南極格羅夫山核心區(qū)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(qū)是位于東南極內(nèi)陸冰蓋伊麗莎白公主地的一處裸露角峰群山區(qū)，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(qū)是從中山站到昆侖站和冰穹A的考察路線中必經(jīng)區(qū)域之一，也是中國南極科學考察重點研究區(qū)域之一，國內(nèi)很多學者對這個區(qū)域的地質(zhì)、環(huán)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(qū)屬于南極內(nèi)陸冰原島峰群，整個地區(qū)地形復雜，冰裂隙縱橫密布，冰裂隙對在該區(qū)域活動的人員和車輛構(gòu)成很大威脅，同時格羅夫山地區(qū)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(qū)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(zhì)與冰川學綜合考察，實地測繪了格羅夫山核心區(qū)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(qū)平面衛(wèi)星影像圖、大范圍數(shù)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(qū)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(qū)域的冰下地形情況做簡單的闡述［13］，該區(qū)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(zhì)和古環(huán)境研究表明：格羅夫山地區(qū)冰下可能存在液態(tài)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(qū)域地質(zhì)構(gòu)造成因的認識，有必要在該區(qū)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(yè)探地雷達（Ground Penitrating Radar，GPR）對格羅夫山東部核心區(qū)具有代表意義的哈丁山-薩哈羅夫嶺一帶，共計50 km2區(qū)域進行網(wǎng)格式冰下地形測繪，采集了該區(qū)域的測深數(shù)據(jù)。首次利用精細實測的GPR數(shù)據(jù)繪制了格羅夫山核心區(qū)冰下地形圖，初步展現(xiàn)了該區(qū)域的冰下地貌，對于今后研究整個格羅夫山地區(qū)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(qū)冰下地形的測繪工作，本文利用此次野外采集的實測數(shù)據(jù)繪制了南極格羅夫山核心區(qū)冰下地形圖，并對冰下地形的橫斷面形態(tài)進行了探索性分析。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次野外數(shù)據(jù)采集的儀器設備包括：加拿大探測器與軟件公司生產(chǎn)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(zhì)雪橇和雪地摩托車?？瓶缄爢T將現(xiàn)場采集設備安放在木質(zhì)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(fā)射天線（圖1），天線頻率配備有100 MHz和25 MHz?？紤]到測區(qū)冰層厚度有可能超過1 000m，采集數(shù)據(jù)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(fā)天線步長設為6 m，測量時疊加次數(shù)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(xiàn)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(zhì)雪橇，在哈丁山、薩哈羅夫嶺、陣風懸崖之間開展野外數(shù)據(jù)采集工作，采樣間距（移動步長）為50 m，實測了大量的GPR數(shù)據(jù)和GPS點?？倻y線長度近100 km，測區(qū)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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)處理

野外實測的GPS數(shù)據(jù)利用編寫的程序提取出原始數(shù)據(jù)的經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)整理編輯、濾波和增益調(diào)整等基本處理，高級數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)方式為經(jīng)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(fā)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(zhuǎn)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(nèi)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(qū)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(nèi)。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(jié)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(fā)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(qū)野外測點的冰下高程進行了空間插值，生成了規(guī)則的格網(wǎng)數(shù)據(jù)和等值線圖，在此基礎上繪制了格羅夫山核心區(qū)冰下地形的曲面圖（3D surface），見圖4。

圖4 格羅夫山核心區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)［7］等進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后導入CorelDraw X5，經(jīng)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(tǒng)為大地高高程系統(tǒng)，投影中央經(jīng)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(jīng)過前四次格羅夫山綜合考察研究發(fā)現(xiàn)，東南極大冰蓋在上新世早期以前，出現(xiàn)過大規(guī)模的消融，大陸冰川前沿曾退縮到格羅夫山地區(qū)，距現(xiàn)今冰蓋邊緣400 km［17-18］。由此可以推斷格羅夫山地區(qū)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(xiàn)今的冰下古沉積盆地（古冰下湖）。本次在格羅夫山核心區(qū)開展的冰雷達測繪工作，雖未能在雷達反射波形中發(fā)現(xiàn)液態(tài)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(qū)域在過去存在過眾多的冰川前沿湖泊的依據(jù)之一。

圖5 格羅夫山核心區(qū)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(qū)域成為了目前大冰蓋積累區(qū)和消融區(qū)之間的平衡線［2］，國內(nèi)學者通過對格羅夫山地區(qū)冰蓋多年的物質(zhì)平衡情況觀測也發(fā)現(xiàn)，格羅夫山地區(qū)多年物質(zhì)平衡線在哈丁山附近。國外學者認為冰流速在物質(zhì)平衡線處速度是最快的［19］，目前通過遙感手段監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)格羅夫山地區(qū)存在著復雜的冰流，且流速較快。較快的冰流速及冰流側(cè)向刮削作用，將會導致冰流兩側(cè)的山脈越來越陡峭，變成陡壁。通過冰川地質(zhì)地貌觀測發(fā)現(xiàn)，格羅夫山地區(qū)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(xiàn)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(shù)據(jù)，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(tài)，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(tài)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(fā)育成熟的槽谷形態(tài)一般呈現(xiàn)“U”型特征，表現(xiàn)為槽谷越寬、越深和谷璧越來越陡峭［20］。通過圖6可發(fā)現(xiàn)，在哈丁山和薩哈羅夫嶺之間的槽谷形態(tài)偏向于U型谷，而通過圖5發(fā)現(xiàn)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(fā)育已經(jīng)十分成熟。

