南極冰架結(jié)構(gòu)特征與不穩(wěn)定性綜述

肖 海 峰

(1.同濟(jì)大學(xué)空間信息科學(xué)及可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中心，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

?

·測量·

南極冰架結(jié)構(gòu)特征與不穩(wěn)定性綜述

肖 海 峰1，2

(1.同濟(jì)大學(xué)空間信息科學(xué)及可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中心，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

從前緣線、接地線、冰裂縫、底部裂隙、縫合區(qū)、底部溝渠等方面，介紹了南極冰架的結(jié)構(gòu)特征，并闡述了其與冰架不穩(wěn)定性之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步研究冰架的不穩(wěn)定性和物質(zhì)流失奠定了基礎(chǔ)。

南極，冰架，結(jié)構(gòu)特征，不穩(wěn)定性

1 概述

南極冰層被公認(rèn)為是全球氣候變化研究中最為敏感和關(guān)鍵的區(qū)域之一，其物質(zhì)平衡的微小變化都會(huì)對全球海平面變化、水循環(huán)、大氣熱動(dòng)力循環(huán)等造成顯著影響[1]，而南極冰層物質(zhì)損失的主要途徑是冰架的前端崩解和冰架的底部融化，其中冰架前端崩解和冰架底部融化損失的物質(zhì)量各占到了總物質(zhì)損失量的1/2左右[2]。冰架的不穩(wěn)定性變化會(huì)減少冰架對上游冰川的支撐作用，進(jìn)而導(dǎo)致上游冰川流速加快，物質(zhì)損失加劇[3]。冰架的結(jié)構(gòu)特征主要包括前緣線、接地線、冰裂縫、底部裂隙、縫合區(qū)、底部溝渠和表面融化特征等，這些特征是冰架不穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，對分析冰架的穩(wěn)定性具有重要的意義。六種冰架表面特征舉例見圖1。

2 冰架結(jié)構(gòu)特征及不穩(wěn)定性

2.1 前緣線

冰架前緣線就是冰架到海洋(夏季)或者海冰(冬季，固定冰)的過渡(見圖1a))，前緣線后退一般表明冰架發(fā)生了崩解事件，反之，冰架則產(chǎn)生延伸。前緣線提取的主要方法有目視解譯和自動(dòng)影像分割等，基于的數(shù)據(jù)主要是光學(xué)和雷達(dá)影像鑲嵌圖[4，5]。前緣線變化速率一般可達(dá)每年幾千米至幾十千米。如果冰架前緣不斷退卻，并導(dǎo)致冰架中部向里邊凹陷，形成弓形的前緣幾何特征，那么表明冰架不穩(wěn)定性較高。

2.2 接地線

接地線是南極內(nèi)陸冰蓋和漂浮冰架的分界線，其位置對于南極冰蓋冰架的穩(wěn)定性影響重大，接地線后退由冰架厚度變薄和顯著質(zhì)量變化所致。接地線的提取主要有兩種方法，第一種方法是通過衛(wèi)星影像的紋理特征，分析接地線附近的冰褶曲極限點(diǎn)，進(jìn)一步確定接地線位置[6](見圖2中的Ib)；第二種方法是應(yīng)用激光測高或合成孔徑干涉測量等技術(shù)分析海洋潮汐影響的冰垂直運(yùn)動(dòng)，并確定接地線位置[7],見圖2中的F，I和H點(diǎn)。有些冰架(比如松島冰川，PIG)接地線最大的退卻速率可以達(dá)到每年1.5 km。如果接地線退卻到上傾基巖上形成海洋型冰蓋，那么接地線會(huì)加速退卻，冰架加速變薄，冰架的不穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步增加[8](見圖3)。

2.3 冰裂縫

裂縫是穿透了整個(gè)冰架厚度的斷裂，在影像上會(huì)表現(xiàn)出明顯開口特征(見圖1a))。冰架前端的大型裂縫是冰架崩解的前兆并決定著崩解冰山的尺寸。裂縫里邊通常會(huì)被由多種不同類型的冰組成的特定混合物填充，這種混合物已被證明對裂縫的發(fā)展起著重要的調(diào)節(jié)作用[9，10]。但是這種混合物的構(gòu)造和特性還需要繼續(xù)探究，其對冰裂縫傳播的具體作用也是未知的。有些學(xué)者認(rèn)為這種混合物是一種冰架的穩(wěn)定器，可以將裂縫一邊的應(yīng)力傳遞到另一邊從而阻礙其繼續(xù)擴(kuò)張[10，11]；而另一些學(xué)者則認(rèn)為，從裂縫兩邊冰架上落下的冰塊會(huì)增加裂縫里邊的應(yīng)力，將裂縫進(jìn)一步撕裂開來[9]。當(dāng)前對裂縫的深度演化(通過靜力平衡模型可以反演冰混合物的厚度)的測量主要是利用不同時(shí)期的機(jī)載和星載的激光測高數(shù)據(jù)或者是機(jī)載拍攝的立體影像對，但是前者獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)通常只是沿著固定的軌道或者航線，而后者則很大程度上受限于影像的覆蓋范圍[11，12](見圖4)。裂縫在穿透冰架的縫合區(qū)后會(huì)迅速擴(kuò)張，易造成冰架前端的迅速崩解。

