航空地球物理勘探在南極調(diào)查中的應(yīng)用

李筱，佟晶，張婉，姚國(guó)濤，張玄杰

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院，北京 100083)

0 引言

南極具有極其豐富的礦產(chǎn)與油氣資源，南極冰蓋穩(wěn)定性也影響著全球氣候與水平面變化，開展南極地區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作具有重要的戰(zhàn)略意義與科學(xué)價(jià)值。但是，覆蓋率超過(guò)95%的南極冰蓋給南極調(diào)查工作帶來(lái)了巨大阻礙。航空地球物理勘探方法(簡(jiǎn)稱航空物探)能夠克服惡劣的自然環(huán)境，具有觀測(cè)效率高、安全性高、成本低等特點(diǎn)，在南極地區(qū)具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為國(guó)際上開展南極區(qū)域調(diào)查的主要方法技術(shù)手段[1-2]。我國(guó)在極地的航空地球物理調(diào)查才剛剛起步，亟須加大對(duì)南極地質(zhì)調(diào)查研究力度，以確保未來(lái)我國(guó)在極地開發(fā)中的話語(yǔ)權(quán)。隨著我國(guó)南極科考后勤保障能力不斷加強(qiáng)，開展大規(guī)模南極航空物探調(diào)查工作的條件日趨成熟，采用國(guó)內(nèi)自主技術(shù)進(jìn)行航空物探調(diào)查勢(shì)必將提到日程上來(lái)。

本文以大量文獻(xiàn)和資料調(diào)研為基礎(chǔ)，回顧了南極航空物探調(diào)查的發(fā)展歷史，跟蹤調(diào)研了航空物探調(diào)查裝備與技術(shù)現(xiàn)狀，歸納了各國(guó)應(yīng)用航空物探方法在南極研究中取得的研究成果，為我國(guó)在南極地區(qū)開展航空物探工作提供借鑒。

1 南極航空物探發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 南極航空物探發(fā)展歷程

航空物探的發(fā)展大致可劃分為2個(gè)階段，即獨(dú)立調(diào)查階段和聯(lián)合調(diào)查階段。

1.1.1 獨(dú)立調(diào)查階段

南極航空物探調(diào)查始于1956年，蘇聯(lián)率先使用固定翼飛機(jī)獲取了Mimy科考站附近的航磁數(shù)據(jù)。1980年以后，美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、印度以及日本等國(guó)都陸續(xù)在東南極開展了航磁調(diào)查。1988年以后，隨著GPS定位技術(shù)的突破，航空物探測(cè)量精度大幅度提高。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家不約而同地加快了南極航空物探調(diào)查速度。在此時(shí)期。各國(guó)獨(dú)立開展了大面積航磁調(diào)查，測(cè)量比例尺達(dá)1∶100萬(wàn)，而航空重力與航空冰雷達(dá)測(cè)量方法使用較少。僅1995～2001年間，以美國(guó)的SOAR測(cè)量計(jì)劃為代表，各國(guó)共獲取了近39萬(wàn)測(cè)線千米的航磁數(shù)據(jù)，局部測(cè)量比例尺達(dá)到1∶50萬(wàn)，覆蓋南極大部分海岸地區(qū)。

1.1.2 聯(lián)合調(diào)查階段

步入21世紀(jì)后，各國(guó)開始通過(guò)政府層面的協(xié)商，簽訂合作計(jì)劃，互幫互助，合作共享，開展極地航空科考工作，填補(bǔ)南極地區(qū)航空物探數(shù)據(jù)的空白。主要合作計(jì)劃有AntGP(南極大地水準(zhǔn)面計(jì)劃)、AGAP(南極甘布采夫省計(jì)劃)、ICECAP(南極中部板塊冰凍圈演化調(diào)查研究計(jì)劃)、IceBridge(兩極冰川調(diào)查計(jì)劃)、PolarGAP(極地冰蓋調(diào)查計(jì)劃)、ROSETTA-Ice(羅斯冰架調(diào)查計(jì)劃)、RAE 61_Aero、WEGAS以及EAGLE計(jì)劃等[3]。

