地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (2): 898-901   PDF    
引用本文
任政委, 查恩来, 龙慧, 等. 2017. 中国南极科学考察探地雷达海冰探测. 地球物理学进展, 2017, 32(2): 898-901, doi: 10.6038/pg20170261  
REN Zheng-wei, ZHA En-lai, LONG Hui, et al. 2017. Ground penetrating radar for detecting ice cracks and crevasses in Chinese national Antarctic research expedition. Progress in Geophysics (in Chinese), 32(2): 898-901, doi: 10.6038/pg20170261   
中国南极科学考察探地雷达海冰探测
任政委, 查恩来, 龙慧, 刘文增     
中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 保定 071051
收稿日期：2016-05-13; 修回日期：2017-01-06.
基金项目：国土资源地质大调查项目（12120115042201）“京津唐张交通廊道规划建设区1：5万环境地质调查”.
作者简介：任政委, 男, 1978年出生, 硕士研究生, 高级工程师, 主要从事水工环地球物理勘查及地质灾害防治与研究.(E-mail:76551463@qq.com)
通讯作者：查恩来, 男, 1960年出生, 教授级高工, 主要从事地球物理勘查研究.(E-mail:936097652@qq.com)
摘要：环绕着南极大陆陆缘海冰隐伏冰裂缝发育，严重威胁我国南极科考海冰运输的安全.探地雷达可以精确、快速、有效探测海冰层序空间结构、隐伏冰裂缝两翼形态、冰裂缝的分布范围等关键要素.探冰队对拟选东部线路约22 km进行雷达探冰作业，新发现规模较大隐伏冰裂缝5条.评估了中国第30次南极科考队海冰卸货运输路线，为科考船“雪龙”号上大量物资、科考设备和重型装备安全运抵中山站保驾护航.
关键词：南极科考    探地雷达    海冰探测    冰裂缝    
Ground penetrating radar for detecting ice cracks and crevasses in Chinese national Antarctic research expedition
REN Zheng-wei , ZHA En-lai , LONG Hui , LIU Wen-zeng     
Centre for Hydrogeology and Environmental Geology, CGS, Baoding 071051, China
Abstract: The ice cracks and crevasses around the Antarctic continent marginal seas are a serious threat to the safety of the sea transportation in Chinese National Antarctic Research Expedition. The ground penetrating radar is an accurate, rapid and effective method to prospect the sequence-structure space of the sea ice, the shape of the concealed ice cracks, the distribution of the crevasses and other key elements. The team of ice-prospecting has carried out the ground penetrating radar and the eastern line about 22 km, and 5 concealed ice cracks have been found. It has not only evaluated the transport routes for discharging sea ice in the 30th Chinese National Antarctic Research Expedition, but also provided the security for transporting a large number of materials, scientific devices and heavy equipment to Zhongshan Station.
Key words: the Antarctic scientific research     Ground Penetrating Radar (GPR)     sea ice detection     ice cracks and crevasses    
0 引言

环绕着南极大陆的海冰, 季节变化大、年际波动大、隐伏冰裂缝发育, 堪称地球表面最大季节性变化的自然现象, 十分复杂.我国南极科考物资补给基本按国际通行做法, 采取海冰卸货运输方式.这是一种真正的“如履薄冰”, 危险系数很高 (Tang et al., 2015).如何将科考船“雪龙”号上大量物资、科考设备和重型装备安全运达中山站.是我国每年南极科考时都要面对的难题 (张建松, 2013).因此, 海冰探测显得尤为重要.

目前, 海冰探测主要依靠卫星遥感、船载或机载雷达、电磁感应、激光测距、舰载声纳等设备, 实现了中、大尺度的海冰探测.这些探测设备的广泛应用, 为掌握大范围海冰厚度分布状况及其年际变化特征提供了技术支持 (张建松, 2013; 任杰林等, 2013).然而这些设备无法实现冰裂缝精确定位, 更不能对隐伏冰裂缝宽度、两翼形态作出测算 (鄂栋臣等, 2013).

探地雷达可以精确、快速、有效探测海冰层序空间结构、隐伏冰裂缝两翼形态、冰裂缝的分布范围等关键要素 (常晓敏等, 2013).探地雷达系统主要由主机控制单元、发射和接收天线组成.发射天线向海冰面以下发射高频、短脉冲电磁波, 在海冰介电性质发生变化的界面, 电磁波会发生反射.通过研究电磁波在海冰介质中的传播速度、介质对电磁波的吸收及介质交界面的反射, 可推测海冰薄厚、隐伏冰裂缝两翼形态、空间结构与展布特征等 (王璞玉等, 2011).

1 探冰区概况

2013年12月3日, 中国第30次南极科考船“雪龙”号到达中山站海域指定位置.3000多米深的海上, 覆盖着一层厚厚的陆缘冰.海冰的厚度能否承载数百吨考察物资的运输？白雪覆盖的冰面上有没有隐伏冰裂缝？海冰探测成为本阶段工作重点之一.

中国第30次南极科学考察海冰探测是在多方面技术支持上展开的, 例如气象云图、卫星遥感图、直升机航勘等, 这为本次探冰工作的顺利展开提供了有利条件.图 1为北京时间2013年12月3日中山站区卫星遥感影像.“雪龙”号至中山站之间, 遥感影像清晰解译冰裂缝12条.冰裂缝呈近东西向分布规律, 西部冰裂缝向东延长方向逐渐变窄或消失; 西部海域分布冰山较多, 受冰山活动影响, 西部海域海冰呈现厚薄变化较大、冰裂缝发育较多的特点.东部区域海冰稳定, 冰裂缝发育较少.因此, 东部海域为本次探冰首选区域①.

