海冰与冰川探测

使用GPR探测斯堪迪纳维亚半岛北极圈内的冰川与海冰

Pekka Maijala

RadarSoft, Kurjenojantie 8, FIN-96600 Rovaniemi, Finland

radarsoft@

John C. Moore

Arctic Centre, University of Lapland, Box 122, FIN-96101 Rovaniemi, Finland

jmoore@levi.urova.fi

Sven-Erik Hjelt, Anja Pälli, Anna Sinisalo.

Geophysics Department, University of Oulu, FIN-90570 Oulu, Finland

seh@sveka.fi, sinisalo@babel.oulu.fi, anjapa@mail.student.oulu.fi

孔祥春王超编译

摘要

近期开始了一项新的研究工作，是使用GPR雷达对斯瓦尔巴德群岛、挪威和瑞典的冰川以及波罗的海、格陵兰海和北冰洋的海冰进行探测。我们采用了玛拉公司和GSSI 的雷达系统，天线中心频率分别为50MHz 和500MHz。50MHz的玛拉天线清楚的探测到冰川的一个基岩返回信号，那里的冰温度接近零度，深度为300米。在多热冰川使用这种用声探测法得到的数据对于研究冰川的内部结构，绘制断层（例如0度下两块水饱和的冰块的边界），以及不含水体的更低温的冰块，有着不可思议的重要作用。子冰河的排水系统已被探测，并且测绘了潜在的巨大的内部水文学断层。在波斯尼亚海湾中含盐度适量的冰上，协同使用了直升机、地面测量与其他的地球物理技术，在两周的时间里对冰的动力学和压力进行了研究。在波罗的海，雷达可以轻松的穿透1－2米厚的普通冰层，但是在冰川相接触的冰脉上，穿透深度要小得多。北极的海水含盐度更高，冰层更厚更古老，而且更佳容易排水，因此我们取得了更多的成功。

关键词：冰河，海冰，北极，波罗的海介绍

与大多数物质不同，冰对雷达波更透明，而且从50年代，在冰河学中就开始用“深度”穿透雷达来测绘冰河和冰盾之下深度为几千米的基岩（例如，Bogorodsky等，1985）。这些雷达是专门为冰河学设计的，而且需要熟炼的操作和专业的维护。然而现在，新一代的更可靠的地面穿透雷达（GPR）已经用于冰川学研究。这些雷达的穿透深度并不太深。GPR还被应用于研究冰川水流的内部断层（Murry等，1997）。因此，对冰河最上层的永久积雪和冰层的性质的研究受到雷达波速度的限制，雷达波的速度影响着探测深度。

然而，还需要注意其他影响着表面冰层的因素。Shallow或GPR雷达通过找到可推定日期的反射层面来测定积聚速度，这种方法曾用于南极的永久积雪（Forster等，1991）和温带冰川（Holmlund和Richardson，1995；Kohler等，1997）。另外，表面附近的雪、永久积雪和冰的介电性能对于解释SAR卫星图片是很重要的（Rott等，1993）。Sars 技术可以监测冰盾的升高和流型，现在它已经成为了冰河学研究的一个重要工具。

雷达波在海冰中的穿透力十分有限，因为海冰中的含盐水吸收雷达波的信号。然而我们认为在含盐度低的波罗的海的海冰上情况会好一点，至少应该能观测海冰上面的冰雪的一切情况。因此我们应该使用一些更有优势的技术来确定海冰的厚度，如低频EM声探测和手工钻孔等。

案例研究

Svalbard的跨温带冰河

按照传统Spitsbergen的冰河依据热结构被分类为近极地的或跨温带型（Schytt，1969；Baranowski，1977）。在他们的冰堆积区和消融区重叠处中间,有一层很厚的低温冰层（温度低于压熔点），下面是处于压熔点的

北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 103

高温冰。永久积雪堆积区的冰层温度适中，

只有冬季寒潮才会把表面附近的永久积雪

降低到冻结温度以下。冰与水的介电性能的

巨大差异使得雷达声探测成为了判别含水

冰与干燥冰(也就是低温冰)的有效工具。在

冰河上,雷达反射得出的结果可能与压熔点

并不严格一致，这是因为水体大小和雷达的

波长的影响（例如Ødegård 等，1997），或是

因为在低温冰中可能存在水体。亚寒带冰河

的结构图表已经被苏联（Macheret 和

Zhuravlev ，1982）和英国－挪威工作组

（Dowdeswell 等人，1984）用空中雷达声探

测技术确定。这两个工作组飞跃了Svalbard 冰河的大部分地区。地面雷达声探测给出了一分更详细和复杂的热结构图（例如，Holmlund 和Eriksson ，1989；Hagen 和Saetrang ，1991；Bjornsson 等，1996；degard 等，1997），有时冰河的大部分都是低温冰，只有最底层处于压熔点。 Hansbreen

1997年五月，Hansbrenn 与波兰的北极基地合作,采集了大约100km 内的雷达信息。在Hansbreen 采用50兆赫RAMAC GPR 的获得的标准断面如图1所示。在每个5.083微妙的时间窗内，进行2048次采样，迭加次数2次，由测量轮控制,每隔1m 扫描一次。雷达被拖在雪上汽车后面4米的地方，用一台爱斯基摩语言的PC 进行数据采集。内部的RAMAC 电池组用一个外部的酸性铅蓄电池补充，可以维持一整天的测量。根据记录，即使在零下30摄氏度也没有出现任何问题。在永久积雪上6000－6500米远处的反射特性很典型，此处高温冰与一些散布的低温冰相接触，可以看到从5750米远处的向下浸渍叶理并与高温冰在6050米处相交。在5800米远出，85米深处有一个大的双曲线反射，可能是一个水道或冰窝。在6500米处靠近表面有一系列尖锐的双曲线反射，可能是由冰隙以及基岩高度和表面倾斜的

变化共同引起的。

图1.用RAMAC 公司50MHz 天线测出的Hansbreen 的部分地区的海拔校正地形图。

Broggerbreen 融水隧道

Broggerbreen 是Svalbard 北部一个小型的跨

温带冰河，在冰河前部的消融区有一个直径

约5m 的巨大冰川锅穴，这是冰河的一个主

要的排水特征地貌。1997年五月我们作了该

隧道附近的冰河的剖面图，并测绘了该冰川锅穴，它从垂直方向偏转并且与冰河在侧边缘附近相交。我们沿着一条复杂粗糙的螺旋形路径，从表面锅穴附近到远处进行测量。可以看到由于隧道的存在，引起的一系列的