1.2 極地航空飛行平臺(tái)與測(cè)量?jī)x器現(xiàn)狀

1.2.1 測(cè)量飛行平臺(tái)

由于南極氣候環(huán)境復(fù)雜，航空物探調(diào)查工作多限于在南極夏季開展，每年僅有近兩個(gè)月的時(shí)間適于勘測(cè)。在南極地區(qū)開展航空物探工作，需要在短時(shí)間內(nèi)獲取盡可能多的數(shù)據(jù)，并且深入南極大陸以覆蓋更多地區(qū)，因此對(duì)飛行平臺(tái)性能要求較高。南極航空物探飛行主要選用固定翼型飛機(jī)作為主要平臺(tái)，直升機(jī)僅適用于近科考站地區(qū)，無(wú)人機(jī)仍不成熟。為了適應(yīng)極地飛行環(huán)境并搭載多種航空測(cè)量?jī)x器，飛行平臺(tái)需具有冰雪起降、航程遠(yuǎn)、載重大以及能在-40℃下工作等性能特點(diǎn)。世界上已有多個(gè)國(guó)家擁有極地航空調(diào)查專用的固定翼飛機(jī)，具有代表性的主要有我國(guó)與澳大利亞使用的BT-67機(jī)型、英美兩國(guó)使用的雙水獺(Twin Otter)DHC-6機(jī)型、德國(guó)使用的多尼爾(Dornier)228系列機(jī)型以及俄羅斯(蘇聯(lián))使用的IL-14機(jī)型，其中3種機(jī)型的性能參數(shù)對(duì)比見表1。

1.2.2 航空重力儀

隨著衛(wèi)星差分定位技術(shù)的發(fā)展，航空重力測(cè)量精度大幅度提高，具有比衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)更高的分辨率，能反映更細(xì)致的重力異常。各國(guó)使用不同的航空重力儀在極地進(jìn)行了航空重力測(cè)量任務(wù)，目前在南極地區(qū)應(yīng)用的航空重力測(cè)量系統(tǒng)主要有： Lacoste & Romberg S-83?？罩亓x，均方根誤差可達(dá)2.97 mGal； Sander Geophysics地球物理公司的AIRGrav航空重力儀，數(shù)據(jù)均方根誤差可達(dá)1 mGal； Bell Aerospace 公司的BGM-3航空重力儀；俄羅斯研發(fā)的GT-2A航空重力儀，數(shù)據(jù)均方根誤差可達(dá) 1 mGal。Studinger等[4]使用多個(gè)航空重力系統(tǒng)在南極同一地區(qū)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明GT-2A有較好的穩(wěn)定性和分辨率。

表1 極地航空物探固定翼平臺(tái)性能參數(shù)對(duì)比

1.2.3 航空磁力儀

適用于極地航空磁力測(cè)量的磁力計(jì)主要為Scintrex Cs-3等磁力儀，靈敏度可達(dá)0.6 pT。南極大陸冰層很厚，航磁觀測(cè)面距離地表巖石較遠(yuǎn)，因此對(duì)磁力儀性能要求較高。不同于中、低緯度地區(qū)航磁測(cè)量，南極航磁測(cè)量在飛行過(guò)程中需要有效調(diào)整Scintrex Cs-3磁探頭擺放的角度，以達(dá)到最佳測(cè)量效果。

1.2.4 航空電磁系統(tǒng)

航空電磁方法受限于冰層與電磁波能量的屏蔽作用，主要適用于無(wú)冰區(qū)與冰層較薄地區(qū)。在20世紀(jì)末，德國(guó)開展了南極航空電磁試驗(yàn)，測(cè)量了海上冰層厚度。目前已應(yīng)用于南極測(cè)量的航空電磁系統(tǒng)主要有德國(guó)Alfred Wegener研究所(AWI)的直升機(jī)電磁(HEM-Bird)系統(tǒng)[5]，SkyTEM公司的SkyTEM504、SkyTEM312航空電磁測(cè)量系統(tǒng)[6-7]。SkyTEM312是SkyTEM公司的最新型航空電磁測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)射面積約342 m2，具有短發(fā)射磁矩與長(zhǎng)磁矩兩種功能，最大探測(cè)深度可達(dá)600～700 m。

