在軌高度較高,分辨率較差。圖5顯示了這3個衛(wèi)星計劃由于各自的軌道傾角產(chǎn)生的測量盲區(qū)大小(CHAMP: 87.3°,GRACE: 89.5°,GOCE: 86.5°)。

圖4 ArcGP計劃生成的5'×5'自由空氣異常圖[41]Fig.4.5'×5' free-air gravity anomalies of ArcGP Project[41]

圖5 CHAMP、GRACE、GOCE重力衛(wèi)星計劃在南極存在的盲區(qū)大小[43]Fig.5.Polar gap zone size of CHAMP,GRACE,GOCE gravity satellite project[43]

AntGP計劃建立了跨學(xué)科的合作,其成員包含了來自全球各地的22個組織和相應(yīng)的成員。圖6展示AntGP計劃中所有收集的重力數(shù)據(jù)的匯總,數(shù)字區(qū)域表示新添加的觀測信息,其中主要收集了德國阿爾弗雷德韋格納研究所(Alfred Wegener Institute,AWI)和俄羅斯的數(shù)據(jù),仍缺乏許多較新的國際極地年(International Polar Year,IPY)數(shù)據(jù),與GOCE獲得的重力異常相比較,重力異常的分布和大小非常相似,但航空重力測量分辨率更高,能反映更細致的重力異常。從航空重力測量及海洋重力測量的結(jié)果來看,在南極半島有帶狀分布的重力異常,而在東南極沿海區(qū)域則有斑狀分布的重力異常,在格羅夫山區(qū)域可以觀察到明顯重力正異常[44]。

顯然,AntGP計劃依然未能完全覆蓋全南極,尤其是GOCE、GRACE和CHAMP的盲區(qū),暫時還未能起到彌補衛(wèi)星測量不足區(qū)域的要求。2007年在意大利佩魯賈召開的IUGG大會上,決定繼續(xù)實施 AntGP計劃來完善補充南極的重力數(shù)據(jù)。

3.4 AGAP計劃

2007—2009年,美國哥倫比亞大學(xué)地球研究所拉蒙特-多爾蒂地球觀測站(Lamont-Doherty Earth Observatory,Earth Institute,Columbia University,LDEO)聯(lián)合中國、德國、英國、澳大利亞、日本等國科學(xué)家團隊實施了 AGAP計劃(Antarctica’s Gamburtsev Province Project)。該計劃對南極大陸Dome A區(qū)域冰蓋底部的甘布爾澤夫山脈(Gamburtsev Subglacial Mountains)進行了兩次綜合考察研究,旨在解決 4個基本問題: 甘布爾澤夫山脈是如何形成的; 冰底地形在東南極冰蓋的誕生中起到了什么作用; 哪里最可能尋找到最古老的氣候記錄; 冰下湖的構(gòu)造形成機制是什么。具體內(nèi)容包括航空地球物理學(xué)探測、被動式地震波實驗、冰心鉆探、基巖鉆探和后勤保障研究。

為保障這次計劃的順利進行,各國共同協(xié)作建立了兩個大本營,分別為 AGAP北營地(后簡稱AGAP N)和AGAP南營地(后簡稱為AGAP S)(圖7)。此次考察共動用了 9架飛機,其中來自英國和美國的兩架“Twin Otter”飛機用于進行航空地球物理學(xué)考察,機上搭載了Scintrex公司的CS-3型銫光泵磁力儀和經(jīng)過為機載飛行而特殊改裝的LaCoste&Romberg重力儀及其他一些設(shè)備。通過這些觀測旨在揭示冰川底部的地質(zhì)情況、沉積盆地信息、構(gòu)造結(jié)構(gòu)和深層地殼結(jié)構(gòu)的細節(jié)。其他7架飛機用來對兩個后勤營地提供保障工作,諸如運送人員、燃料、設(shè)備和生活必需品等物資。其中,整個項目期間 AGAP N營地所有的燃料是由一架波音C-17運輸機來負責(zé)保障,AGAP S營地是由一架洛克希德C-130“大力神”運輸機保障。