2.4 底部裂隙

底部裂隙是從冰架的底部開始斷裂的，可以穿透整個(gè)冰架厚度的一半以上[13]。近年來的穿透雷達(dá)剖面測量表明在光學(xué)影像上面通常表現(xiàn)為幾百米寬黑白相間線條的冰架表面凹陷是由于底部裂隙引起的冰架粘性調(diào)整所形成的(見圖1a))，這些凹陷因而也通常是處在底部裂隙的正上方，因此確定底部裂隙的位置也可以通過對這些表面凹陷的定位來實(shí)現(xiàn)[13]。底部裂隙在融化加快和應(yīng)力增大的情況下可以轉(zhuǎn)變成裂縫，導(dǎo)致冰架的崩解[14]。

2.5 縫合區(qū)

縫合區(qū)是冰架不同冰流帶之間的帶狀區(qū)域，一般起始在半島下游并一直延伸到冰架前端，表面相對平滑，可以目視解譯[15](見圖1b))。最新的探冰雷達(dá)觀測證實(shí)縫合區(qū)存在海洋冰，而海洋冰相對柔軟的構(gòu)造使縫合區(qū)能更好地分散應(yīng)力并有效阻止裂縫或者裂隙的進(jìn)一步傳播，保持冰架的穩(wěn)定[16]；反之，如果冰架不同冰流帶之間或冰流帶與冰架剪切帶之間的冰流速差異過大則會(huì)導(dǎo)致冰架縫合區(qū)斷裂，裂縫和裂隙形成和擴(kuò)張，損壞冰架的結(jié)構(gòu)完整性，最終加速冰架沿著結(jié)構(gòu)的脆弱區(qū)域崩解。

2.6 底部溝渠

底部溝渠的形成與冰架底部的不均勻融化有關(guān)，一般起始于接地線附近并延伸到冰架的中部，但是在某些情況下可一直延伸到冰架的前端，底部溝渠的形成會(huì)導(dǎo)致表面形成線性的凹陷(見圖4)，可以通過影像上的線性紋理特征對其進(jìn)行識別(見圖1c))。底部溝渠的形成被認(rèn)為和冰架底部的融水羽流有關(guān)系(特別是冰下湖的排洪)，由于這些融水的密度比海水的密度要低，因而其會(huì)夾帶著溫暖的繞極深層水(CDW)漂浮到冰架的底部，造成冰架底部不均勻的融化，慢慢形成底部溝渠[17](見圖5)。底部溝渠的形成會(huì)導(dǎo)致裂縫和底部裂隙的加速形成，對冰架的結(jié)構(gòu)完整性造成損傷，在極端的情況下冰架會(huì)沿著底部溝渠崩解[18]。

2.7 表面融化特征

融水湖是氣候變暖導(dǎo)致的冰架表面融水池，在遙感影像上表現(xiàn)為黑色、平坦的區(qū)域，目前大量出現(xiàn)在南極半島的冰架(仲夏時(shí)節(jié))(見圖1d))。特別的，融水滲透進(jìn)裂縫和表面裂隙后會(huì)通過融水水力壓裂機(jī)制加速其擴(kuò)張，進(jìn)一步增加冰架的不穩(wěn)定性[19]。凹坑為冰架表面低凹地形，可為融水湖里邊的融水遷移后的痕跡，尺寸可達(dá)幾十米到上百米，其原有的融水可通過裂隙進(jìn)入冰架內(nèi)部。如果冰架表面出現(xiàn)了大量的與融水相關(guān)的特征，那么說明大氣溫度較高，表面融化較多，冰架不穩(wěn)定性較大。

3 結(jié)語

冰架的結(jié)構(gòu)特征是冰架穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，從某種程度上可以通過對冰架的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行提取和監(jiān)測來對冰架的穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量的評估。另外，結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的提取也可以為冰蓋冰架模型的準(zhǔn)確預(yù)測提供數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)支撐。

[1] 丁明虎.南極冰蓋物質(zhì)平衡最新研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28(1):24-35.