我國(guó)已掌握與目前南極航空物探調(diào)查水平相當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝備與技術(shù)，但在飛行平臺(tái)改裝技術(shù)方面仍有差距。極地的自然地理?xiàng)l件和氣象環(huán)境是對(duì)航空重、磁飛行的最大考驗(yàn)，我國(guó)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)目前還未作為飛行平臺(tái)在極地開展過(guò)測(cè)量工作，參照國(guó)際執(zhí)行極地任務(wù)的飛行平臺(tái)，目前國(guó)產(chǎn)運(yùn)12F機(jī)型具備與其相當(dāng)?shù)男阅?，可作為備選機(jī)型進(jìn)行冰雪起降試驗(yàn)。我國(guó)已掌握GT-2A航空重力儀的測(cè)量技術(shù)手段，在國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)測(cè)量應(yīng)用，但值得注意的是，目前國(guó)內(nèi)使用的GT-2A航空重力儀和Scintrex公司的Cs-3銫光泵磁力儀只適用于緯度小于75°的地區(qū)，在極地應(yīng)用時(shí)需要調(diào)整為極地模式。我國(guó)自主研發(fā)的HC-2000型He光泵磁力儀在極地地區(qū)可能更加適用，其在探頭方向與磁感線夾角較小時(shí)信號(hào)最強(qiáng)，而國(guó)產(chǎn)航空重力儀已經(jīng)在冰島進(jìn)行過(guò)測(cè)試飛行，取得了較好的效果。

1.3 極地現(xiàn)有航空重、磁數(shù)據(jù)情況

隨著南極航空物探調(diào)查工作不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)共享成為各國(guó)合作的必然趨勢(shì)，其中最具代表性的有ADMAP磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)與AntGG重力數(shù)據(jù)庫(kù)，這兩套數(shù)據(jù)庫(kù)分別匯總了南極現(xiàn)有航空、船以及衛(wèi)星等多種手段采集的磁力與重力數(shù)據(jù)(圖1)。

1.3.1 ADMAP磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)

ADMAP計(jì)劃始于1995年，在SCAR與IAGA兩個(gè)組織的支持下，各國(guó)科學(xué)家通力合作匯編了南緯60°以南已有的航空、船測(cè)以及衛(wèi)星測(cè)磁力數(shù)據(jù)。1995～2007年形成了第一階段的磁力數(shù)據(jù)庫(kù)，2008～2018年完成了第二階段磁力數(shù)據(jù)庫(kù)。截至目前，已經(jīng)匯編整理了近350萬(wàn)測(cè)線千米的航磁與船磁數(shù)據(jù)，幾乎覆蓋整個(gè)南極(圖1b)。匯編工作先將所有數(shù)據(jù)處理成網(wǎng)格數(shù)據(jù)，分別通過(guò)插值與濾波方法去除所有測(cè)線中的數(shù)據(jù)間隙、尖刺；在系統(tǒng)差分基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)平，最終將航磁與船磁數(shù)據(jù)匯編為間距1.5 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)；最后，進(jìn)行了波長(zhǎng)大于7 km的低通濾波，得到ADMAP-2數(shù)據(jù)庫(kù)[8]。目前，ADMAP計(jì)劃正在謀劃第三階段工作(ADMAP-3)，計(jì)劃匯編自2012～2019年美、德、英、俄、中等國(guó)采集的近546萬(wàn)測(cè)線千米數(shù)據(jù)。

1.3.2 AntGG重力場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)

AntGG計(jì)劃收集了南極重力數(shù)據(jù)[9]，以2007/2008國(guó)際極地年期間獲得的航空重力數(shù)據(jù)為主，加入了IceBridge計(jì)劃和德國(guó)在毛德皇后地獲取的航空重力數(shù)據(jù)，形成了AntGG南極重力數(shù)據(jù)庫(kù)。目前該數(shù)據(jù)庫(kù)匯編了超過(guò)1 300萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，覆蓋面積達(dá)1 000萬(wàn)km2，近南極陸地覆蓋率達(dá)到73%，南極海域覆蓋率達(dá)到29%。

a—航空重力數(shù)據(jù)覆蓋情況；b—ADMAP-2航磁數(shù)據(jù)覆蓋情況a—free-air gravity anomalies in Antarctica;b—ADMAP-2 compilation of total field magnetic anomalies圖1 南極地球物理數(shù)據(jù)覆蓋情況[7-8]Fig.1 Field geophysical data covering over Antarctica[7-8]