此次考察共有兩個科學(xué)團隊,一個是完成航空地球物理學(xué)任務(wù)的GAMBIT團隊,由LDEO和BAS的科學(xué)家來負責(zé),包括兩架科研型“Twin Otter”飛機。另一個是完成地震波實驗任務(wù)的GAMSEIS團隊,由華盛頓大學(xué)和賓州州立大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo),他們將乘坐一架通用型“Twin Otter”在冰面上部署并維修 26個地震儀。圖7為AGAP考察區(qū)域的冰下地形圖及考察計劃的簡單示意[45-46]。

重力數(shù)據(jù)可以用來反演和解釋冰蓋下隱藏的信息,特別是與滑坡、火山、斷層、水,甚至構(gòu)造事件有關(guān)的各種信息。這個項目通過使用新的重力技術(shù)來獲取冰下地質(zhì)特征信息,甚至可以估計冰下湖中有多少的水、計算地殼的密度、基巖的類型等。而雷達不能穿透湖水,因此航空重力方法是唯一能獲取這些信息的手段。

圖7 AGAP考察地區(qū)冰下地形圖及示意圖[46]Fig.7.AGAP expedition area subglacial topography and schematic plans[46]

3.5 ICECAP計劃

2008年,由美國德克薩斯大學(xué)地球物理學(xué)院(University of Texas Institute for Geophysics,UTIG)、英國愛丁堡大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院(School of Geoscience,the University of Edinburgh)和澳大利亞南極局(Australian Antarctic Division)等機構(gòu)聯(lián)合開展了一項名為ICECAP(Investigating the Cryospheric Evolution of the Central Antarctic Plate)的長期國際合作計劃。該計劃旨在通過航空地球物理探測的手段來了解南極中東部板塊冰凍圈的演化過程及其在全球氣候變化和海平面上升中所起的作用。該項目原計劃使用美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory,NRL)的P-3獵戶座飛機來搭建空中地球物理實驗室,對東南極冰蓋(East Antarctic Ice Sheet,EAIS)、Dome A和Dome C區(qū)域的冰蓋消融情況、冰下地形等進行兩期測量。以了解該地區(qū)的表面高程、冰下地形、基巖抬升情況、冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、冰下湖情況、融化率和地?zé)峤Y(jié)構(gòu)等信息來建立該地區(qū)冰蓋演化模型以預(yù)測未來變化,探測南極中部板塊的邊界并估算該區(qū)域的冰后回彈以揭示該地區(qū)長久以來的構(gòu)造過程[47]。

實際上該計劃使用一架BT-67型飛機搭載雷達成像設(shè)備、磁力儀、重力儀、激光測高計和GPS來進行觀測。直到2016年該計劃仍在實施,共累計覆蓋超過25萬km2的區(qū)域。2017年,一架名為“Tiburon Junior”的無人機加入,與BT-67型飛機共同進行數(shù)據(jù)采集工作[48-49]。

通過獲取的數(shù)據(jù),科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)遠離冰蓋邊緣數(shù)百公里的內(nèi)陸區(qū)域存在著一個巨大的冰下盆地(Aurora Subglacial Basin,ASB),顛覆了之前一直認為的東南極冰蓋的隆起是依附于底部的高山地形的觀點,該盆地位于海平面以下 1 000多米,因此海水可能會滲透至冰蓋底部使得部分冰蓋斷裂并浮出海面[50]。通過該地區(qū)的冰下地形圖可以清晰地看見3 400萬—1 400萬年前的冰川運動在該地區(qū)蝕刻出了巨大的峽谷(圖8)[51]。同時,科學(xué)家還通過 ICECAP獲取的數(shù)據(jù)對托藤冰川(Totten Glacier)進行了大量的研究,發(fā)現(xiàn)托藤冰川地區(qū)已處于極不穩(wěn)定的狀態(tài),并且證實托藤冰川的消融對歷史上的幾次海平面上升起了重要的影響[52-54]。

圖8 東南極冰蓋部分區(qū)域冰下地形圖[51]Fig.8.Topographic map of a portion of the East Antarctic Ice Sheet[51]

