唐學(xué)遠(yuǎn) 孫波 崔祥斌

（國(guó)家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)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(jī)載脈沖雷達(dá)高度計(jì)（pulsed radar altimeters）探測(cè)南極冰蓋的冰厚以來，人類使用雷達(dá)技術(shù)對(duì)南極冰蓋的直接觀測(cè)已有50多年的時(shí)間。雷達(dá)技術(shù)得以作用于冰蓋的原因是冰蓋對(duì)兆赫級(jí)的電磁波是透明的。雷達(dá)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(jìn)，穿越冰蓋的長(zhǎng)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(dá)觀測(cè)內(nèi)部層調(diào)查。早期研究的焦點(diǎn)是辨識(shí)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(yùn)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(dòng)力學(xué)和冰下水系統(tǒng)的研究。通過雷達(dá)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(dá)冰川學(xué)（Radioglaciology）。2008年，國(guó)際冰川學(xué)會(huì)（IGS）在西班牙馬德里召開“Radioglaciology and its Application”研討會(huì)，成為雷達(dá)冰川學(xué)被認(rèn)可并走向成熟的標(biāo)志。雷達(dá)冰川學(xué)較重要的研究領(lǐng)域即是通過雷達(dá)圖像顯示的冰蓋內(nèi)部反射功率譜信號(hào)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(gè)特點(diǎn)：（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(shí)而成的冰層，因而具有“等時(shí)性”（isochronous），稱為內(nèi)部等時(shí)層；（2）內(nèi)部等時(shí)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)和演化。內(nèi)部等時(shí)層在冰川學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)很多，例如1970年代，英國(guó)劍橋大學(xué)斯科特極地研究中心（Scott Polar Research Institute，SPRI）與美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)（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(jī)載冰雷達(dá)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(gè)西南極的內(nèi)部等時(shí)層數(shù)據(jù)集及其應(yīng)用實(shí)例。崔祥斌等［6］在討論關(guān)于冰雷達(dá)在南極冰蓋的應(yīng)用綜述時(shí)對(duì)此有一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹，但是還沒有一個(gè)有關(guān)內(nèi)部等時(shí)層研究進(jìn)展的綜合描述。鑒于此，有必要針對(duì)南極冰蓋內(nèi)部等時(shí)層研究進(jìn)展做一個(gè)系統(tǒng)的闡述。

圖1 SPRI在1970年代獲得Vostok區(qū)域的機(jī)載雷達(dá)斷面顯示的內(nèi)部等時(shí)層（圖片為冰蓋雷達(dá)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(shí)層：定義與表示

冰雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果并不是簡(jiǎn)單的反射波組合，而是多個(gè)反射相互干涉的結(jié)果［7-8］。雷達(dá)圖像顯示的冰蓋剖面實(shí)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(shí)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(gè)主要的冰內(nèi)電介質(zhì)差異被識(shí)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(dá)接收的冰蓋內(nèi)部反射信號(hào)用其接收和記錄的反射信號(hào)電壓值（記為W）的對(duì)數(shù)表達(dá)式給出，稱為反射功率（記為A），其中一種表達(dá)方式是：A＝20lgW［11］。通過雷達(dá)反射信號(hào)數(shù)據(jù)，內(nèi)部等時(shí)層可由圖像形式直觀表達(dá)（圖2）。圖像分為單道或多道記錄波形圖（A-Scope）和多道時(shí)間剖面圖（Z-Scope）［12］。通常，在空間尺度上識(shí)別并提取內(nèi)部等時(shí)層使用Z-Scope圖像。利用Z-Scope圖像顯示的內(nèi)部等時(shí)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(shí)反射信號(hào)易被測(cè)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(shí)層產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)或者斷裂，而很難被示蹤。分析單點(diǎn)回波信號(hào)時(shí)，則使用A-Scope。

