Estudio GPR profundo del hielo frío en la Antártida
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Estudio GPR profundo del hielo frío en la Antártida

Escrito por la Dra. Mette Kusk-Gillespie

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r. Mette Kusk-Gillespie comparte la historia de un viaje de campo a la Antártida donde ayudó a recopilar datos del radar de penetración terrestre de frecuencia central pulseEKKO® de 25 MHz sobre glaciares y capas de hielo a las asombrosas profundidades de 850 y 1125 metros.

¡A Sensors & Software le encanta compartir historias de clientes en nuestro boletín! Los detalles y descripciones son los del autor y Sensors & Software no ha realizado ninguna edición excepto por errores tipográficos. Si tiene un tema de GPR de interés para compartir, por favor contáctenos y envíe sus sugerencias.

Aunque ahora soy un geofísico más experimentado, los datos que ayudé a recopilar en 2008 durante mis estudios de doctorado en la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda todavía tienen un lugar honorífico en mi oficina en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Noruega Occidental. Me recuerda a las tres semanas que pasé en los magníficos glaciares Darwin y Hatherton en la Antártida. (Figura 1) con sensores y software de 25 MHz pulsoEKKO® Sistema GPR (Figura 2), visualizando capas internas en nieve, firn y hielo, y mapeando lechos glaciares profundos.

Área de estudio de GPR en la Antártida
Figura 1
Área de estudio de GPR en la Antártida, cerca de los glaciares Darwin y Hatherton. Se indican las trayectorias de la línea GPR de 4500 metros de largo a través del glaciar Touchdown que se muestra en la Figura 3 y la línea de 15,000 metros de largo que se muestra en la Figura 4.

Pulso de 25 MHz EKKO GPR
Figura 2
Configuración de GPR pulseEKKO® de 25 MHz utilizando un trineo de plástico hecho a medida desarrollado en la Universidad de Canterbury. Teníamos temperaturas por debajo de menos 30 ° C y traqueteamos a través de grandes áreas de hielo azul, pero el trineo se mantuvo unido. El trineo de madera Nansen se restauró recientemente y se hizo para un fantástico trineo de operador de GPR.

Uno de los primeros perfiles de GPR que recopilamos durante nuestro trabajo de campo en la Antártida de 2008 es la línea de 4500 metros de largo que se muestra en la Figura 3. El perfil cruza el glaciar Touchdown e ilustra bien el alto grado de detalle que se puede lograr con una configuración de antena de 25 MHz. . Los fuertes reflejos de la capa interna poco profunda en los glaciares cubiertos de nieve y firn se relacionan predominantemente con las diferencias de densidad causadas por las condiciones atmosféricas cambiantes durante los eventos de precipitación. Por debajo de cierta profundidad, firn se comprime para formar hielo con una densidad aproximadamente constante y, en cambio, los reflejos de la capa interna están relacionados en gran medida con las capas de polvo volcánico depositadas originalmente en la superficie del glaciar. A lo largo del perfil del glaciar Touchdown, la superficie cambia de condiciones cubiertas de nieve a hielo azul expuesto al final del perfil. En consecuencia, el perfil nos lleva de una región donde la nieve anual se asienta y se comprime para formar firn y eventualmente hielo, a una región donde la nieve y el hielo son removidos de la superficie por fuertes vientos catabáticos. Este cambio se observa claramente en los datos donde las capas internas cercanas a la superficie están ausentes o son más débiles, cerca del final del perfil. (Figura 3a), mientras que la disminución general a través del glaciar en la acumulación anual de nieve da como resultado el hundimiento de las capas cercanas a la superficie hacia el inicio del perfil. (Figura 3b). En profundidad, los reflejos de las capas están en gran parte ausentes y el hielo parece libre de reflejos. Múltiples hipérbolas de difracción dentro del glaciar al comienzo del perfil. (Figura 3b) puede explicarse por la presencia de escombros de desprendimiento de rocas enterrados en las montañas cercanas.

Datos GPR de pulseEKKO
Figura 3a
Perfil totalmente procesado, recopilado con un sistema pulseEKKO® GPR y antenas de frecuencia central de 25 MHz, cruzando el glaciar Touchdown. El perfil se procesó en EKKO_View Deluxe (predecesor de EKKO_Project) usando filtros: 1) banda elástica a un tamaño de paso de 2 m usando datos de GPS, 2) corrección de tiempo cero, 3) Dewow, 4) filtro de paso de banda (0/5/40/60 MHz), 5) ganancia (AGC) y 6) migración.

Amplíe los datos GPR
Figura 3b
Amplíe los datos en el cuadro rectángulo negro en a) que muestra detalles cercanos a la superficie. Este perfil no se migró.