3.6 LOMGRAV-09計劃

2009年春季,丹麥技術(shù)大學(xué)(Technical University of Denmark,DTU)和加拿大國家資源局聯(lián)合實施了LOMGRAV-09地球物理調(diào)查計劃,對格陵蘭北部和北極之間的地區(qū)進行了一次航空地球物理測量。該計劃使用一架DC-3飛機,搭載了專為航空重力測量改造升級的一臺 LaCoste&-Romberg S重力儀、Geometrics G-823磁力計及雙頻GPS接收機,設(shè)定航行高度為600 m,總共進行了54 000 km飛行,覆蓋55萬km2的區(qū)域。圖9為該計劃航行覆蓋區(qū)域的示意圖[55-57]。

通過該計劃采集到的數(shù)據(jù)聯(lián)合該地區(qū)原有的NRL、格陵蘭島[58-59]航空重力數(shù)據(jù)、LOMGRAV- 07船載重力數(shù)據(jù)及地基和冰基重力數(shù)據(jù),最終得到該地區(qū)2.5 km×2.5 km的自由空氣異常格網(wǎng)圖(圖10)。該結(jié)果結(jié)合同期采集的地磁勘探數(shù)據(jù),共同揭示了橫跨羅蒙諾索夫嶺(Lomonosov Ridge)、埃爾斯米爾島(Ellesmere Island)、林肯海洋架(Lincoln Sea Shelves)和阿爾法嶺(Alpha Ridge)區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一致性,為解釋北冰洋構(gòu)造運動及該地區(qū)白堊紀早期新生代板塊運動的歷史提供了重要的依據(jù)。

3.7 IceBridge計劃

2009—2013年,美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration at Austin,NASA)聯(lián)合德克薩斯大學(xué)(University of Texas at Austin,UTA)和NRL開展了IceBridge計劃,利用航空平臺搭載的多源傳感器在極區(qū)獲取連續(xù)的、高質(zhì)量的觀測資料。其中搭載航空重力儀對南極部分沿海區(qū)域進行了高密度的航空重力測量。

IceBridge計劃是迄今為止在地球兩極進行的最大的航空遙感科學(xué)觀測工程,該計劃主要觀測區(qū)域包括: 格陵蘭島與南極洲的海岸線、南極半島、南極內(nèi)陸、阿拉斯加?xùn)|南部冰川以及南北極的海冰區(qū)域。其中,重點監(jiān)測區(qū)域包括格陵蘭島的Petermann冰川地區(qū)、Zachariae冰川地區(qū)、Jakobshavn冰川地區(qū)以及Russell冰川地區(qū),南極的Abbot冰架地區(qū)、Larson冰架地區(qū)、南極半島、PineIsland冰川以及Thwaites冰川地區(qū)。

圖9 LOMGRAV-09計劃航線示意圖[57]Fig.9.The flight route chart of LOMGRAV-09 Project[57]

圖10 LOMGRAV-09最終得到的自由空氣異常圖[57]Fig.10.The free-air anomaly map of LOMGRAV-09 Project[57]

IceBridge計劃融合了多源觀測手段,對南北極冰蓋、冰架以及海冰等極地要素的結(jié)構(gòu)進行探測,其中使用了 AIRGrav(Sander/LDEO Airborne Gravimeter)和BGM-3(Bell BGM-3 Gravimeter)兩款航空重力儀進行重力測量。探知了冰下湖泊的分布與大小、評估冰下水影響機制、監(jiān)測溫暖海水對加速冰架底部消融的作用、輔助冰雷達對冰下基底進行測繪及對海洋峽灣區(qū)域進行物探,并利用每年重復(fù)一次的多方位高質(zhì)量的觀測來獲取極地要素的時間序列,研究其變化特征[60]。圖11為 IceBridge計劃部分航線的覆蓋區(qū)域示意圖。