目前,南極航空物探調(diào)查仍處于填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白的階段,其中西南極數(shù)據(jù)覆蓋率最高，測(cè)量比例尺達(dá)到1∶50萬(wàn)。由于補(bǔ)給條件困難等原因，先期調(diào)查主要覆蓋了科考站附近與南極大陸海岸帶,南極極點(diǎn)周邊、伊麗莎白公主地、南極橫斷山等地區(qū)仍存在大量航空物探數(shù)據(jù)空白，將是未來(lái)南極航空重、磁測(cè)量的主要目標(biāo)區(qū)域。近年來(lái)，航空重、磁測(cè)量逐步從小比例尺、低精度發(fā)展為大比例尺、高精度測(cè)量。各國(guó)針對(duì)具體調(diào)查目標(biāo)也開始在重點(diǎn)調(diào)查區(qū)域部署高精度、大比例尺航空重、磁測(cè)量，這也是未來(lái)南極航空物探調(diào)查的主要方面。

2 極地航空物探應(yīng)用現(xiàn)狀

南極處在超大陸地質(zhì)演化的核心區(qū)域，包含著古大陸重建的重要線索，然而，惡劣的自然環(huán)境與覆蓋率達(dá)到99%以上的冰雪層，為南極地質(zhì)調(diào)查與研究帶來(lái)了巨大困難，阻礙了南極地質(zhì)演化的認(rèn)識(shí)。21世紀(jì)以來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)開展南極航空物探調(diào)查取得了一系列成果，主要體現(xiàn)在南極地殼結(jié)構(gòu)、古大陸重建與恢復(fù)、巖漿與火山活動(dòng)以及南極地質(zhì)與冰層相互作用等前沿科學(xué)問(wèn)題的研究上。

2.1 南極地殼結(jié)構(gòu)研究問(wèn)題

地殼是大陸巖石圈的重要組成部分，地殼厚度、結(jié)晶基底界面以及深大斷裂系統(tǒng)等是表征地殼巖石圈結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要參數(shù)，橫跨海陸的航空重、磁數(shù)據(jù)反映了地殼結(jié)構(gòu)與深部構(gòu)造，是我們認(rèn)識(shí)南極大陸區(qū)域構(gòu)造演化歷史的重要媒介。

南極半島長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是古太平洋與岡瓦納大陸的俯沖帶。通過(guò)西南極航空重、磁調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)近1 500 km長(zhǎng)的弧形航磁異常帶，被命名為PMA，可能為多個(gè)弧形異常疊加而來(lái)。據(jù)航磁資料推測(cè)，南極半島可能是一個(gè)島弧復(fù)合塊體[10-11]，由2個(gè)巖漿弧拼合而成，其間保存著近1 500 km長(zhǎng)的縫合線。PMA兩側(cè)的塊體航空重、磁場(chǎng)特征存在差異明顯，表明兩側(cè)地殼成分明顯不同，分別為古太平洋和岡瓦納大陸塊體；沿俯沖帶的航空重、磁場(chǎng)橫向存在差異，揭示了俯沖帶不同部位存在著差異性拼合。Jordan T A等通過(guò)位于該俯沖帶中部Adelaide島的大比例尺航空重、磁數(shù)據(jù)，反演得到了Adelaide中生代島弧的三維結(jié)構(gòu)[12]，結(jié)合地表露頭測(cè)年證據(jù)，認(rèn)為該島弧在古近紀(jì)停止俯沖；俯沖帶北部Anvers島的航磁異常特征表明，一些微小塊體在俯沖過(guò)程中消亡[13]。