圖2 雷達(dá)生成的冰蓋內(nèi)部反射信號(hào)圖.縱坐標(biāo)表示冰蓋下方相對(duì)于表面的深度.A-scope（右）：橫坐標(biāo)表示雷達(dá)反射功率譜值A(chǔ)；Z-scope（左）：橫坐標(biāo)表示距離雷達(dá)觀測(cè)測(cè)線的起始點(diǎn)的水平距離（據(jù)文獻(xiàn)［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(shí)層產(chǎn)生的原因

南極冰蓋雪的密實(shí)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(gè)明顯的深度臨界點(diǎn)：從表面向下，隨深度增加密度迅速增加，密實(shí)化過程由機(jī)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(dá)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(jìn)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(shì)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(shì)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(shí)性特征［14-15］。在判別內(nèi)部等時(shí)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(shí)，有效途徑為采用雙頻或多頻冰雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)對(duì)比，分析雷達(dá)回波信號(hào)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(shí)，密度變化很小，不會(huì)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(xiàn)［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(duì)優(yōu)勢(shì)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(duì)介電常數(shù)PD的影響和冰晶結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)電導(dǎo)率的影響（CA），這里f為電磁波頻率。冰雷達(dá)信號(hào)不是記錄的反射功率系數(shù)，而是接收功率的時(shí)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(zhǎng)以及折射增益。

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

通過對(duì)比兩種頻率的雷達(dá)反射信號(hào)，計(jì)算其反射功率差值，可判定出反射主要是由哪種變化機(jī)制所引起的。物理機(jī)理在于：與頻率相關(guān)的獨(dú)立項(xiàng)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(xiàng)，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(xiàng)值為0（dB）；如果反射主要是由CA引起，則ΔPR中第一項(xiàng)值為20lg（f2/f1）（dB）。假定固定雷達(dá)的 λ、PT和G等參數(shù)，則第二項(xiàng)C將是一個(gè)固定的差值。通過觀測(cè)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(dá)信號(hào)包含的冰體信息，可給出冰蓋雷達(dá)剖面上由密度、冰晶組構(gòu)和酸性物質(zhì)決定的各個(gè)區(qū)域以及信號(hào)盲區(qū)（Echo-Free Zone，EFZ）。

冰晶組構(gòu)與內(nèi)部等時(shí)層的關(guān)系是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。研究表明冰晶組構(gòu)可能也具有等時(shí)特征，然而它易受冰體流動(dòng)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?yàn)楦飨蛲蕴卣?，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(dá)極化測(cè)量可識(shí)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(guó)第21次南極考察隊(duì)在Dome A開展的旋轉(zhuǎn)極化面觀測(cè)，共測(cè)量了覆蓋360°范圍內(nèi)的16個(gè)方向反射功率系數(shù)。研究表明：Dome A多極化面雷達(dá)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(zhǎng)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(gè)測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)單道A-scope的冰蓋內(nèi)部回波信號(hào)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(guó)第21次南極考察隊(duì)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(dá)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(jī)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(shí)層的形變

內(nèi)部等時(shí)層的形態(tài)被認(rèn)為與冰流運(yùn)動(dòng)與冰下地形緊密相關(guān)。首先，等時(shí)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(shí)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(shí)層信號(hào)擾動(dòng)通常由不規(guī)則的冰流所引起。內(nèi)部等時(shí)層受到冰流劇烈的擾動(dòng)，形成不規(guī)則的空間分布。數(shù)值模擬表明，內(nèi)部等時(shí)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(shí)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(dòng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致冰蓋內(nèi)部冰流出現(xiàn)顯著的垂向運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)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(shí)層漸近重合［23］。