[2] Paolo,F.S,Fricker,H.A,& Padman,L.Ice sheets.volume loss from antarctic ice shelves is accelerating,Science,2015，348(6232)：327-331.

[3] Scambos,T. A.,Bohlander,J.A.,Shuman,C.U.,et al.Glacier acceleration and thinning after ice shelf collapse in the Larsen B embayment,Antarctica,Geophysical Research Letters,2004,31(18):70-71.

[4] Liu,H.,K.C.Jezek..A complete high-resolution coastline of Antarctica extracted from orthorectified Radarsat SAR imagery, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing,2004,70(5):605-616.

[5] Haran,T.,J.Bohlander,T.Scambos,et al.MODIS Mosaic of Antarctica 2008-2009 (MOA2009) Image Map,Version 1,[Indicate subset used],Boulder, Colorado USA.NSIDC:National Snow and Ice Data Center,2014.

[6] Rignot,E.,Mouginot,J., Scheuchl,B..Antarctic grounding line mapping from differential satellite radar interferometry,Geophysical Research Letters,2011,38(10):111-112.

[7] Gray,A. L.,Short,N.,Mattar,K.E.,et al.Velocities and flux of the Filchner Ice Shelf and its tributaries determined from speckle tracking interferometry, Canadian Journal of Remote Sensing,2001,27(3):193-206.

[8] Hanna,E.,Navarro,F.J.,Pattyn,F.,et al.Ice-sheet mass balance and climate change,Nature,2013,498(7452):51.

[9] Bassis,J.N.,Coleman, R.,Fricker,H.A.,et al.Episodic propagation of a rift on the amery ice shelf, east antarctica, Geophysical Research Letters,2005,32(6):347-354.

[10] Hulbe,C.L.,Rignot, E., Macayeal, D. R..Comparison of ice-shelf creep flow simulations with ice-front motion of filchner-ronne ice shelf, antarctica, detected by sar interferometry, Annals of Glaciology,1998(27):182-186.

[11] Borstad,C.P.,Rignot, E., Mouginot, J., et al.Creep deformation and buttressing capacity of damaged ice shelves: theory and application to larsen c ice shelf, Cryosphere Discussions,2013,7(6):1931-1947.

[12] Howat, I. M., Jezek, K., Studinger, M.,et al.Rift in antarctic glacier: a unique chance to study ice shelf retreat,Eos Transactions American Geophysical Union,2012,93(8):77-78.

[13] Luckman,A.,Jansen,D., Kulessa, B., et al.Basal crevasses in Larsen C Ice Shelf and implications for their global abundance, The Cryosphere, 2012,6(1):113-123.

[14] Jeong,S.,Howat,I. M., Bassis, J. N..Accelerated ice shelf rifting and retreat at pine island glacier, west antarctica,Geophysical Research Letters,2016,43(22):67.

[15] Mcgrath,D.,Scambos,T.,Rajaram, H..The structure and effect of suture zones in the larsen c ice shelf, Antarctica,Journal of Geophysical Research Earth Surface,2014,119(3):588-602.

[16] Kulessa,B.,Jansen,D.,Luckman, A. J.,et al. Marine ice regulates the future stability of a large antarctic ice shelf, Nature Communications,2014,5(4):3707.

[17] Brocq,A.M.L.,Ross, N., Griggs, J. A.,et al.Evidence from ice shelves for channelized meltwater flow beneath the antarctic ice sheet,Nature Geoscience,2013,6(11):945-948.

[18] Alley,K.E.,Scambos,T.A.,Siegfried, M. R.,et al.Impacts of warm water on antarctic ice shelf stability through basal channel formation,Nature Geoscience,2016,9(4):321-322.

[19] McGrath,D.,Steffen,K.,Rajaram,H.,et al. Basal crevasses on the Larsen C Ice Shelf, Antarctica: Implications for meltwater ponding and hydrofracture, Geophysical research letters,2012,39(16):280-281.

On structural features of ice shelf in South Pole and its instability

Xiao Haifeng1,2

(1.ApplicationCenterforSpatialInformationScienceandSustainableDevelopment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.CollegeofSurveyingandGeo-informatics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

From the trimline, ground lead, ice cracks, bottom cracks, sealing zones, and bottom grooves, the paper introduces the structural features for the ice shelf of the South Pole, and illustrates its relationship with the instability of the ice shelf, so as to lay the foundation for the instability and material losses for the ice shelf.

South Pole, ice shelf, structural feature, instability

1009-6825(2017)09-0194-03

2017-01-17

肖海峰(1991- )，男，在讀碩士

P343.6

A