航空重、磁數(shù)據(jù)可以作為確定地體邊界與劃定地體展布的依據(jù)。南極大陸作為岡瓦納大陸的主體，保存了眾多組成岡瓦納大陸的地體，這些地體之間的接觸縫合線位置仍不清楚。最新的航空重、磁異常特征為劃定其間各地體邊界提供了依據(jù)。前人對(duì)毛德皇后地東部的TOAST地體進(jìn)行了大量研究，通過(guò)地質(zhì)年代學(xué)和地球化學(xué)分析確認(rèn)了該地體是拉伸紀(jì)(1 000～850 Ma)形成的海洋弧形地體[14]，認(rèn)為其與勞亞古陸重新聚合、岡瓦納大陸形成有關(guān)，但其平面展布范圍仍未被完整揭示。德國(guó)AWI研究中心Ruppe等基于最新的航空重、磁數(shù)據(jù)，進(jìn)一步厘定了TOAST的平面展布范圍(圖2)[15]，認(rèn)為其大小與南極半島相當(dāng)。TOAST地體的航磁特征表現(xiàn)為多個(gè)弧形條帶狀航磁異常，具有NW—SE向延伸趨勢(shì)，表明其可能由兩個(gè)或多個(gè)的弧形地體拼合組成。目前受限于數(shù)據(jù)空白，其南部邊界仍不清楚。

a—TOAST地體的航磁異常；b—TOAST地體范圍a—aeromagnetic anomaly over TOAST;b—the range of TOAST圖2 TOAST地體的航磁異常與平面范圍[15]Fig.2 Aeromagnetic anomaly and geological structure character of TOAST[15]

基于航空重力數(shù)據(jù)，可以反演得到地殼厚度模型，反映南極各地區(qū)的巖石圈厚度變化，為劃分基底構(gòu)造單元提供依據(jù)。Jordan T A等基于Wilkes盆地的航空重、磁數(shù)據(jù)，進(jìn)行了地殼厚度反演[16]，結(jié)果表明該盆地南北地殼厚度差近15 km，認(rèn)為后期伸展作用對(duì)盆地北側(cè)產(chǎn)生了重要影響。Davis等使用重、磁、震聯(lián)合反演方法描述了南極東部海域Enderby盆地地殼形態(tài)[17]。在盆地東、中、西3段分別選取典型剖面反演(圖 3)，結(jié)果顯示盆地由東向西地殼厚度逐漸減小，火山巖的發(fā)育也逐漸減弱，推斷東岡瓦納大陸裂解過(guò)程中，地殼形變和海底擴(kuò)張程度沿裂谷走向存在差異。

圖3 Enderby盆地東部重、磁震聯(lián)合反演剖面[17]Fig.3 Aeromagnetic and gravity fitting inversion profile in the eastern Enderby basin and its crustal structure interpretation[17]

2.2 古大陸重建與恢復(fù)

南極大陸是岡瓦納古陸的核心[18]，也是現(xiàn)今唯一與所有南半球大陸(南美洲、非洲、馬達(dá)加斯加島、印度、澳大利亞以及新西蘭)有共同邊界的古陸[19]，因此，確定超大陸裂解與拼合過(guò)程中斷裂的對(duì)應(yīng)關(guān)系、恢復(fù)板塊間的相對(duì)位置關(guān)系是南極地質(zhì)演化研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。大量研究成果表明，將航空重、磁數(shù)據(jù)與地質(zhì)年代學(xué)、地球化學(xué)和古地磁數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，可以作為重建岡瓦納、羅迪尼亞和哥倫比亞超大陸的重要依據(jù)[20]。

東南極的毛德皇后地(Dronning Maud Land)記錄了東南極Grunehogna克拉通與非洲Kaapvaal克拉通之間的相對(duì)古位置信息。以往重建東南極與非洲相對(duì)古位置都是基于兩大陸之間的擴(kuò)張洋中脊的磁異常條帶數(shù)據(jù)，而最新的航磁數(shù)據(jù)覆蓋了兩側(cè)陸域，為重建東南極與非洲古位置提供了進(jìn)一步約束。Riedel等[21]以Leinweber和Jokat[22]發(fā)表的東南極與非洲古大陸重建模型為基礎(chǔ)，使用G-Plates軟件將東南極與非洲板塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拼合，恢復(fù)后的兩個(gè)板塊上典型磁異常特征走向、位置以及大小都表現(xiàn)出較好的一致性。拼合后，兩個(gè)大陸的深部斷裂構(gòu)造也可以很好地對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)一步說(shuō)明航磁數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于古大陸重建。