另一方面，冰巖界面信號(hào)返回時(shí)在表面產(chǎn)生的平移依賴于冰下地形的波長(zhǎng)，其結(jié)果也會(huì)影響等時(shí)層的形變。由于內(nèi)部等時(shí)層會(huì)追蹤冰下地形，覆蓋長(zhǎng)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(gè)冰下山峰（不論其空間尺度多大）將使內(nèi)部等時(shí)層產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)層會(huì)出現(xiàn)局部背斜和向斜現(xiàn)象。在積累率增加的局部，等時(shí)層出現(xiàn)向上突出的背斜層；而在積累率相對(duì)減少的局部，內(nèi)部等時(shí)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(shí)別的等時(shí)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(dá)信號(hào)中顯示的內(nèi)部等時(shí)層水平分辨率在數(shù)十米級(jí)，而垂向分辨率至少在米級(jí)，因此雷達(dá)剖面顯示的內(nèi)部等時(shí)層的不連續(xù)或斷裂來自結(jié)構(gòu)性干涉信號(hào)的缺失［7］。

4 內(nèi)部等時(shí)層的應(yīng)用

4.1 深冰芯斷代與選址

內(nèi)部等時(shí)層反映了冰蓋的冰體介電性質(zhì)的成層性變化和擾動(dòng)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(shí)間的冰體形變特征。通過內(nèi)部等時(shí)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(duì)深冰芯候選點(diǎn)進(jìn)行斷代和估計(jì)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(shí)層將 Dome C與Vostok冰芯連接起來，在長(zhǎng)度超過500 km雷達(dá)剖面里找出的5條連續(xù)的內(nèi)部等時(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)的冰年代輕。Steinhage等［27］對(duì)EPICA在毛德皇后地（Dronning Maud Land，DML）的冰芯鉆探計(jì)劃做出前期調(diào)查，在其深度的2/3范圍內(nèi)的雷達(dá)剖面上部，對(duì)數(shù)百上千米范圍內(nèi)的等時(shí)層同時(shí)進(jìn)行了示蹤定年，對(duì)DML深冰芯鉆探候選位置進(jìn)行了評(píng)估。另外，可通過內(nèi)部等時(shí)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(dú)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(dá)測(cè)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(diǎn)存在涵蓋末次冰期-間冰期旋回記錄的冰芯，是一個(gè)潛在的高分辨率冰芯鉆探理想位［28］。對(duì)Hercules Dome和南極點(diǎn)之間冰蓋雷達(dá)斷面的研究顯示那里存在一個(gè)適合冰芯鉆探的冰下盆地，該盆地埋藏在一個(gè)有顯著表面侵蝕，海拔高達(dá)1 400 m的冰下山脈附近［29］?？梢栽O(shè)想，利用內(nèi)部等時(shí)層連接的相關(guān)性可將目前的深冰芯研究熱點(diǎn)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(shí)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(dòng)力學(xué)過程

