南极洲冷冰的深度探地雷达调查
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南极洲冷冰的深度探地雷达调查

由 Mette Kusk-Gillespie 博士撰写

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河Mette Kusk-Gillespie 分享了她去南极洲实地考察的故事,在那里她帮助收集了 25 米和 850 米深的冰川和冰盖的脉冲EKKO® 1125 MHz 中心频率探地雷达数据。

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尽管我现在是一名经验更丰富的地球物理学家,但我在 2008 年在新西兰坎特伯雷大学攻读博士学位期间帮助收集的数据在我在西挪威应用科学大学的办公室中仍然占有一席之地。 这让我想起了在南极洲壮丽的达尔文冰川和哈瑟顿冰川上度过的三个星期 (图1) 使用 25 MHz 传感器和软件 脉冲EKKO® GPR系统 (图2),可视化雪、冷杉和冰的内部层,并绘制深冰川床。

南极洲GPR勘测区
图1
南极洲的 GPR 调查区,靠近达尔文冰川和哈瑟顿冰川。 图 4500 所示的跨越触地冰川的 3 米长的 GPR 线和图 15,000 所示的 4 米长的 GPR 线的路径已标出。

25 MHz 脉冲EKKO GPR
图2
25 MHz 脉冲EKKO® GPR 设置使用坎特伯雷大学开发的定制全塑料雪橇。 我们的温度低于负 30°C,并在大片蓝色冰区上嘎嘎作响,但雪橇却紧紧地抱在一起。 木制的南森雪橇经过全新修复,专为出色的 GPR 操作员雪橇而打造。

我们在 2008 年南极实地考察期间收集的第一批 GPR 剖面之一是图 4500 所示的 3 米长的线。该剖面穿过触地冰川,很好地说明了 25 MHz 天线设置可以实现的高度细节. 积雪和杉木覆盖的冰川中强烈的浅层内层反射主要与降水事件期间大气条件变化引起的密度差异有关。 在一定深度以下,冷杉压缩形成密度大致恒定的冰,而内部层反射主要与最初沉积在冰川表面的火山尘埃层有关。 沿着触地冰川剖面,表面从积雪覆盖的条件变为剖面最末端暴露的蓝色冰。 因此,该剖面将我们从一个每年积雪沉降并压缩形成冷杉并最终形成冰的地区,到一个因强降级风从地表移除冰雪的地区。 在靠近剖面末端的近表面内层不存在或较弱的数据中可以清楚地观察到这种变化 (图 3a), 而跨冰川的年积雪普遍减少导致近地表层向剖面开始倾斜 (图 3b). 在深度,层反射基本上不存在,冰看起来没有反射。 剖面开始处冰川内的多个衍射双曲线 (图 3b) 可以通过附近山脉中埋藏的落石碎片的存在来解释。

来自pulseEKKO的GPR数据
图3a
完全处理的剖面图,使用pulseEKKO® GPR 系统和25 MHz 中心频率天线收集,跨越着陆冰川。 配置文件在 EKKO_View Deluxe(EKKO_Project 的前身)中使用过滤器进行处理:1) 使用 GPS 数据将步长调整为 2 m,2) 时间零校正,3) Dewow,4) 带通过滤器 (0/5/40/60) MHz)、5) 增益 (AGC) 和 6) 迁移。

放大 GPR 数据
图3b
放大 a) 中黑色矩形框中的数据,显示近地表细节。 此配置文件未迁移。

虽然我们在数据收集过程中没有在 DVL 显示中观察到这一点,但经过完全处理的剖面图显示,达阵冰川在雷达图的中心部分深度超过 850 m (图 3a). 在数据收集过程中,在 400 米以下冰层明显缺乏基础反射导致我与任何客户支持的最难忘的互动,我有很多! 在南极洲,您很少有第二次机会收集数据,我们希望确保在蓝冰上长时间驾驶时天线的广泛嘎嘎声不会影响数据收集。 因此,我通过一个糟糕的卫星电话连接联系了 Sensors & Software,并开始向他们解释情况。 在最初被告知将 GPR 发送到最近的经销商进行检查后,我与一位足智多谋的技术人员取得了联系。 按照他的建议,使用威士忌、棉花棒、巧克力箔包装和银色胶带的工具组成功地清洁和改进了所有天线连接!

也许正是由于这些改进,我们在野外的最后一天设法渗透到了惊人的 1125 m 厚的冰层。 这是挂在我办公室门上的轮廓,它是从冰川流入漂浮的罗斯冰架的冰川收集的 (图4). 这是一个引人入胜的剖面图,以非凡的细节水平描绘了接地区域的基本条件。 冰和盐水之间的介电对比使得剖面开始处的基底反射非常强烈,而浮冰基底的特点是平滑的近水平台阶向接地线的深度增加。 在接地线附近,衍射双曲线丰度的增加表明,随着冰层响应潮汐变化而弯曲,基底裂缝的存在。 冰底反射最终被双曲线遮蔽,仅在冰川表面以下约 1125 m 处作为弱反射重新出现在剖面的末端。 在这个位置,我们相信冰川是固定在基岩上的。

放大 GPR 数据
图4
中心线剖面图(参见图 1 中的路径)说明了我们从罗斯冰架前往达尔文冰川出口时从浮冰条件到接地冰条件的变化。 轮廓在 EKKO_View Deluxe 中使用过滤器进行处理:1) 使用 GPS 数据将橡皮筋调整为 2 m 步长,2) 时间零校正,3) Dewow,4) 带通滤波器 (0/5/40/60 MHz),5)增益 (AGC) 和 6) 高程校正。

相对温暖的海水和下游山谷形状的扩大导致基础融化增加,解释了在衍射双曲线遮蔽的区域发生的 250 m 冰厚变化。 靠近冰​​川表面,雷达图的特点是起伏的内层反射和从冰川表面延伸到高达 400 m 的视深的高反射率大锥形区域。 这些区域与有时在蓝冰区形成的浅表下水池中 GPR 信号的混响有关。 我们不幸验证了这一点,因为其中一辆雪地滑板车突破了表面冰层。 这听起来比实际情况更具戏剧性,作为一名地球物理学家,我非常感谢通过直接观察来补充 GPR 数据集的努力,尽管是无意的!

我对南极洲的这项野外工作有着非常美好的回忆,因为我现在大部分时间都在同样美丽但“温暖”的挪威冰川上工作,其中内部水体对 GPR 信号的散射极大地限制了细节水平和 GPR 穿透深度。 例如,在最近对 Jostedalsbreen 冰川的实地考察中,25 MHz GPR 设置为我们提供了通常远低于 200 m 的穿透深度。 虽然 GPR 仍然是绘制暖冰川图的首选方法,但此处显示的数据清楚地表明,冷冰川确实是 GPR 调查的理想介质。

有关调查和结果的更多信息,请参阅以下出版物:

Gillespie MK、Lawson W.、Rack W.、Anderson B.、Blankenship DD、Young DA 和 Holt JW (2017),达尔文-哈瑟顿冰川系统的几何和冰动力学,横贯南极山脉,冰川学杂志,63, 959- 972.

您也可以通过电子邮件联系作者:mette.kusk.gillespie@hvl.no

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