Aitken等[23]基于ICECAP項(xiàng)目采集的航空重、磁數(shù)據(jù)，恢復(fù)了南極Wilkes地與澳大利亞近南極側(cè)的相對(duì)古位置。依據(jù)Williams等[24]建立的Leeuwin古大陸模型，Aitken等將兩個(gè)大陸的航磁異常與剩余均衡重力異常拼合起來(lái)，重建岡瓦納大陸裂解前的重、磁異常圖，形成古岡瓦納大陸拼合模型(圖4)。拼合后模型顯示兩個(gè)大陸保存了許多相似結(jié)構(gòu)，兩個(gè)大陸上有磁性的花崗巖有著相似的重、磁場(chǎng)特征，其間的重要縫合帶可以很好地連接起來(lái)。基于拼合后模型的重、磁異常對(duì)比結(jié)果，修正了前人的南極與南澳大利亞古大陸重建模型。

2.3 南極火山與巖漿作用

火山與巖漿活動(dòng)伴隨著板塊俯沖、拼合及大陸裂解過(guò)程，廣泛分布于廣袤的南極大陸?；鹕脚c巖漿活動(dòng)記錄了板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程，也影響著冰架下熱流分布，因而揭示南極冰架下的南極火山與侵入巖體展布等特征一直是南極研究的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。航空物探調(diào)查為研究南極大陸冰下巖漿與火山作用提供了重要信息。

a—航磁總場(chǎng)異常；b—均衡剩余重力異常a—total magnetic intensity anomaly data；b—isostatic residual gravity anomaly data圖4 基于 Leeuwin模型恢復(fù)[24]的160 Ma岡瓦納大陸南極Wilkes地與澳大利亞近南極側(cè)古大陸對(duì)比重建圖[23]Fig.4 Reconstruction of Gondwana fit at 160 Ma[23]based on the Leeuwin model[24]

Vries等[25]使用形態(tài)分析方法研究了航空冰雷達(dá)測(cè)得的冰層厚度數(shù)據(jù)，在已知火山口的位置約束下結(jié)合航空重、磁數(shù)據(jù)，建立了西南極火山口的航空重、磁識(shí)別標(biāo)志，并據(jù)此推測(cè)出西南極存在138座冰下火山[25]，其中91座為新發(fā)現(xiàn)火山口。其研究結(jié)果表明，火山口在冰雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面中表現(xiàn)為直徑不超過(guò)5 km的錐形，同時(shí)具有環(huán)狀磁異常特征，識(shí)別出的火山口多沿西南極裂谷帶展布，分布密度達(dá)到約每18 500 km2分布1座火山。此外，基于航空重、磁數(shù)據(jù)還可以建立火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。南極半島北部詹姆斯—羅斯島哈丁頓火山是一座復(fù)式火山，自中新世至今持續(xù)噴發(fā)，但受到冰層覆蓋，對(duì)于該火山的演化過(guò)程認(rèn)識(shí)較少。Jordan T A等[26]基于航空重力數(shù)據(jù)，建立了該火山的三維結(jié)構(gòu)模型。認(rèn)為該火山對(duì)應(yīng)布格重力正異常，可能由一個(gè)埋藏較淺的低密度體引起，推測(cè)為火山灰充填了火山口，需要進(jìn)一步驗(yàn)證；Ghidella[27]通過(guò)該區(qū)域的航磁資料，分析得到了該火山噴發(fā)堿性火山巖的分布范圍，反演得到多個(gè)向下延伸約3 km的近垂直高磁化率異常體，認(rèn)為該火山存在多個(gè)噴發(fā)中心與巖漿通道。