內(nèi)部等時(shí)層也可被用來研究冰蓋流動(dòng)歷史及內(nèi)部形變過程，并評(píng)估冰蓋內(nèi)部形變及估計(jì)速度場(chǎng)的空間分布特征［6］。基于雷達(dá)剖面能估計(jì)并描繪冰蓋內(nèi)部一些特殊區(qū)域的流場(chǎng)特征，平坦的內(nèi)部等時(shí)層往往暗示冰下湖泊的出現(xiàn)，而湖上方等時(shí)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(shí)層通過湖岸坡度判斷，可以計(jì)算湖中的水深以及對(duì)湖泊表面上方的冰蓋流場(chǎng)進(jìn)行估算［31］。在某些特定情況下內(nèi)部等時(shí)層可作為冰蓋內(nèi)部流場(chǎng)的指示物，如褶皺形態(tài)的內(nèi)部等時(shí)層通常伴有一條揭示古冰流特征的長(zhǎng)距離對(duì)稱軸（數(shù)十至數(shù)百上千米不等），此類對(duì)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(dá)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(dá)內(nèi)部等時(shí)層建立的冰流與等時(shí)層褶皺變化關(guān)系概念模型（據(jù)文獻(xiàn)［32］改畫）.（a）內(nèi)部等時(shí)層褶皺可被看做是冰流穿越無滑動(dòng)/滑動(dòng)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(shí)層褶皺上冰體額外的應(yīng)變，進(jìn)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(shí)層是否被擾動(dòng)這一性質(zhì)可對(duì)冰蓋雷達(dá)斷面進(jìn)行分類，其中被擾動(dòng)的內(nèi)部等時(shí)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(shí)層近似平行于冰蓋表面與底部地形等幾何曲面。被擾動(dòng)內(nèi)部等時(shí)層和光滑冰下地形能表征過去或者目前的增強(qiáng)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(cè)數(shù)據(jù)，也可通過冰蓋雷達(dá)圖像，并綜合數(shù)值化計(jì)算（如冰蓋底部的粗糙度和底部反射因子），識(shí)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(shí)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(shí)層，將這些層連接到Vostok冰芯后進(jìn)行了定年，再使用一個(gè)二維的冰流模式去計(jì)算穩(wěn)定條件下內(nèi)部等時(shí)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(gè)大的表面消融區(qū)。內(nèi)部等時(shí)層的幾何形態(tài)也蘊(yùn)含著冰穹運(yùn)動(dòng)的信息。事實(shí)上，冰蓋的弧形內(nèi)部層總是出現(xiàn)在底部?jī)鼋Y(jié)的穩(wěn)定冰穹內(nèi)部。如果底部處于冰的壓力融點(diǎn)之上，通過雷達(dá)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(dòng)，從而識(shí)別出冰穹已經(jīng)發(fā)生了遷移或者底部發(fā)生了滑動(dòng)的特征［35］。

冰下山脈的地形與冰流的時(shí)空演化圖景直接相關(guān)。內(nèi)部等時(shí)層的形態(tài)與冰下地形的相關(guān)性對(duì)于了解冰蓋內(nèi)部的冰體運(yùn)動(dòng)歷史尤為重要。一般來說，內(nèi)部等時(shí)層與冰下地形之間的關(guān)系有兩種特征：（1）內(nèi)部等時(shí)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(shí)層不會(huì)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(shí)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(gè)力學(xué)模式顯示這兩種特征是冰下地形波長(zhǎng)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(zhǎng)與冰厚可比較或者小于冰厚時(shí)，內(nèi)部等時(shí)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(zhǎng)波波段時(shí)，內(nèi)部等時(shí)層表現(xiàn)為褶皺。不管是固定的冰床還是滑動(dòng)的冰床，內(nèi)部等時(shí)層形成上述兩種特征之一的決定性因素是冰下地形波長(zhǎng)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(zhǎng)小于冰速除以積累率時(shí)（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(shí)），內(nèi)部等時(shí)層與冰流線的形態(tài)相似，即此時(shí)內(nèi)部等時(shí)層可以用來近似表征冰流線。

4.3 冰蓋物質(zhì)平衡

在各個(gè)歷史時(shí)期的表面冰雪積累率空間分布對(duì)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(cè)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(duì)于理解當(dāng)今的積累率分布存在很大限制。另一方面，對(duì)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(jī)雷達(dá)剖面，對(duì)內(nèi)部等時(shí)層進(jìn)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(jìn)型）得到了積累率的空間分布［36］。計(jì)算結(jié)果也用來判斷古冰蓋在過去某個(gè)特定時(shí)間或者時(shí)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(shí)氣象或者氣候特征的關(guān)系。例如，通過使用內(nèi)部等時(shí)層信息的計(jì)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(shí)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(zhǎng)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(cè)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(dá)剖面中顯示的內(nèi)部等時(shí)層，并利用Byrd冰芯及另一支在該冰穹附近鉆取的105 m長(zhǎng)的冰芯研究表明，在過去5 000—3 000年時(shí)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(qiáng)（circumpolar vortex）產(chǎn)生的周期性震蕩，即積累率高的時(shí)期可能對(duì)應(yīng)著繞極渦較弱的時(shí)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(gè)強(qiáng)的物質(zhì)支出，因?yàn)槟菚r(shí)Kamb Ice Stream是活躍的。相反，最近Pine Island和Thwaites冰川流速的增強(qiáng)，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(shí)層成為探討冰蓋穩(wěn)定性的重要媒介。相對(duì)于西南極冰蓋來說，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)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(dá)圖像顯示的內(nèi)部等時(shí)層褶皺，識(shí)別出了一個(gè)已不再活躍的冰流增強(qiáng)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(diǎn)可能需進(jìn)一步厘清。