3 結(jié)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(qū)開展的冰雷達探測工作，是中國首次在格羅夫山地區(qū)開展的冰下地形測繪工作。本文以本次在格羅夫山核心區(qū)采集的野外測點數(shù)據(jù)（GPS／GPR數(shù)據(jù)）為基礎，繪制了格羅夫山核心區(qū)兩張冰下地形圖，首次真實地展示了該區(qū)域冰蓋下的地形地貌特征，也為今后在該區(qū)域開展大規(guī)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(qū)冰下地形曲面圖，發(fā)現(xiàn)該區(qū)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(qū)在歷史上可能曾經(jīng)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(tài)進行研究，發(fā)現(xiàn)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(jīng)發(fā)育成U型谷。

由于格羅夫山地區(qū)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(huán)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(chǎn)大比例尺的冰下地形圖，同時也沒有發(fā)現(xiàn)液態(tài)冰下湖泊。未來在條件許可的情況下，建議在該區(qū)域展開密集的冰雷達測線調(diào)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(shù)據(jù)采集過程中給予的大力支持和配合。

1 張勝凱，鄂棟臣，閆利，等.東南極格羅夫山GPS控制網(wǎng)的布設與數(shù)據(jù)處理.極地研究，2006，18（2）：123—129.

2 國家海洋局極地考察辦公室.中國南極格羅夫山考察回顧與展望.北京：海洋出版社，2010：1—146.

3 劉小漢，琚宜太.格羅夫山：我國新發(fā)現(xiàn)的一個隕石富集區(qū).極地研究，2002，14（4）：243—246.

4 李廣偉，劉小漢，黃費新，等.東南極格羅夫山薩哈羅夫嶺漂礫暴露年齡初探.極地研究，2009，21（4）：265—271.

5 黃費新，劉小漢，孔屏，等.東南極內(nèi)陸格羅夫山地區(qū)基巖暴露年齡研究.極地研究，2004，16（1）：22—28.

6 琚宜太，繆秉魁.南極格羅夫山于2002—2003年搜集4448塊隕石：新隕石富集區(qū)的證實.極地研究，2005，17（3）：215—223.

7 丁士俊，彭文均.南極格羅夫山地形圖測繪.測繪通報，2001，3（3）：17—18.

8 沈強，鄂棟臣，周春霞.ASTER衛(wèi)星影像自動生成南極格羅夫山地區(qū)相對DEM.測繪信息與工程，2005，30（3）：47—49.

9 程曉，張艷梅.ENVISAT ASAR重軌INSAR用于東南極冰蓋格羅夫山角峰地區(qū)冰流探測的初步結(jié)果.遙感學報，2006，10（1）：118—122.

10 王澤民，艾松濤，張勝凱，等.格羅夫山冰原島峰高程測定.極地研究，2011，23（2）：77—81.

11 鄂棟臣，張辛，王澤民，等.利用衛(wèi)星影像進行南極格羅夫山藍冰變化監(jiān)測.武漢大學學報：信息科學版，2011，36（9）：1009—1011，1016.

12 孫家抦，霍東民，周軍其，等.格羅夫山地無地面控制衛(wèi)星影像數(shù)字制圖和地貌、藍冰及隕石分布分析.極地研究，2001，13（1）：21—31.

13 極地測繪科學國家測繪局重點實驗室.南北極地圖集.北京：中國地圖出版社，2009：43—57.

14 Cuffey K M，Paterson W SB.The Physics of Glaciers.4th ed.New York：Academic Press，2010.

15 Annan A P.Ground Penetrating Radar：Principles，Procedures＆Applications.Mississauga：Sensors＆Software，2003：1—278.

16 白世彪，王建，常直楊.Surfer 10地學計算機制圖.北京：科學出版社，2012：1—105.

17 劉小漢，韋利杰，黃費新，等.東南極冰蓋上新世大規(guī)模退縮事件.地質(zhì)科學，2013，48（2）：419—434.

18 Liu X H，Huang F X，Kong P，et al.History of ice sheet elevation in East Antarctica：Paleoclimatic implications.Earth and Planetary Science Letters，2010，290（3-4）：281—288.

19 Sugden D E，John B S.Glaciers and Landscape：a Geomorphological Approach.London：Edward Arnold，1976.

20 李英奎，劉耕年.冰川槽谷橫剖面沿程變化及其對冰川動力的反映.地理學報，2000，55（2）：235—242.