圖11 IceBridge計劃航線覆蓋圖Fig.11.The flight route coverage chart of IceBridge Project

在對冰下基底地形的繪制上,航空重力測量數(shù)據(jù)發(fā)揮了很大的作用。文獻[61]利用IceBridge測得的自由空氣異常結(jié)合水深模型反演了Thwaites冰川地區(qū)水下地形的大致形狀,發(fā)現(xiàn)接地線前段 40 km處的兩個基巖隆起峰,并指出它們控制了 Thwaites冰川的進化過程。圖12a展示了2009年IceBridge計劃在Thwaites冰川的測線及編號,圖12b為利用航空重力數(shù)據(jù)解算的自由空氣異常,負異常表征相對于其他區(qū)域冰川深度較大。圖13為測線 1021.7的2D截面圖,顯示了接地線前段的基巖隆起。

圖12 a)Thwaites冰川的測線分布圖,b)自由空氣異常重力分布圖[61]Fig.12.a) The flight route chart of Thwaites Glacier,b) Free-air anomalous gravity distribution[61]

圖13 測線1021.7的2D截面圖[61]Fig.13.2D cross section of line 1021.7[61]

Cochran和Bell[62]利用IceBridge 2009年的重力數(shù)據(jù)反演了Larsen C冰架下大陸架的水深模型和地形走勢,發(fā)現(xiàn)了冰架下海水的入侵通道和聚集區(qū)。

3.8 PolarGAP計劃

2015年,英國南極調(diào)查局(British Antarctic Survey,BAS)與歐洲航天局(European Space Agency,ESA)進行合作,在丹麥技術(shù)大學(xué)(Technical University of Denmark,DTU)和挪威極地研究所(Norwegian Polar Institute,NPI)的共同協(xié)作下開展了PolarGAP計劃。PolarGAP計劃旨在運用航空重力測量的方法,來填補ESA的兩個地球觀測衛(wèi)星任務(wù)(GOCE和CryoSat 2)在83.5°S以南的南極地區(qū)的數(shù)據(jù)空白,同時也是對之前未能完全覆蓋極區(qū)附近的AntGP計劃的補充。

圖14 PolarGAP計劃的航線示意圖[63]Fig.14.The flight route chart of PolarGAP Project[63]

圖15 GOCE衛(wèi)星結(jié)合PolarGAP計劃最終覆蓋圖Fig.15.Final coverage map of the GOCE satellite combined with the PolarGAP Project

PolarGAP計劃從2015年的10月1日開始,到2017年的4月1日結(jié)束,使用一架“Twin Otter”飛機來搭建空中地球物理實驗室。此次計劃中飛機上分別搭載了 LaCoste&Romberg S-83型重力儀、iMAR公司的RQH-1001慣導(dǎo)元件(IMU)、航空磁力儀、激光雷達、ASIRAS雷達系統(tǒng)等一系列的科學(xué)儀器來獲取極點附近這一空白地區(qū)的地球物理數(shù)據(jù)。測量中聯(lián)合LCR重力儀和IMU數(shù)據(jù)共同處理,最終獲取的結(jié)果精度約為2 mGal。圖14為 PolarGAP計劃的航線示意圖,圖中紅圈內(nèi)為衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)缺失的區(qū)域,藍線為長達38 000 km的PolarGAP計劃的完整航線。圖15為到目前為止,GOCE衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合PolarGAP計劃在南極地區(qū)最終的覆蓋圖,可以看到經(jīng)過近30年的努力,在南極地區(qū)依舊存在著一些重力數(shù)據(jù)的空白區(qū)域,需要在今后進一步的去填補。

3.9 ROSETTA-Ice計劃

2015年9月,由美國科羅拉多大學(xué)(Colorado College)、美國加州大學(xué)(圣地亞哥)斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)、地球與空間研究組織(Earth and Space Research,ESR)、LDEO以及新西蘭奧塔哥大學(xué)(Otago University)等附屬機構(gòu)聯(lián)合開展了一項名為ROSETTA-Ice的聯(lián)合研究計劃。ROSETTA-Ice是通過航空物理勘測的手段揭示羅斯海、羅斯冰架環(huán)境及其地質(zhì)構(gòu)造并對其建模計劃的英文縮寫(Uncovering the Ross Ocean and ice Shelf Environment and Tectonic setting Through Aerogeo-physical surveys and modeling of the Ross Ice Shelf)。該計劃旨在提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù),用以研究溫暖洋流與冰架末端崩塌及冰架底部消融速率的相關(guān)性,從而探索冰架系統(tǒng)中的冰、海及巖石圈三者之間的動力學(xué)關(guān)系[64]。