4.5 冰下環(huán)境

冰下底部環(huán)境對(duì)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(shí)，內(nèi)部等時(shí)層會(huì)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(huì)產(chǎn)生冰蓋內(nèi)部等時(shí)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(shí)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(gè)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(dá)1 000 m［39-40］。另外，冰蓋內(nèi)部回波強(qiáng)度和冰厚可被用來估計(jì)局部區(qū)域的平均變化率，評(píng)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(shí)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(hào)或者信號(hào)很弱的區(qū)域。由于缺乏其來源的直接證據(jù)，以前對(duì)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(diǎn)的反射信號(hào)，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(shí)層信號(hào)的缺失與冰流的擾動(dòng)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(dòng)。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(shí)層清晰存在的冰蓋區(qū)域顯著不同。若EFZ不是來源于雷達(dá)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(gè)重要因子［43］。即EFZ可作為一個(gè)冰芯古氣候反演指示物。因此，通過其上方的內(nèi)部等時(shí)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(huì)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(shí)層缺失的部分EFZ區(qū)域也能被新的雷達(dá)系統(tǒng)識(shí)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(duì)流、冷卻，或是當(dāng)水從陡峭谷壁被擠迫而上遭遇超級(jí)冷凍時(shí)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(zhǎng)雷達(dá)斷面顯示的冰巖界面、內(nèi)部等時(shí)層、信號(hào)盲區(qū)與底部反射信號(hào)“亮區(qū)”表達(dá)的重復(fù)凍結(jié)冰區(qū)域；（b）根據(jù)雷達(dá)圖像描述的內(nèi)部等時(shí)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(dá)1 100 m，其上方的內(nèi)部等時(shí)層向上偏轉(zhuǎn)擾動(dòng)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(shí)層斷裂，并趨近冰巖界面（圖片引自文獻(xiàn)［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(dá)剖面內(nèi)反映的冰蓋內(nèi)部與底部回波信號(hào)，也被用來調(diào)查冰巖界面的狀態(tài)，測(cè)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(hào)中提取有關(guān)冰巖界面的信息，并給出一個(gè)有關(guān)信號(hào)在冰體中衰減的估計(jì)。底部環(huán)境可通過FFT（快速傅里葉變換）分析雷達(dá)圖像顯示的底部粗糙度來刻畫。來自東南極的雷達(dá)數(shù)據(jù)得到的粗糙度實(shí)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(duì)穿越西南極Institute到M?ller冰流雷達(dá)斷面與穿越Siple Coast海岸冰流的底部冰下粗糙度進(jìn)行的計(jì)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(gè)例子表明粗糙度可以用來評(píng)估是否存在冰下沉積物、沉積物的范圍以及冰川動(dòng)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(duì)冰蓋內(nèi)部等時(shí)層已在更大的時(shí)間與空間尺度上進(jìn)行了量化分析，擴(kuò)張了對(duì)南極冰蓋的理解與認(rèn)識(shí)。內(nèi)部等時(shí)層研究在南極冰蓋的演化、冰蓋動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用顯示未來對(duì)內(nèi)部等時(shí)層的更深刻理解與科學(xué)運(yùn)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(duì)內(nèi)部等時(shí)層的物理與化學(xué)本質(zhì)，以及在冰蓋動(dòng)力學(xué)演化歷史中的角色進(jìn)行進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)。需要引入更廣泛的分析技術(shù)與理論針對(duì)多尺度的內(nèi)部等時(shí)層分布進(jìn)行研究。同樣地，在數(shù)值模擬方面，對(duì)內(nèi)部等時(shí)層的研究依賴于目前已經(jīng)獲得的對(duì)內(nèi)部等時(shí)層的觀測(cè)與理論事實(shí)。需要在抽象的物理?xiàng)l件下進(jìn)行新的計(jì)算及結(jié)果分析與提煉。需要結(jié)合更多尺度的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄、遙感和地球物理技術(shù)。未來研究?jī)?nèi)部等時(shí)層的潛在途徑及其可能面臨的挑戰(zhàn)，涉及如下幾點(diǎn)。