在岡瓦納大陸裂解過(guò)程中，南極大陸爆發(fā)了大規(guī)模的巖漿活動(dòng)，形成了Karoo-Ferrar大火成巖省。為了探明與Karoo-Ferrar大火成巖省相關(guān)的侵入巖體展布，英國(guó)南極調(diào)查局開展了多次航空物探調(diào)查。Jordan T A等[28]依據(jù)航空重、磁數(shù)據(jù)，在東南極Coats地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)航空布格重力異常大于50 mGal，航磁異常大于1 000 nT的長(zhǎng)80 km、寬30 km的異常體。通過(guò)重、磁聯(lián)合反演，推測(cè)該異常可能為高密度、高磁化率的輝長(zhǎng)巖體，認(rèn)為其形成于岡瓦納大陸裂解過(guò)程中，與下地幔巖漿活動(dòng)有關(guān)。

2.4 南極地質(zhì)與冰蓋之間的相互作用研究

2.4.1 南極冰下地形與地貌研究

長(zhǎng)期的遙感觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，海水對(duì)于冰架的侵蝕是引起冰架減少的重要原因。接地線是指海水與冰架相互作用發(fā)生的位置，接地線變化表明冰架物質(zhì)增加或者減少，是冰川變化與海平面變化的重要指示器。南極海岸帶地形條件復(fù)雜，很難對(duì)接地線進(jìn)行直接觀測(cè)，通過(guò)衛(wèi)星遙感或其他間接方法也很難獲得準(zhǔn)確的海岸帶地形數(shù)據(jù)。高精度航空重力測(cè)量為南極海岸帶地形測(cè)量提供了有效解決方案。

針對(duì)兩極海洋與冰架強(qiáng)烈交互地區(qū)，美歐國(guó)家有針對(duì)性地開展了航空物探調(diào)查Operation IceBridge計(jì)劃，測(cè)量?jī)蓸O消融較快冰架區(qū)域的冰下地形。美國(guó)加州大學(xué)Romain Millan等[29]基于航空重力異常數(shù)據(jù)，首次在Crosson和Dotson冰架下發(fā)現(xiàn)了向內(nèi)陸延伸的冰下峽谷(圖5)，南大洋溫暖海水沿冰下峽谷內(nèi)流侵蝕冰架，加速了冰川溶解。Operation IceBrige計(jì)劃獲得的地形數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)， 不同地形條件對(duì)冰架穩(wěn)定性的影響不同。Thwaites冰下地形外高內(nèi)低，導(dǎo)致海水易向內(nèi)陸流動(dòng)，使得冰川快速溶解；而在南極半島，Constantino等[30]基于南極半島航空重力數(shù)據(jù)反演得到的冰下地形結(jié)果表明，南極半島存在沿岸山脊阻擋了海水內(nèi)流，因而南極半島冰架更加穩(wěn)定。

a—南極沿岸冰架接地線示意;b—阿蒙德森海沿岸航空重力異常;c—航空重力數(shù)據(jù)觀測(cè)曲線與反演擬合計(jì)算曲線;d—基于航空重力數(shù)據(jù)反演得到的Dotson冰架冰下E-E'剖面地形(粉色為MBES測(cè)量數(shù)據(jù)，黑色為重力反演結(jié)果曲線)a—grounding line model in Antarctic coastal ice shelf； b—free-air gravity anomalies in Dotson Ice Shelf;c—the observed and calculated airborne gravity anomaly；d—inverted surface topography of Dotson Ice Shelt E-E'profile based on airborne gravity data圖5 基于航空重力數(shù)據(jù)反演得到的Dotson冰架冰下地形[29]Fig.5 Basement surface topography under Dotson Ice inverted by airborne gravity data[29]

2.4.2 南極地?zé)嵬坑?jì)算

南極地?zé)嵬渴悄蠘O巖石圈的重要?jiǎng)恿W(xué)邊界條件，影響南極冰蓋溫度和巖石圈流變性質(zhì)。但南極地?zé)嵬繜o(wú)法直接觀測(cè)，僅可以通過(guò)低分辨率的衛(wèi)星磁測(cè)數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)以及靠近各國(guó)科考站的零星鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行間接計(jì)算。