图 1 中山站区卫星遥感影像 Figure 1 Satellite remote sensing image of Zhongshan Station

① 查恩来等. 2013.雪龙号到中山站海冰运输线路探冰情况报告[R].

冰钻揭示, 海冰空间结构为:积雪层、融水积雪层、硬冰层、富水冰层、海水; 海冰平均厚度1.9 m, 表面积雪厚度约0.4 m, 海冰体厚度平均1.5 m.

2 探地雷达海冰探测工作

探地雷达采用美国SIR-3000系统, 天线采用100 MHz和400 MHz两种主频电磁波发射系统.深度转换参数参照美国科学家约翰威利·森斯 (John Wiley & Sones) 的研究成果, 美国GSSI公司研发的SIR系列探地雷达在南北极开展课题的经验参数值①②.

② 劳累公司. 2005. TerraSIRch SIR System-3000用户手册[Z].

探地雷达数据采集采用100 MHz主频发射天线, 车辆拖拽方式进行探测.针对隐伏冰裂缝集中发育区, 在冰裂缝两翼50 m范围采用400 MHz主频发射天线, 人工拖拽方式进行精细探测 (图 2).一旦发现对海冰运输可能带来安全隐患的冰裂缝, 在海冰缝两翼5 m范围内进行冰钻探测 (图 3).

图 2 探地雷达探测海冰缝 Figure 2 Ground penetrating radar detecting sea ice fissure

图 3 冰裂缝两翼冰钻探测 Figure 3 Drill detecting on both sides of the sea ice fissure

探冰队对拟选东部线路 (图 1绿色) 约22 km进行了探冰作业, 探地雷达揭示:东部线路新发现大量隐伏冰裂缝, 其中规模较大隐伏冰裂缝5条, 依次命名为1#、2#、3#、4#、5#冰裂缝 (图 1).5条冰裂缝距“雪龙”号距离分别为: 6.0 km、9.4 km、13.4 km、19.8 km和20.3 km.次生隐伏冰裂缝集中发育于主冰裂缝两翼30 m范围内, 次生裂缝垂直上下发育、规模较小, 一般影响带宽≤20 cm, 对海冰运输安全隐患较小.

3 海冰探测效果分析 3.1 探地雷达冰裂缝探测典型剖面

探地雷达探测5条规模较大隐伏冰裂缝中, 以5#冰裂缝最为典型.5#冰裂缝距离中山站约1.7 km, 周围发育大型冰山两座.图 4为探地雷达400 MHz天线精细勘查5#冰裂缝二维剖面, 雷达波异常影像清晰反应出海冰空间层序结构, 从上至下依次为:积雪层、融水积雪层、硬冰层、渗水冰层、海水等; 海冰平均总厚度约1.4 m, 海冰体厚度平均约1.2 m, 积雪厚度0.3~0.4 m; 5#冰裂缝两翼海冰呈倒“八”字形, 上窄下宽, 冰裂缝影响带宽8 m; 两翼各发育多条次生隐伏冰裂缝, 次生冰裂缝垂直上下发育、规模较小, 影响带宽≤20 cm.

图 4 原定运输线路过5#冰裂缝雷达探测剖面 Figure 4 The section of ground penetrating radar detecting 5# sea ice fissure in the original transport line

为了验证雷达勘查准确性, 在5#冰缝两翼5 m范围内进行钻孔验证 (表 1).由图 4可得, 雷达解译5#冰裂缝两翼形态与冰钻结果一致.因此, 原定5#冰裂缝路线位置对海冰运输安全隐患较大, 必须更改运输路线.

表 1 5#冰缝两翼海冰厚度 Table 1 5# sea ice thickness of on both side
3.2 新运输路线确定

探冰组利用探地雷达沿着5#冰裂缝发育方向往西北寻找适合运输路段, 发现在靠近悬崖冰山约50 m附近, 积雪厚度和海冰厚度同时增大, 冰雪层序稳定.5#冰裂缝自东南向西北呈树形发育变化.

图 5雷达波异常影像清晰反应了5#冰裂缝由1条较宽冰裂缝发育为3条较窄冰裂缝 (5#-1、5#-2、5#-3), 3条冰裂缝两翼发育近直立, 影响带宽均小于0.3 m.经冰钻探测与雷达解译结果一致 (表 2).

图 5 5#冰裂缝新选运输线路雷达探测剖面 Figure 5 The section of ground penetrating radar detecting 5# sea ice fissure in the new transport line

表 2 5#-1、5#-2、5#-3冰缝两翼海冰厚度 Table 2 5#-1, 5#-2, 5#-3 sea ice thickness of on both side

新探明运输路线海冰平均总厚度约1.8 m, 海冰体厚度平均1.4 m, 积雪厚度约0.4 m.对比原定路线, 新探明运输路线有明显优势, 可作为海冰运输线路通过位置 (图 6).

图 6 运输路线示意图 Figure 6 Sketch map of transport route
4 结论

探地雷达海冰探测是一种快速、准确、有效的地球物理勘查手段.实验证明, 探地雷达可精细探测海冰层序空间结构、隐伏冰裂缝两翼形态、冰裂缝的分布范围等关键要素.可准确、快速评估中国南极科考海冰运输路线, 为”雪龙”号上大量物资、科考设备和重型装备安全运抵中山站保驾护航.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！
参考文献
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