（1）冰雷達(dá)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(shí)空尺度上對(duì)內(nèi)部等時(shí)層演化進(jìn)行研究的機(jī)遇。這可能使我們對(duì)冰蓋內(nèi)部等時(shí)層蘊(yùn)含的冰蓋內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程、南極冰蓋潛在不穩(wěn)定性等機(jī)理有更明確的解析，進(jìn)而加深對(duì)冰蓋演化的預(yù)測(cè)及其對(duì)未來海平面變化貢獻(xiàn)的了解。內(nèi)部等時(shí)層包含了反演古冰蓋歷史與過程以及預(yù)測(cè)其未來變化的關(guān)鍵證據(jù)，然而對(duì)埋藏在冰蓋表面以下的包含古冰流信息的內(nèi)部等時(shí)層仍然缺乏系統(tǒng)的觀測(cè)。冰雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展使得我們有機(jī)會(huì)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?jī)鼋Y(jié)狀態(tài)等）。因此發(fā)展更精細(xì)描述并測(cè)試內(nèi)部等時(shí)層結(jié)構(gòu)時(shí)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(yàn)證有關(guān)冰蓋起源及其演化和底部沉積與滑動(dòng)過程的假設(shè)，同時(shí)能避開目前仍無法觀測(cè)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?cái)?shù)據(jù)的獲取，及其覆蓋范圍的擴(kuò)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(huì)為內(nèi)部等時(shí)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(shí)間進(jìn)行極地野外考察，并要求衛(wèi)星遙感技術(shù)、冰雷達(dá)技術(shù)和冰芯鉆探取樣等能進(jìn)行集成觀測(cè)。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(shí)層的地球物理成像，例如對(duì)Dome A、Dome C和Ridge B的冰雷達(dá)測(cè)量。此類冰蓋“典型”區(qū)域可視為用于測(cè)試冰雷達(dá)設(shè)備和技術(shù)，檢驗(yàn)適用于空間尺度更大和時(shí)間尺度更長(zhǎng)的有關(guān)內(nèi)部等時(shí)層的猜測(cè)、理論和物理定律。結(jié)合數(shù)值模擬，可獲得冰蓋內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的基本原則，并通過對(duì)在所有尺度上的分析，提供大陸冰蓋尺度的冰內(nèi)動(dòng)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(shí)層圖像，應(yīng)強(qiáng)化冰蓋冰下環(huán)境的重復(fù)觀測(cè)。

（3）雖然在利用內(nèi)部等時(shí)層推測(cè)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(jìn)，但缺乏顯著進(jìn)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(shí)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(shí)質(zhì)突破。反演冰蓋物質(zhì)平衡的一條主要途徑是研究?jī)?nèi)部等時(shí)層標(biāo)示的古冰蓋內(nèi)部及其底部動(dòng)力過程，特別是古冰流的動(dòng)力學(xué)。這需要地球物理觀測(cè)方式與冰蓋數(shù)值模擬技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用。但是如何從內(nèi)部等時(shí)層蘊(yùn)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(duì)此，目前知之甚少，而這是評(píng)估冰蓋不穩(wěn)定性及其對(duì)海平面變化的重要前提。

致謝英國(guó)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(jī)載雷達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)比較圖，在此深表謝意。

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