Martos等[31]基于ADMAP磁場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，反演得到南極居里面深度，依據(jù)熱力學(xué)模型估算南極全區(qū)地表地?zé)嵬糠植?圖6)。該結(jié)果將原有地?zé)嵬糠植紙D精度提高了近50%。研究結(jié)果表明，全南極地?zé)嵬恐荡笾聻?2～180 mW/m2,平均值為68 mW/m2，與全球大陸地?zé)嵬科骄祷鞠喈?dāng)。高地?zé)嵬恐诞惓Ｖ饕挥谖髂蠘O裂谷與南極半島附近，最大值近170 mW/m2；東南極的地?zé)嵬恐嫡w較低，由沿岸向中心逐漸變小。

2020年，Johnson A B等[32]聯(lián)合多個(gè)科學(xué)家發(fā)布了南極地?zé)嵬垦芯堪灼?，系統(tǒng)介紹了目前的南極地?zé)嵬垦芯糠椒ǎ赋隽烁黝惙椒ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)。

圖6 南極地?zé)嵬糠植糩33](底圖為南極冰下地形)Fig.6 Geothermal heat flux distribution at the ice-rock [33](interface superimposed on subglacial topography)

不同的巖石圈與地幔的結(jié)構(gòu)模型和巖石物理性質(zhì)，得到的南極地?zé)嵬拷Y(jié)果有很大差異，因此需要更多鉆井與地質(zhì)露頭以及地幔包體等提供的地?zé)嵬恐导s束，并綜合多源數(shù)據(jù)建立更加精確的南極殼幔結(jié)構(gòu)模型。

2.4.3 航空電磁方法揭示海冰厚度與地下水分布

目前應(yīng)用航空電磁方法在南極開展的調(diào)查工作還相對(duì)較少，主要以試驗(yàn)性測(cè)試為主。Pfaffling等[33]2003年使用德國(guó)AWI研究所研制的直升機(jī)頻率域電磁系統(tǒng)進(jìn)行了海上浮冰厚度測(cè)量，最大可探測(cè)厚度達(dá)3 m，測(cè)量結(jié)果與海冰直流電阻率原位測(cè)量方法得到的結(jié)果基本一致[34]。在美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助下，Mikucki J A等實(shí)施了ANTAEM計(jì)劃，先后于2011年與2018年在南極羅斯海沿岸Taylor峽谷進(jìn)行了兩次航空電磁試驗(yàn)性測(cè)量，旨在調(diào)查南極凍土層厚度與地下水分布。兩次測(cè)量均使用了SKYTEM公司儀器，獲得的航空電磁數(shù)據(jù)反演結(jié)果很好地顯示了地下電阻率結(jié)構(gòu)[6,35]。以鉆井資料為約束的反演結(jié)果表明，該區(qū)凍土層厚約300～400 m，具有較高電阻率。同時(shí)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地下存在低阻層，認(rèn)為是地下水和冰下湖以及地表水系相連的通道(圖7)。該項(xiàng)調(diào)查為航空電磁法在極地開展類似工作提供了較好的示范。

圖7 Taylor峽谷電阻率反演成果(a)與地下水流通解釋模式(b)[6]Fig.7 Resistivity cross-section for the length of the Taylor Valley(a) and conceptual diagram depicting predicted hydrological connectivity(b)[6]

3 結(jié)語(yǔ)與建議

1) 南極地殼結(jié)構(gòu)研究、南極古大陸重建與恢復(fù)、南極火山與巖漿作用調(diào)查和南極冰架與地質(zhì)相互作用研究等典型實(shí)例表明，航空地球物理勘探是解決南極地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題的有效技術(shù)手段。

2) 目前，南極航空地球物理勘探處于填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白和重點(diǎn)區(qū)域高精度中大比例尺測(cè)量階段，具有向南極大陸內(nèi)部探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)于南極超大陸聚散過(guò)程中涉及的演化過(guò)程、古太平洋俯沖帶特征和中新生代裂谷等問(wèn)題，已成為南極地質(zhì)研究的焦點(diǎn)，可作為我國(guó)下一步南極航空地球物理勘探的重點(diǎn)。

3) 航空重、磁方法與航空冰雷達(dá)探測(cè)方法的結(jié)合，能夠提升南極冰下地質(zhì)的準(zhǔn)確性，是解決南極冰層與基巖相互作用問(wèn)題的重要手段，可作為我國(guó)南極航空地球物理勘探的新方向。