Si bien no observamos esto en la pantalla DVL durante la recopilación de datos, el perfil completamente procesado muestra que el glaciar Touchdown tiene más de 850 m de profundidad en las partes centrales del radargrama. (Figura 3a). La aparente falta de reflejos basales por debajo de los 400 m de hielo durante la recopilación de datos me llevó a la interacción más memorable con cualquier servicio de atención al cliente, ¡y he tenido muchos! Rara vez tiene una segunda oportunidad de recopilar datos en la Antártida, y queríamos asegurarnos de que el extenso traqueteo de las antenas mientras conducía durante largos períodos sobre hielo azul no afectaba la recopilación de datos. Por lo tanto, me puse en contacto con Sensors & Software a través de una mala conexión de teléfono satelital y me dispuse a explicarles la situación. Después de que inicialmente me dijeron que enviara el GPR al distribuidor más cercano para un chequeo, me puse en contacto con un técnico extremadamente ingenioso. Siguiendo su consejo, todas las conexiones de la antena se limpiaron y mejoraron con éxito utilizando un juego de herramientas de whisky, bastoncillos de algodón, envoltorios de papel de aluminio de chocolate y cinta adhesiva plateada.

Quizás fue gracias a estas mejoras que logramos penetrar hasta un asombroso espesor de hielo de 1125 m en uno de nuestros últimos días en el campo. Este es el perfil que está colgado en la puerta de mi oficina, y fue recogido viajando por el glaciar desde donde el hielo fluye hacia la plataforma flotante de hielo Ross. (Figura 4). Es un perfil fascinante que visualiza la condición basal de las zonas de puesta a tierra con un nivel de detalle extraordinario. El contraste dieléctrico entre el hielo y el agua salada genera una reflexión basal muy fuerte al comienzo del perfil, y la base de hielo flotante se caracteriza por suaves escalones casi horizontales que aumentan en profundidad hacia la línea de conexión a tierra. Cerca de la línea de conexión a tierra, la mayor abundancia de hipérbolas de difracción ilustra la presencia de grietas basales a medida que el hielo se flexiona en respuesta a los cambios de marea. El reflejo de la base del hielo es finalmente oscurecido por las hipérbolas solo para reaparecer al final del perfil como un reflejo débil a unos 1125 m por debajo de la superficie del glaciar. En esta ubicación, creemos que el glaciar está asentado y descansando sobre un lecho rocoso.

Amplíe los datos GPR
Figura 4
Perfil de la línea central (ver ruta en la Figura 1) que ilustra el cambio de condiciones de hielo flotante a tierra a medida que viajábamos desde la plataforma de hielo Ross hasta la salida del glaciar Darwin. El perfil se procesó en EKKO_View Deluxe usando filtros: 1) banda elástica a un tamaño de paso de 2 m usando datos de GPS, 2) corrección de tiempo cero, 3) Dewow, 4) filtro de paso de banda (0/5/40/60 MHz), 5) ganancia (AGC) y 6) Corrección de elevación.

El aumento del derretimiento basal por las aguas oceánicas relativamente cálidas y un ensanchamiento aguas abajo de la forma del valle explica el dramático cambio de espesor de hielo de 250 m que ocurre en la región oscurecida por hipérbolas de difracción. Más cerca de la superficie del glaciar, el radargrama se caracteriza por reflejos ondulados de la capa interna y grandes zonas cónicas de alta reflectividad que se extienden desde la superficie del glaciar hasta una profundidad aparente de hasta 400 m. Estas zonas se relacionan con la reverberación de la señal GPR en estanques de agua subterránea poco profundos que a veces se desarrollan en áreas de hielo azul. Tuvimos la desgracia de comprobarlo, ya que una de las motos de nieve rompió la capa de hielo de la superficie. Suena más dramático de lo que era, y como geofísico aprecio mucho el esfuerzo, aunque no intencional, para complementar los conjuntos de datos de GPR con observaciones directas.

Tengo muy buenos recuerdos de este trabajo de campo en la Antártida, ya que ahora paso la mayor parte de mi tiempo trabajando en glaciares noruegos igualmente hermosos pero "cálidos", donde la dispersión de la señal GPR por cuerpos de agua internos limita significativamente el nivel de detalle y la penetración de GPR profundidad. Por ejemplo, en un viaje de campo reciente al glaciar Jostedalsbreen, la configuración de GPR de 25 MHz nos dio una profundidad de penetración generalmente muy por debajo de 200 m. Si bien GPR sigue siendo el método preferido para mapear glaciares cálidos, los datos que se muestran aquí indican claramente que los glaciares fríos son realmente el medio ideal para los estudios GPR.

Para obtener más información sobre la encuesta y los resultados, consulte la siguiente publicación:

Gillespie MK, Lawson W., Rack W., Anderson B., Blankenship DD, Young DA y Holt JW (2017), Geometría y dinámica del hielo del sistema glaciar Darwin-Hatherton, Montañas Transantárticas, Journal of Glaciology, 63, 959- 972.

También puede ponerse en contacto con el autor en el correo electrónico: mette.kusk.gillespie@hvl.no

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