东南极伊丽莎白公主地冰下地球物理特征研究

【类型】学位论文

【作者】李霖 

【关键词】 伊丽莎白公主地,约束条件下的重力密度界面反演,冰下水系,航空冰雷达,地壳均衡,冰下湖,居里面,冰下裂谷

【摘要】在过去的一个世纪里,全球的海平面已经上升了19cm,这主要是由于冰层融化和海水因为温度升高膨胀而引起的。冰川和冰盖正在萎缩,预计到2050年,北极区将成为几近无冰的区域,逐渐提高的海平面正在威胁着人类的栖息地。南极冰川有可能在未来几个世纪内的气候变化影响下将全球海平面提升几米。因此,对南极冰盖消融与积累影响因素的研究,特别是冰下基岩构造及其热力学特征的认识非常重要。目前除了在南极冰盖少量的冰芯钻探以及沿海冰架以下的水下机器人取样外,只能通过地球物理方法了解冰盖以及冰下基岩深部状况。伊丽莎白公主地是南极洲海拔最高的区域,被厚达4km的冰盖覆盖,人们对于其冰盖以下的构造了解甚少。笔者于2015年12月加入我国第32次南极科学考察队航空地球物理勘探项目组,以新购置的雪鹰601固定翼飞机为平台,开展我国首次南极洲航空地球物理勘探,对伊丽莎白公主地大部分区域进行了详细调查。基于最新获得的29条航空地球物理测线数据,分析了伊丽莎白公主地冰下地球物理特征,包括基于航空冰雷达数据分析冰下裂谷及区域冰岩界面构造,基于航空重力数据在雷达约束条件下分析冰下水系分布状态以及区域地壳均衡状态,基于航磁数据了解居里面起伏对地热通量分布的影响。冰雷达探测是目前了解南极冰下地形起伏最主要的手段。世界各国对南极洲的冰雷达探测已经覆盖了南极冰盖大部分区域,但伊丽莎白公主地目前仅有四条冰雷达剖面,对于区域冰下地形的了解基本都是通过卫星测高数据从冰盖表面的细微高程变化推断而来,并不能够准确得到区域冰盖与基岩界面的起伏状况。特别是区域冰下裂谷以及盆地的构造状况,存在人为主观理解因素较大的问题。我国对南极冰盖的冰雷达探测研究起步较晚,目前仅有从中山站到昆仑站沿途一条路线的多次地面冰雷达测量,存在观测区域单一,数据资料有限以及数据处理、分析能力不足的问题。本文结合我国首次航空冰雷达探测,分析机载冰雷达数据特点,进行有针对性的处理,总结出一套符合冰盖特性的机载冰雷达数据处理方法,结合人工干预下的半自动界面提取方法对冰岩界面进行提取,最大限度地得到准确的冰层、冰岩界面状况。对研究区域冰下地形进行细致分析,分析峡谷形成主因,首次实地探明伊丽莎白公主地冰下大裂谷,定量刻画大裂谷地形特征,分析大裂谷详细的构造状态。利用重力资料反演密度界面起伏是解释地质构造特征的一项重要任务。本文结合南极冰下湖区域冰盖-湖水-基岩的构造特点,提出基于冰雷达探测得到的已知深度点约束条件下的三维界面反演方法,使得重力界面反演结果更为准确。目前通过卫星测高数据对冰面凹陷的分析了解到伊丽莎白公主地可能存在一个大型冰下湖,卫星资料仅支持对冰下湖规模进行大致的估计。本文结合航空冰雷达以及航空重力数据,基于冰雷达约束条件下的三维重力界面反演方法对此冰下湖基底进行反演,以获得其构造特点。分析结果显示此冰下湖仅为狭长湖体的一部分,整个湖体很有可能成为继南极洲最大的冰下湖——Vostok湖之后的第二大冰下湖,有巨大的研究价值。结合冰下裂谷与冰下水体的赋存关系,对冰下水系进行分析,结果显示水体内陆上游为分布式形态,系统排水效率不高,倾向于增加冰体沿冰床界面的滑动;向北逐渐过渡到通道式形态,水流量增加,加速向沿海区域排水,其水体网络基本上不影响冰盖与基岩界面的基础润滑作用。均衡重力异常与地壳垂向的重力均衡补偿运动密切相关,透过地壳的均衡状态可以了解区域地壳的稳定性。伊丽莎白公主地冰下山脉广泛分布,海拔最高达到3000km以上,加上其巨大的上覆冰盖,对地壳的均衡状态产生很大影响。本文通过艾里均衡模型计算了伊丽莎白公主地均衡重力异常,分析了伊丽莎白公主地地壳均衡状态。结果显示区域整体呈负均衡异常,南部内陆负异常绝对值很大,这极有可能是由于冰盖的消融产生的强大不平衡作用力,推动地壳不断上升、加厚,以补充由冰盖流失产生的物质亏损。居里面作为地球内部一个全球范围分布的地球物理界面,与大陆地壳热分布特征相关。计算结果显示伊丽莎白公主地整体等温居里面较浅,表现为地表地热通量较大,使冰盖底部加速融化,从而可以理解此处冰下水系广泛分布的地壳深部因素。

【学位名称】博士

【学位授予单位】吉林大学

【学位授予年度】2017

【导师姓名】吴燕冈;孙波

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