ROSETTA-Ice計劃使用一架LC-130型飛機搭載一個名為“IcePod”的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括: 冰表面高程(激光雷達),冰層的厚度(探冰雷達),海底地形及構(gòu)造(使用重力和磁力測量)。此外還在羅斯冰架前緣的海中投放了 6個名為“Alamo”的浮漂用以采集海洋環(huán)流的各項數(shù)據(jù),以精確修正海水溫度與冰架消融的相關(guān)模型。該項目計劃在2015/2016、2016/2017、2017/2018共飛行3期,于2018年8月結(jié)束[65,66]。

4 我國實施的南極航空重力計劃

我國在2015年第32次南極考察之前,沒有配備極地考察專用的固定翼飛機,一直以來都沒有自主進行過南極地區(qū)的航空重力測量。經(jīng)國家發(fā)改委立項海洋局批準,我國訂購了以美國道格拉斯公司經(jīng)典機型 DC-3為原型改造的新型Basler BT-67固定翼飛機,委托美國Basler公司進行定制改造,命名為“雪鷹 601”[67],并在 2015—2016年我國第32次南極考察中正式投入使用。

“雪鷹 601”搭載了專為極地環(huán)境特殊定制的加拿大產(chǎn)三軸穩(wěn)定平臺標量重力儀 GT-2A、Scintrex公司的CS-3型銫光泵磁力儀、UTIG研制的 HiCARS相貫探冰雷達、Riegl公司的LD90-3800HiP-LR型激光高度計、分布在機身前后及機翼兩側(cè)用來提供高精度位置和飛行姿態(tài)的4個GPS接收天線、Elphel公司生產(chǎn)的相機以及實時導(dǎo)航、數(shù)據(jù)記錄、質(zhì)量控制系統(tǒng),成為名副其實的空中實驗室。

在中國第32次和33次南極考察中,“雪鷹601”不僅完成后勤運輸?shù)葮I(yè)務(wù)化保障工作,同時也搭載了上述傳感器,對南極冰蓋特別是PANDA(Prydz Bay,Amery Ice Shelf and Dome A)斷面及伊麗莎白公主地(Princess Elizabeth Land,PEL)進行包含冰架、裸巖、重力、地磁等多種近地空間要素的綜合采集,為我國的南極科學(xué)考察研究提供了數(shù)據(jù)支持[68-70]。

5 結(jié)語

開展對地球重力場的研究,歷來是大地測量學(xué)的熱點和難點之一。航空重力測量方法作為目前唯一一種兼顧高精度、高分辨率、高效率的重力測量手段,對南北極地區(qū)重力的信息獲取有著得天獨厚的優(yōu)勢。本文簡單介紹了南極航空的歷史,對航空重力測量的原理進行了簡要概述,分析了制約航空重力測量的精度和分辨率的主要原因,即為載體加速度的精度和重力數(shù)據(jù)向下延拓的不確定性,同時總結(jié)了近30年來各國在南北極開展的航空地球物理勘探項目中,航空重力測量技術(shù)的應(yīng)用。

通過總結(jié)可以看到,目前的極地航空重力測量還存在著許多不足。南極地區(qū)的重力數(shù)據(jù)依舊集中在南極半島、羅斯冰架、毛德皇后地、部分東南極及南極周邊附近海域地區(qū),在南極極點區(qū)域、伊麗莎白公主地、橫斷山區(qū)等地區(qū)的重力數(shù)據(jù)仍然存在大量的空白,而我國的極地航空重力科考也才剛剛起步。因此正在開展的我國南極航空重力測量,將會更加深入地認識 PANDA斷面及伊麗莎白公主地的內(nèi)部結(jié)構(gòu),對極地其他學(xué)科研究發(fā)展也有著重要的意義。

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